突發情況下公交車智能程控安全擋板模型設計

馬國翔

（山東省臨沂市第三中學，山東臨沂，276000）

0 引言

現如今出行方式中乘坐公交車仍然占很大一部分比例，與此同時人們也越來越關注乘公交車的安全問題。公交車的事故發生原因中，座椅的設計不合理是很重要的一點，尤其是最后一排座椅的中間位置及老弱病殘孕專座。這兩個位置的事故發生率是極高的，一方面是因為無任何扶手或者擋板，空間相對狹小，久坐后容易引起疲勞，降低乘客的機動性和反應力；另一方面在突發情況出現、司機踩剎車及快速轉向時，乘客會因慣性產生身體傾斜，沒有有效的防護措施及容易產生摔傷事件，更嚴重的還會因乘客摔倒造成踩踏事件等。

目前存在的解決方法中，安全帶是最普遍的，但安全帶的使用不適宜所有人群，在乘客攜帶行李的情況下使用更加困難，另外，安全帶雖然能起到防護作用，但同時極易造成勒傷或其他損傷；老弱病殘孕專座目前在公交車上只是進行了作為顏色改變，進行標識，與其他普通座椅并沒有區別，安全防護的級別仍然有待提高；

本文針對上述問題，研究設計一種突發情況下公交智能程控安全擋板。設計一種在后排中間座椅及老弱病殘孕專座旁的擋板，運用程序智能控制擋板移動，確保擋板只能在停車狀態下由司機授權后進行使用，增強公交車乘坐的安全系數，保證乘客的生命財產安全。

1 公交車座椅安全問題描述

對公交車座椅安全問題的描述分為兩部分：公交車末尾排中間座椅；老弱病殘孕座椅。

公交車末尾排中間座椅，位置如圖1、圖2 所示。

圖1

圖2

公交車末尾排座椅一般為奇數，中間有一個座椅正對乘客站立通道，此位置易發生事故，問題來源如下：

（1）此座椅因末尾排兩側乘客入座需求，未安裝任何防護裝置如護欄、護桿、手握吊環等；

（2）因公交車設計問題，末尾排座椅正下方為后輪胎位置，需要的底盤高度大于車體前身，所以一般此排座椅為加高座椅，有一到二階臺階，高度較高；

（3）末尾排座椅的靠背相對直立，久坐后容易引起疲勞，降低乘客的機動性和反應力，不易于在突發情況發生時及時做出反應；

（4）該座位正對乘客站立通道，在司機剎車或其他突發情況發生時，易因為慣性將乘客在座椅上向前拋出，造成摔傷甚至踩踏傷人事件；

（5）現有的安全防護措施只有安全帶甚至沒有安全措施，安全帶只能保證乘客不會從座椅上被甩出去，但當剎車比較緊急時極易對乘客造成勒傷或其他傷害。

老弱病殘孕座椅，位置如圖3、圖4 所示。

老弱病殘孕座椅也是事故多發位置，原因如下：

（1）只有顏色標識，功能性上與其他普通座椅沒有區別；

（2）一些車輛上的老弱病殘孕專座是單座，向無車壁方向進行車輛轉向時容易使乘客側向摔傷；

（3）老弱病殘孕專座的乘客多數為身體狀況較低的人群，對突發情況的反應力、處理能力低下，事故發生概率高；

（4）老弱病殘孕座椅的位置一般處于公交車的上下車門口處，該座位周圍空曠，事故發生概率高且極容易產生二次傷害。

圖3

圖4

2 智能程控安全擋板模型設計

2.1 設計思路

針對上述問題，分別針對末尾排座椅和老弱病殘孕座椅設計兩種智能程控的安全擋板。

（1）末尾排座椅智能程控安全擋板設計

防護形式：選取擋板的形式來進行防護，排除吊環拉手、防護欄、護桿等設計。

吊環拉手在末尾排座椅的實用性太低，坐姿狀態下，吊環拉手不易使用且安全系數受使用者的身體素質影響，臂力較弱的乘客使用吊環拉手仍然不能起到良好的防護作用。

防護欄在該座位的設計很有難度，需要在能夠起到防護作用的同時具有靈活性，不能阻礙末尾排兩側乘客的入座，所以一般為具有開合功能的活扣護欄，但此種護欄可以很容易地被人為操控，更容易產生操作失誤，安全防護的功能仍然不足。

