馬國翔

（山東省臨沂市第三中學(xué)，山東臨沂，276000）

0 引言

現(xiàn)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(guān)注乘公交車的安全問題。公交車的事故發(fā)生原因中，座椅的設(shè)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(fā)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(jī)動性和反應(yīng)力；另一方面在突發(fā)情況出現(xiàn)、司機(jī)踩剎車及快速轉(zhuǎn)向時，乘客會因慣性產(chǎn)生身體傾斜，沒有有效的防護(hù)措施及容易產(chǎn)生摔傷事件，更嚴(yán)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(hù)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(jìn)行了作為顏色改變，進(jìn)行標(biāo)識，與其他普通座椅并沒有區(qū)別，安全防護(hù)的級別仍然有待提高；

本文針對上述問題，研究設(shè)計一種突發(fā)情況下公交智能程控安全擋板。設(shè)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(tài)下由司機(jī)授權(quán)后進(jìn)行使用，增強(qiáng)公交車乘坐的安全系數(shù)，保證乘客的生命財產(chǎn)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(shù)，中間有一個座椅正對乘客站立通道，此位置易發(fā)生事故，問題來源如下：

（1）此座椅因末尾排兩側(cè)乘客入座需求，未安裝任何防護(hù)裝置如護(hù)欄、護(hù)桿、手握吊環(huán)等；

（2）因公交車設(shè)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(jī)動性和反應(yīng)力，不易于在突發(fā)情況發(fā)生時及時做出反應(yīng)；

（4）該座位正對乘客站立通道，在司機(jī)剎車或其他突發(fā)情況發(fā)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(xiàn)有的安全防護(hù)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(dāng)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(fā)位置，原因如下：

（1）只有顏色標(biāo)識，功能性上與其他普通座椅沒有區(qū)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(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向時容易使乘客側(cè)向摔傷；

（3）老弱病殘孕專座的乘客多數(shù)為身體狀況較低的人群，對突發(fā)情況的反應(yīng)力、處理能力低下，事故發(fā)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(fā)生概率高且極容易產(chǎn)生二次傷害。

圖3

圖4

2 智能程控安全擋板模型設(shè)計

2.1 設(shè)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(shè)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(shè)計

防護(hù)形式：選取擋板的形式來進(jìn)行防護(hù)，排除吊環(huán)拉手、防護(hù)欄、護(hù)桿等設(shè)計。

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

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

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

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

①倒數(shù)第二排座椅靠背改造：將倒數(shù)第二排座椅的位置向車頭方向做略微調(diào)整，并將靠背改造，將靠背后側(cè)設(shè)計為兩層形式，即呈“n”形，n 形內(nèi)部為擋板放置槽。

②移動擋板設(shè)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(nèi)，豎直放置，利用齒條、齒輪組合與電機(jī)相連，實現(xiàn)程控移動。

（2）老弱病殘孕座椅設(shè)計

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

智能程控形式：采用DP-801 單片機(jī)編程進(jìn)行智能控制，利用宏指令控制電機(jī)進(jìn)行運轉(zhuǎn)，在末尾排座椅及老弱病殘孕座椅的一側(cè)車壁上分別設(shè)計按鈕，并利用DP-801 單片機(jī)主板自身的開關(guān)+1 按鍵進(jìn)行整體控制，接通+1 按鍵模擬司機(jī)授權(quán)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(fù)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(shè)計的要求，韌性及剛性都能滿足要求，起到防護(hù)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(dá)作為智能程控安全擋板的動力裝置，此種馬達(dá)為全金屬結(jié)構(gòu)，減速箱為銅質(zhì)，內(nèi)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(jī)配合L9110 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)行搭載使用，提供穩(wěn)定的動力來源控制安全擋板的運轉(zhuǎn)。

圖5 整體電路圖

3 智能程控安全擋板模型結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)

該模型裝置的整體外觀為車型，但為了方便機(jī)械操作及觀察將車體設(shè)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?zhèn)劝濉?/p>

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(shè)計、觀察及固定。

3.2 局部設(shè)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(biāo)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(jìn)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(biāo)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(jìn)行打磨；打磨完成后，撕下亞克力板外層包裝紙備用。

車廂側(cè)壁：同樣方法裁取另外一塊20×40cm 的黑色5mm 厚亞克力板進(jìn)行打磨，作為車廂的側(cè)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(cè)壁的順序進(jìn)行粘合，亞克力板銜接處分別利用直角角鐵進(jìn)行加固，等待膠水干燥即完成車廂外殼組裝。

車內(nèi)座椅制作：取一塊60×60cm，5mm 厚的白色亞克力板，做標(biāo)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(cè)面，利用亞克力膠水按照直角進(jìn)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(shù)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(shù)第二排座椅上側(cè)，如圖6 所示。

老弱病殘孕座椅的按鍵模塊固定在車廂側(cè)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(cè)，齒條固定在擋板的下側(cè)，安放在滑槽內(nèi)，安裝效果如圖8 所示。

圖6

圖7

圖8

GA12-N20 減速馬達(dá)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(dá)的底座，固定在滑槽的一側(cè)，使馬達(dá)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(zhuǎn)動。

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

圖9

L9110 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊固定：將電機(jī)驅(qū)動模塊固定在單片機(jī)主板的右側(cè)，即兩個減速馬達(dá)的下方，保證能夠正常接線進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動。

圖10

連接杜邦線進(jìn)行模塊測試、電機(jī)驅(qū)動測試，并將杜邦線利用尼龍扎帶進(jìn)行固定以增強(qiáng)美觀性，完成車廂內(nèi)部設(shè)計，設(shè)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(jié)果分析

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

表1

①經(jīng)過試驗表明，本智能程控安全擋板模型的設(shè)計使用基本能夠滿足功能設(shè)定需求。

②司機(jī)授權(quán)運轉(zhuǎn)，試驗過程中存在授權(quán)失敗現(xiàn)象，查明原因為DP-801 單片機(jī)主板操作問題，+1 按鍵的按鈕按下時并未觸發(fā)程序運轉(zhuǎn)，但此種現(xiàn)象的概率極小且能夠通過規(guī)范操作進(jìn)行避免，不影響整體試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(xiàn)象，試驗后查明原因為電壓不穩(wěn)定，GA12-N20 減速馬達(dá)的額定電壓為3-6V，在實際操作中因電機(jī)驅(qū)動模塊本身存在電壓波動的問題，造成電壓不穩(wěn)，使馬達(dá)的運轉(zhuǎn)時間產(chǎn)生偏差造成逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)的時間不符合程序設(shè)定導(dǎo)致?lián)醢迕摮?，此問題可以依靠更換電機(jī)驅(qū)動模塊或重啟程序進(jìn)行解決，不影響整體試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

綜合以上試驗數(shù)據(jù)分析，該智能程控安全擋板模型的設(shè)計試驗?zāi)軌驖M足需求，針對末尾排座椅及老弱病殘孕座椅的防護(hù)問題都能夠進(jìn)行有效解決，證明本模型設(shè)計是具有功能性及實用性的。

5 智能程控安全擋板模型設(shè)計總結(jié)

該突發(fā)情況下公交車智能程控安全擋板設(shè)計，經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，并未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)性、相似性極高的相關(guān)設(shè)計，證明本研究具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，總結(jié)該設(shè)計的創(chuàng)新點如下：

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

（2）設(shè)計改裝了普通公交車的座椅結(jié)構(gòu)，將倒數(shù)第二排座椅的靠背進(jìn)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?fù)醢澹槍煞N事故易發(fā)生座椅進(jìn)行專項設(shè)計，增強(qiáng)了公交車的乘坐安全系數(shù)。