基于3R原則設計的一體化多功能新型公交站臺

文/文海鐘

1 研究背景

1.1 水資源短缺成常態，城市綠植澆灌技術不成熟

綠植是城市規劃和生態系統建設中必不可少的基本組成部分，在城市整體環境保持中發揮著重要的作用。但我國大部分城市降雨量少，綠植澆灌成問題，現多采用低壓漫灌或抽調水庫水進行噴灑等形式，水資源利用率低下。且澆灌用水的來源越加狹窄，取湖泊水、使用中水、地下水等方式都存在著越加凸顯的問題。[1]而降雨量較大的地區，大量雨水資源白白流失，城市發展中不透水面積增大引發一系列生態與環境問題。[2]據分析，目前我國在按時灌溉、中水灌溉、改進設備等方向都做了研究，但大部分研究方向單一化或應用條件局限，還會受到技術、用材及其他限制，如有些措施可能需要進行城市道路大規模改建或鋪設線路。

1.2 公共交通覆蓋率廣，人性化服務功能不足

公共交通是城鎮居民們日常出行最為主要的交通方式之一，以北京市為例，僅2019年8月乘坐公共交通出行人數為2.65 億人次（數據源于國家統計局），國家提倡人們選擇公共交通出行，以達到節能減排的目的，交通方式的舒適性及便利性很大程度上決定著人們選擇傾向，而目前城市客運公共交通中，車下服務及車上服務給乘客提供的服務都沒有達到最好的舒適度和便捷度。直列式公交停靠站是目前我國應用最為廣泛的公交停靠站布局形式，布置在機非隔離帶及人行道等位置，[3]如圖1。但目前仍有部分公交站臺老舊，功能單一，無休息椅，難以適應現代社會中市民的出行需求。提倡公共交通出行的政策導向沒有達到最大化效果。

2 研究目的及意義

（1）基于3R 原則選材設計與雨水收集和處理裝置相結合的人性化新型一體公交車站臺，探尋能解決我國大部分城市道路綠植灌溉量不足，灌溉方式落后和強降雨易形成城市內澇等問題的方法，同時可緩解城市水資源短缺現象。

（2）提出多種（如車內擁擠程度預提醒功能）適用于公交站臺的人性化服務方式，提高社會公眾的公共交通出行體驗，促使更多的人們傾向于選擇公共交通方式出行，節能減排，構建綠色城市。

（3）從改善公共交通角度進行將現代智能科技應用在生活領域的一個探索，為交通領域的智能化探索提供一點思路。

3 研究方法

3.1 文獻研究法

在中國知網，維普，萬方等數據庫以3R理念、公交站臺、人性化服務等檢索詞進行檢索，對搜索到的資料進行篩選和分析，總結目前與本研究相關的研究成果，發現較多對于雨水收集再利用和智能公交的理念的研究成果，通過分析其研究內容和細化方向，篩選出與本研究相關的文獻13 篇，分析得出這些研究在功能和實用上的不足，雨水收集和處理裝置較多，但相關科研成果缺乏充分的市場調研，有些科研成果成熟度低，尚未推廣；有些科研成果生產成本較大，市場需求不旺盛；還有些科研成果偏重單一技術研發，對集成化，規模化缺乏研究。[4]參考相關資料對本研究的裝置功能設計進行更進一步的完善和調整。

3.2 實證研究法

通過分析現階段與本研究在研究方向或單一功能上有一定相似的研究內容，了解選擇公共交通的乘客出行服務需求，結合在中學階段學習的智能控制編程技術基礎，通過進行一體化新型公交站臺的功能及結構設計來進行研究，結合老師意見進行設計功能和結構調整，明確劃分一體化新型公交車站臺的兩大部分功能。

圖1

圖2

圖3

3.3 模擬法

圖4

圖5

設計與研究需要在實際檢驗中發現問題來進行調整，本研究根據一體化新型公交站臺的功能和結構設計，基于“3R 原則”（所謂"3R 原則"即減少原料(reduce)、重新利用(reuse)和物品回收(recycle)。）[5]選取環保型材料進行設計實物搭建和制作，完成電路架設，對相應功能進行檢驗，檢查修正一體化新型公交站臺的雨水收集利用功能、公交車輛擁擠程度提醒及公交卡充值等功能的穩定運行。

