城市道路LED电子斑马线的设计

许强强，石臣鹏

（四川警察学院 四川泸州 646000）

人们无时无刻都离不开手机，随着日常低头看手机的频率增加，安全隐患也随之产生，尤其是发生在城市道路中的交通安全隐患，其中较为突出的则是发生在斑马线上的交通事故。注意力的集中程度是影响交通事故的重要因素，不管是对于行人还是机动车司机而言，能否在道路上安全通行主要还是取决于参与交通行为是的注意力是否集中［1］。斑马线设计的科学性对于城市道路安全至关重要。本课题通过调研收集了大量数据，并以Vissim 仿真模拟进行论证，设计了一种新型的LED电子斑马线：利用LED灯光作用提高行人过街时的注意力，来实时提醒过街行人和车辆，达到行车安全过街和提高车辆通过性的目的。

一、现有斑马线设计存在的问题

现有的斑马线设计，主要有路侧两边带有显示屏的斑马线和3D 视觉效果设计的斑马线。在国内，2017 年6 月5 日由重庆市教委主办的第九届重庆市大学生合泰杯单片机应用设计竞赛比赛现场中，重庆化工职业学院大二学生邓榆与汪沿庆设计的“智能斑马线”让人眼前一亮。单片机是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM 等集成到一块硅片上，构成的一个微型计算机系统。2018年5月2日，北京通州区乔庄南路、乔庄北街发现了两款类似的智能斑马线［1］。在日本，2019年1月，日本国土交通省道路局，编著出台了《为了确保学生道路的安全，交通管理者的对策实施例》，其对于斑马线的改善设计主要是将隆起带与人行横道合并设置，一方面可以在车道内利用隆起带来降低机动车的通行速度，另一方面使得道路两侧的步道与人行横道之间的高度差减小，步道与人行横道之间的通行变得更加顺畅［2］。

俄罗斯设计师Alexey Chugunnikov 曾进行了大胆的想象，设计出一种智能斑马线。常规斑马线只是用涂料绘制而成，而这种智能斑马线则配有压力感应器。行人一旦踩到斑马线上，整条斑马线就会变成红色，对来往的车辆起到警示的作用。这种智能斑马线的设计，目前还处于研究阶段，没有广泛应用［3］。

（一）警示滞后，作用力小

路侧两边增加显示屏的斑马线，其主要作用在于曝光行人乱窜斑马线、无视红绿灯的行为，发挥的作用主要是一种事后警示作，因而其对行人安全过街的即时保障作用有限。实际情况大多是，虽有相应处罚，但仍有不少司机不避让行人而抢道通过斑马线。安全隐患大量存在但实际教育意义不高。

（二）时效性差，持续性低

立体样式斑马线由浙江台州最先实行推出，这条与众不同的斑马线用了白、蓝、黄三种颜色涂料，看起来不仅有立体效果，也十分漂亮醒目。从司机行车角度看，斑马线的立体效果非常明显，且白天和夜间都有立体效果［4-5］。

3D 视觉效果的斑马线设计，对司机和行人注意力上都有一定的牵引作用，但其彩色涂漆在外部环境暴露下会逐渐退色，注意力的吸引效果则随之降低，如下图1 所示，左侧：新上色的3D 斑马线、右侧：司机和行人角度所示3D 斑马线。总体而言，如何通过改进斑马线的设计，有效提升城市道路交通安全度，仍然是值得进一步研究的问题［6］。

图1 成都抚琴西路171号处3D斑马线

二、LED电子斑马线的基本原理和基本模型

（一）基本原理

LED（Light Emitting Diode 发光二极管）光源具有功耗低、寿命长、适用性强、稳定性高、响应时间短、生产可实现无汞化、对环境无污染等诸多优点，符合节能环保潮流［7-10］。LED 电子斑马线主要技术原理是：将LED 灯具安装于首尾两条斑马线边缘及其余每条斑马线长度方向的两端，LED灯显示的颜色与红绿灯颜色保持一致，当红绿灯变成绿灯时，LED 灯也是显示为绿色，提示行人可以通过斑马线过马路，当红绿灯变成红色时，LED灯转变为红色，警示行人不可以通过斑马线。

