吕 彪，邹喜华，张 军，黄高勇，田广映，刘欣志，李沛阳，蔡檬屿

平交道口智能防护系统开发与实践教学应用

吕 彪1，邹喜华1，张 军1，黄高勇1，田广映1，刘欣志1，李沛阳2，蔡檬屿1

（1. 西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031）

为建立平交道口、列车、机动车三方信息共享与协同工作机制，开发了具有列车接近预警、异物入侵检测并及时报警等功能的平交道口智能防护系统。基于SSH架构和手机APP将列车接近信息发送给道口预警范围内的机动车司机，防止机动车误入道口。采用超声波和人体红外检测技术检测道口内异物，将异物信息通过ZigBee发送给列车司机，提醒司机采取安全措施。经测试，该系统性能稳定、可靠性高。

平交道口；智能防护系统；实践教学

平交道口是指公路与铁路在同一平面上互相交叉的处所，广泛分布于普速铁路、有轨电车、企业专用铁路等线路区段[1-7]。现有平交道口防护系统智能化程度低且缺乏异物入侵检测机制，存在很大安全隐患[1-4]。

改进平交道口安全防护机制是减少平交道口安全事故的有效途径。为改进现有平交道口安全防护机制，以四川省2018—2020年高等教育人才培养质量和教学改革项目、西南交通大学本科教育教学改革与研究项目以及中央高校基本科研业务费专项资金项目为依托，以建立多方（道口、列车、机动车）信息共享和协同工作机制为基础，设计开发了具有列车接近预警、异物入侵检测并实时报警功能的平交道口智能防护系统，并将其应用于实践教学。

1 平交道口防护

现有平交道口防护方式可分为人工防护和自动防护。人工防护是在道口管理人员收到列车接近的消息后，手动或遥控栏木机和道口信号机向车辆和行人报警；自动防护是通过轨道电路将列车接近信号及时传递到道口，自动开启道口防护装置。不同道口防护方式的特点如表1所示。

现有道口防护方式有以下不足：

表1 现有道口防护方式

（1）道口值守人员操作失误或对突发情况处置不当，易酿成道口事故；

（2）异物检测与处置机制落后，效率较低；

（3）部分道口防护装置不完善、警示标志不明显，容易导致机动车司机误入道口。

2 设计原理

2.1 系统功能和系统结构

采用嵌入式系统、ZigBee和NRF无线通信、Android等技术进行开发设计，系统预期功能包括：

（1）当列车接近道口时，通过ZigBee组网技术自动开启道口防护装置，同时手机APP通知道口附近的机动车司机注意避让；

（2）当人体感应模块和超声波模块检测到道口有异物入侵并进行分类后，道口硬件设备将信息传递给列车端，通过语音报警装置提示列车司机提前采取安全措施；

（3）异物清除后，列车端收到通知通过道口；

（4）当列车通过道口后，手机APP解除提醒同时道口防护装置关闭。

在上述过程中，服务器主要负责数据的中转、传输与存储。

系统由列车硬件设备、道口硬件设备、手机APP和服务器组成。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2.2 系统实物设计

系统实物设计主要是道口硬件、列车硬件、服务器和手机APP的设计。

（1）道口硬件以STC12C5A60S2为控制中心，配合超声波模块和人体红外检测模块检测是否有异物入侵道口，使用ZigBee和NRF模块实现无线通信。单片机将列车接近信息通过GPRS模块推送到服务器。

（2）列车硬件设备以STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，以ZigBee CC2530实现列车与道口的通信，使用语音模块实现语音报警功能，使用NRF24L01无线模块作为辅助通信设备。当ZigBee设备发生故障时，列车上的NRF24L01与ZigBee节点设备上的NRF24L01建立通信，及时告知列车司机ZigBee设备异常，让列车司机采取相应措施，缓慢驶向道口，达到故障导向安全的目的。

（3）服务器的设计采用SSH（Spring + Struts + Hibernate）框架，在Struts 2集成JSON插件用于传输服务器和APP的信息，利用Java语言编写Web服务器端程序；使用MYSQL数据库存储各种信息，手机APP通过JSON和服务器进行数据交互，硬件设备可以通过HTTP协议同服务器进行数据交互。

（4）手机APP。调用加速度计获取手机指向；调用高德地图API完成基本的地图功能并实现车辆与道口预警范围的空间关系的判断；调用手机GPS模块获取当前坐标；基于SOAP协议通过无线网络从服务器获取列车接近消息并比对道口位置和手机位置。

