城市道路LED電子斑馬線的設(shè)計

許強強，石臣鵬

（四川警察學(xué)院 四川瀘州 646000）

人們無時無刻都離不開手機，隨著日常低頭看手機的頻率增加，安全隱患也隨之產(chǎn)生，尤其是發(fā)生在城市道路中的交通安全隱患，其中較為突出的則是發(fā)生在斑馬線上的交通事故。注意力的集中程度是影響交通事故的重要因素，不管是對于行人還是機動車司機而言，能否在道路上安全通行主要還是取決于參與交通行為是的注意力是否集中［1］。斑馬線設(shè)計的科學(xué)性對于城市道路安全至關(guān)重要。本課題通過調(diào)研收集了大量數(shù)據(jù)，并以Vissim 仿真模擬進行論證，設(shè)計了一種新型的LED電子斑馬線：利用LED燈光作用提高行人過街時的注意力，來實時提醒過街行人和車輛，達到行車安全過街和提高車輛通過性的目的。

一、現(xiàn)有斑馬線設(shè)計存在的問題

現(xiàn)有的斑馬線設(shè)計，主要有路側(cè)兩邊帶有顯示屏的斑馬線和3D 視覺效果設(shè)計的斑馬線。在國內(nèi)，2017 年6 月5 日由重慶市教委主辦的第九屆重慶市大學(xué)生合泰杯單片機應(yīng)用設(shè)計競賽比賽現(xiàn)場中，重慶化工職業(yè)學(xué)院大二學(xué)生鄧榆與汪沿慶設(shè)計的“智能斑馬線”讓人眼前一亮。單片機是把中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM 等集成到一塊硅片上，構(gòu)成的一個微型計算機系統(tǒng)。2018年5月2日，北京通州區(qū)喬莊南路、喬莊北街發(fā)現(xiàn)了兩款類似的智能斑馬線［1］。在日本，2019年1月，日本國土交通省道路局，編著出臺了《為了確保學(xué)生道路的安全，交通管理者的對策實施例》，其對于斑馬線的改善設(shè)計主要是將隆起帶與人行橫道合并設(shè)置，一方面可以在車道內(nèi)利用隆起帶來降低機動車的通行速度，另一方面使得道路兩側(cè)的步道與人行橫道之間的高度差減小，步道與人行橫道之間的通行變得更加順暢［2］。

俄羅斯設(shè)計師Alexey Chugunnikov 曾進行了大膽的想象，設(shè)計出一種智能斑馬線。常規(guī)斑馬線只是用涂料繪制而成，而這種智能斑馬線則配有壓力感應(yīng)器。行人一旦踩到斑馬線上，整條斑馬線就會變成紅色，對來往的車輛起到警示的作用。這種智能斑馬線的設(shè)計，目前還處于研究階段，沒有廣泛應(yīng)用［3］。

（一）警示滯后，作用力小

路側(cè)兩邊增加顯示屏的斑馬線，其主要作用在于曝光行人亂竄斑馬線、無視紅綠燈的行為，發(fā)揮的作用主要是一種事后警示作，因而其對行人安全過街的即時保障作用有限。實際情況大多是，雖有相應(yīng)處罰，但仍有不少司機不避讓行人而搶道通過斑馬線。安全隱患大量存在但實際教育意義不高。

（二）時效性差，持續(xù)性低

立體樣式斑馬線由浙江臺州最先實行推出，這條與眾不同的斑馬線用了白、藍、黃三種顏色涂料，看起來不僅有立體效果，也十分漂亮醒目。從司機行車角度看，斑馬線的立體效果非常明顯，且白天和夜間都有立體效果［4-5］。

3D 視覺效果的斑馬線設(shè)計，對司機和行人注意力上都有一定的牽引作用，但其彩色涂漆在外部環(huán)境暴露下會逐漸退色，注意力的吸引效果則隨之降低，如下圖1 所示，左側(cè)：新上色的3D 斑馬線、右側(cè)：司機和行人角度所示3D 斑馬線。總體而言，如何通過改進斑馬線的設(shè)計，有效提升城市道路交通安全度，仍然是值得進一步研究的問題［6］。

圖1 成都撫琴西路171號處3D斑馬線

二、LED電子斑馬線的基本原理和基本模型

（一）基本原理

LED（Light Emitting Diode 發(fā)光二極管）光源具有功耗低、壽命長、適用性強、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短、生產(chǎn)可實現(xiàn)無汞化、對環(huán)境無污染等諸多優(yōu)點，符合節(jié)能環(huán)保潮流［7-10］。LED 電子斑馬線主要技術(shù)原理是：將LED 燈具安裝于首尾兩條斑馬線邊緣及其余每條斑馬線長度方向的兩端，LED燈顯示的顏色與紅綠燈顏色保持一致，當紅綠燈變成綠燈時，LED 燈也是顯示為綠色，提示行人可以通過斑馬線過馬路，當紅綠燈變成紅色時，LED燈轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，警示行人不可以通過斑馬線。

