我國城市軌道列車工業設計研究綜述

向澤銳 ，支錦亦 ，李 然 ，徐笑非 ，徐 剛

（1. 西南交通大學設計藝術學院，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；3. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

城市軌道交通是城市公共交通的重要組成部分，包括市域快速軌道系統、地鐵系統、輕軌系統、有軌電車系統、磁浮系統、單軌系統、自動導向軌道系統，共7 種類型[1-3]. 城市軌道交通是解決擁堵的重要途徑，隨著城市軌道交通在我國的急速發展[4]，各型列車逐漸成為研究熱點.

工業設計的核心是將文化要素導入工業生產體系，形成兼具功能與文化屬性的工業產品，并已被20 多個國家納入國家戰略[5]. 城市軌道列車的工業設計是要基于既有或前瞻性技術，從人-車-環境系統的角度，對列車外觀造型、車身涂裝、內室環境、關鍵功能設備、照明、材料質感及一切與駕乘人員相關的物件或環境進行研究，使其更加符合人的安全、舒適宜人、審美、文化認同等綜合需求[6]. 國外美觀并具文化特色的城市軌道列車主要有Siemens、Alstom、Bombardier 和Ansaldo-Breda 等公司的多型產品[7-8]. 同時，國外城市軌道列車主要從虛擬樣機研究預測設計方案的客觀乘坐舒適度[9]；從司機心理測試評估來提升司機室環境質量以降低司機誤操作，從旅客乘車滿意調查、行為觀察、人機工程對車內座椅布局、車門、振動、噪音和燈光等進行研究來提升列車的綜合舒適度，以及從通用設計角度研究提升特殊旅客搭乘列車的便捷與舒適[10-14]. 由于重視工業設計，上述公司的城市軌道列車整體技術含量高，外觀極具藝術性、文化性和觀賞性，內室環境界面友好宜人，能使列車與城市文化和景觀相融合，是提升城市形象的一張名片.

本文對我國城市軌道列車工業設計在車體特征、外觀設計、車內環境設計三方面的主要研究成果進行了綜述，分析并總結提出了其發展趨勢.

1 城市軌道列車車體主要特征

城市軌道列車通常由頭車、尾車與若干中車編組成列投入運營. 在7 種城市軌道交通系統中，市域快速軌道交通系統既可采用速度在120～160 km/h的地鐵車輛或專用車輛，又可選用中低速磁浮列車[2,15]，因此該系統所采用的列車未作專門規定. 表1是根據調研和我國相關標準[2,16-26]整理獲得的其余6 種類型城市軌道列車的主要外形尺寸及特征，以及基于調研整理獲得的6 種類型城市軌道列車的典型外觀.

表1 我國6 種類型城市軌道列車的主要外形、特征及對應的典型列車Tab. 1 Main shapes, characteristics and corresponding typical vehicles for six types of urban rail vehicles in China

續 表1Continued Tab. 1

分析現有城市軌道列車設計的相關標準，發現我國目前還未發布關于各種懸掛式單軌列車車體設計的標準性文件，當前設計該類型列車時缺少可參考的依據. 在上述6 型城市軌道列車中，除高速磁浮列車最高運行速度為500 km/h 外[22]，其余類型的列車最高運行速度通常為80、100 km/h 或120 km/h[30].高速磁浮列車的外觀造型設計與高速列車相似，需要系統考慮空氣動力學對造型的約束[31]，整車流線型程度較高；而其余的城市軌道列車造型受空氣動力學影響相對較小，外觀造型的自由度相對較大. 我國上述6 種類型城市軌道列車的主要外觀特征可概括為：高速磁浮列車的端車頭部流線型長度大，整車流線型程度高；其余類型城市軌道列車的端車頭部總體上短而鈍，整車流線型程度相對較低.