4 研究過程

確定選題后，在老師的指導下進行研究方案設計。結合在中學階段所學習的智能控制編程基礎，進行一體化新型公交站臺的人性化功能設計與優化，制定了系統的研究思路如圖2。按照預定研究方案，有計劃的安排時間完成整個研究項目的進行。

4.1 選題查新

結合老師建議調整選題方向后，確定以基于3R 理念的結合雨水收集利用裝置和人性化新型公交站臺為一體的道路基礎設施設計為題進行研究，對這一選題進行查新，使用“公交站臺AND(3R 原則OR 人性化設計OR 人工智能)”，“雨水收集AND(利用OR 灌溉)”為檢索語句進行查新，通過對結果文獻的分析，現有公交站臺的設計是對公交站臺的功能、環境進行分類設計。[6]一些智能化的研究成果在電子交互顯示屏、語音提示等方面做出了創新設計，使用方法不夠簡便或未能直接的提高人們出行體驗。[7]本研究所設計的以雨水收集自動澆灌和人性化服務新型公交站臺的一體化設計在之前未有過相關設計，本研究選題較為新穎，具有較高的研究價值。

4.2 站臺功能設計

根據本裝置設計思路來源，本研究裝置功能設計主要針對兩方面問題。一是對非常規水資源——雨水的回收和利用。設計自動化的雨水收集和過濾結構，以及道路綠植的自動化澆灌。另一部分針對公交站臺的智能化與人性化設計，現階段公共交通發展的主題是智能化和節能化。[8]本研究結合目前技術基礎，設計一體化新型公交站臺具有太陽能轉化供電、車輛到站時間及擁擠程度預提醒等相應功能，繪制整個一體化公交站臺的功能框架圖（圖3），根據相應功能，基于環保理念進行所需材料選取和購置。

4.2.1 雨水收集及處理功能

公交站臺頂部的遮陽擋板設計為可活動樣式，擋板上鋪設覆膜的太陽能板，實現雨水的順利收集和太陽能的轉化儲存，安裝雨滴傳感器作為雨水收集功能的開關，在遮陽板下方設計兩個舵機作為遮陽板起落的動力。正常狀態下雨水收集板平放，為候車乘客提供遮陽服務并收集太陽能進行儲備對整個站臺供電。當開始下雨時，雨滴傳感器檢測到雨水下落，舵機驅動將雨水收集板外側撐起20 度，將雨水匯流，通過兩層過濾進入蓄水箱，作為道路綠植澆灌的儲備水，減少道路雨水淤積。雨停后雨滴傳感器表面變干，信號斷開，舵機控制雨水收集板下落恢復正常狀態。埋放在道路綠植土壤中的土壤濕度傳感器在濕度不足時接通，控制中心啟動澆灌程序，安裝在蓄水箱中的水泵進行抽水灌溉。

4.2.2 人性化智能服務功能

目前公交車客流檢測方法主要采用壓力檢測、紅外檢測和圖像檢測三種方式。[9]本研究采用物聯網模塊信息傳輸實現對公交車內實時人數的計算，并根據人數情況進行擁擠程度評估，分寬松、無座、爆滿等狀態顯示在站臺的LED 顯示屏，為候車乘客提供信息，供乘客考慮是否繼續等待還是選擇其他交通工具。同時站臺還設置休息椅、太陽能供電usb充電口、車輛到站信息提示及公交卡便捷充值等服務，為候車乘客提供較全面的出行服務，解決人們的切實所需。

4.3 站臺模型制作及功能調試

4.3.1 模型制作

按照本研究裝置功能設計，參照站臺主體結構圖（圖4、圖5），進行材料加工處理，使用亞克力板作為一體化公交站臺的主體結構，儲水箱作為地下結構，使用高密度泡沫作為地下結構的填充材料，連接儲水箱的管道鋪設在地下，連接道路綠植完成澆灌。遮陽板上鋪設覆膜的太陽能板，作為公交站臺的部分能源來源，同時承擔著發生轉向進行雨水收集的作用。使用雨滴傳感器固定在覆膜太陽能板上，檢測下雨后，遮陽板下的舵機將2 塊遮陽板外側頂起20 度，讓雨水從內側面通過兩次過濾匯集在蓄水箱。雨停后遮陽板復原提供遮陽及其他服務。正常情況下，安置在路邊綠植中的土壤濕度傳感器檢測濕度過低時，智能系統控制接通水泵進行澆灌。使用物聯網模塊進行車內人數信息的實時傳輸實現預提醒功能，LED顯示屏進行信息顯示；充電模塊模擬實現充電功能。

