融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設計方法

李偉麗，向澤銳,2，李 然,2，茍 銳，鄧明曦

(1. 西南交通大學建筑與設計學院，四川 成都 611731；2. 西南交通大學人機環境系統設計研究所，四川 成都 611731)

地鐵是一種快速、大運量、電力牽引的重要城市軌道交通系統，截止2019年12月，我國地鐵運營線路長達5 187.03 km，占城市軌道交通總線路的77.07%，地鐵已成為人們城市出行的一種重要交通方式[1-2]。地鐵列車是地鐵系統的核心裝備之一，其外觀設計主要聚焦于造型和涂裝2方面，對體現城市和線路文化，打造城市名片，有著重要的作用和意義[3-4]。目前國內外對地鐵列車外觀設計的研究包括：文獻[4]提出運營速度在100 km/h左右的車型受空氣阻力和會車壓力波影響較小，外觀造型自由度相對較大，車頭宜設計成鈍體形，整車流線型程度不宜過高；文獻[5]研究了NURBS技術在車身曲面造型設計上的應用；文獻[6]基于車頭繞流場分析并結合地鐵列車造型美學要求提出了一種48°前窗傾角流線型地鐵列車頭型設計方案；文獻[7]對車頭氣動特性進行了數值計算，為較高時速的地鐵列車外觀氣動性能評估提供了方法；文獻[8]利用FLUENT模擬了隧道中相鄰2個站臺間地鐵運行的氣動壓力變化情況，為較高時速運行的地鐵列車和隧道系統設計提供了依據；文獻[9]結合國內外多個地鐵列車造型方案，研究提出了地域文化與地鐵列車造型元素的轉換模型，給出了一種能夠傳遞地域文化的地鐵列車造型設計方法。為了使地鐵列車外觀能夠有效與運營城市、目標線路的典型文化相融合，進一步提升旅客對其的文化認同，本文提出了一種融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設計方法，并以成都地鐵列車外觀設計為例論證了方法的可行性。

1 地鐵列車外觀設計概述

地鐵是城市軌道交通7種制式之一，最高運營速度通常分為80 km/h，100 km/h和120 km/h三級[10]。通過分析德、法、日、中等國的地鐵列車產品[4,9]，可以得出其如下外觀設計特點：

地鐵列車通常由2輛端車和若干中車組成(通常2~6輛)，造型設計的重點集中于端車司機室部分，其余車體的造型自由度相對較小。為了提升車內駕駛和載客空間，現已投入運營的地鐵列車的頭部造型總體上短而鈍，車體側墻有直線、鼓形和弧形3類形態。地鐵列車端車前圍和所有車廂兩側的細部均為對稱設計，以營造整車左右均衡穩定的視覺感；車窗、車門以及前窗等細部設計，一些用整數比例來營造均衡、有序的節奏感，而另一些則將車窗及周圍色彩處理成統一的色調以提升車體側圍的視覺統一感。地鐵列車涂裝色彩通常與其城市或運營線路文化有關，一般由主調色和輔助色組成。主調色多為單一色彩，以白色、黃色和銀灰色居多，黃、綠、藍位居其后，少數采用紅、紫等色彩。多數地鐵列車兩側還輔以細長的色帶進行裝飾，以營造列車側圍的動態感，增強車廂間的視覺聯系。

在我國，地鐵列車分為A型和B型(B1型、B2型)共2類3種，車體通常采用不銹鋼或鋁合金材料和整體承載結構[11-13]。近年來，隨著我國各地的快速發展，城市形象問題日益受到重視，在地鐵列車的外觀設計上體現城市文化和運營線路文化已經成為一種發展趨勢，因此尋求一種能夠辨識提取典型城市和運營線路地域文化元素，并將其有效融入地鐵列車外觀設計的方法具有較為重要的現實意義。

