向泽锐 ，支锦亦 ，李 然 ，徐笑非 ，徐 刚

（1. 西南交通大学设计艺术学院，四川 成都 611731；2. 西南交通大学人机环境系统设计研究所，四川 成都611731；3. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

城市轨道交通是城市公共交通的重要组成部分，包括市域快速轨道系统、地铁系统、轻轨系统、有轨电车系统、磁浮系统、单轨系统、自动导向轨道系统，共7 种类型[1-3]. 城市轨道交通是解决拥堵的重要途径，随着城市轨道交通在我国的急速发展[4]，各型列车逐渐成为研究热点.

工业设计的核心是将文化要素导入工业生产体系，形成兼具功能与文化属性的工业产品，并已被20 多个国家纳入国家战略[5]. 城市轨道列车的工业设计是要基于既有或前瞻性技术，从人-车-环境系统的角度，对列车外观造型、车身涂装、内室环境、关键功能设备、照明、材料质感及一切与驾乘人员相关的物件或环境进行研究，使其更加符合人的安全、舒适宜人、审美、文化认同等综合需求[6]. 国外美观并具文化特色的城市轨道列车主要有Siemens、Alstom、Bombardier 和Ansaldo-Breda 等公司的多型产品[7-8]. 同时，国外城市轨道列车主要从虚拟样机研究预测设计方案的客观乘坐舒适度[9]；从司机心理测试评估来提升司机室环境质量以降低司机误操作，从旅客乘车满意调查、行为观察、人机工程对车内座椅布局、车门、振动、噪音和灯光等进行研究来提升列车的综合舒适度，以及从通用设计角度研究提升特殊旅客搭乘列车的便捷与舒适[10-14]. 由于重视工业设计，上述公司的城市轨道列车整体技术含量高，外观极具艺术性、文化性和观赏性，内室环境界面友好宜人，能使列车与城市文化和景观相融合，是提升城市形象的一张名片.

本文对我国城市轨道列车工业设计在车体特征、外观设计、车内环境设计三方面的主要研究成果进行了综述，分析并总结提出了其发展趋势.

1 城市轨道列车车体主要特征

城市轨道列车通常由头车、尾车与若干中车编组成列投入运营. 在7 种城市轨道交通系统中，市域快速轨道交通系统既可采用速度在120～160 km/h的地铁车辆或专用车辆，又可选用中低速磁浮列车[2,15]，因此该系统所采用的列车未作专门规定. 表1是根据调研和我国相关标准[2,16-26]整理获得的其余6 种类型城市轨道列车的主要外形尺寸及特征，以及基于调研整理获得的6 种类型城市轨道列车的典型外观.

表1 我国6 种类型城市轨道列车的主要外形、特征及对应的典型列车Tab. 1 Main shapes, characteristics and corresponding typical vehicles for six types of urban rail vehicles in China

续 表1Continued Tab. 1

分析现有城市轨道列车设计的相关标准，发现我国目前还未发布关于各种悬挂式单轨列车车体设计的标准性文件，当前设计该类型列车时缺少可参考的依据. 在上述6 型城市轨道列车中，除高速磁浮列车最高运行速度为500 km/h 外[22]，其余类型的列车最高运行速度通常为80、100 km/h 或120 km/h[30].高速磁浮列车的外观造型设计与高速列车相似，需要系统考虑空气动力学对造型的约束[31]，整车流线型程度较高；而其余的城市轨道列车造型受空气动力学影响相对较小，外观造型的自由度相对较大. 我国上述6 种类型城市轨道列车的主要外观特征可概括为：高速磁浮列车的端车头部流线型长度大，整车流线型程度高；其余类型城市轨道列车的端车头部总体上短而钝，整车流线型程度相对较低.

2 城市轨道列车外观设计

2.1 端车造型设计

列车车体外形的纵向对称面型线和最大轮廓线是决定列车外观造型的两条最基本特征线，且变化集中在端车的司机室车体部分[32-33]，详见图1. 城市轨道列车车体造型设计的重点应该是基于标准性文件[16-26]、总体设计要求，聚焦于列车的端车头型设计和车体造型设计.

1） 头部长度L1. 列车的端车长度是由头部长度L1与剩余部分车体的长度L2组成，我国对除了悬挂式列车外的城市轨道列车端车长度L均有规定. 尽管细长的头部有助于减阻降噪和流线型造型的设计[32-33]，但L1取值过大会导致端车的载客空间减少.高速磁浮列车的L1取值宜为6.00～7.00 m[34]，地铁列车的取值一般不大于3.00 m[33]，有轨电车的取值通常不大于1.95 m[7]. 其余列车的取值可结合最高运行时速并参考上述数据加以确定.