4.3.2 功能測試

完成裝置制作后，進行整個一體化新型公交站臺的功能試運行，檢測是否具備實際適用性，發現雨水收集板的偏轉角度較大，重新輸入參數進行調整；站臺電路部分因線路問題，部分功能未能實現，進行電壓調整來糾正。整個公交站臺的能量供應可能會受到地域影響，不能完全由太陽能供應，在實際應用中需要根據設置地域選擇結合部分電能供應。

5 研究結果

（1）雨水收集灌溉裝置與城市交通系統中的公交站臺相結合，使用智能控制編程技術為支撐，結合海綿城市及3R 理念，從設施改建的方便程度上來講避免了大幅度的道路改建，同時公交站臺進行設計改裝后雨水接收面較大，蓄水作用較明顯，在強降雨期對緩解城市內澇現象有一定作用，同時大幅度的增加了道路綠植的灌溉量，一定程度的替代傳統綠植澆灌用水來源渠道，解決城市綠植澆灌量不足、緩解多雨城市易形成內澇等問題。

（2）多功能的人性化公交站臺服務，通過常規的休息椅、便捷充電、公交車到站時間提醒以及獨有的車內擁擠程度預提醒和nfc 公交卡充值功能，在公交車站臺的綜合性服務方面做出了較大突破，兼顧到乘客選擇公共交通出行所需的部分需求及解決公共交通出行可能遇到的問題。這部分功能可提高城市居民選擇公共交通作為日常出行方式的意愿，促進節能減排，綠色出行理念的推廣，對自然環境的保持具有一定的積極作用。雨水收集裝置和人性化智能公交站臺的一體化設計是一種新型的多元結合處理模式，可為后續的相關研究提供較好的設計思路。

6 創新點

6.1 選題創新

把踐行海綿城市的雨水收集處理及利用裝置與智能化公交站臺結合，探索最為適用的一體化設施。

6.2 方法創新

使用文獻研究法、實證研究法、模擬法進行結合完成本研究，探索科學的適用的站臺設施結構及功能；

6.3 功能創新

在將雨水收集和利用功能結合在公交站臺的同時，設計車輛擁擠程度預提醒等新功能，促進人性化服務多樣化發展；

6.4 結果創新

通過模擬法進行一體化新型公交站臺的各方面功能測試與調整，研究結果為雨水資源的利用和現代新型公交站臺的設計都提供了很好的思路來源。

7 下一步研究計劃

7.1 多功能融合方式探索

本研究在雨水收集和處理裝置與城市公路基礎設施建設的融合上選擇了與公交車站臺進行融合，在后續學習和研究中嘗試更多切實可行的融合方式，讓雨水收集和利用功能在不耗費大量社會資源的情況下完成普及。

7.2 公交站臺人性化服務功能研究

公共交通是人們日常生活中最為普遍的交通方式之一，將在以后的生活和學習中更多的將公交站臺的人性化服務功能做進一步完善構想設計，給道路交通設施部門提供參考資料。

7.3 裝置支撐技術的更新

限于本人目前所掌握的智能控制編程技術基礎，我的研究設計在某些地方還不太成熟，功能的實現較為簡單或易產生較大誤差。我將繼續學習智能控制編程技術，結合在相關領域發展趨勢，不斷完善我的做品設計，希望能為社會發展貢獻力量。

7.4 智能化設計理念的融入

科學技術是推進變革的原動力，希望能將本研究所做的創意設想與前沿科技理念融合，如在站臺添加人臉識別功能，將符合乘客年齡階段的有益消息推送至乘客手機。或添加語音查詢服務，將在后續的研究中參考相關資訊進行學習調整。

8 致謝

本研究時長近8 個月，在這段時間中，首先感謝的我父母，他們的支持和配合是我能有信心遵循自己的想法完成這一研究挑戰的動力，期間也給了我很多建議。其次要特別感謝我的老師，老師在我的研究想法還未成熟的時候就一直悉心指導我，幫助我，教會我研究方法，給與很多關鍵性指導。通過這次研究，讓我對科學有了新的認識，更進一步堅定了我的求學意識，不斷鉆研，探索利用科學改變生活的方法。再次感謝幫助過我的家人，老師們！