2 地鐵列車外觀設計中的可拓語義表征方法

2.1 可拓理論概述

2.1.1 可拓理論

文獻[14-15]提出了可拓學(extenics)，涵蓋了可拓理論(extension theory)、可拓創新方法(extension innovation method)[16]和可拓工程[17]。其中，可拓理論包括了基元理論、可拓集理論和可拓邏輯3大理論[15]?？赏乩碚撘曰獮檫壿嫾毎?，包括物元、事元、關系元3種基元的概念，用來形式化描述物、事和關系以及同時考慮量變和質變的思維過程，實現矛盾問題智能化的處理[14-18]。目前，可拓理論在產品創新、技術創新、管理創新和組織創新方面發揮了重要的作用[15,19]。

2.1.2 可拓語義

可拓語義(extensible se mantics)是基于可拓理論中的物元[20]和圖解思維[21]所提出的一種研究事物的方法[22]，可拓理論的物元概念將質與量、動作與關系的相應特征分別統一在一個由事物N、特征C和量值V構成的有序三元組中，即

當一個事物具有眾多的特征元，用多維物元表示，即

可拓語義以語義符號的形式將事物特征的性質變換過程量化，為尋找產品設計最優方案提供了參考方法，目前已被應用于文化創意產品設計[22]、有軌電車造型設計[23]和服務產品設計[24]等方面研究。

2.2 地鐵列車外觀設計中的可拓語義表征

基于上述理論，針對地鐵列車外觀設計提出了“文化基元”概念，將地鐵列車外觀設計中的可拓語義構建與表征步驟概括如下[22-24]：

(1) 將文化基元Q涉及到的文化載體和文化特征統一到D，F和T組成的三元組中，即

其中，D為研究對象，即典型地域文化載體；F為描述研究對象文化的特征詞匯；D可以有多個特征詞匯F用于描述其文化；T為可拓區間，對應特征詞匯的量值信息。

(2) 將T進一步分解為tx和ty，tx為用于描述特征詞匯F與研究對象D的文化關聯度，tx∈(0, 1]，tx1+tx2+···+txn=1 (n≥1)，其數值越靠近1表示該特征詞匯與對象D的關聯度越高。設每個特征詞匯所得的分a的個數為da，a∈[1,α]，da∈[1,β]，其中，α為最高分值；β為特征詞匯評估志愿者人數，則可拓特征詞匯與對象D的文化關聯度為

ty表示特征詞匯F在地鐵列車外觀設計中的文化價值，數值越大表示該特征詞匯在地鐵列車外觀設計中的文化價值越重要。設第Pn號志愿者對特征詞匯的文化價值有效度評分為bn，bn∈[1,θ]，n∈[1,φ]，其中，θ為最高分值，φ為評價文化價值的志愿者人數，則可拓特征詞匯的文化價值為

文化基元的可拓區間T的表達式為

T值越大，代表該特征詞匯與地域文化對象的關聯度越高，在地鐵列車外觀設計中能夠體現出的文化價值越突出。

(3) 將特征詞匯轉換為圖解語義，用h表示，則圖解語義的可拓區間為Th，同理，將Th進一步分解為thx和thy，thx為圖解語義辨識度；thy為圖解語義的文化價值，其中，thx∈(0, 1]，thy∈[1, 7]，圖解語義的可拓區間為Th的表達式為

Th值越大，代表該圖解語義的辨識度越高，在地鐵列車外觀設計中能夠體現出的文化價值越突出。

3 基于模糊綜合評價的地鐵列車外觀設計方案評估

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法，可以有效提高設計評價的客觀性和合理性。本文采用模糊綜合評價法來評估設計方案是否有效提取并融入了目標城市的典型地域文化元素，其評價過程如下[25-26]：

(1) 針對評估方案構建包括目標層、準則層和指標層的層次結構模型。

(2) 根據設計領域專家調查得到的標度值構建模糊判斷矩陣M，即

其中，Aij為指標i比指標j的重要程度。

(3) 確定指標權重值W的步驟為：

① 計算模糊判斷矩陣M每行元素的乘積，得到Mi為

② 計算Mi的n次方根，得到

③ 歸一化處理后得到相對權重Wi為

(4) 將地鐵列車外觀設計方案的評價等級定為滿意、一般、不滿意，分別賦值1.0，0.5，0組成量化評價集為V={1.0, 0.5, 0}，并基于網絡問卷確定模糊評價矩陣R。