2 城市軌道列車外觀設計

2.1 端車造型設計

列車車體外形的縱向對稱面型線和最大輪廓線是決定列車外觀造型的兩條最基本特征線，且變化集中在端車的司機室車體部分[32-33]，詳見圖1. 城市軌道列車車體造型設計的重點應該是基于標準性文件[16-26]、總體設計要求，聚焦于列車的端車頭型設計和車體造型設計.

1） 頭部長度L1. 列車的端車長度是由頭部長度L1與剩余部分車體的長度L2組成，我國對除了懸掛式列車外的城市軌道列車端車長度L均有規定. 盡管細長的頭部有助于減阻降噪和流線型造型的設計[32-33]，但L1取值過大會導致端車的載客空間減少.高速磁浮列車的L1取值宜為6.00～7.00 m[34]，地鐵列車的取值一般不大于3.00 m[33]，有軌電車的取值通常不大于1.95 m[7]. 其余列車的取值可結合最高運行時速并參考上述數據加以確定.

2） 縱向對稱面型線前端角α和前窗傾角β. 頭部外形的縱向對稱面型線可簡化成由圖1 中的頂點a、鼻錐頂點b、導流點c、底部點d和其他關鍵點有序圍合成的閉合線條；前端角α能夠反映端車頭部的基本形態，可簡化為由點a、b、c有序圍合成的一個角；前窗傾角β也直接關系到頭車的氣動性能、美觀程度和司機視野范圍[7,32-33]. 這4 個關鍵點直接影響到縱向對稱面型線中a—b和b—c之間的形態.

現有各型城市軌道列車均將α設計成有助于使a—b或b—c之間形成一條或多條直線或圓弧平滑過渡的曲線形態. 圖2 是3 種基本的城市軌道列車頭部外形縱向對稱面型線. 在具體設計中，高速磁浮列車和最高運行速度不小于120 km/h 的城市軌道列車應將端車頭型設計與空氣動力學相結合，端車頭部宜設計成流線型以降低車頭阻力和氣動噪聲[33-34]，其頭部外形縱向對稱面型線應符合圖2 中的基本型1（圖1 中倒角弧線半徑R1和R7取值較大）；速度不大于100 km 的城市軌道列車造型呈多樣化，多數端車的α≥ 90°；通常β≤ 90°，但少數會略大于90°，圖2 中的基本型1 和基本型2 （圖1 中R1和R7取值較小）均適用于該速度級別的城市軌道列車；由于懸掛式列車使用環境的不同，多數端車的α，β≥ 90°（圖1 中點b最大可上移至點b′ 處，點c最大可前移至點c′ 處），形態多為圖2 中的基本型3 （圖1 中R1和R7取值較小），甚至連俄羅斯有軌電車Russia one 的端車也采用了該顛覆性的形態.

圖1 城市軌道列車車體外觀造型簡化模型Fig. 1 Simplified shape model of urban rail vehicle body

圖2 3 種基本的城市軌道列車頭部外形縱向對稱面型線Fig. 2 Three basic outlines of longitudinal symmetrical surface for leading car of urban rail vehicles

前窗采用平面、單曲面或三維曲面玻璃也直接影響到端車頭型外觀. 圖2 中的基本型1 宜優選三維曲面玻璃，基本型2 和基本型3 宜優選平面或單曲面玻璃[7,32]；端車前窗玻璃的外形尺寸均呈增大的發展趨勢.

3） 端車底部/頂部距軌面高度（H1/H1′）. 對于懸掛式列車，H1′ 是端車頂部與軌面間的距離；對于其余類型列車，H1是端車底部與軌面間的距離.H1/H1′的取值既影響列車的整體視覺效果，又影響車體下部/上部設備受氣流的沖擊大小. 端車的該值應在滿足車限和安全間隙的前提下盡可能小，地鐵列車的該值可為0.20 m[33].

