呂 彪，鄒喜華，張 軍，黃高勇，田廣映，劉欣志，李沛陽，蔡檬嶼

平交道口智能防護系統(tǒng)開發(fā)與實踐教學(xué)應(yīng)用

呂 彪1，鄒喜華1，張 軍1，黃高勇1，田廣映1，劉欣志1，李沛陽2，蔡檬嶼1

（1. 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031）

為建立平交道口、列車、機動車三方信息共享與協(xié)同工作機制，開發(fā)了具有列車接近預(yù)警、異物入侵檢測并及時報警等功能的平交道口智能防護系統(tǒng)?；赟SH架構(gòu)和手機APP將列車接近信息發(fā)送給道口預(yù)警范圍內(nèi)的機動車司機，防止機動車誤入道口。采用超聲波和人體紅外檢測技術(shù)檢測道口內(nèi)異物，將異物信息通過ZigBee發(fā)送給列車司機，提醒司機采取安全措施。經(jīng)測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性高。

平交道口；智能防護系統(tǒng)；實踐教學(xué)

平交道口是指公路與鐵路在同一平面上互相交叉的處所，廣泛分布于普速鐵路、有軌電車、企業(yè)專用鐵路等線路區(qū)段[1-7]?，F(xiàn)有平交道口防護系統(tǒng)智能化程度低且缺乏異物入侵檢測機制，存在很大安全隱患[1-4]。

改進平交道口安全防護機制是減少平交道口安全事故的有效途徑。為改進現(xiàn)有平交道口安全防護機制，以四川省2018—2020年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目、西南交通大學(xué)本科教育教學(xué)改革與研究項目以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目為依托，以建立多方（道口、列車、機動車）信息共享和協(xié)同工作機制為基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)了具有列車接近預(yù)警、異物入侵檢測并實時報警功能的平交道口智能防護系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于實踐教學(xué)。

1 平交道口防護

現(xiàn)有平交道口防護方式可分為人工防護和自動防護。人工防護是在道口管理人員收到列車接近的消息后，手動或遙控欄木機和道口信號機向車輛和行人報警；自動防護是通過軌道電路將列車接近信號及時傳遞到道口，自動開啟道口防護裝置。不同道口防護方式的特點如表1所示。

現(xiàn)有道口防護方式有以下不足：

表1 現(xiàn)有道口防護方式

（1）道口值守人員操作失誤或?qū)ν话l(fā)情況處置不當(dāng)，易釀成道口事故；

（2）異物檢測與處置機制落后，效率較低；

（3）部分道口防護裝置不完善、警示標(biāo)志不明顯，容易導(dǎo)致機動車司機誤入道口。

2 設(shè)計原理

2.1 系統(tǒng)功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用嵌入式系統(tǒng)、ZigBee和NRF無線通信、Android等技術(shù)進行開發(fā)設(shè)計，系統(tǒng)預(yù)期功能包括：

（1）當(dāng)列車接近道口時，通過ZigBee組網(wǎng)技術(shù)自動開啟道口防護裝置，同時手機APP通知道口附近的機動車司機注意避讓；

（2）當(dāng)人體感應(yīng)模塊和超聲波模塊檢測到道口有異物入侵并進行分類后，道口硬件設(shè)備將信息傳遞給列車端，通過語音報警裝置提示列車司機提前采取安全措施；

（3）異物清除后，列車端收到通知通過道口；

（4）當(dāng)列車通過道口后，手機APP解除提醒同時道口防護裝置關(guān)閉。

在上述過程中，服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)、傳輸與存儲。

系統(tǒng)由列車硬件設(shè)備、道口硬件設(shè)備、手機APP和服務(wù)器組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)實物設(shè)計

系統(tǒng)實物設(shè)計主要是道口硬件、列車硬件、服務(wù)器和手機APP的設(shè)計。

（1）道口硬件以STC12C5A60S2為控制中心，配合超聲波模塊和人體紅外檢測模塊檢測是否有異物入侵道口，使用ZigBee和NRF模塊實現(xiàn)無線通信。單片機將列車接近信息通過GPRS模塊推送到服務(wù)器。

（2）列車硬件設(shè)備以STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，以ZigBee CC2530實現(xiàn)列車與道口的通信，使用語音模塊實現(xiàn)語音報警功能，使用NRF24L01無線模塊作為輔助通信設(shè)備。當(dāng)ZigBee設(shè)備發(fā)生故障時，列車上的NRF24L01與ZigBee節(jié)點設(shè)備上的NRF24L01建立通信，及時告知列車司機ZigBee設(shè)備異常，讓列車司機采取相應(yīng)措施，緩慢駛向道口，達(dá)到故障導(dǎo)向安全的目的。

