基于脚步发电的发光斑马线设备原型研究.docx
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基于脚步发电的发光斑马线设备原型研究
基于脚步发电的发光斑马线设备原型研究
谢雯娉张宏雨陈登峰葛辰龚玲艳
（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410114）
摘要
本作品设计开发了一种基于脚步发电的发光斑马线，该斑马线能感应即将过街的
行人，并将行人行走对地面踩压时所做的自然功通过压电发电片转化为电能，使斑马线上的灯
带发光。
灯带发出的光对驾驶员产生一定视觉冲击，以此警示驶向斑马线的车辆，使之减速行
驶或停止，从而达到保护行人安全过街的目的，打造安全交通、绿色交通。
同时本作品可以实现
自主发电与供电，符合当前节能减排的号召与趋势，这对于道路交通系统的节能具有重要的探
索意义和社会价值。
关键词交通安全；发光斑马线；压电发电技术；节能减排
1研究背景
1.1问题的提出
交通事故作为道路交通的三大公害之
一，不仅给交通参与者的生命安全和财产带
来巨大的威胁，而且严重干扰了道路交通系
统的正常运行。
交通事故频发一直以来困扰
着我国乃至世界各国。
我国的交通安全形势
严峻，交通事故造成的死亡人数占各种事故
的90%以上，对人类的危害已超过了地震、洪
水、火灾、矿难等灾难。
据世界卫生组织统计，每年全球约有120
万人死于道路交通事故，其中46%为步行者、
骑自行车者或者两轮机动车使用者，这一比
例在一些低收入和中等收入国家会更高。
行
人是交通参与者中的弱势群体，最容易受到
伤害。
我国道路交通情况复杂，人、车混行情
况多，是世界上典型的以混合交通为主的国
家，据《中华人民共和国道路交通事故统计年
报（2007年度）》数据显示，2007年行人因交
通意外死亡的人数为21106人，占全部交通
死亡人数的25.85%。
这两个数字从1998年
至现在没有低于2万。
因此，从主动安全的理念出发，研发科
学、人性化、节能的保护行人安全的交通工程
设施是非常有必要的。
1.2国内外研究现状
关于如何设计更安全的人行横道方面，
国内外研究人员针对斑马线进行了大量研
究，提出了一系列的创新设计，并且已有部分
成果在某些城市应用。
2004年，比利时Tony
Cavaleri提出了一种会发光的斑马线，其原理
是当感知器感应到有行人踏到斑马线时，原
本白色部分便发出亮光，让驾驶人在夜间可
清楚见到行人穿越，降低不必要的意外事故，
让行人与驾驶都可获得较好的安全保障。
2009年3月，一种涂有“夜光交通标线涂料”
的标线在我国北京市密云县境内的密西路、
河东路施划，主要是解决山区乡镇公路夜间
缺少照明设施导致发生交通事故的问题。
同
年11月，我国首条立体斑马线应用于广州番
禺。
立体斑马线紧挨着白线处平行增加一条
蓝色线，在两条线的两端，刷上一个黄色四方
块。
这种斑马线利用色块构图，其立体感对
司机产生视觉冲击，以此达到警示的目的。
2011年，韩国设计师JaeMinLim设计了一种
更符合人类心态的弧形斑马线，减少心急过
路的人容易偏离斑马线的几率，让他们可以
更安全地走过道路。
同时为进一步保障行人
安全，设计师更在弧形斑马线铺上LED的发
光层，让线条更醒目，提醒行人及驾驶者小心
过街。
其发光层的电源来自斑马线下设置的
压力感应电池板，每当有汽车和行人经过路
面时，斑马线所感受到的压力便会转化为电
力，为发光层供电。
此外，还有杭州的爱心斑
马线、西安的脸谱斑马线等等。
综上所述，设计开发新型斑马线已成为
提高行人安全的重要手段。
其设计思路主要
归纳为以下发展趋势：
①通过改变斑马线的
形状或色彩，对驾驶员产生一定的视觉冲击，
以此达到警示作用；②通过外加电源或自身
发电使斑马线发光，以此警示驾驶员。
本作品基于节能减排的理念，采用压力
发电片技术设计发光斑马线，将行人行走对
路面踩压所做的自然功转化为电能，使斑马
线发光。
2设计原理
2.1设计思路
本作品采用压力发电片作为元器件，该
元器件的发电原理是使其产生一定变形即可
实现发电，如图1所示。
但是压力发电片抗
压能力很差，容易受损。
因此本作品的设计
思路是首先设计缓冲结构保护压力发电片，
保证其使用寿命。
然后设计发电结构，通过
某种方式使压力发电片产生一定容许范围内
的变形，从而产生电能。
本作品使用的压电
发电片如图1所示，其硬件数据如下：
（1）型号为60mm×37mm×0.4mm，内层
陶瓷片尺寸为50mm×35mm×0.2mm。
（2）发电片峰值电压为12V，峰值电流
为10mA。
通过实验，我们发现，压电发电片通过自