(5) 計算設計方案的評價向量B，即

(6) 去模糊值，得到設計方案中體現各指標的滿意評分b為

其中，H=(滿意，一般，不滿意)=(1.0, 0.5, 0)。

4 地鐵列車外觀設計流程

地鐵列車的工業設計需綜合考慮技術、人因、美學和文化4大要素[27]。隨著社會的發展，在設計中考慮心理、精神和情感方面的需求變得越來越重要[28]。為了實現在地鐵列車外觀設計中融入城市或運營線路的典型地域文化元素，為旅客提供具有城市地域特色和文化認同的產品，本文聚焦研究地鐵列車外觀設計中的文化因素，將設計與評估流程分為3個相對獨立的階段：文化提取與表征、外觀方案設計和方案評估，詳細流程如圖1所示。

圖1 融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設計流程Fig. 1 Exterior design process of metro train based on extension semantics and fuzzy comprehensive evaluation

5 案例研究

5.1 成都地域文化提取與表征

5.1.1 構建成都地域文化基元

(1) 成都地鐵列車的文化元素調研。截止2019年底，成都地鐵列車共開通了7條線路，在建8條，預計2024年底全部建成[29]。成都部分投入運營的地鐵列車外觀見表1。在造型方面，成都地鐵列車以低速的B2型車居多，端車頭部均短而鈍，車體側墻為直線或鼓形形式；其中3和4號線列車頭型融入了三星堆青銅人面像的造型元素，5號線融入了川劇臉譜的形象。在涂裝方面，多數列車車身兩側設有與線路標志色匹配的裝飾色帶，車頭下方有成都地鐵企業標識，多數車輛的司機室側窗有金沙“太陽神鳥”金飾圖案；3號線“盼達”號列車力求通過各種熊貓和竹子圖案營造“熊貓”文化主題，10號線“最成都”旅游文化列車綜合融入了大熊貓、青城山、蓋碗茶等成都文化元素形象。

表1 成都部分地鐵列車外觀設計概況Table 1 Exterior design of some metro trains in chengdu

(2) 確定成都典型地域文化載體。成都是一座歷史悠久的文化名城，是古蜀文明的中心，蘊含了豐富的歷史文化資源[30]。成都金沙遺址出土的“太陽神鳥”金飾圖案在2005年被我國國家文物局確定為中國文化遺產標志的核心圖案[31]，其已成為成都對外宣傳和交流的重要文化載體。圖2即為“太陽神鳥”金飾及其圖案，整體呈圓形，鏤空圖案分為內、外2層：內層是12條形態相同且等距分布的按順時針旋轉的光芒狀太陽紋；外層是4只形態相同、引頸伸腿、展翅翱翔的神鳥按逆時針繞內層太陽紋飛行圖案。該金飾圖案整體形態表達了古蜀人對太陽神、太陽神鳥的崇拜，蘊含了生命輪回、神秘和動感內涵；金色色彩則表達了古蜀人熱愛太陽、崇尚光明。鑒于此，本文選擇“太陽神鳥”金飾作為成都地鐵列車外觀設計的典型地域文化載體。

圖2 “太陽神鳥”金飾及其圖案Fig. 2 Gold ornament and pattern of “Sun god Bird”

(3) 提取與表征地域文化的特征詞匯。結合“太陽神鳥”金飾圖案所傳遞出的文化內涵，構建了成都金沙文化基元Q，其中代表該地域文化特征的對象D為太陽神鳥，描述對象D的特征詞匯包括：動感、神秘、光明、飛鳥、生命，即