系统工作流程如图2所示。

系统硬件和软件实物分别如图3所示。

图2 系统工作流程

图3 软硬件实物展示

3 系统实现

（1）建立多方信息共享和协同工作机制。在道口附近通过ZigBee技术组成局域网，当列车接近时道口防护装置开启，有异物入侵时道口向列车报警，实现列车与道口间的信息共享和协同工作；利用GPRS技术，通过道口设备将列车接近信息发送至服务器，APP向道口附近的机动车司机进行预警，实现道口与机动车司机间的信息共享。

（2）异物入侵检测并向列车报警。防护装置启动后，人体红外检测模块和超声波模块对平交道口进行检测，在检测到有异物入侵后，按入侵异物危害程度进行类别划分，并将异物信息通过ZigBee直接发送给列车司机，对其进行语音提醒。

（3）列车接近预警。道口硬件设备通过GPRS模块将列车接近信息上传到服务器，服务器将道口位置信息发送至APP，通过比对APP和道口的位置，对已处于预警范围内的机动车司机进行预警。

（4）故障导向安全。在列车接近道口时，若组网失败，列车的NRF模块与地面ZigBee节点上的NRF模块建立通信，提示列车司机即将接近道口，并将列车接近信息通过ZigBee传递至道口硬件设备。

4 系统性能测试

为验证系统性能，进行了多次测试。测试指标 包括：

（1）不同环境下道口与列车组网距离；

（2）对道口入侵异物的分类检测结果；

（3）从检测到列车接近至道口附近司机收到避让提醒的时间；

（4）从有异物入侵道口到列车司机收到报警信息的时间。

经测试，不同道口环境下ZigBee成功组网距离为：平原2140 m，山区1960 m，工矿2050 m，桥隧2050 m，城市2110 m，可见道口环境对ZigBee成功组网距离影响较小，在列车距离道口约2 km时即可完成组网。

系统响应时间的测试结果表明：在异物入侵后平均3 s内可完成对列车的报警，平均4 s内可完成对道口范围内机动车司机的预警。

5 实践教学应用

平交道口智能防护系统不仅可直接培育成大学生科创竞赛项目，而且可进行二次开发与功能拓展，进一步培育成创新型实验项目。

（1）开发成果已培育成大学生科创竞赛项目。本系统是在教师指导下由不同专业学生合作、历时1年多完成的，研究成果已凝练成竞赛项目参加全国大学生交通科技大赛、全国高校智能交通创新与创业大赛、中国“互联网+”大学生创新创业大赛等权威赛事，对培养学生创新创业能力发挥了积极作用[8-10]。

（2）开发成果可在重新规划设计后设置为跨学科课程创新型实践教学项目。实践表明，跨学科课程的创新实践环节（如课程设计）应充分利用学生专业互补的优势，采用团队合作模式，设置开放式的选题供学生选择[8,11-14]。系统开发涉及控制科学与技术、计算机科学与技术、信息工程、交通运输等多个学科领域，因此可将开发思路、开发流程、技术方法、预期成果等进行梳理，并作为跨学科课程的创新型实验项目或创新型课程设计题目供学生选择。

6 结语

开发的平交道口智能防护系统具有以下创新特色与优势：

（1）实现了平交道口异物入侵自动检测，缩短了处置异物入侵的时间；

（2）弥补了现有道口防护系统受人为因素影响大、智能化程度低的不足；

（3）系统响应速度快，从检测到异物入侵道口到完成向列车司机报警平均用时在3 s以内；从检测到列车接近至APP完成对道口范围内机动车司机预警的平均用时在4 s以内，可满足实际需要。

（4）符合故障导向安全原则。若在列车接近道口时组网失败，列车的NRF模块与ZigBee节点上的NRF模块建立通信，提醒列车司机即将接近道口，并将列车接近信息通过ZigBee传递至道口硬件设备，增强了系统的安全性。

该系统不仅可直接培育成大学生科创竞赛项目，而且可进行二次开发和功能拓展，进一步开发跨学科综合性、创新型实验项目，服务实践教学。

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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年高等教育人才培养质量和教学改革项目（JG2018-119, JG2018-163, JG2018-120）；西南交通大学本科教育教学研究与改革项目（1802030，1802049，1804233，1906004）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（2682018CX28）

吕彪（1980—），男，重庆荣昌，博士，讲师，主要研究方向为交通信息工程及控制，创新创业教育。E-mail: swjtu_lb@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.033