4） 大輪廓線前端角ε和側墻傾角γ. 列車頭部外形的最大輪廓線可簡化成由圖1 中的關鍵點f1、e1、b、e2、f2和其他關鍵點有序圍合成的閉合線條，其形態也與列車的造型和氣動性能密切相關[33]. 頭部外形的最大輪廓線前端角ε可簡化為由點e1、b、e2構成的一個角；司機室側墻與車身側墻傾角γ為圖1 中e1—f1或e2—f2的內傾角，ε和γ均能夠反映端車流線型程度的高低. 通常在滿足司機室內部功能空間和視野的要求下，采用圖2 中基本型1 的列車，點f1、e1、b、e2、f2有序圍合成的輪廓為一條過渡光滑的組合圓弧曲線，γ值一般小于10°，ε通常為一鈍角，圖1 中倒角弧線半徑R2和R3取值一般較大；采用圖2 中基本型2 和基本型3 的列車，這5 個關鍵點有序圍合成的輪廓為一條在點e1和e2處轉折明顯的線條，且γ值通常接近4°，ε接近或等于180°，圖1 中R2取值通常較大，R3取值通常較小.

5） 體橫截面形狀及側墻夾角δ. 車體在橫截面上投影的外形最大輪廓線也與列車的氣動性能和外觀有直接關系. 如圖1 所示，城市軌道列車的車體可簡化為由點h1、f1、g1、g2、f2、h2有序圍合成的閉合線條，其中點h1、f1、g1和點h2、f2、g2分別構成了車體左側和右側的側墻形狀，δ就是車體側墻h1—f1和f1—g1或h2—f2和f2—g2所構成的夾角. 按照該角度的不同，車體可分為3 種基本形態[7]，如圖3 所示：當δ為一明顯的鈍角且倒角弧線半徑R5值較小，則構成鼓形車體（基本型1）；當δ為180°，則構成平面車體（基本型2）；當δ為一鈍角且R5值特別大，則構成弧形車體（基本型3）. 3 種車體的側墻底部倒角弧線半徑R4和頂部倒角弧線半徑R6大小并無規律，其取值應在符合車輛限界和相關技術要求前提下，根據造型需要來進行設定. 跨坐式列車和EMS 磁浮列車結構較為特別，車體下部存在“內凹”形態，點i1、i1′、i2、i2′ 位置應根據具體要求來確定. 通常弧形車體適合頭部長度L1取值較大的流線型造型列車，而鼓形車體和平面車體適合頭部長度L1取值較小的鈍頭造型列車.

圖3 3 種基本的城市軌道列車車體外形橫截面型線Fig. 3 Three basic outlines of cross sections for urban rail vehicle body

6） 關鍵參數對造型的總體影響. 基于上述研究成果總結可得：當端車最大寬度W和高度H3/H3′ 一定：端車L1值越大，縱向對稱面型線前端角α、前窗傾角β、鼻錐高度H2和最大輪廓線前端角ε的值總體上越小（但H2′ 需越大），頭部造型趨于流線型；L1值越小，則α、β、H2和ε的值總體上越大，頭部造型趨于短而鈍.

2.2 司機室車體后部及中車車體設計

列車車體間通常由長度500～800 mm 的風擋連接. 車體的造型要素包括典型車輛編組、車體基本尺寸、車門和側窗的尺寸及布置、車體橫截面形狀.

城市軌道列車的車輛編組、端車和中車車體基本尺寸范圍、車門尺寸及單側車門數量參見表1，結合該表中的典型列車分析可得：端車和中車車體的最大橫截面形狀應符合車體在橫截面上投影的外形最大輪廓線，且保持一致；最高速度不小于100 km/h的車型對車體氣密性和側墻剛度要求較高，通常側窗面積相對較小；最高速度不大于80 km/h 的地面或高架城市軌道列車通常采用面積相對較大的側窗，可增大旅客觀光的視野范圍和采光量.

