地鐵客室扶握系統(tǒng)優(yōu)化設計研究

安靜 王碩

摘要：扶握系統(tǒng)是地鐵客室重要的功能件，它對于確保地鐵乘客的穩(wěn)定性與安全性有著重要作用，目前地鐵客室扶握系統(tǒng)設計存在諸多問題需要對其進行優(yōu)化設計。通過“設計需求研究-優(yōu)化設計-人因適配驗證”的設計流程對現(xiàn)有的地鐵客室扶握系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。通過對原有的痛點進行改進與優(yōu)化，并通過虛擬人仿真方法對設計方案的人機工效進行驗證，使優(yōu)化設計方案取得了較好效果。地鐵客室扶握系統(tǒng)優(yōu)化設計可按照“設計需求研究-優(yōu)化設計-人因適配驗證”的設計流程，注重人機工效及用戶需求，使扶握系統(tǒng)更好地滿足功能需求及用戶需求。

關鍵詞：地鐵客室;扶握系統(tǒng);優(yōu)化設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）03-0018-04

引言

地鐵是我國城市軌道交通的主要制式，截止2018年底，我國地鐵運營里程為4354.3公里，在城市軌道交通中占比75.6%[1]。地鐵目前已經(jīng)成為了我國城市居民的主要交通出行方式，我國城市居民對于地鐵的需求與依賴程度日益增多【2】。

扶握系統(tǒng)作為地鐵客室重要組成部分，是立席乘客維持自身平衡的重要功能件，對立席乘客的穩(wěn)定性與安全性有著重要影響。以我國B型地鐵列車客室載員規(guī)格為例，無司機室客室的定員為250人，其中坐席數(shù)量為46人[3]。定員滿載情況下，無司機室客立席人數(shù)為204人，立席人數(shù)達到整個客室車載人數(shù)的81.6%，立席人數(shù)大約是坐席人數(shù)的4.4倍。如果在超員情況下，立席人數(shù)的占比將會更高。可見，扶握系統(tǒng)的使用人數(shù)多于座椅的使用人數(shù)，扶握系統(tǒng)的設計也將會影響立席乘客的穩(wěn)定性與安全性。目前地鐵客室的扶握系統(tǒng)還存在諸多問題，對其進行優(yōu)化設計將有利于提升乘客的安全性與穩(wěn)定性。

一、優(yōu)化設計概述

（一）優(yōu)化設計流程概述

本次設計對象以廣州6號線地鐵列車客室扶握系統(tǒng)計為例，針對廣州地鐵6號線客室扶握系統(tǒng)存在的問題進行優(yōu)化設計。本次設計采用“設計需求研究-優(yōu)化設計-人因適配驗證”的設計流程。首先，通過設計需求研究對廣州6號線地鐵列車扶握系統(tǒng)的痛點、人因要素、風格要素需求進行分析;其次，用設計需求研究得到的結果對扶握系統(tǒng)進行優(yōu)化設計;最后，使用虛擬人仿真的方法對設計方案進行人機適配性驗證。整個設計流程按照“設計研究-設計優(yōu)化-設計驗證”的步驟進行。

（二）地鐵客室扶握系統(tǒng)概述

地鐵客室扶握系統(tǒng)對于立席乘客保持平衡、提供支撐、確保立席乘客的安全有著重要作用。扶握系統(tǒng)作為地鐵客室重要組成部分，其使用人數(shù)多于座椅使用人數(shù)。地鐵客室扶握系統(tǒng)主要由扶桿、吊環(huán)、靠背組成。扶桿與吊環(huán)的使用乘客數(shù)量較多，其中縱向扶桿幾乎沒有使用障礙，但橫向扶桿與吊環(huán)設置的高低會對乘客的使用造成影響。靠背用于乘客倚靠，可減輕乘客站立疲勞。

二、設計需求研究

（一）痛點分析

根據(jù)文獻[3][4]，得到我國地鐵列車主要技術規(guī)格，如表1所示。廣州地鐵6號線列車采用四節(jié)編組的LB型列車，單節(jié)車體長度為16.8m，單節(jié)車體長度短于A型車與B型車;車體寬度為2.8m，與B型車一致，比A型車窄。

經(jīng)調研，廣州地鐵6號線列車客室每節(jié)車廂有3對車門，并且僅保存兩排座椅，其他兩排座椅用靠背替代，車內客室座椅與靠背區(qū)采用對稱的形式進行布局，如圖1所示。

以靠背區(qū)取代座椅的方式雖然可以增加地鐵客室的客容量，但通過調研發(fā)現(xiàn)該列車客室的扶握系統(tǒng)依然存在3個痛點，分別是座椅與靠背區(qū)分布不合理;靠背材質不合理;靠背立席區(qū)抓握功能件數(shù)量較少。