防護桿的設計一般為豎直桿體，同樣受使用者的身體素質影響，并且豎直桿體容易在乘客脫手時造成二次傷害。

本設計選用擋板設計，且為智能程控的擋板，主要分為兩部分：倒數第二排座椅的靠背改造和程控移動擋板設計。

①倒數第二排座椅靠背改造：將倒數第二排座椅的位置向車頭方向做略微調整，并將靠背改造，將靠背后側設計為兩層形式，即呈“n”形，n 形內部為擋板放置槽。

②移動擋板設計：在放置槽的底板與末尾排座椅前過道車底板上有移動擋板的滑槽，以用來控制活動擋板的移動位置。

擋板位于滑槽內，豎直放置，利用齒條、齒輪組合與電機相連，實現程控移動。

（2）老弱病殘孕座椅設計

選取擋板的形式來進行防護，擋板方向改變，利用公交車車體中間部位的空地進行設計，擋板位置為老弱病殘孕座椅面向車門的一側位置。同樣設計滑槽，控制電機組擋板進行移動，防護部位為相鄰兩個老弱病殘孕座椅的側部。

智能程控形式：采用DP-801 單片機編程進行智能控制，利用宏指令控制電機進行運轉，在末尾排座椅及老弱病殘孕座椅的一側車壁上分別設計按鈕，并利用DP-801 單片機主板自身的開關+1 按鍵進行整體控制，接通+1 按鍵模擬司機授權使用安全擋板，然后乘客可以通過各自座椅的按鍵來控制安全擋板的移動，從而下車或入座。

2.2 材料選取

①模型主要采用復合材料PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），此種材料的特性非常符合安全擋板設計的要求，韌性及剛性都能滿足要求，起到防護作用的同時也能保證不易破損造成傷害。

②采用GA12-N20 減速馬達作為智能程控安全擋板的動力裝置，此種馬達為全金屬結構，減速箱為銅質，內置微型齒輪為鋼材，需求電壓為3-6V，能夠很好地利用DP-801單片機配合L9110 步進電機驅動模塊進行搭載使用，提供穩定的動力來源控制安全擋板的運轉。

圖5 整體電路圖

3 智能程控安全擋板模型結構設計

3.1 整體結構

該模型裝置的整體外觀為車型，但為了方便機械操作及觀察將車體設計為只有四個平面的長方體形狀，即長方體舍棄頂板及一面側板。

利用60×60cm，厚度為5mm 的黑色亞克力板作為底板，底板上利用四個5×5×10cm的木方柱將整個車體架高，方便設計、觀察及固定。

3.2 局部設計

車廂底板：取一塊60×60cm，厚度5mm 的黑色亞克力板，量出30×40cm 的方塊，做標畫線，用電鋸裁割后作為公交車的底面，裁割完成后利用砂紙進行打磨，將四邊接觸面打磨光滑以方便固定；打磨完成后撕下亞克力板外層包裝紙備用。

前后車壁板：另取一塊60×60cm，厚度5mm 的黑色亞克力板，量出兩塊20×30cm 的方塊，做標畫線，用電鋸裁裁割，作為公交車的前車壁及后車壁，裁割完成后同樣利用砂紙進行打磨；打磨完成后，撕下亞克力板外層包裝紙備用。

車廂側壁：同樣方法裁取另外一塊20×40cm 的黑色5mm 厚亞克力板進行打磨，作為車廂的側壁，撕下外包裝膜備用。

車廂組裝：利用亞克力膠水按照底板-前后車壁-側壁的順序進行粘合，亞克力板銜接處分別利用直角角鐵進行加固，等待膠水干燥即完成車廂外殼組裝。

車內座椅制作：取一塊60×60cm，5mm 厚的白色亞克力板，做標畫線，裁割出15 塊5×5cm 以及8 塊5×12cm 的亞克力板；5×5cm 的亞克力板兩兩一組作為座椅的椅面及前側面，利用亞克力膠水按照直角進行粘合；5×12cm 的亞克力板作為座椅的后腿及靠背，與做好的直角粘合成“h”狀，即為座椅模型；以上材料共可制作出7個座椅分別作為末尾排座椅及老弱病殘孕座椅；多余出的1塊5×5cm 的亞克力板及1 塊5×12cm 的亞克力板作為倒數第二排座椅靠背的改造材料，做出擋板放置槽。