2.3 車體涂裝設計

車體涂裝設計就是基于相關約束，充分考慮旅客心理感受和線路環境，通過涂裝使列車具有良好的安全性、可識別性、視覺美感、文化認同感，甚至滿足商業廣告傳播的需要[35-36]. 涂裝設計宜優先選擇能夠反映目標城市或線路文化特征的單一主調色，且主調色應易于識別；宜優先選擇主調色的補色或對比色作為輔助色，且輔助色應為單一輔助色，益于裝飾，形式可為色塊、色帶或圖形；采用大面積的色塊涂裝有助于側窗、車門等相對分散的細部在視覺上形成統一，采用色帶有助于增強列車各車廂之間的視覺聯系和統一，采用抽象或具象的圖形則可在統一的色彩中增加細節變化，增添裝飾美感，塑造文化氛圍[7].

此外，文獻[37]建議跨座式列車車身涂裝使用能讓視覺重力分布感覺均勻的元素，兼顧從左到右的視覺閱讀習慣，合理利用方位、大小、面積來協調平衡感，配合整體外觀造型傳遞出安全、穩固、有力的視覺心理信號. 文獻[38]提出設計時要考慮到列車的整體性、環境性和功能性因素，先對客車特征、開行環境、同類車型涂裝進行詳細調查，再選取與之協調的主調色和輔助色.

2.4 外觀設計要點

1） 設計程序. 列車造型設計程序有4 個重要階段[39]：設計準備→概念設計→計算機輔助外觀設計和氣動仿真分析→計算機輔助內室設計和人因仿真分析.

2） 設計應遵循形式美法則. 造型方案既要體現列車的穩定感又要體現動態感，設計中應遵循比例與尺度，均衡與穩定，統一與變化，過渡與呼應等形式美法則[7].

3） 設計應體現城市地域文化. 造型設計中常以目標城市、線路的典型建筑、動物、器物等物質文化載體，或習俗、圖騰等非物質文化載體為優選元素，結合城市文化定位，通過形態仿生將提取的文化元素耦合到列車設計方案，文獻[8, 39-41]提供了參考案例.

2.5 小 結

上述研究側重于聚焦列車車體的外觀，相關成果奠定了城市軌道列車外觀設計的理論基礎，明確了車體外觀造型和涂裝是城市軌道列車外觀設計的兩大核心研究內容，同時也給出了可供各型城市軌道列車車體造型設計優選的關鍵參數取值范圍、參考設計流程，以及車體外觀和涂裝的設計要點等. 但是，城市軌道列車通常是在特定的城市、特定的線路上運營，列車外觀對旅客的影響較為直接，是決定旅客對列車整體滿意的重要因素，因此結合目標運營城市的地域文化、運營線路和旅客審美，進一步研究列車-線路-人文多要素耦合的城市軌道列車外觀設計理論與方法是今后亟待解決的問題.

3 城市軌道列車車內環境設計

3.1 司機室駕駛界面設計

盡管我國部分城市軌道列車已實現自動駕駛，但相關標準[17,21-23]提出在緊急或特殊情況下仍需司機人工駕駛，因此駕駛界面的設計和評估都應以“司機”為中心，用以保證駕駛的安全性、提高操作的有效性、保障司機的職業健康. UIC 651[42]對機車司機室設計有詳細規定，但城市軌道列車車型多，司機室空間差異大，線路差異大、信號不統一，當前國內外沒有標準性文件對各型城市軌道列車的司機室車內空間、信號視野要求、側窗逃生、座椅及操縱臺設計等內容作統一規定，已有研究包括：

1） 以司機為中心的駕駛界面設計研究. 我國鐵路領域，除TB/T 3091[43]規定鐵路機車司機身高應不小于160 cm 外，并無其他特殊要求. 司機生理特點、座椅、操縱臺、任務共同決定了司機的坐姿[44]，文獻[45]提出座椅水平距操縱臺368 mm、腳踏板高度為250 mm 時對司機損傷最少；文獻[46]可用于指導操縱臺操控器件、顯示屏和指示燈的布局設計；駕駛界面的色彩設計可參閱文獻[47]；照明與防眩光設計可參閱文獻[48].