（3）服務(wù)器的設(shè)計采用SSH（Spring + Struts + Hibernate）框架，在Struts 2集成JSON插件用于傳輸服務(wù)器和APP的信息，利用Java語言編寫Web服務(wù)器端程序；使用MYSQL數(shù)據(jù)庫存儲各種信息，手機APP通過JSON和服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，硬件設(shè)備可以通過HTTP協(xié)議同服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。

（4）手機APP。調(diào)用加速度計獲取手機指向；調(diào)用高德地圖API完成基本的地圖功能并實現(xiàn)車輛與道口預(yù)警范圍的空間關(guān)系的判斷；調(diào)用手機GPS模塊獲取當(dāng)前坐標(biāo)；基于SOAP協(xié)議通過無線網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器獲取列車接近消息并比對道口位置和手機位置。

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

系統(tǒng)硬件和軟件實物分別如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

圖3 軟硬件實物展示

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

（1）建立多方信息共享和協(xié)同工作機制。在道口附近通過ZigBee技術(shù)組成局域網(wǎng)，當(dāng)列車接近時道口防護裝置開啟，有異物入侵時道口向列車報警，實現(xiàn)列車與道口間的信息共享和協(xié)同工作；利用GPRS技術(shù)，通過道口設(shè)備將列車接近信息發(fā)送至服務(wù)器，APP向道口附近的機動車司機進行預(yù)警，實現(xiàn)道口與機動車司機間的信息共享。

（2）異物入侵檢測并向列車報警。防護裝置啟動后，人體紅外檢測模塊和超聲波模塊對平交道口進行檢測，在檢測到有異物入侵后，按入侵異物危害程度進行類別劃分，并將異物信息通過ZigBee直接發(fā)送給列車司機，對其進行語音提醒。

（3）列車接近預(yù)警。道口硬件設(shè)備通過GPRS模塊將列車接近信息上傳到服務(wù)器，服務(wù)器將道口位置信息發(fā)送至APP，通過比對APP和道口的位置，對已處于預(yù)警范圍內(nèi)的機動車司機進行預(yù)警。

（4）故障導(dǎo)向安全。在列車接近道口時，若組網(wǎng)失敗，列車的NRF模塊與地面ZigBee節(jié)點上的NRF模塊建立通信，提示列車司機即將接近道口，并將列車接近信息通過ZigBee傳遞至道口硬件設(shè)備。

4 系統(tǒng)性能測試

為驗證系統(tǒng)性能，進行了多次測試。測試指標(biāo) 包括：

（1）不同環(huán)境下道口與列車組網(wǎng)距離；

（2）對道口入侵異物的分類檢測結(jié)果；

（3）從檢測到列車接近至道口附近司機收到避讓提醒的時間；

（4）從有異物入侵道口到列車司機收到報警信息的時間。

經(jīng)測試，不同道口環(huán)境下ZigBee成功組網(wǎng)距離為：平原2140 m，山區(qū)1960 m，工礦2050 m，橋隧2050 m，城市2110 m，可見道口環(huán)境對ZigBee成功組網(wǎng)距離影響較小，在列車距離道口約2 km時即可完成組網(wǎng)。

系統(tǒng)響應(yīng)時間的測試結(jié)果表明：在異物入侵后平均3 s內(nèi)可完成對列車的報警，平均4 s內(nèi)可完成對道口范圍內(nèi)機動車司機的預(yù)警。

5 實踐教學(xué)應(yīng)用

平交道口智能防護系統(tǒng)不僅可直接培育成大學(xué)生科創(chuàng)競賽項目，而且可進行二次開發(fā)與功能拓展，進一步培育成創(chuàng)新型實驗項目。

（1）開發(fā)成果已培育成大學(xué)生科創(chuàng)競賽項目。本系統(tǒng)是在教師指導(dǎo)下由不同專業(yè)學(xué)生合作、歷時1年多完成的，研究成果已凝練成競賽項目參加全國大學(xué)生交通科技大賽、全國高校智能交通創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)大賽、中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等權(quán)威賽事，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力發(fā)揮了積極作用[8-10]。

（2）開發(fā)成果可在重新規(guī)劃設(shè)計后設(shè)置為跨學(xué)科課程創(chuàng)新型實踐教學(xué)項目。實踐表明，跨學(xué)科課程的創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)（如課程設(shè)計）應(yīng)充分利用學(xué)生專業(yè)互補的優(yōu)勢，采用團隊合作模式，設(shè)置開放式的選題供學(xué)生選擇[8,11-14]。系統(tǒng)開發(fā)涉及控制科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)、信息工程、交通運輸?shù)榷鄠€學(xué)科領(lǐng)域，因此可將開發(fā)思路、開發(fā)流程、技術(shù)方法、預(yù)期成果等進行梳理，并作為跨學(xué)科課程的創(chuàng)新型實驗項目或創(chuàng)新型課程設(shè)計題目供學(xué)生選擇。