同时，新型LED 电子斑马线设计增加了语音提示功能。语音播报器安置于控制桩的内侧面，当交通信号灯亮红灯时，语音播报器播报“行人误闯红灯”，绿灯时，语音播报器播报“行人请通行”。语音播报时间按红绿灯时间的比例来确定，例如：绿灯亮时，32s绿灯时间可以以6s为一个间隔进行语音播放，在绿灯时间内大概可循环4 次；红灯时，若是24s 红灯时间则可以4s 为一个间隔进行语音播放，同样在红灯时间循环次数可达4次左右。

LED 灯具包括壳体、LED 灯体和透明钢化玻璃，壳体作为LED 灯体的载体嵌设于路面内，LED灯体发出不同颜色的光源。由于LED 灯具嵌设于路面内，行人即使是在低头使用手机的时候，眼睛也会注意到地面LED 灯具的颜色变化。其视觉警示作用能有效发挥。可控性是LED 的优势特性之一，因而该LED 灯体可以与室内交通网络连接，可以做到与红绿灯的颜色同步变化，再通过设置透明钢化玻璃，加固LED灯具本体的坚固性的同时，也便于LED灯体光线的穿过，最后实现提高过街人的注意力。

（二）基本模型

LED 电子斑马线装置包括斑马线本体2 和LED 灯具1。LED 灯具1 分布于首尾两条斑马线边缘及其余每条斑马线长度方向的两端，并嵌设于路面内，如图2所示。

图2 LED电子斑马线立体效果

LED 灯具壳体（1-1）嵌设于路面内。壳体内部装置包括：LED 灯体（1-2）、透明钢化玻璃（1-3）、调整座（2-1）、翻转板（2-2）和转轴（2-3）。见图2。

工作原理是：驱动电机（2-7）输出端自转动圆槽（2-6）槽底端露出设置，进而便于连接于所述驱动电机（2-7）输出端的转动齿轮（2-8）与内传动齿（2-5）的连接，固定柱靠近固定环（2-4）端转动连接于转动圆槽（2-6）内，驱动电机（2-7）连接于翻转板（2-2）上，驱动电机（2-7）转动时，驱动翻转板（2-2）与其一起以固定柱为中心转动。见图3、图4。

图3 LED灯具剖视效果

图4 输出端A放大效果

其主要结构为：LED灯体（1-2）、调整座（2-1）、翻转板（2-2）、转动圆槽（2-6）。

图4、图5所示技术方案的工作原理是：LED灯体（1-2）连接于调整座（2-1）上，调整座（2-1）下端连接有两个翻转板（2-2），并通过两个翻转板（2-2）连接于壳体（1-1）内壁上，驱动电机（2-7）工作，进而带动连接于其输出端的转动齿轮（2-8）在固定环（2-4）内转动，转动齿轮（2-8）与内传动齿（2-5）配合连接，进而带动翻转板（2-2）以固定柱为中心转动，从而调整LED 灯体（1-2）在壳体（1-1）内的投射角度，行人低头使用手机过斑马线或是过街注意力转移置其他地方时，投射角度的调整方便光源自行人的视角余光进入到行人视线内，从而使行人更快注意到LED灯体（1-2）的颜色。

图5 翻转板结构示意效果

其主要结构为：驱动电机（2-7）、转动齿轮（2-8）、定位槽（3-1）、安装管（3-2）、圆板（3-3）、凸起（3-4）、弹簧（3-5）。

图6 所示技术方案的工作原理为：转动齿轮（2-8）在固定环（2-4）内围绕内传动齿（2-5）周向转动时，圆板（3-3）在固定柱靠近固定环（2-7）端滑动，三个凹槽分别对应调整座（2-1）翻转20°、40°和60°设置，当圆板（3-3）滑动到预定角度对应的凹槽位置时，弹簧（3-5）抵住圆板（3-3），进而使凸起（3-4）卡于凹槽内，进而起到对调整座（2-1）进行临时固定的作用。