2） 司機室人機適配評估研究. 人因仿真是用來評估列車設計方案人機適配合理性的常用方法，內容包括司機室人-椅-操縱臺的人機適配仿真、單司機上/下肢可達域仿真、信號視野仿真、側窗逃生仿真等[39]，JACKTM、CATIATM和IC.IDOTM是我國列車人因仿真常用的工具[39,49-50]. 我國缺少各型城市軌道列車人機評估的標準，目前在進行分析時僅有UIC 651[42]、GB/T 6769[51]、GB/T 5914.1[52]、TB 3264[53]可供參考，逃生側窗尺寸可參閱EN 45545-4[54]，信號視野仿真則無統一參考依據.

3.2 客室旅客界面設計

1） 客室席位布局. 調研發現高速磁浮列車通常提供橫向布置的座席；多數地鐵列車提供縱向布置的座席和由立桿、橫桿或吊環拉手等構成的立席；多數中低速磁浮列車、有軌電車、輕軌列車、自動導向軌道列車和單軌車提供橫向布置的坐席和由立桿、橫桿或吊環拉手等構成的立席. 坐席和立席的設置數量直接影響到客室席位的布局設計，文獻[17]規定立席密度應為6 人/m2，文獻[55]提出了一種無輔助抓握件的扶手布置方案供設計參考.

2） 客室內關鍵功能設備. 座椅、立桿、橫桿和吊環拉手是城市軌道列車客室的關鍵功能設備，關系著旅客乘車過程的安全、舒適和宜人體驗. 文獻[56]給出了縱向排布座椅的腰靠和座墊關鍵尺寸，文獻[57]總結了橫向排布座椅的關鍵參數，文獻[58]給出了吊環拉手的關鍵尺寸和造型形態設計要點，文獻[56, 59-60]指出了乘客使用立桿和橫桿的行為特點并提出了設計參考，文獻[61]給出了通用車廂的設計要點.

3） 車內環境舒適性評價. 西南交通大學針對軌道裝備設計建立了可視化人因綜合仿真分析平臺[62]，實現了集行為觀察→動作分析→動作捕捉→數字動素生成→人因仿真評估為一體的功能，可用于列車人機適配評估. 此外，文獻[63]提出了一種具有文化氛圍的列車客室環境色彩設計方法，文獻[64]提出從燈光設計來營造滿足情感化需求的地鐵內飾環境.

3.3 小 結

城市軌道列車的車內環境主要由司機室車內駕駛界面和客室車內旅客界面構成，上述研究成果均是緊密圍繞這2 大環境界面來開展研究. 在車內駕駛界面設計方面，現有研究側重聚焦司機并從人因安全角度進行研究，從而為駕駛界面的布局、色彩和人機尺寸設計提供依據；而在車內旅客界面設計方面，側重以旅客為中心，從搭乘的舒適性、美觀性和文化氛圍營造等角度進行研究與設計，用以保證旅客在乘車過程中能夠體驗到舒適、宜人、美觀、文化認同等積極正面的綜合感受. 總結可知，城市軌道列車車內環境既受相關技術標準和人因問題的約束，又受到線路環境、車內文化氛圍和旅客審美等問題的影響，因此進一步辨識技術-人因-文化-美學的構成因素，從系統角度開展列車車內空間及界面優化設計與綜合評價技術研究是未來需要研究的問題.