同時，新型LED 電子斑馬線設(shè)計增加了語音提示功能。語音播報器安置于控制樁的內(nèi)側(cè)面，當交通信號燈亮紅燈時，語音播報器播報“行人誤闖紅燈”，綠燈時，語音播報器播報“行人請通行”。語音播報時間按紅綠燈時間的比例來確定，例如：綠燈亮?xí)r，32s綠燈時間可以以6s為一個間隔進行語音播放，在綠燈時間內(nèi)大概可循環(huán)4 次；紅燈時，若是24s 紅燈時間則可以4s 為一個間隔進行語音播放，同樣在紅燈時間循環(huán)次數(shù)可達4次左右。

LED 燈具包括殼體、LED 燈體和透明鋼化玻璃，殼體作為LED 燈體的載體嵌設(shè)于路面內(nèi)，LED燈體發(fā)出不同顏色的光源。由于LED 燈具嵌設(shè)于路面內(nèi)，行人即使是在低頭使用手機的時候，眼睛也會注意到地面LED 燈具的顏色變化。其視覺警示作用能有效發(fā)揮。可控性是LED 的優(yōu)勢特性之一，因而該LED 燈體可以與室內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)連接，可以做到與紅綠燈的顏色同步變化，再通過設(shè)置透明鋼化玻璃，加固LED燈具本體的堅固性的同時，也便于LED燈體光線的穿過，最后實現(xiàn)提高過街人的注意力。

（二）基本模型

LED 電子斑馬線裝置包括斑馬線本體2 和LED 燈具1。LED 燈具1 分布于首尾兩條斑馬線邊緣及其余每條斑馬線長度方向的兩端，并嵌設(shè)于路面內(nèi)，如圖2所示。

圖2 LED電子斑馬線立體效果

LED 燈具殼體（1-1）嵌設(shè)于路面內(nèi)。殼體內(nèi)部裝置包括：LED 燈體（1-2）、透明鋼化玻璃（1-3）、調(diào)整座（2-1）、翻轉(zhuǎn)板（2-2）和轉(zhuǎn)軸（2-3）。見圖2。

工作原理是：驅(qū)動電機（2-7）輸出端自轉(zhuǎn)動圓槽（2-6）槽底端露出設(shè)置，進而便于連接于所述驅(qū)動電機（2-7）輸出端的轉(zhuǎn)動齒輪（2-8）與內(nèi)傳動齒（2-5）的連接，固定柱靠近固定環(huán)（2-4）端轉(zhuǎn)動連接于轉(zhuǎn)動圓槽（2-6）內(nèi)，驅(qū)動電機（2-7）連接于翻轉(zhuǎn)板（2-2）上，驅(qū)動電機（2-7）轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動翻轉(zhuǎn)板（2-2）與其一起以固定柱為中心轉(zhuǎn)動。見圖3、圖4。

圖3 LED燈具剖視效果

圖4 輸出端A放大效果

其主要結(jié)構(gòu)為：LED燈體（1-2）、調(diào)整座（2-1）、翻轉(zhuǎn)板（2-2）、轉(zhuǎn)動圓槽（2-6）。

圖4、圖5所示技術(shù)方案的工作原理是：LED燈體（1-2）連接于調(diào)整座（2-1）上，調(diào)整座（2-1）下端連接有兩個翻轉(zhuǎn)板（2-2），并通過兩個翻轉(zhuǎn)板（2-2）連接于殼體（1-1）內(nèi)壁上，驅(qū)動電機（2-7）工作，進而帶動連接于其輸出端的轉(zhuǎn)動齒輪（2-8）在固定環(huán)（2-4）內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動齒輪（2-8）與內(nèi)傳動齒（2-5）配合連接，進而帶動翻轉(zhuǎn)板（2-2）以固定柱為中心轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整LED 燈體（1-2）在殼體（1-1）內(nèi)的投射角度，行人低頭使用手機過斑馬線或是過街注意力轉(zhuǎn)移置其他地方時，投射角度的調(diào)整方便光源自行人的視角余光進入到行人視線內(nèi)，從而使行人更快注意到LED燈體（1-2）的顏色。

圖5 翻轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)示意效果

其主要結(jié)構(gòu)為：驅(qū)動電機（2-7）、轉(zhuǎn)動齒輪（2-8）、定位槽（3-1）、安裝管（3-2）、圓板（3-3）、凸起（3-4）、彈簧（3-5）。

圖6 所示技術(shù)方案的工作原理為：轉(zhuǎn)動齒輪（2-8）在固定環(huán)（2-4）內(nèi)圍繞內(nèi)傳動齒（2-5）周向轉(zhuǎn)動時，圓板（3-3）在固定柱靠近固定環(huán)（2-7）端滑動，三個凹槽分別對應(yīng)調(diào)整座（2-1）翻轉(zhuǎn)20°、40°和60°設(shè)置，當圓板（3-3）滑動到預(yù)定角度對應(yīng)的凹槽位置時，彈簧（3-5）抵住圓板（3-3），進而使凸起（3-4）卡于凹槽內(nèi)，進而起到對調(diào)整座（2-1）進行臨時固定的作用。