图6 转动齿轮剖视效果

在其中，还包括：膨胀槽，多个膨胀槽设于安装管（3-2）远离圆板（3-3）端。

上述技术方案的有益效果为：膨胀槽设置于安装管（3-2）远离圆板（3-3）端，从而使安装管（3-2）远离圆板（3-3）端的直径可小范围变化，方便安装管（3-2）插入定位槽（3-1）内，以及安装管（3-2）远离圆板（3-3）端插入定位槽（3-1）内时，安装管（3-2）远离圆板（3-3）端的膨胀限位。

在其中，还包括：扣齿，扣齿连接于安装管（3-2）内壁靠近圆板（3-3）端，弹簧（3-5）远离定位槽（3-1）端与扣接于扣齿上。

上述技术方案的有益效果为：扣齿的设置，便于弹簧（3-5）远离定位槽（3-1）端与安装管（3-2）的固定。

其主要结构是：立柱（4-1）、红外传感器（4-2）、扬声器（4-3）。

图7、图8所示技术方案的工作原理是：处理器（4-4）连接于城市交通网络内，进而同步监测到红绿灯的信息，红外传感器（4-2）检测行人路过信息，当监测到红灯信息时，红外传感器（4-2）监测到行人通过斑马线时，向处理器（4-4）发出信号，处理器（4-4）向扬声器（4-3）发出工作指令，扬声器（4-3）工作发出声音警示，以提示行人远离斑马线，当监测到绿灯信息时，处理器（4-4）不向扬声器（4-3）发出工作指令。

图7 提醒装置结构示

图8 控制原理

三、Vissim仿真模拟

以泸州市龙透关路110交叉口为例，在其交叉口处将设计的LED电子斑马线进行模拟实验，如图9所示。理想状态下，对该交叉口应用LED电子斑马线后，出现行人过街完全或者极少数存在闯红灯行为。在这种理想状态下，对该路口进行Vissim 模型模拟，进行前后对比验证实际情况下行人过街对机动车通过路口的延误时间。

图9 vissim概览图

该路口人流量和车流量都很大，实地调查显示，该路口基本情况是东进口道高峰小时交通量为1877 veh/h，北进口道高峰小时交通量为83 veh/h，西进口道高峰小时交通量为2133 veh/h，南进口道高峰小时交通量为205 veh/h，是两相位的交叉口。为了体现行人过街对该路口交通的影响，也模拟行人输入，且行人的数量和速度也采用实测跟步计时方式获取，因此vissim仿真模拟的评估结果较贴近于真实情况，如图10所示。

图10 vissim仿真模拟3D效果

两种随机种子情况下的模拟结果如下：

由表1结果列表可见，模拟中对机动车和行人的延误影响是相互的，尤其是四个进口道右转车辆不受信号灯管控，因此右转车辆延误的造成主要还是受过街的行人影响，与问卷调查中针对司机主观意志相同，在机动车驾驶人的角度看42%的司机认为是行人影响了机动车通过交叉口的效率。

表1 据实测数据模拟结果

表2 模拟理想状态结果

在该理想状态下，机动车只受到该路口信号灯的影响产生延误，可见比有行人时延误影响小多了。经观察发现该交叉口高峰时期为两相位的信号灯控制方式：东西进口道由一个组合相位控制、南北进口道由另一个相位控制（如下图所示），机动车红灯时间最长68s，因此其评估结果最大平均延误也才65.84s，相比有行人时的最大平均延误223.94s缩短了近三倍。

因此，若LED 电子斑马线有效管控好行人过街，这不仅仅能提高行人过街的安全性，而且还能够大幅提升交叉路口的机动车通行效率。

四、结论

本项研究在考察国内外关于斑马线的设计基础上，分析了已有设计存在的问题，提出了新的设计方案。通过vissim仿真，模拟理想状态下实际交叉口应用LED电子斑马线后，行人过街对车辆通行效率，验证了此项设计方案的可行性。期望此项设计能在城市道路得到实际应用，提高行人过街的安全性及机动车通行效率。