身的形变产生瞬间电荷，其形变过程中产生
的电荷量并无线性关系。
图1压电发电片
2.2研究方法
本作品已设计了一种缓冲结构、两种发
电结构，已开发了两个发光斑马线设备原型，
我们称为发光斑马线1号和发光斑马线2
号。
我项目小组在研究与制作基于脚步发电
的发光斑马线设备原型时，前后采用了两种
不同的传动的方式和作用压电发电片的方
式。
2.2.1发光斑马线1号的设计原理
发电机制：
本型号的发电机制是采用敲
击的方式使压力发电片发电，具体地，当行人
踩踏到上盖时，上盖向下运动，在立柱内弹簧
的缓冲下做预定范围内的下降，带动内立柱
上的销钉击打压电片发电使其发电。
发电结构：
发光斑马线1号的发电结构
是压电发电片固定在底座上，与上盖一起构
成发电装置。
底板与上盖之间用立柱连接，
如图2所示。
立柱的主要作用是：
（1）承受上盖来自行人的压力，保证发
光底板不产生过大形变或者被破坏，维持其
发电能力；
（2）与底部的压缩弹簧连成整体，限制
销钉（长销钉用于拨动发电片）上下运动的位
移，使发电片形变不超出设计的8mm，保护
其不被在斑马线1号中，我们将发光部分和发
电部分合二为一，在发电部分的盖板上方安
装了20枚发光二极管，以此作为发光斑马线
的替代。
图2发电装置内部
实验分析：
通过实验，我们可以看到，当
斑马线1号上方有行人走过时，其上盖中内
嵌的发光二极管会间断发光。
因此，本作品
的设计原理是可行的。
斑马线1号能实现将
行人行走所做的自然功转化为电能，并将其
用于发光二极管的供能，达到警示驾驶员、保
护行人的目的。
发光斑马线的不足之处是压电发电片的
工作效率不高，功与能的转化率较低。
其中
最主要的原因是：
立柱下部的弹簧缓冲作用
太大，很大一部分的行人踩踏做功被内耗，未
能转化为电能加以利用。
2.2.2发光斑马线2号的设计原理
发电机制：
通过齿轮传动拨动压力发电
片的方式实现发电，具体地，当行人踩踏发电
装置时，将齿轴下压，使其通过齿的传动，带
动内部齿轮转动；再通过轴的转动，对两侧的
压电发电片进行拨动。
通过这种设计，行人
踩踏发电装置一次，可以拨打每片发电片3
次，极大地提高了发电效率。
“拨打”方式比
“敲击”方式能使发电片产生更多的电能。
发电结构：
发电装置主要由上盖、传动部
分、发电部分、和底座组成。
传动部分和发电
部分是整体设计的技术关键，我们采用齿条
齿轮传动。
设计数据如下：
（1）尺寸大小：
齿轴圆柱的半径15mm，
齿轮的厚度15mm，齿轴与齿轮咬合
深2mm；
（2）在齿轴有齿的部分：
宽15mm，长
42mm平面，齿轮齿的高度为2mm，齿轴齿的
外边缘与圆心距离为d=（15
2
-7.5
2
）1/2=
13mm；
（3）齿轴与齿轮的中心距离（mm）：
19.5=13+8.5-2（13为齿轴圆心到保留面的
垂直距离；8.5为齿轮的半径；2为齿轴与齿
轮的咬合深度）；
（4）齿轮与齿轴的传动：
半径R=8.5mm
的齿轮旋转90°，齿轴上下行程L=1/2·πR=
13.345mm，设计行程为15mm。
发光装置：
发光装置是根据国标要求进
行设计的，小组将道路斑马线按比例缩小。
通过在斑马线上内嵌发光二极管的方式，我
们用“灯光”代替原来斑马线中的“白条”，使
斑马线更美观耐用，对交通事故能更有效地
进行预防。
实验分析：
发光斑马线2号改进了发光
斑马线1号发电效率低、功与能转化率低的
缺点。
3创新特色
本作品的研究方法突破了目前已有的普
通人行道不发光或耗能发光的设计方法，通
过大量设计和反复实验，创新地采用压力发
电片作为元器件，将行人踩压的自然功转换
为电能，能够自主发电，具有节能的特点。
同
时利用产生的电能使斑马线发光，达到警示
驾驶员、提高主动安全的目的。
4应用前景
（1）据统计，交通事故中有46%的事故
与行人相关，本作品开发的基于脚步发电的
发光斑马线具有较强的创新性和实用性，适
应城市道路和公路上路段和交叉口的行人过
损坏
街地点，若能够推广使用，对于提高行人安全
性、节能、开发新型发电方式具有重要的价值
和意义。
（2）市场分析和经济效益预测：
本作品开
发的基于脚步发电的发光斑马线具有广阔的
应用空间，以中等城市为例，约16%左右的土
地用于修建道路，有很多的行人过街斑马线，
因此具有亿元级的市场空间。
参考文献
［1］王炜.交通工程学［M］.南京：
东南大学出版
社，2002.
［2］杨佩昆.交通管理与控制［M］.北京：
人民交通
出版社，2011.
［3］周长城.AutoCAD2007（中文版）机械设计实
例教程［M］.北京：
机械工业出版社，2007.
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