平交道口智能防護系統開發與實踐教學應用

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開發與實踐教學應用

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 信息科學與技術學院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學 交通運輸與物流學院，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同工作機制，開發了具有列車接近預警、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?；赟SH架構和手機APP將列車接近信息發送給道口預警范圍內的機動車司機，防止機動車誤入道口。采用超聲波和人體紅外檢測技術檢測道口內異物，將異物信息通過ZigBee發送給列車司機，提醒司機采取安全措施。經測試，該系統性能穩定、可靠性高。

平交道口；智能防護系統；實踐教學

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、企業專用鐵路等線路區段[1-7]。現有平交道口防護系統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質量和教學改革項目、西南交通大學本科教育教學改革與研究項目以及中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目為依托，以建立多方（道口、列車、機動車）信息共享和協同工作機制為基礎，設計開發了具有列車接近預警、異物入侵檢測并實時報警功能的平交道口智能防護系統，并將其應用于實踐教學。

1 平交道口防護

現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。

現有道口防護方式有以下不足：

表1 現有道口防護方式

（1）道口值守人員操作失誤或對突發情況處置不當，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、警示標志不明顯，容易導致機動車司機誤入道口。

2 設計原理

2.1 系統功能和系統結構

采用嵌入式系統、ZigBee和NRF無線通信、Android等技術進行開發設計，系統預期功能包括：

（1）當列車接近道口時，通過ZigBee組網技術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）當人體感應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）當列車通過道口后，手機APP解除提醒同時道口防護裝置關閉。

在上述過程中，服務器主要負責數據的中轉、傳輸與存儲。

系統由列車硬件設備、道口硬件設備、手機APP和服務器組成。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2.2 系統實物設計

系統實物設計主要是道口硬件、列車硬件、服務器和手機APP的設計。

（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模塊實現無線通信。單片機將列車接近信息通過GPRS模塊推送到服務器。

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

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

（4）手機APP。調用加速度計獲取手機指向；調用高德地圖API完成基本的地圖功能并實現車輛與道口預警范圍的空間關系的判斷；調用手機GPS模塊獲取當前坐標；基于SOAP協議通過無線網絡從服務器獲取列車接近消息并比對道口位置和手機位置。

系統工作流程如圖2所示。

系統硬件和軟件實物分別如圖3所示。

圖2 系統工作流程

圖3 軟硬件實物展示

3 系統實現

（1）建立多方信息共享和協同工作機制。在道口附近通過ZigBee技術組成局域網，當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，實現列車與道口間的信息共享和協同工作；利用GPRS技術，通過道口設備將列車接近信息發送至服務器，APP向道口附近的機動車司機進行預警，實現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直接發送給列車司機，對其進行語音提醒。

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

（4）故障導向安全。在列車接近道口時，若組網失敗，列車的NRF模塊與地面ZigBee節點上的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傳遞至道口硬件設備。

4 系統性能測試

為驗證系統性能，進行了多次測試。測試指標 包括：

（1）不同環境下道口與列車組網距離；

（2）對道口入侵異物的分類檢測結果；

（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。

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

系統響應時間的測試結果表明：在異物入侵后平均3 s內可完成對列車的報警，平均4 s內可完成對道口范圍內機動車司機的預警。

5 實踐教學應用

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

（1）開發成果已培育成大學生科創競賽項目。本系統是在教師指導下由不同專業學生合作、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生交通科技大賽、全國高校智能交通創新與創業大賽、中國“互聯網+”大學生創新創業大賽等權威賽事，對培養學生創新創業能力發揮了積極作用[8-10]。

（2）開發成果可在重新規劃設計后設置為跨學科課程創新型實踐教學項目。實踐表明，跨學科課程的創新實踐環節（如課程設計）應充分利用學生專業互補的優勢，采用團隊合作模式，設置開放式的選題供學生選擇[8,11-14]。系統開發涉及控制科學與技術、計算機科學與技術、信息工程、交通運輸等多個學科領域，因此可將開發思路、開發流程、技術方法、預期成果等進行梳理，并作為跨學科課程的創新型實驗項目或創新型課程設計題目供學生選擇。

6 結語

開發的平交道口智能防護系統具有以下創新特色與優勢：

（1）實現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）彌補了現有道口防護系統受人為因素影響大、智能化程度低的不足；

（3）系統響應速度快，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；從檢測到列車接近至APP完成對道口范圍內機動車司機預警的平均用時在4 s以內，可滿足實際需要。

（4）符合故障導向安全原則。若在列車接近道口時組網失敗，列車的NRF模塊與ZigBee節點上的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傳遞至道口硬件設備，增強了系統的安全性。

該系統不僅可直接培育成大學生科創競賽項目，而且可進行二次開發和功能拓展，進一步開發跨學科綜合性、創新型實驗項目，服務實踐教學。

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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質量和教學改革項目（JG2018-119, JG2018-163, JG2018-120）；西南交通大學本科教育教學研究與改革項目（1802030，1802049，1804233，1906004）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（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，創新創業教育。E-mail: swjtu_lb@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.033