王朝陽 李朔 朱國鑫 袁潤雪 李曉陽 河北農業(yè)大學

1 設計的背景

近年來，針對城市供電的電源來源主要是火力發(fā)電和水力發(fā)電?；鹆Πl(fā)電和水利發(fā)電雖成本較低，但弊端也較為明顯，火力發(fā)電仍存在著污染大，可持續(xù)前景暗淡，耗能大效率低的問題，水力發(fā)電對地理環(huán)境要求高，需在水力資源極其豐富的情況下才能加以利用。利用無污染、可再生、清潔性強等優(yōu)點的動能轉化為電能成為國家和人們所追求的一種發(fā)展趨勢。

公共交通作為目前人們主要的出行方式，能夠很好的緩解城市交通擁堵的問題，同時可以達到低碳出行的效果，但中國城市公共設施基數大，城市公交的照明設施較多，耗電量大，資源浪費嚴重，資金的支出較大成為目前的一個主要問題。同時，人們平時的運動只是為了運動而消耗能量，快節(jié)奏的生活也大大減少了人們的鍛煉時間，使人們運動意識降低，更多的是夾雜在工作中的走步與跑步，能量主要以碎片化形式消耗，收集利用較為困難，因此，針對公交站牌及周圍的照明設施如何在保證其功能的同時減少能耗與成本，充分收集與利用動能向電能的轉化成為一個重要的研究課題。

2 現有城市公交節(jié)能裝置分析

加裝太陽能電池板的公交站牌能夠儲存一定的電量，到晚上通過LED燈帶照明，解決了夜間部分站牌因周圍光線不足導致乘車人員無法辨認站牌內容的問題，雖體現出了一定的節(jié)能環(huán)保性，但當光線不足或遇到陰雨天時則不能夠完全儲電的功能。

目前的普通電子站牌功耗大，不節(jié)能。以前LED文本點陣的站牌由于只能顯示文本信息已逐漸被取代，高亮液晶屏因可以顯示面板顯示實時信息逐漸出現，但液晶屏幕功耗非常大，單屏幕功耗普遍達到200W，再加上配套的強制風冷或空調等散熱措施，系統(tǒng)正常工作時功耗可達400-500W，不能夠達到功耗和顯示性能的統(tǒng)一，能耗消耗大，資金投入較多，不能體現當代所提倡的節(jié)能環(huán)保的理念。

太陽能電子墨水屏電子站牌，電子墨水屏類似于白紙黑字，根據判斷外部光源是否強烈決定其屏幕上呈現的字體是否明顯，其功耗低，整個電子站牌整體功耗低于2W，綠色環(huán)保，太陽能獨立供電，連續(xù)10天陰雨天正常工作，雖以足夠低耗能，但因其智慧化高，其成本也較大，目前還未能達到普及，同時不能夠體現當今國家所提倡的全民健身，不能夠達到鼓勵人們進行運動的目的。

公交車站的廣告牌一般都是電源供電，因車站廣告牌位置低，大街上被日照的時間短，易損壞，不適宜安裝太陽能，因此仍然沒有實現利用綠色能源進行供能，依然在不斷地進行資金的消耗。

3. 城市候車節(jié)能裝置設計介紹

3.1 設計簡介

城市候車節(jié)能裝置是一種通過收集人們碎片化的運動能量轉化為電能供應于公交站牌照明裝置的公共設施。其主要包括動能集中收集與轉化模塊、蓄電池的電能儲存模塊，控制管理分配模塊，獎勵機制模塊等四大部分。主要由往復踩踏式動能發(fā)電裝置、控制器、蓄電池、光感應器、欄桿及顯示屏等組成。四大模塊相輔相成，實現了動能的收集、轉化、管理和應用，為周邊的照明設施提供電能。將人們自身的運動通過踩踏踏板轉化為電能，降低了能耗，同時鍛煉了身體，提高了運動意識，增加了候車的趣味性。

