XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизированный железнодорожный переход на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ласкин С.Ю. 1Руденко М.Е. 2Мельников Н.П. 2

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

2Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Кадралиева М.И. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

853.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Каждый день тысячи людей переходят железнодорожные пути. Это самый быстрый путь с одной стороны на другую, но и самый опасный. Поезд не может остановиться мгновенно. Даже если машинист вовремя заметил человека на рельсах, тормозной путь состава может достигать нескольких сотен метров. За это время поезд проедет мимо перехода, и избежать столкновения почти невозможно.

Мы живём в городе Тюмени. Рядом с нашим районом находится железнодорожная станция 2136 км. Наблюдая за ней, мы заметили, что многие пешеходы переходят пути на красный сигнал светофора, даже когда поезд уже виден или слышен. Некоторые идут в наушниках, не слыша предупреждающих сигналов. Другие просто спешат и надеются на везение. Это очень опасно и для людей, и для машинистов, которые не могут повлиять на ситуацию.

Мы задумались: как сделать переход через железную дорогу безопаснее? Как заставить людей не нарушать правила, даже если они очень торопятся? Мы решили, что лучший способ – физический барьер, который невозможно перешагнуть или обойти. Именно поэтому мы выбрали тему «Автоматизированный железнодорожный переход на базе конструктора LEGO WeDo 2.0».

Актуальность нашей работы заключается в том, что проблема безопасности на железнодорожных переходах существует во многих городах России. Существующие средства (светофоры, звуковые сигналы, обычные шлагбаумы) не всегда эффективны. Люди продолжают переходить на красный свет. Наша модель предлагает другой принцип: барьер не опускается сверху, а поднимается снизу, полностью перекрывая путь. Это новое решение, которое можно проверить и показать на наглядной модели.

Цель работы: разработать и создать действующую модель автоматизированного железнодорожного перехода с подъёмным барьером на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.

Для достижения цели мы поставили перед собой следующие задачи:

1. Изучить, почему железнодорожные переходы являются опасными для пешеходов (на примере станции 2136 км города Тюмени).

2. Проанализировать существующие технические средства защиты и обосновать, почему мы выбрали своё решение.

3. Сконструировать модель перехода, указав точное количество механизмов и датчиков.

4. Разработать алгоритм управления моделью и записать программу в среде LEGO WeDo 2.0.

5. Продемонстрировать работу модели на примере одного дня и сделать выводы о её эффективности.

Объект исследования: автоматизированные системы безопасности на железнодорожных переходах.

Предмет исследования: модель железнодорожного перехода с автоматическим подъёмным барьером, собранная из LEGO WeDo 2.0.

Методы исследования: наблюдение (за станцией 2136 км), анализ (существующих систем), конструирование, программирование, эксперимент (испытания модели).

Практическая значимость: наша модель может быть использована на уроках робототехники, на занятиях по правилам дорожного движения, а также в проектах по безопасности на транспорте. Она наглядно показывает, как работают автоматические механизмы и датчики, и доказывает, что физический барьер – надёжный способ защитить пешеходов.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка источников и приложения. В первой главе мы рассматриваем теорию: опасность переходов и существующие средства защиты. Во второй главе подробно описываем нашу модель: конструкцию, механизмы, датчики, программу и испытания.

Глава 1 Теоретическое обоснование автоматизации железнодорожного перехода

1.1 Анализ опасности железнодорожных переходов для пешеходов (на примере станции 2136 км города Тюмени)

Железнодорожный переход – это специальное место, где пешеходы могут пересекать железнодорожные пути. Такие переходы обычно обозначены знаком, светофором, а иногда и шлагбаумом. Но, несмотря на все предупреждения, каждый год происходит много несчастных случаев.

Почему переход так опасен? Во-первых, поезд движется очень быстро (до 100 км/ч и больше). Во-вторых, он почти не издаёт шума на подходе, особенно если это современный электропоезд. В-третьих, тормозной путь поезда очень длинный: от 400 до 1000 метров [2]. Это значит, что, если машинист увидел человека на путях, он всё равно не сможет остановить состав мгновенно.

Мы провели собственное наблюдение на станции 2136 км в городе Тюмени. Эта станция находится в черте города, рядом с жилыми домами (рисунок 1.1, Приложение А) [1]. Мы посещали её несколько раз в разное время суток (утром, днём и вечером) и фиксировали поведение пешеходов. Результаты за 3 дня представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Результаты наблюдений за три дня

Мы заметили, что больше всего нарушений происходит вечером, когда люди устали и спешат домой. Многие идут в наушниках и не слышат предупреждающих сигналов. Некоторые перебегают пути прямо перед приближающимся поездом, надеясь, что успеют.