6 結(jié)語

開發(fā)的平交道口智能防護系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新特色與優(yōu)勢：

（1）實現(xiàn)了平交道口異物入侵自動檢測，縮短了處置異物入侵的時間；

（2）彌補了現(xiàn)有道口防護系統(tǒng)受人為因素影響大、智能化程度低的不足；

（3）系統(tǒng)響應(yīng)速度快，從檢測到異物入侵道口到完成向列車司機報警平均用時在3 s以內(nèi)；從檢測到列車接近至APP完成對道口范圍內(nèi)機動車司機預(yù)警的平均用時在4 s以內(nèi)，可滿足實際需要。

（4）符合故障導(dǎo)向安全原則。若在列車接近道口時組網(wǎng)失敗，列車的NRF模塊與ZigBee節(jié)點上的NRF模塊建立通信，提醒列車司機即將接近道口，并將列車接近信息通過ZigBee傳遞至道口硬件設(shè)備，增強了系統(tǒng)的安全性。

該系統(tǒng)不僅可直接培育成大學(xué)生科創(chuàng)競賽項目，而且可進行二次開發(fā)和功能拓展，進一步開發(fā)跨學(xué)科綜合性、創(chuàng)新型實驗項目，服務(wù)實踐教學(xué)。

[1] 賈明濤，王海星，肖貴平.鐵路道口安全影響因素分析及對策[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2006(6): 123–126.

[2] 馮啟通.鐵路道口安全影響因素分析及對策[J].上海鐵道科技，2012(4): 38–40.

[3] 賈明濤.鐵路道口事故分析與預(yù)測研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[4] 劉志.鐵路道口事故分析與預(yù)測[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.

[5] 孫超，陳黎潔，宋鳳娟.有色Petri網(wǎng)在平交道口安全性分析中的應(yīng)用[J].鐵路計算機應(yīng)用，2018, 27(9): 52-56, 62.

[6] 周和超，詹軍，張超，等.有軌電車平交道口碰撞仿真[J].機械工程學(xué)報，2018, 54(8): 35–40.

[7] 石紅國，饒煜，羅望，等.鐵路專用線平交道口碰撞危險性分析[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2018, 40(4): 69–74.

[8] 李晨光，廖明，張永亮，等.開展跨學(xué)科通識技能訓(xùn)練提升本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[J].實驗技術(shù)與管理，2018, 35(11): 13–16, 37.

[9] 曹忠亮，王云鵬，胡清明，等.基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究[J].實驗技術(shù)與管理，2018, 35(8): 23–26.

[10] 尹立蘋.構(gòu)建實踐創(chuàng)新平臺與提高學(xué)生工程實踐能力的探索[J].實驗技術(shù)與管理，2018, 35(7): 34–37.

[11] 楊彥軍，饒菲菲.跨學(xué)科整合型STEM課程開發(fā)案例研究及啟示：以美國火星教育項目STEM課程為例[J].電化教育研究，2019, 40(2): 113–122.

[12] 付慶玖，韓振.高等教育創(chuàng)新性實驗教學(xué)體系的探討[J].實驗室研究與探索，2009, 28(6): 14–16, 33.

[13] 周仲海，朱昌平，陳秉巖，等.“雙創(chuàng)”背景下協(xié)同培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2018, 35(7): 23–26.

[14] 謝小東，李平.挑戰(zhàn)性實驗案例設(shè)計與實踐[J].實驗室研究與探索，2019, 38(3): 161–164.

Development and practical teaching application of intelligent protection system for horizontal intersection

Lü Biao1, ZOU Xihua1, ZHANG Jun1, HUANG Gaoyong1, TIAN Guangying1, LIU Xinzhi1, LI Peiyang2, CAI Mengyu1

(1.School of Information Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to establish the mechanism of information sharing and collaborative work among three parties such as the crossings, trains and motor vehicles, an intelligent protection system for horizontal intersection with the functions of train approach warning, foreign body intrusion detection and timely alarm is developed. Based on SSH architecture and mobile APP, the train approaching information is sent to the driver within the warning range of the crossing to prevent the vehicle from entering the crossing by mistake. Ultrasound and human infrared detection technology is used to detect foreign bodies at the intersection. The information of foreign bodies is sent to the train driver through ZigBee to remind the driver to take safety measures. Tests show that this system has stable performance and high reliability.

horizontal intersection; intelligent protection system; practical teaching

TP273

A

1002-4956(2019)11-0137-04

2019-05-11

2019-08-05

四川省2018—2020年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目（JG2018-119, JG2018-163, JG2018-120）；西南交通大學(xué)本科教育教學(xué)研究與改革項目（1802030，1802049，1804233，1906004）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（2682018CX28）

呂彪（1980—），男，重慶榮昌，博士，講師，主要研究方向為交通信息工程及控制，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。E-mail: swjtu_lb@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.033