2） 纵向对称面型线前端角α和前窗倾角β. 头部外形的纵向对称面型线可简化成由图1 中的顶点a、鼻锥顶点b、导流点c、底部点d和其他关键点有序围合成的闭合线条；前端角α能够反映端车头部的基本形态，可简化为由点a、b、c有序围合成的一个角；前窗倾角β也直接关系到头车的气动性能、美观程度和司机视野范围[7,32-33]. 这4 个关键点直接影响到纵向对称面型线中a—b和b—c之间的形态.

现有各型城市轨道列车均将α设计成有助于使a—b或b—c之间形成一条或多条直线或圆弧平滑过渡的曲线形态. 图2 是3 种基本的城市轨道列车头部外形纵向对称面型线. 在具体设计中，高速磁浮列车和最高运行速度不小于120 km/h 的城市轨道列车应将端车头型设计与空气动力学相结合，端车头部宜设计成流线型以降低车头阻力和气动噪声[33-34]，其头部外形纵向对称面型线应符合图2 中的基本型1（图1 中倒角弧线半径R1和R7取值较大）；速度不大于100 km 的城市轨道列车造型呈多样化，多数端车的α≥ 90°；通常β≤ 90°，但少数会略大于90°，图2 中的基本型1 和基本型2 （图1 中R1和R7取值较小）均适用于该速度级别的城市轨道列车；由于悬挂式列车使用环境的不同，多数端车的α，β≥ 90°（图1 中点b最大可上移至点b′ 处，点c最大可前移至点c′ 处），形态多为图2 中的基本型3 （图1 中R1和R7取值较小），甚至连俄罗斯有轨电车Russia one 的端车也采用了该颠覆性的形态.

图1 城市轨道列车车体外观造型简化模型Fig. 1 Simplified shape model of urban rail vehicle body

图2 3 种基本的城市轨道列车头部外形纵向对称面型线Fig. 2 Three basic outlines of longitudinal symmetrical surface for leading car of urban rail vehicles

前窗采用平面、单曲面或三维曲面玻璃也直接影响到端车头型外观. 图2 中的基本型1 宜优选三维曲面玻璃，基本型2 和基本型3 宜优选平面或单曲面玻璃[7,32]；端车前窗玻璃的外形尺寸均呈增大的发展趋势.

3） 端车底部/顶部距轨面高度（H1/H1′）. 对于悬挂式列车，H1′ 是端车顶部与轨面间的距离；对于其余类型列车，H1是端车底部与轨面间的距离.H1/H1′的取值既影响列车的整体视觉效果，又影响车体下部/上部设备受气流的冲击大小. 端车的该值应在满足车限和安全间隙的前提下尽可能小，地铁列车的该值可为0.20 m[33].

4） 大轮廓线前端角ε和侧墙倾角γ. 列车头部外形的最大轮廓线可简化成由图1 中的关键点f1、e1、b、e2、f2和其他关键点有序围合成的闭合线条，其形态也与列车的造型和气动性能密切相关[33]. 头部外形的最大轮廓线前端角ε可简化为由点e1、b、e2构成的一个角；司机室侧墙与车身侧墙倾角γ为图1 中e1—f1或e2—f2的内倾角，ε和γ均能够反映端车流线型程度的高低. 通常在满足司机室内部功能空间和视野的要求下，采用图2 中基本型1 的列车，点f1、e1、b、e2、f2有序围合成的轮廓为一条过渡光滑的组合圆弧曲线，γ值一般小于10°，ε通常为一钝角，图1 中倒角弧线半径R2和R3取值一般较大；采用图2 中基本型2 和基本型3 的列车，这5 个关键点有序围合成的轮廓为一条在点e1和e2处转折明显的线条，且γ值通常接近4°，ε接近或等于180°，图1 中R2取值通常较大，R3取值通常较小.