Мы опросили несколько взрослых, почему они переходят на красный свет. Самые частые ответы: «Я спешу», «Поезда нет и не будет», «Я один раз, ничего не случится». К сожалению, такое поведение приводит к трагедиям.

Мы также узнали, что особенно опасно на переходах в тёмное время суток (зимой темнеет рано). Светофоры видны хорошо, но люди всё равно рискуют.

Вывод: существующие меры предупреждения (светофоры, знаки) недостаточно эффективны. Нужно физически преграждать путь людям, когда приближается поезд. Это поможет спасти жизни.

1.2 Обзор существующих технических средств защиты

Мы изучили, какие технические средства уже используются на железнодорожных переходах в России и в других странах. Вот основные из них.

1. Светофорная сигнализация – это самый распространённый способ. На переходе устанавливают два светофора (красный и зелёный). Когда поезд приближается, загорается красный свет и часто включается звуковой сигнал. Однако, как показали наши наблюдения, многие пешеходы игнорируют красный свет, если не видят поезда.

2. Шлагбаум – это длинная палка (обычно красно-белая), которая опускается и перегораживает дорогу. Шлагбаум опускается за 10–15 секунд до прихода поезда. Но у него есть недостатки: некоторые люди успевают пробежать под опускающимся шлагбаумом, а иногда он не полностью перекрывает проход (можно обойти сбоку).

3. Звуковые оповещатели – они издают громкий сигнал («Внимание! Поезд!»). Но люди в наушниках или с плохим слухом могут его не услышать. Кроме того, в жилых районах громкие звуки мешают жителям.

4. Автоматические ворота – в некоторых странах (например, в Японии) на переходах устанавливают автоматические ворота, которые закрываются как двери. Это эффективно, но очень дорого.

5. Датчики приближения поезда – они определяют, на каком расстоянии находится поезд, и подают сигнал на светофор и шлагбаум

Почему мы не стали копировать существующие решения?

Мы заметили, что у обычного шлагбаума есть проблема: он опускается сверху, и между ним и землёй остаётся небольшая щель. Некоторые люди (особенно дети) могут попытаться проползти под ним. Кроме того, шлагбаум не останавливает тех, кто уже находится на путях в момент опускания.

Поэтому мы придумали новый тип барьера: он не опускается, а поднимается из земли, полностью перекрывая проход. Такой барьер невозможно перешагнуть или обойти. Когда поезд проходит, барьер убирается обратно в землю. Этот принцип мы и реализовали в нашей модели из образовательного конструктора LEGO WeDo 2.0.

Глава 2 Разработка и испытание модели автоматизированного железнодорожного перехода

2.1 Конструкция модели: механизмы и датчики

Для обеспечения стабильной работы системы все функции были разделены между тремя независимыми блоками управления (СмартХабами). Такое разделение необходимо, чтобы избежать перегрузки одного хаба при одновременном выполнении нескольких задач (например, подъём барьера и движение поезда).

• СмартХаб №1 отвечает за исполнительный механизм — подъёмный барьер.

• СмартХаб №2 управляет движением макета поезда и получает данные с датчика наклона.

• СмартХаб №3 контролирует светофорную сигнализацию и считывает показания датчика расстояния.

Вся механика собрана из деталей набора LEGO WeDo 2.0. Для реализации проекта система построена на базе трёх моторов, двух датчиков, а также различных механизмов.

Механизм подъёма барьера (Мотор №1)

Это самая сложная и важная часть проекта. Обычный шлагбаум опускается сверху вниз, оставляя щель снизу. Мы пошли другим путём: наш барьер поднимается из-под земли, полностью перекрывая проход.

Чтобы поднять тяжёлую секцию, обычного мотора мало, поэтому мы собрали систему понижающих передач. Цепочка выглядит так:

Мотор → зубчатая передача (две шестерни по 8 зубьев) → червячная передача → реечная передача (рейка + шестерня 8 зубьев) → ножничный механизм → барьер

• Зубчатая передача состоит из двух шестерён по 8 зубьев (малая – ведомая, вторая малая – ведомая). Они передают вращение от мотора на червячную передачу без изменения скорости (передаточное отношение 1:1).

• Червячная передача передаёт вращение под прямым углом и, самое главное, не даёт механизму прокручиваться обратно. Благодаря этому поднятый барьер надёжно фиксируется, и его невозможно опустить вручную или под весом человека. Червячное колесо имеет больше зубьев (обычно 24), что даёт понижение скорости и увеличение силы.

• Реечная передача (рейка с зубьями + маленькая шестерня на 8 зубьев) превращает вращательное движение в прямолинейное.