1.座椅與靠背區(qū)分布不合理。由于2個坐席區(qū)集中在門1與門2之間，乘客如果通過門3-1或者門3-2上車，乘客移動至座椅的距離較大，這樣會對部分乘客造成一定的不便。同時，在滿載超員的情況下大部分立席乘客將會站立于靠背立席區(qū)，但由于靠背區(qū)分布較為集中，靠背立席區(qū)將會非常擁擠。在優(yōu)化設計中需要對座椅與靠背的布局方式進行優(yōu)化，優(yōu)化乘客從車門到座椅的路徑，并對立席區(qū)的擁擠進行一定緩解。

2.靠背材質不合理。廣州地鐵靠背采用金屬材質，在擁擠和顛簸的情境下如果發(fā)生靠背與乘客碰撞可能會對乘客造成較大傷害。在優(yōu)化設計中需要考慮靠背的材質，增加靠背的柔軟度，降低乘客因碰撞受傷的概率。

3.靠背立席區(qū)抓握功能件數(shù)量較少。廣州地鐵6號線地鐵列車雖然通過減少座椅增加靠背的方法增加了地鐵客室的客容量，但靠背立席區(qū)的扶桿與吊環(huán)數(shù)量并沒有增加。這樣可能會導致抓握功能件數(shù)量少于立席乘客的需求量，使得部分立席乘客無法通過扶握系統(tǒng)來維持自身的平衡。在優(yōu)化設計中需要考慮增加靠背立席區(qū)抓握功能件的數(shù)量，增加扶握系統(tǒng)的受眾乘客數(shù)量，從而提升立席乘客的穩(wěn)定性與安全性。

（二）設計要素

地鐵作為我國城市居民主要的交通工具，有著龐大的用戶人群。因此，客室扶握系統(tǒng)的設計需要遵循人性化與通用性設計原則，多方面考慮用戶需求，盡可能滿足更加廣泛的使用人群【5】。本次設計從人因要素與風格要素兩方面進行考慮。首先，地鐵列車客室功能件設計需要符合人機工效，保證其適用性與通用性。其次，需要考慮用戶對造型風格、色彩風格、質感的傾向以及地鐵客室整體視覺體驗，從而提升扶握系統(tǒng)的用戶體驗。將地鐵扶握系統(tǒng)設計要素歸納如表2所示。

（三）人因要素

人因要素是確保地鐵客室扶握系統(tǒng)安全性與通用性的重要因素。由于扶握系統(tǒng)主要面向立席乘客，所以應該考慮立席乘客的多種使用情境，使優(yōu)化后的扶握系統(tǒng)能夠滿足多種情境的使用。在優(yōu)化設計過程中要考慮人因要素，并在設計之后進行人因適配驗證。

扶握系統(tǒng)中扶桿與吊環(huán)的占比較大，其中縱向扶桿幾乎不存在使用障礙，但乘客上方的橫向扶桿與吊環(huán)由于高度問題會造一些使用問題，如果橫向扶桿過高最則會造成身材較矮乘客因觸碰不到而無法使用，如果橫向扶桿過低則會造成身材較高乘客的碰頭問題。對于橫向扶桿的高度問題需要同時兼顧身材較矮及身材較高人群，使其能夠保障不同身高乘客的使用需求。

根據(jù)相關文獻，得到我國不同年齡段人群P99成年人體身高，如表3所示[6]。不同年齡段P99男子的身高最大值為1830mm，那么乘客上方的橫向扶桿需要設置需高于1830mm才能保證大部分人群不會因橫向扶桿而碰頭。相關研究表明，橫向橫桿的高度設置為1860mm，吊環(huán)高度設置為1710mm時，能夠保障不同身高乘客的使用需求[5]。

（四）風格要素

地鐵列車客室功能件設計風格需要考慮用戶需求及視覺統(tǒng)一性，從而使地鐵客室功能件能夠滿足用戶需求，同時具有較好的視覺體驗，提升列車客室用戶體驗。列車客室功能件設計風格需要根據(jù)用戶的風格傾向進行設計;同時考慮地鐵原有的視覺元素，例如地鐵主題色，以此來提升地鐵客室的視覺統(tǒng)一性與風格統(tǒng)一性。

風格要素用戶需求采用網(wǎng)絡問卷調查的方式進行獲取，對風格要素中造型、色彩、質感3方面的用戶需求進行調研，最終收集有效問卷226份，調查結果如表4所示。

造型方面，圓潤型最受用戶青睞，其次是流線型。有51.33%的受訪用戶偏向圓潤型，24.34%的用戶偏向流線型。調查結果顯示，用戶對于扶握系統(tǒng)造型更傾向圓潤順滑的造型，而對于硬朗造型的傾向性較低。