5） 体横截面形状及侧墙夹角δ. 车体在横截面上投影的外形最大轮廓线也与列车的气动性能和外观有直接关系. 如图1 所示，城市轨道列车的车体可简化为由点h1、f1、g1、g2、f2、h2有序围合成的闭合线条，其中点h1、f1、g1和点h2、f2、g2分别构成了车体左侧和右侧的侧墙形状，δ就是车体侧墙h1—f1和f1—g1或h2—f2和f2—g2所构成的夹角. 按照该角度的不同，车体可分为3 种基本形态[7]，如图3 所示：当δ为一明显的钝角且倒角弧线半径R5值较小，则构成鼓形车体（基本型1）；当δ为180°，则构成平面车体（基本型2）；当δ为一钝角且R5值特别大，则构成弧形车体（基本型3）. 3 种车体的侧墙底部倒角弧线半径R4和顶部倒角弧线半径R6大小并无规律，其取值应在符合车辆限界和相关技术要求前提下，根据造型需要来进行设定. 跨坐式列车和EMS 磁浮列车结构较为特别，车体下部存在“内凹”形态，点i1、i1′、i2、i2′ 位置应根据具体要求来确定. 通常弧形车体适合头部长度L1取值较大的流线型造型列车，而鼓形车体和平面车体适合头部长度L1取值较小的钝头造型列车.

图3 3 种基本的城市轨道列车车体外形横截面型线Fig. 3 Three basic outlines of cross sections for urban rail vehicle body

6） 关键参数对造型的总体影响. 基于上述研究成果总结可得：当端车最大宽度W和高度H3/H3′ 一定：端车L1值越大，纵向对称面型线前端角α、前窗倾角β、鼻锥高度H2和最大轮廓线前端角ε的值总体上越小（但H2′ 需越大），头部造型趋于流线型；L1值越小，则α、β、H2和ε的值总体上越大，头部造型趋于短而钝.

2.2 司机室车体后部及中车车体设计

列车车体间通常由长度500～800 mm 的风挡连接. 车体的造型要素包括典型车辆编组、车体基本尺寸、车门和侧窗的尺寸及布置、车体横截面形状.

城市轨道列车的车辆编组、端车和中车车体基本尺寸范围、车门尺寸及单侧车门数量参见表1，结合该表中的典型列车分析可得：端车和中车车体的最大横截面形状应符合车体在横截面上投影的外形最大轮廓线，且保持一致；最高速度不小于100 km/h的车型对车体气密性和侧墙刚度要求较高，通常侧窗面积相对较小；最高速度不大于80 km/h 的地面或高架城市轨道列车通常采用面积相对较大的侧窗，可增大旅客观光的视野范围和采光量.

2.3 车体涂装设计

车体涂装设计就是基于相关约束，充分考虑旅客心理感受和线路环境，通过涂装使列车具有良好的安全性、可识别性、视觉美感、文化认同感，甚至满足商业广告传播的需要[35-36]. 涂装设计宜优先选择能够反映目标城市或线路文化特征的单一主调色，且主调色应易于识别；宜优先选择主调色的补色或对比色作为辅助色，且辅助色应为单一辅助色，益于装饰，形式可为色块、色带或图形；采用大面积的色块涂装有助于侧窗、车门等相对分散的细部在视觉上形成统一，采用色带有助于增强列车各车厢之间的视觉联系和统一，采用抽象或具象的图形则可在统一的色彩中增加细节变化，增添装饰美感，塑造文化氛围[7].

此外，文献[37]建议跨座式列车车身涂装使用能让视觉重力分布感觉均匀的元素，兼顾从左到右的视觉阅读习惯，合理利用方位、大小、面积来协调平衡感，配合整体外观造型传递出安全、稳固、有力的视觉心理信号. 文献[38]提出设计时要考虑到列车的整体性、环境性和功能性因素，先对客车特征、开行环境、同类车型涂装进行详细调查，再选取与之协调的主调色和辅助色.

2.4 外观设计要点

1） 设计程序. 列车造型设计程序有4 个重要阶段[39]：设计准备→概念设计→计算机辅助外观设计和气动仿真分析→计算机辅助内室设计和人因仿真分析.

2） 设计应遵循形式美法则. 造型方案既要体现列车的稳定感又要体现动态感，设计中应遵循比例与尺度，均衡与稳定，统一与变化，过渡与呼应等形式美法则[7].

3） 设计应体现城市地域文化. 造型设计中常以目标城市、线路的典型建筑、动物、器物等物质文化载体，或习俗、图腾等非物质文化载体为优选元素，结合城市文化定位，通过形态仿生将提取的文化元素耦合到列车设计方案，文献[8, 39-41]提供了参考案例.

2.5 小 结

上述研究侧重于聚焦列车车体的外观，相关成果奠定了城市轨道列车外观设计的理论基础，明确了车体外观造型和涂装是城市轨道列车外观设计的两大核心研究内容，同时也给出了可供各型城市轨道列车车体造型设计优选的关键参数取值范围、参考设计流程，以及车体外观和涂装的设计要点等. 但是，城市轨道列车通常是在特定的城市、特定的线路上运营，列车外观对旅客的影响较为直接，是决定旅客对列车整体满意的重要因素，因此结合目标运营城市的地域文化、运营线路和旅客审美，进一步研究列车-线路-人文多要素耦合的城市轨道列车外观设计理论与方法是今后亟待解决的问题.