• Ножничный механизм (система соединённых балок) раскладывается как ножницы и поднимает барьер вверх.

С одного мотора работают сразу два барьера (с обеих сторон перехода). Механизм синхронизирован с помощью системы осей и шестерён.

Механизм движения поезда (Мотор №2): Поезд запускается с мотора через систему зубчатых передач:

Мотор → первая зубчатая передача → ось(вал) → вторая зубчатая передача → угловая (коническая) зубчатая передача → колёса поезда.

Для большей реалистичности мы добавили кривошипно-шатунный механизм – он заставляет поршни в «двигателе» поезда ходить вверх-вниз, имитируя работу настоящего тепловоза.

Механизм переключения светофора (Мотор №3)

Мотор №3 поворачивает сигнал светофора. В механизме используется червячная передача и угловая зубчатая передача, чтобы мотор мог вращать с нужной скоростью и фиксировать его в одном из двух положений.

Расположение датчиков:

Датчик наклона установлен на платформе («цветочный магазин») прямо перед рельсами (рисунок 2.1, Приложение В) [5]. Его работа основана на принципе шарнирного соединения: когда поезд наезжает на платформу, датчик меняет своё положение и посылает системе сигнал:

• Значение «3» (нос датчика поднят вверх) – поезд движется вперёд.

• Значение «0» (датчик горизонтально) – поезд остановился на станции.

• Значение «9» (нос датчика опущен вниз) – поезд возвращается задним ходом.

Датчик расстояния (ультразвуковой) расположен сбоку от ниши барьера. Его задача – определять, находится ли барьер в верхнем положении. Если он «видит» преграду (барьер поднят), то даёт команду на включение красного света. Если путь свободен – включает зелёный.

Общий вид модели представлен на рисунке 2.2 (Приложение В).

2.2 Алгоритм управления моделью и система команд в среде LEGO WeDo 2.0

Алгоритм работы программного обеспечения основан на данных, получаемых от системы датчиков [5]. При запуске программа выполняет опрос датчика наклона, который определяет направление движения состава. Полученные данные передаются в систему посредством отправки электронного письма (блок «Отправить сообщение» в среде WeDo 2.0).

Интерпретация показаний датчика наклона:

Работа датчика расстояния:

Если датчик расстояния видит преграду (барьер поднят, расстояние маленькое) → светофор показывает красный свет.

Если датчик расстояния не видит преграду (барьер опущен, расстояние большое) → светофор показывает зелёный свет.

Система «писем» (сообщений) используется для синхронизации работы трёх СмартХабов:

Скриншот программы приведён на рисунке 2.3 (Приложение В). Программа занимает около 24 блоков.

2.3 Демонстрация возможностей модели на примере

одного дня работы

Представим, что наша модель установлена на реальном железнодорожном переходе (например, на станции 2136 км в Тюмени). Опишем её работу в течение одного дня – с раннего утра до позднего вечера. Мы использовали результаты наших наблюдений и добавили типичные ситуации, которые могут произойти.

Утро (7:00 – 9:00) – час пик.

Много людей спешат на работу и учёбу. Поезда ходят каждые 10–15 минут.

7:05 – первый поезд приближается к переходу. Датчик наклона на платформе срабатывает (значение «3»). Мотор барьера включается, и барьер за 2 секунды поднимается из земли. Одновременно на экране компьютера загорается красный свет светофора. Люди, которые хотели перейти, останавливаются перед барьером. Поезд проезжает (мотор №2 включён 5 секунд).

7:06 – поезд прошёл. Датчик наклона возвращается в горизонтальное положение (значение «0»). Барьер опускается, загорается зелёный свет. Пешеходы переходят дорогу.

За утро (с 7:00 до 9:00) поезда проходят 8 раз. Наша модель успешно закрывает и открывает переход каждый раз. Никто не может выйти на рельсы, потому что барьер физически преграждает путь.

День (9:00 – 17:00).

Поездов меньше – примерно раз в 30–40 минут. Переход работает в автоматическом режиме.

12:30 – приближается поезд. Барьер поднимается. Подходит подросток в наушниках, он не слышит звукового сигнала (в нашей модели пока нет звука – это задача на будущее). Но он видит поднятый барьер и красный свет. Он снимает наушники и ждёт. После проезда поезда барьер опускается, подросток переходит дорогу.

Вечер (17:00 – 19:00).

Снова час пик. Люди устали и торопятся домой.

18:20 – женщина с маленькой собакой на поводке подходит к переходу. Горит зелёный свет, барьер опущен. Она начинает переходить. Внезапно датчик наклона срабатывает (поезд близко). Барьер должен подняться, но женщина ещё на путях! Что произойдёт в нашей модели?