按鍵模塊：按鍵模塊共有兩個，分別為末尾排座椅按鈕及老弱病殘孕座椅按鈕，末尾排座椅按鍵模塊固定在改造后的倒數第二排座椅上側，如圖6 所示。

老弱病殘孕座椅的按鍵模塊固定在車廂側壁上，如圖7所示。

擋板及滑槽：裁出4 塊1.5×15cm，厚度3mm 的黑色亞克力作為兩個安全擋板的滑槽，兩兩平行固定在底板上，一組固定在末尾排座椅前的擋板放置槽處，一組固定在老弱病殘孕座椅的一側，齒條固定在擋板的下側，安放在滑槽內，安裝效果如圖8 所示。

圖6

圖7

圖8

GA12-N20 減速馬達固定：裁割6 塊2×3cm，5mm厚的亞克力板，每3 塊利用亞克力膠粘合在一起，作為馬達的底座，固定在滑槽的一側，使馬達的齒輪軸正好處于滑槽上方，保證齒輪能夠咬合齒條并正常轉動。

DP-801 單片機主板及電池盒固定：將DP-801 單片機的主板與電池盒并排固定在左后側車廂底板上，方便利用杜邦線進行連接及控制，位置如圖9 所示。

圖9

L9110 步進電機驅動模塊固定：將電機驅動模塊固定在單片機主板的右側，即兩個減速馬達的下方，保證能夠正常接線進行電機驅動。

圖10

連接杜邦線進行模塊測試、電機驅動測試，并將杜邦線利用尼龍扎帶進行固定以增強美觀性，完成車廂內部設計，設計完成圖如圖10、圖11 所示。

圖11

4 智能程控安全擋板模型工作狀況及結果分析

工作狀況如表1 所示。智能程控的運行程序為司機授權-末尾排座椅擋板按鍵后運轉-老弱病殘孕座椅擋板按鍵后運轉。

表1

①經過試驗表明，本智能程控安全擋板模型的設計使用基本能夠滿足功能設定需求。

②司機授權運轉，試驗過程中存在授權失敗現象，查明原因為DP-801 單片機主板操作問題，+1 按鍵的按鈕按下時并未觸發程序運轉，但此種現象的概率極小且能夠通過規范操作進行避免，不影響整體試驗數據的準確性。

③末尾排座椅擋板及老弱病殘孕座椅擋板在試驗過程中都有脫出現象，試驗后查明原因為電壓不穩定，GA12-N20 減速馬達的額定電壓為3-6V，在實際操作中因電機驅動模塊本身存在電壓波動的問題，造成電壓不穩，使馬達的運轉時間產生偏差造成逆時針或順時針旋轉的時間不符合程序設定導致擋板脫出，此問題可以依靠更換電機驅動模塊或重啟程序進行解決，不影響整體試驗數據的準確性。

綜合以上試驗數據分析，該智能程控安全擋板模型的設計試驗能夠滿足需求，針對末尾排座椅及老弱病殘孕座椅的防護問題都能夠進行有效解決，證明本模型設計是具有功能性及實用性的。

5 智能程控安全擋板模型設計總結

該突發情況下公交車智能程控安全擋板設計，經過查閱相關文獻資料，并未發現有相關性、相似性極高的相關設計，證明本研究具有很強的創新性，總結該設計的創新點如下：

（1）本設計針對公交車的防護系統進行改造，針對易發生事故的末尾排座椅和老弱病殘孕座椅設計了兩種智能程控的安全擋板，功能性上是創新的。

（2）設計改裝了普通公交車的座椅結構，將倒數第二排座椅的靠背進行改造，起到擋板放置槽功能的同時又不影響公交車的載客量，合理利用了空間。

（3）加裝了智能程控擋板，針對兩種事故易發生座椅進行專項設計，增強了公交車的乘坐安全系數。