3 城市轨道列车车内环境设计

3.1 司机室驾驶界面设计

尽管我国部分城市轨道列车已实现自动驾驶，但相关标准[17,21-23]提出在紧急或特殊情况下仍需司机人工驾驶，因此驾驶界面的设计和评估都应以“司机”为中心，用以保证驾驶的安全性、提高操作的有效性、保障司机的职业健康. UIC 651[42]对机车司机室设计有详细规定，但城市轨道列车车型多，司机室空间差异大，线路差异大、信号不统一，当前国内外没有标准性文件对各型城市轨道列车的司机室车内空间、信号视野要求、侧窗逃生、座椅及操纵台设计等内容作统一规定，已有研究包括：

1） 以司机为中心的驾驶界面设计研究. 我国铁路领域，除TB/T 3091[43]规定铁路机车司机身高应不小于160 cm 外，并无其他特殊要求. 司机生理特点、座椅、操纵台、任务共同决定了司机的坐姿[44]，文献[45]提出座椅水平距操纵台368 mm、脚踏板高度为250 mm 时对司机损伤最少；文献[46]可用于指导操纵台操控器件、显示屏和指示灯的布局设计；驾驶界面的色彩设计可参阅文献[47]；照明与防眩光设计可参阅文献[48].

2） 司机室人机适配评估研究. 人因仿真是用来评估列车设计方案人机适配合理性的常用方法，内容包括司机室人-椅-操纵台的人机适配仿真、单司机上/下肢可达域仿真、信号视野仿真、侧窗逃生仿真等[39]，JACKTM、CATIATM和IC.IDOTM是我国列车人因仿真常用的工具[39,49-50]. 我国缺少各型城市轨道列车人机评估的标准，目前在进行分析时仅有UIC 651[42]、GB/T 6769[51]、GB/T 5914.1[52]、TB 3264[53]可供参考，逃生侧窗尺寸可参阅EN 45545-4[54]，信号视野仿真则无统一参考依据.

3.2 客室旅客界面设计

1） 客室席位布局. 调研发现高速磁浮列车通常提供横向布置的座席；多数地铁列车提供纵向布置的座席和由立杆、横杆或吊环拉手等构成的立席；多数中低速磁浮列车、有轨电车、轻轨列车、自动导向轨道列车和单轨车提供横向布置的坐席和由立杆、横杆或吊环拉手等构成的立席. 坐席和立席的设置数量直接影响到客室席位的布局设计，文献[17]规定立席密度应为6 人/m2，文献[55]提出了一种无辅助抓握件的扶手布置方案供设计参考.

2） 客室内关键功能设备. 座椅、立杆、横杆和吊环拉手是城市轨道列车客室的关键功能设备，关系着旅客乘车过程的安全、舒适和宜人体验. 文献[56]给出了纵向排布座椅的腰靠和座垫关键尺寸，文献[57]总结了横向排布座椅的关键参数，文献[58]给出了吊环拉手的关键尺寸和造型形态设计要点，文献[56, 59-60]指出了乘客使用立杆和横杆的行为特点并提出了设计参考，文献[61]给出了通用车厢的设计要点.

3） 车内环境舒适性评价. 西南交通大学针对轨道装备设计建立了可视化人因综合仿真分析平台[62]，实现了集行为观察→动作分析→动作捕捉→数字动素生成→人因仿真评估为一体的功能，可用于列车人机适配评估. 此外，文献[63]提出了一种具有文化氛围的列车客室环境色彩设计方法，文献[64]提出从灯光设计来营造满足情感化需求的地铁内饰环境.

3.3 小 结

城市轨道列车的车内环境主要由司机室车内驾驶界面和客室车内旅客界面构成，上述研究成果均是紧密围绕这2 大环境界面来开展研究. 在车内驾驶界面设计方面，现有研究侧重聚焦司机并从人因安全角度进行研究，从而为驾驶界面的布局、色彩和人机尺寸设计提供依据；而在车内旅客界面设计方面，侧重以旅客为中心，从搭乘的舒适性、美观性和文化氛围营造等角度进行研究与设计，用以保证旅客在乘车过程中能够体验到舒适、宜人、美观、文化认同等积极正面的综合感受. 总结可知，城市轨道列车车内环境既受相关技术标准和人因问题的约束，又受到线路环境、车内文化氛围和旅客审美等问题的影响，因此进一步辨识技术-人因-文化-美学的构成因素，从系统角度开展列车车内空间及界面优化设计与综合评价技术研究是未来需要研究的问题.