4 結論與展望

城市軌道列車工業設計既受到列車自身系統技術特性的約束（車），又受到使用者（人）和使用環境（環）的約束. 城市軌道列車工業設計的核心任務就是要通過研究各類與列車相關人員的生理特性、心理特性、乘車（作業）任務和行為特點，列車自身的技術特性，列車使用環境的特性，以及三者間可能存在的相互作用特性，分別對各型城市軌道列車外觀、車內旅客界面和車內駕駛界面進行設計并評估設計方案的合理性和可行性. 技術、人因、文化、美學是影響城市軌道列車工業設計的核心要素，其中技術因素主要涉及列車類型、編組、車限、車體關鍵尺寸、車門參數、車內功能設施、車內照明、信息終端、緊急逃生和信號可見等，直接決定著列車外觀和車內環境的基本功能形態；人的因素主要涉及旅客人體尺寸及百分位、典型駕乘行為及任務、駕乘動素、駕乘負荷、乘車習慣與偏好、司機視野、應急反應等人-車適配問題，主要影響各型列車設計中司機和旅客的安全、舒適宜人、減負等駕乘體驗；文化因素主要包括文化元素載體的構成、典型文化元素的提取、文化元素的視覺轉換、文化氛圍的營造與表現等，關系著列車設計方案是否能夠體現目標城市/線路的典型文化，影響著列車設計方案的文化認同度；美學因素主要有列車的形式美則、涂裝配色、美學特性表現等，直接影響著列車設計方案的美觀度. 結合目標城市/線路環境、列車、司機和旅客特點，進一步挖掘拓展這些技術、人因、美學、文化構成因素，從技術-人因-美學-文化多要素耦合角度開展研究，有助于從系統角度提升城市軌道列車工業設計綜合質量.

在我國，城市軌道列車工業設計領域的現有研究主要集中在應用較廣的地鐵列車，對于輕軌、有軌電車及其他新型城市軌道列車，大量的研究都集中在技術層面，在城市軌道列車造型設計、人機研究、乘坐舒適性研究、列車文化研究及評價方面還處于初期的摸索階段. 同時，我國對城市軌道列車工業設計與評價理論還缺乏研究，未形成集城市軌道列車外觀設計、車內界面設計和人機適配設計于一體的工業設計與評價技術. 隨著各型城市軌道交通系統在我國快速發展和建設，我國應從戰略高度重視城市軌道列車的工業設計. 如何從工業設計角度處理好列車與使用者、線路、相關環境及運營城市文化認同等要素之間的關系，設計出環境友好宜人、使用舒適便捷又具有典型線路或城市文化的列車成為了我國城市軌道交通領域目前亟待突破的一個發展方向. 今后，我國在城市軌道列車工業設計方面的進一步研究展望如下：

1） 列車線路人文多要素耦合理論與設計方法研究. 針對城市軌道列車外觀設計，需要研究旅客搭乘列車過程中對列車外形的視覺關注點，列車運行沿線主要旅客的審美偏好、習俗、生活方式、心理需求和價值取向，以及線路、現有列車及相關典型人文物質載體、大地景觀和其他非物質人文載體，構建列車運行沿線典型文化元素庫，提出文化元素的提取、轉化與設計重用方法，構建列車-線路-人文多要素耦合設計方法，并形成基于該方法的列車外觀設計與評價技術.

2） 列車車內空間及界面優化設計與綜合評價技術研究. 針對城市軌道列車車內環境界面設計，需要研究城市軌道列車空間及界面涉及的技術、人因、美學和人文要素，構建列車車內環境界面設計要素約束模型，提出考慮“技術-人因-文化-美學”的列車空間界面設計或優化設計方法，建立環境友好的列車車內空間與環境界面設計評價指標體系，提出主客觀相結合的城市軌道列車空間及界面綜合評價系統，用于列車設計方案的篩選或優化設計.

3） 列車車內視覺環境評價與優化設計研究. 針對城市軌道列車車內視覺環境設計，需要研究列車車內環境與季節、地域、不同時間段人的主觀感受，以及列車的車內照明系統構成、車內照明實況、視覺環境評價技術，列車車內照明燈具類型、照明方式、車內空間布局、線路景觀及天氣對車內照明影響、照明對旅客的主觀影響，明確影響列車車內視覺環境的多因素集，構建城市軌道列車車內視覺環境評價指標體系，提出系統的設計程序與優化設計方法，形成城市軌道列車車內視覺環境設計指導性文件.