У нас есть защита: программа проверяет датчик расстояния перед подъёмом. Если кто-то находится перед барьером (расстояние меньше 5 см), то барьер не поднимается, чтобы не ударить человека. Но поскольку женщина уже на путях, датчик расстояния её не видит (он смотрит вверх). Это недостаток нашей модели. В реальном проекте мы бы добавили второй датчик расстояния, который смотрит горизонтально, чтобы обнаруживать людей на переезде. Пока же мы вручную отключаем программу на время, пока женщина не перейдёт. Это зона для улучшения.

Ночь (19:00 – 23:00).

Темно, людей мало. Поезда редкие.

22:10 – мужчина с велосипедом подходит к переходу. Барьер опущен, зелёный свет. Он начинает переходить. Поезда нет. Всё безопасно.

Итоги одного дня работы (в идеальных условиях без помех):

Аварийных ситуаций (человек на путях при подъёме) 0 (при соблюдении правил)

Вывод: наша модель полностью справляется с автоматическим управлением переходом. Она надёжно закрывает проход при приближении поезда и открывает его после проезда. Барьер физически останавливает людей, даже если они не обращают внимания на светофор. Единственный недостаток – отсутствие датчика, который обнаруживает людей, уже находящихся на переезде. Это мы планируем исправить в следующей версии.

Заключение

В ходе нашей работы мы достигли поставленной цели: создали действующую модель автоматизированного железнодорожного перехода с подъёмным барьером на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.

Что мы сделали:

1. Провели наблюдение на станции 2136 км в Тюмени (рисунок 1.1, Приложение А) и выяснили, что около 25–30% пешеходов переходят пути на красный свет, многие – в наушниках. Это подтверждает актуальность проблемы.

2. Изучили существующие технические средства защиты (светофоры, шлагбаумы, звуковые сигналы) и выявили их недостатки.

3. Сконструировали модель, в которой используется оригинальный подъёмный барьер (с червячной, реечной передачей и ножничным механизмом). Подсчитали точное количество деталей: 3 мотора, 2 датчика, 3 СмартХаба, а также зубчатые колёса, червяк, рейку, оси и ножничный механизм.

4. Разработали алгоритм и написали программу, которая автоматически управляет поездом, барьером и светофором в зависимости от сигналов датчиков.

5. Провели мысленный эксперимент («один день работы модели»), который показал, что при правильной работе барьер предотвращает все попытки перехода на красный свет.

Научная новизна нашей работы заключается в том, что мы предложили и реализовали на LEGO WeDo 2.0 принципиально иной тип защитного барьера (подъёмный, а не опускной). Такой барьер эффективнее обычного шлагбаума, так как полностью перекрывает проход и не оставляет щелей.

Практическая значимость: модель может быть использована в школах и центрах робототехники для демонстрации принципов автоматизации и безопасности на транспорте.

Недостатки и перспективы улучшения:

• В модели нет датчика, который обнаруживает людей, уже находящихся на переезде. Планируем добавить второй датчик расстояния, направленный горизонтально.

• Нет звукового оповещения. Можно добавить через динамик компьютера (блок «Воспроизвести звук» в среде WeDo 2.0).

• Скорость подъёма барьера (2 секунды) можно увеличить, изменив передаточное отношение.

Мы считаем, что наша работа полезна и интересна. Мы убедились, что робототехника помогает не только играть, но и решать реальные жизненные задачи – например, спасать людей на железнодорожных переходах.

Список использованных источников и литературы

1. Наблюдения команды «Хамелеоны» на станции 2136 км города Тюмени (октябрь – ноябрь 2025 г.). – Тюмень, 2025. – Личный архив.

2. ОАО «Российские железные дороги». Правила безопасности на железнодорожных переходах. – М., 2020. – 48 с.

3. Инструкция по эксплуатации железнодорожных переездов. – М.: Транспорт, 2018.

4. Как работают зубчатые передачи: детская энциклопедия техники. – М.: Росмэн, 2019. – 64 с.

5. LEGO Education WeDo 2.0: офиц. сайт. – URL: https://education.lego.com/ru-ru/wedo-2 (датаобращения: 09.01.2026)

6. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2013. – 319 с.

Приложение

Рисунок 1.1 – станция 2136 км в г. Тюмени

Рисунок 2.1 – Датчик наклона, установленный на платформе («цветочный магазин»)

Рисунок 2.2 – Общий вид модели автоматизированного железнодорожного перехода

Рисунок 2.3 – Ножничный подъемник Рисунок 2.4 – Датчик расстояния

Рисунок 2.5 – Светофор Рисунок 2.6 – Скриншот программы