4 结论与展望

城市轨道列车工业设计既受到列车自身系统技术特性的约束（车），又受到使用者（人）和使用环境（环）的约束. 城市轨道列车工业设计的核心任务就是要通过研究各类与列车相关人员的生理特性、心理特性、乘车（作业）任务和行为特点，列车自身的技术特性，列车使用环境的特性，以及三者间可能存在的相互作用特性，分别对各型城市轨道列车外观、车内旅客界面和车内驾驶界面进行设计并评估设计方案的合理性和可行性. 技术、人因、文化、美学是影响城市轨道列车工业设计的核心要素，其中技术因素主要涉及列车类型、编组、车限、车体关键尺寸、车门参数、车内功能设施、车内照明、信息终端、紧急逃生和信号可见等，直接决定着列车外观和车内环境的基本功能形态；人的因素主要涉及旅客人体尺寸及百分位、典型驾乘行为及任务、驾乘动素、驾乘负荷、乘车习惯与偏好、司机视野、应急反应等人-车适配问题，主要影响各型列车设计中司机和旅客的安全、舒适宜人、减负等驾乘体验；文化因素主要包括文化元素载体的构成、典型文化元素的提取、文化元素的视觉转换、文化氛围的营造与表现等，关系着列车设计方案是否能够体现目标城市/线路的典型文化，影响着列车设计方案的文化认同度；美学因素主要有列车的形式美则、涂装配色、美学特性表现等，直接影响着列车设计方案的美观度. 结合目标城市/线路环境、列车、司机和旅客特点，进一步挖掘拓展这些技术、人因、美学、文化构成因素，从技术-人因-美学-文化多要素耦合角度开展研究，有助于从系统角度提升城市轨道列车工业设计综合质量.

在我国，城市轨道列车工业设计领域的现有研究主要集中在应用较广的地铁列车，对于轻轨、有轨电车及其他新型城市轨道列车，大量的研究都集中在技术层面，在城市轨道列车造型设计、人机研究、乘坐舒适性研究、列车文化研究及评价方面还处于初期的摸索阶段. 同时，我国对城市轨道列车工业设计与评价理论还缺乏研究，未形成集城市轨道列车外观设计、车内界面设计和人机适配设计于一体的工业设计与评价技术. 随着各型城市轨道交通系统在我国快速发展和建设，我国应从战略高度重视城市轨道列车的工业设计. 如何从工业设计角度处理好列车与使用者、线路、相关环境及运营城市文化认同等要素之间的关系，设计出环境友好宜人、使用舒适便捷又具有典型线路或城市文化的列车成为了我国城市轨道交通领域目前亟待突破的一个发展方向. 今后，我国在城市轨道列车工业设计方面的进一步研究展望如下：

1） 列车线路人文多要素耦合理论与设计方法研究. 针对城市轨道列车外观设计，需要研究旅客搭乘列车过程中对列车外形的视觉关注点，列车运行沿线主要旅客的审美偏好、习俗、生活方式、心理需求和价值取向，以及线路、现有列车及相关典型人文物质载体、大地景观和其他非物质人文载体，构建列车运行沿线典型文化元素库，提出文化元素的提取、转化与设计重用方法，构建列车-线路-人文多要素耦合设计方法，并形成基于该方法的列车外观设计与评价技术.

2） 列车车内空间及界面优化设计与综合评价技术研究. 针对城市轨道列车车内环境界面设计，需要研究城市轨道列车空间及界面涉及的技术、人因、美学和人文要素，构建列车车内环境界面设计要素约束模型，提出考虑“技术-人因-文化-美学”的列车空间界面设计或优化设计方法，建立环境友好的列车车内空间与环境界面设计评价指标体系，提出主客观相结合的城市轨道列车空间及界面综合评价系统，用于列车设计方案的筛选或优化设计.

3） 列车车内视觉环境评价与优化设计研究. 针对城市轨道列车车内视觉环境设计，需要研究列车车内环境与季节、地域、不同时间段人的主观感受，以及列车的车内照明系统构成、车内照明实况、视觉环境评价技术，列车车内照明灯具类型、照明方式、车内空间布局、线路景观及天气对车内照明影响、照明对旅客的主观影响，明确影响列车车内视觉环境的多因素集，构建城市轨道列车车内视觉环境评价指标体系，提出系统的设计程序与优化设计方法，形成城市轨道列车车内视觉环境设计指导性文件.