動能的收集與轉化模塊主要為通過人的往復式踩踏踏板進行磁感線的切割、彈簧回彈、齒輪轉動進行發(fā)電，將運動所產生的動能及時地轉換為電能；控制管理模塊主要是將電能經DC/DC轉化器的升壓后存儲在蓄電池中，經控制器管理與分配后，將小部分電能作用于欄桿上的顯示屏，另一部分儲存于蓄電池，當光感應器感知到周圍光線變暗時傳遞信息至控制器，將蓄電池的電能釋放出來用于站牌照明等周邊照明設施；獎勵機制模塊主要為通過人對踏板的往復式踩踏作用的時間和力度，在顯示屏上自上而下滾動出商業(yè)支持的二維碼，通過掃描二維碼可進行獎勵獲取，促進該裝置的使用頻率。

整體流程如圖1所示。

圖1 整體流程圖

3.2 人性化設計分析

（1）踏板設計

從以人為本的角度出發(fā)，考慮人們的行為習慣，和使用的方便舒適度，踏板的傾斜角度為20°，滿足大眾人群的踩踏姿勢，能夠更加有效地提高踩踏時能量的收集效率。運動時踏板的角度可以根據作用時間與作用力度的變化而變化。傾斜的踏板上通過增加向內的凹陷增大踏板的摩擦力度，其前端和后端設有擋板，保護腳跟，具有足夠的強度和穩(wěn)定性，起到防滑的作用，增加人們使用時的安全性，防止進行使用的人們出現滑落受傷的意外。

（2）欄桿設計

在人性化理念的前提下在踏板前側安裝有高低不同的輔助倚靠安全欄桿，滿足不同身高人群使用的需求，適應使用者要求，欄桿表面為黃黑相間的條紋，能夠起到更為醒目的作用以及給人安全的心理感受，在人們使用踏板時起支撐倚靠作用，同時將等候區(qū)跟車行道分隔開，最大程度地防止事故的發(fā)生。

（3）獎勵機制模塊的出現

為迎合人們的心理需求，提高人們的使用積極性，在欄桿的上端安裝有小型顯示屏裝置，在人體踩踏踏板達到一定力度和時間的狀態(tài)下，達到程序設定的要求即可獲得獎勵，獎勵通過掃描自上而下滾動顯示出的二維碼來獲得，二維碼可通過商業(yè)支持途徑提供，從而促進大眾在運動與樂趣之余進行動能的收集轉化，實現節(jié)能環(huán)保的綠色出行。

整體效果圖如圖2所示，使用場景如圖3所示，系統(tǒng)說明圖如圖4所示。

圖2 整體效果圖

圖3 使用場景圖

圖4 系統(tǒng)說明圖

3.3 人群定位

該裝置主要應用于城市公交客流量較大各大候車場所，目標人群定位在乘坐公交出行的廣大公眾，包括學生、白領、老人等多個年齡段人群，利用等車零散的時間，放下手機，通過進行簡單的運動來給公交各大站牌照明設施提供能量來源，同時能夠通過所獲得獎勵激勵廣大群眾進行使用。

3.4 工業(yè)設計理念與裝置的融合

城市公交節(jié)能裝置旨在引導創(chuàng)新、促進節(jié)能減排，為大眾提供高質量的生活，將解決方法的過程應用于裝置、系統(tǒng)及體驗的設計活動中，通過跨學科、多學科的知識應用將創(chuàng)新、技術、商業(yè)及使用者緊密聯系起來，使用過程中創(chuàng)新性地將人們對裝置進行的簡單踩踏動能收集起來進行轉化，實現電能的供給，同時經獎勵機制模塊的安裝滿足使用者的自身體驗，建立了更符合人性化的裝置，對社會、經濟和環(huán)境等方面起到了積極推動的作用，符合了工業(yè)設計的最新定義。

4 結束語

本裝置通過對人們動能收集轉化實現對公交站牌照明及廣告牌照明的電量供給，同時裝置的使用方式與操作方法適應了人們的使用與心理需求，切實貫穿了人性化設計的理念，促進了工業(yè)設計的發(fā)展，最終為國家的節(jié)能減排戰(zhàn)略提供強大的推動力量。

本裝置的使用將為大眾提供一種富有樂趣性的等車方式，減少低頭族的出現，向人們傳達一種全民鍛煉的理念，促進大眾低碳生活、低碳出行，將運動、反饋、能量轉化三者集于一體，大大提高對我們身邊動能的利用效率，減輕城市電力供應方面的問題，將跨學科、多學科的理念融合在一起，應用前景廣泛。