色彩方面，簡約明亮的色調最受用戶青睞，其次是暖色調。有40.27%的受訪用戶傾向簡約明亮色調，27.88%的受訪用戶傾向暖色調。調查結果顯示，用戶更傾向明亮偏暖的色調。

質感方面，硅膠材質質感最受用戶青睞，其次是皮質材質質感。有39.82%的受訪用戶傾向硅膠材質質感，27.88%的用戶傾向皮質材質質感。調查結果顯示，用戶對于扶握系統(tǒng)質感更傾向軟性材質質感。

通過調查得到扶握系統(tǒng)優(yōu)化設計的風格要素建議，功能件造型方面應該采用圓潤順滑的造型;功能件及客室整體色調應該采用明亮偏暖的色調;功能件質感方面應該以軟性材質質感為主。

三、優(yōu)化設計

（一）扶握系統(tǒng)布局設計

通過調研發(fā)現(xiàn)原有的廣州地鐵6號線扶握系統(tǒng)在布局上存在不合理之處，由于座椅與靠背區(qū)采用對稱形式的布局方式，坐席區(qū)與立席區(qū)過于集中，對乘客會造成一定不便，如圖2（a）所示。因此，優(yōu)化設計中將座椅與靠背區(qū)分開排布，優(yōu)化后的座椅與靠背區(qū)排布方式較之前的排布方式更為離散，使得座椅與靠背區(qū)分布更加均勻，有利于平衡客室內乘客的分布，如圖2（b）所示。同時，針對靠背立席區(qū)抓握功能件偏少的情況進行了改進，增加了靠背立席區(qū)橫向扶桿的數(shù)量，將原來的單桿改為雙桿，增大橫向扶桿的受眾人群，提升乘客的穩(wěn)定性與安全性，如圖2（b）所示。

（二）扶握系統(tǒng)功能件設計

在對廣州地鐵6號線列車客室扶握系統(tǒng)進行優(yōu)化設計時，首先考慮扶握系統(tǒng)的人機工效、安全性與成本，其次考慮風格要素需求及整體視覺體驗，優(yōu)化設計效果圖如圖3所示。

造型方面，扶握系統(tǒng)中的扶桿、吊環(huán)、靠背均采用圓潤順滑的造型，增加扶握系統(tǒng)的溫和感，同時降低乘客因磕碰受傷的風險。其中，所有扶桿的折角處均采用“圓角化”處理，防止出現(xiàn)尖銳的觸點對乘客造成意外傷害;對門前立席區(qū)縱向扶桿采用多分形式設計，增加門前立席區(qū)縱向扶桿的受眾人數(shù)與使用人數(shù)。吊環(huán)較之前的方案增大了吊環(huán)鏤空口徑，使用戶更容易對其進行抓握。靠背較之前的方案增大了轉折處的圓弧半徑，使其更加圓潤，更加友好。

色彩方面，廣州地鐵6號線列車客室及扶握系統(tǒng)整體配色以簡約明亮的配色風格為主。對功能件設計中的色彩使用考慮廣州地鐵6號線主題色以及視覺統(tǒng)一性，其中列車客室扶握系統(tǒng)功能件優(yōu)化設計的主色調采用紫紅色，主色調取自廣州地鐵6號線主題色，以此提升廣州地鐵6號線地鐵客室的視覺統(tǒng)一性。

質感方面，扶握系統(tǒng)材質的選擇首先考慮成本與安全性。扶握系統(tǒng)中的橫向扶桿與縱向扶桿均采用穩(wěn)定性較好、剛度較大的不銹鋼管。將不銹鋼管的握扶區(qū)域表面處理成磨砂感，提升握扶區(qū)域的摩擦力及語義功能。在成本預算充足的情況下，建議參考調研結果將硅膠管套附著在不銹鋼管的握扶區(qū)域，提升舒適感。吊環(huán)采用重量輕、易加工的PVC材質。靠背表面采用緩沖力較好的軟性材料，提升舒適性，降低乘客因磕碰受傷的風險。

四、人因適配驗證

（一）虛擬人仿真

地鐵客室扶握系統(tǒng)優(yōu)化設計之后需要進行人因仿真來驗證其人因適配性，人因仿真是對制造系統(tǒng)進行人因適配的重要手段【7】。在進行地鐵客室人因適配性驗證時可以使用虛擬人仿真的方法，進行人因仿真時主要考慮功能件是否能與用戶身體尺寸及相關動素有較好的耦合性。

對于一般工業(yè)產品，可選用P95與P5的人體尺寸作為產品尺寸上限、下限的依據(jù)，通常在仿真過程中選擇P95成年男性身材與P5成年女性身材進行人因適配驗證[5][6][8][9][10]。此次人因適配使用JACK軟件中的虛擬人進行，以我國18～60歲男性及18～55歲女性人體尺寸為依據(jù)，虛擬人仿真數(shù)據(jù)如圖4所示[5][6]。