5.1.2 成都金沙文化基元的可拓語義評估

(1) 評估特征詞匯。選取12名(6男，6女)對金沙文化以及“太陽神鳥”金飾有一定了解，并且有多次乘坐成都地鐵經驗的志愿者進行問卷調查。每位志愿者對5個特征詞匯進行評估，按照詞匯能夠反映“太陽神鳥”文化內涵的強弱進行排序，最強記5分，較強記4分，一般記3分，較弱記2分，最弱記1分(5-point Likert scale)。12份問卷的調查結果見表2。

表2 “太陽神鳥”特征詞匯評估Table 2 Evaluation of characteristic vocabulary of “sun god bird”

繼續選取5名較為了解成都文化并從事設計研究的志愿者來評估特征詞匯的文化價值，分值設為1~7分(7-point Likert scale)，評分越高表明此志愿者認為該特征詞匯的文化價值越高。5份問卷的調查結果見表3。

表3 特征詞匯的文化價值評估Table 3 Cultural value evaluation of characteristic vocabulary

根據式(4)~(6)，得出特征詞匯的可拓設計區間T值，見表4。

表4 特征詞匯的可拓設計區間Table 4 Extension design interval of feature words

根據評估結果可以得出金沙“太陽神鳥”特征詞匯的可拓量值排序為：動感、光明、飛鳥、生命、神秘，其中動感、光明、飛鳥的可拓區間較大。

(2) 評估特征詞匯的圖解語義。地鐵列車外觀設計的地域文化特征主要體現在造型和涂裝2方面：運用圖解思維將金沙“太陽神鳥”金飾的5個特征詞匯進行圖形分解，每個特征詞匯選取出8張代表性的關聯圖。將圖片進行去色處理，僅從形態上進行圖解語義的評估，仍由5名較為了解成都文化并從事設計研究的志愿者再次打分，每個特征詞匯列出被選次數較多的前3張圖片，其特征詞匯的圖解語義見表5。

表5 特征詞匯的圖解語義Table 5 Graphic semantics of characteristic words

重新邀請3名從事設計研究的志愿者對表5中的圖解語義及其文化價值進行評估，3份問卷的調查結果見表6和表7。

表6 對圖解語義辨識度的評估結果Table 6 The evaluation results of semantic identification degree of diagrams

表7 對圖解語義文化價值的評估結果Table 7 The evaluation results of cultural value of graphic semantics

通過對上述評估結果進行均值處理和分析，求得了每個圖解語義的辨識度thx和圖解語義的文化價值thy，見表8。根據式(7)，計算出單特征圖解語義可拓區間Th，最終結果見表9。

表8 單特征圖解語義值Table 8 Single feature graph to interpret semantic value

表9 單特征圖解語義可拓區間Table 9 Single feature diagrammatic semantic extension interval

(3) 確定成都地鐵列車的文化元素。從統計結果可知，動感圖解語義中h3、光明圖解語義中h1、飛鳥圖解語義中h3的可拓區間較大，設表5中第m個特征詞匯的n個圖解為hmn，結合特征詞匯可拓語義分析中動感、光明的可拓量值的排序，將動感、光明中最大的圖解語義量值相融合，得到最大可拓區間，即h13+h31=4.38+4.38=8.76。

5.2 具有地域文化的成都地鐵列車設計

圖3 成都地鐵列車外觀設計效果圖Fig. 3 Design scheme of chengdu metro train

本文設計的是一款80 km/h級低速B2型地鐵列車，端車頭部短而鈍，車體側墻為直線形式。充分考慮地鐵列車技術、人因、美學在設計方面的約束[4]，基于對成都金沙文化的上述圖解語義分析，結合表4中特征詞匯的可拓量值排序，選取符合金沙“太陽神鳥”語義內涵、文化價值較大且辨識度較高的動感、光明、飛鳥作為成都地鐵列車的文化元素進行方案創作，圖3為最終確定的設計效果圖。該地鐵列車方案的前窗整體設計為圓形，融入了太陽的形態特征和金飾的色彩特征；車燈以神鳥的頭部輪廓為形，力圖塑造視覺動感、體現文化元素；車身兩側的裝飾圖案來源于神鳥輪廓，且神鳥首足前后相接，共同朝向太陽(圓形車窗)飛行，能夠較好重現“太陽神鳥”金飾核心圖案的意象。此外，針對成都不同地鐵線路具有不同專用色系的問題，將前窗邊緣和側窗的上、下邊緣均設計有代表線路色的條紋裝飾色帶，以此來區分列車所屬線路。