圖6 轉(zhuǎn)動齒輪剖視效果

在其中，還包括：膨脹槽，多個膨脹槽設(shè)于安裝管（3-2）遠離圓板（3-3）端。

上述技術(shù)方案的有益效果為：膨脹槽設(shè)置于安裝管（3-2）遠離圓板（3-3）端，從而使安裝管（3-2）遠離圓板（3-3）端的直徑可小范圍變化，方便安裝管（3-2）插入定位槽（3-1）內(nèi)，以及安裝管（3-2）遠離圓板（3-3）端插入定位槽（3-1）內(nèi)時，安裝管（3-2）遠離圓板（3-3）端的膨脹限位。

在其中，還包括：扣齒，扣齒連接于安裝管（3-2）內(nèi)壁靠近圓板（3-3）端，彈簧（3-5）遠離定位槽（3-1）端與扣接于扣齒上。

上述技術(shù)方案的有益效果為：扣齒的設(shè)置，便于彈簧（3-5）遠離定位槽（3-1）端與安裝管（3-2）的固定。

其主要結(jié)構(gòu)是：立柱（4-1）、紅外傳感器（4-2）、揚聲器（4-3）。

圖7、圖8所示技術(shù)方案的工作原理是：處理器（4-4）連接于城市交通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，進而同步監(jiān)測到紅綠燈的信息，紅外傳感器（4-2）檢測行人路過信息，當監(jiān)測到紅燈信息時，紅外傳感器（4-2）監(jiān)測到行人通過斑馬線時，向處理器（4-4）發(fā)出信號，處理器（4-4）向揚聲器（4-3）發(fā)出工作指令，揚聲器（4-3）工作發(fā)出聲音警示，以提示行人遠離斑馬線，當監(jiān)測到綠燈信息時，處理器（4-4）不向揚聲器（4-3）發(fā)出工作指令。

圖7 提醒裝置結(jié)構(gòu)示

圖8 控制原理

三、Vissim仿真模擬

以瀘州市龍透關(guān)路110交叉口為例，在其交叉口處將設(shè)計的LED電子斑馬線進行模擬實驗，如圖9所示。理想狀態(tài)下，對該交叉口應(yīng)用LED電子斑馬線后，出現(xiàn)行人過街完全或者極少數(shù)存在闖紅燈行為。在這種理想狀態(tài)下，對該路口進行Vissim 模型模擬，進行前后對比驗證實際情況下行人過街對機動車通過路口的延誤時間。

圖9 vissim概覽圖

該路口人流量和車流量都很大，實地調(diào)查顯示，該路口基本情況是東進口道高峰小時交通量為1877 veh/h，北進口道高峰小時交通量為83 veh/h，西進口道高峰小時交通量為2133 veh/h，南進口道高峰小時交通量為205 veh/h，是兩相位的交叉口。為了體現(xiàn)行人過街對該路口交通的影響，也模擬行人輸入，且行人的數(shù)量和速度也采用實測跟步計時方式獲取，因此vissim仿真模擬的評估結(jié)果較貼近于真實情況，如圖10所示。

圖10 vissim仿真模擬3D效果

兩種隨機種子情況下的模擬結(jié)果如下：

由表1結(jié)果列表可見，模擬中對機動車和行人的延誤影響是相互的，尤其是四個進口道右轉(zhuǎn)車輛不受信號燈管控，因此右轉(zhuǎn)車輛延誤的造成主要還是受過街的行人影響，與問卷調(diào)查中針對司機主觀意志相同，在機動車駕駛?cè)说慕嵌瓤?2%的司機認為是行人影響了機動車通過交叉口的效率。

表1 據(jù)實測數(shù)據(jù)模擬結(jié)果

表2 模擬理想狀態(tài)結(jié)果

在該理想狀態(tài)下，機動車只受到該路口信號燈的影響產(chǎn)生延誤，可見比有行人時延誤影響小多了。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)該交叉口高峰時期為兩相位的信號燈控制方式：東西進口道由一個組合相位控制、南北進口道由另一個相位控制（如下圖所示），機動車紅燈時間最長68s，因此其評估結(jié)果最大平均延誤也才65.84s，相比有行人時的最大平均延誤223.94s縮短了近三倍。

因此，若LED 電子斑馬線有效管控好行人過街，這不僅僅能提高行人過街的安全性，而且還能夠大幅提升交叉路口的機動車通行效率。

四、結(jié)論

本項研究在考察國內(nèi)外關(guān)于斑馬線的設(shè)計基礎(chǔ)上，分析了已有設(shè)計存在的問題，提出了新的設(shè)計方案。通過vissim仿真，模擬理想狀態(tài)下實際交叉口應(yīng)用LED電子斑馬線后，行人過街對車輛通行效率，驗證了此項設(shè)計方案的可行性。期望此項設(shè)計能在城市道路得到實際應(yīng)用，提高行人過街的安全性及機動車通行效率。