（二）虛擬仿真過程

在仿真過程中對6種情境進行模擬仿真。情境一：靠背立席區(qū)站姿抓握情境仿真，此情景主要對靠背立席區(qū)的立席用戶對乘客上方橫向扶桿裝置抓握是否存在抓握障礙進行驗證，如圖5（a）所示。情景二：座前立席區(qū)站姿抓握情境仿真，此情境主要對座前立席區(qū)的立席用戶與坐席用戶是否存動素沖突及立席用戶抓握情況進行驗證，如圖5（b）所示。情境三：吊環(huán)抓握情境仿真，此情境主要對女性對吊環(huán)的抓握是否存在障礙進行驗證，如圖5（c）所示。情境四：門前立席區(qū)站姿抓握情境仿真，此情境主要對門前區(qū)多人對縱向扶桿抓握情況進行驗證，如圖5（d）所示。情境五：門前區(qū)站姿抓握情境仿真，此情境主要對門前區(qū)立席用戶對車門左右兩側的扶桿裝置握扶情況進行驗證，如圖5（e）所示。情境六：扶桿抓握情境仿真，此情景主要對客室內扶桿的抓握情況進行驗證，如圖5（f）。

驗證過程中，男性、女性虛擬人均可正常抓握上方橫向扶桿;女性虛擬人可以正常抓握吊環(huán);男性虛擬人沒有出現(xiàn)頭碰到上方橫向扶桿的問題;座前立席區(qū)立席用戶與坐席用戶未出現(xiàn)較為明顯的動素沖突;門前立席區(qū)多分扶桿可以同時對多人進行使用。扶握系統(tǒng)功能件在驗證過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的使用障礙及困難，可以判斷扶握系統(tǒng)優(yōu)化設計方案基本符合人機工效。

結語

扶握系統(tǒng)作為地鐵客室重要組成部分，是立席乘客維持自身平衡的主要功能件，其對于保障立席乘客的安全性與穩(wěn)定性有著重要影響。隨著地鐵已經(jīng)成為我國城市居民主要的交通出行方式，地鐵客室扶握系統(tǒng)設計變得越來越重要，怎樣使扶握系統(tǒng)能夠更好地保障立席乘客的穩(wěn)定性與安全性，更好地滿足用戶使用需求已經(jīng)成為了目前地鐵客室設計中不可忽視的部分。目前地鐵列車客室中的扶握系統(tǒng)還存在諸多問題需要被優(yōu)化，本文對此采用“設計需求研究-優(yōu)化設計-人因適配驗證”的設計流程以廣州地鐵6號線客室扶握系統(tǒng)為例對其進行優(yōu)化設計，整個設計流程涵蓋痛點分析、人因要素分析、風格要素分析、人因適配驗證，并以此使得優(yōu)化設計方案最終取得了較好效果。后續(xù)還將繼續(xù)開展地鐵客室扶握系統(tǒng)對于用戶動素疲勞的影響及地鐵客室其他功能件優(yōu)化設計研究。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（2017YFB1201103-9，2017YFB1201103-10，2017YFB1201103-11，2017YFB1201103-12）。

參考文獻

[1]城市軌道交通2018年度統(tǒng)計和分析報告[J].城市軌道交通，2019（04）：16-34.

[2]何思俊，支錦亦，向澤銳，李然，閆磊.我國地鐵列車工業(yè)設計研究進展[J].機械設計，2019，36（06）：121-126.

[3]北京市規(guī)劃委員會.GB50157—2013地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4]中華人民共和國建設部.CJJ/T114—2007城市公共交通分類標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5]魏峰，徐伯初，支錦亦，董石羽.地鐵客室乘坐設備人機功能尺寸設計[J].西南交通大學學報，2018，53（04）：865-872.

[6]國家技術監(jiān)督局.GB10000—88中國成年人人體尺寸[S].北京：中國標準出版社，1989.

[7]張曉冬，楊育，易樹平，SCHLICKC，SCHMIDTL.制造系統(tǒng)人因仿真參考模型及若干關鍵技術[J].機械工程學報，2006（03）：56-63.

[8]國家技術監(jiān)督局.GB/T12985—91在產品設計中應用人體尺寸百分位數(shù)的通則[S].北京：中國標準出版社，1992.

[9]夏時洪，王兆其.虛擬人合成研究進展[J].中國科學（F輯：信息科學），2009，39（05）：483-498.

[10]支錦亦，向澤銳，梁剛毅.面向軌道裝備的可視化人因綜合仿真分析平臺研究[J].包裝工程，2017，38（02）：1-7.