5.3 設計方案的評估

為進一步檢驗設計方案是否較好地體現了成都金沙“太陽神鳥”地域文化特征，采用模糊綜合評價法并結合網絡問卷調查數據對上述設計方案進行評估。

5.3.1 構建評價用層次結構模型

采用層次分析來確定成都地鐵列車外觀設計方案評價用層次結構模型如圖4所示。

圖4 設計方案評價用層次結構模型Fig. 4 Hierarchy model for design scheme evaluation

5.3.2 確定指標權重

采用表10所示的1~9標度評價原則，邀請5位設計領域專家對設計方案評價體系中的各級指標進行兩兩比較，構建模糊判斷矩陣M，經計算最終得到各指標的權重值。

表10 1～9標度評價原則Table 10 1～9 scale evaluation principle

根據5位專家對設計方案評價體系中的各級指標比較結果，結合式(8)，得出指標層對準則層的判斷矩陣MA，MB以及準則層中A，B對目標層C的判斷矩陣MC分別為

根據式(9)~(11)，得到成都地鐵列車外觀設計方案中體現成都金沙文化元素的各級指標權重值見表11。

表11 評價體系各指標權重Table 11 Index weight of evaluation system

5.3.3 構建評價矩陣

建立設計方案中各因素模糊評價矩陣，數據來源于基于“問卷星”平臺回收的網絡問卷。此次問卷基于微信發布，采用實名登錄且僅允許作答1次。接受調查的樣本主要由設計類碩士研究生、設計類本科生以及隨機抽樣的成都民眾構成。問卷調查時間為2020年1月30日至2月2日，總計回收167份有效問卷，調查問卷及結果參見：https://www.wjx.cn/report/54113815.aspx。

表12為本次問卷調查的評價結果，繼續整理可得A，B的模糊評價矩陣為

表12 基于網絡問卷調查獲得的評價結果Table 12 Evaluation results based on network questionnaire survey

5.3.4 確定評價結果

將各評價指標權重向量W和對應指標的模糊評價矩陣R進行合成，根據式(12)，得到設計方案的評價向量B，即通過式(13)去模糊值，得到成都地鐵列車外觀設計方案中體現成都金沙文化的滿意評分為

同理，計算出設計方案中對體現成都金沙文化的總體滿意評價分數為

最終，得出各層級指標滿意情況及對設計方案的總體滿意情況評分數據見表13。

表13 設計方案體現成都金沙文化元素的滿意情況Table 13 The design scheme reflects the satisfaction of chengdu jinsha cultural elements

根據上述滿意評價結果可知，調查樣本對設計方案體現成都金沙文化元素的整體滿意情況為87.24%，對特征詞匯的文化語義和圖解語義的滿意情況分別為87.20%和87.35%，綜合表明該設計方案較好地體現了成都金沙“太陽神鳥”地域文化特征。

6 結束語

地鐵列車作為一種重要的城市軌道交通工具，其外觀與運營城市的形象塑造與文化傳播密切相關，為其外觀能夠提升運營城市或線路的地域文化特征，本文提出一種融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設計方法。針對地鐵列車外觀設計提出了“文化基元”概念，將其外觀語義與文化載體的關系進行了量化和可視化，提出了地鐵列車外觀設計方法與評估流程，實現了融入典型成都地域文化元素的地鐵列車外觀設計方案。設計方案評價結果表明，本文有效實現了地域文化元素與地鐵列車外觀設計相融合，驗證了融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設計方法的合理性和可行性，為從外觀設計提升地域文化特征提供了方法參考。