李伟丽，向泽锐,2，李 然,2，苟 锐，邓明曦

(1. 西南交通大学建筑与设计学院，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)

地铁是一种快速、大运量、电力牵引的重要城市轨道交通系统，截止2019年12月，我国地铁运营线路长达5 187.03 km，占城市轨道交通总线路的77.07%，地铁已成为人们城市出行的一种重要交通方式[1-2]。地铁列车是地铁系统的核心装备之一，其外观设计主要聚焦于造型和涂装2方面，对体现城市和线路文化，打造城市名片，有着重要的作用和意义[3-4]。目前国内外对地铁列车外观设计的研究包括：文献[4]提出运营速度在100 km/h左右的车型受空气阻力和会车压力波影响较小，外观造型自由度相对较大，车头宜设计成钝体形，整车流线型程度不宜过高；文献[5]研究了NURBS技术在车身曲面造型设计上的应用；文献[6]基于车头绕流场分析并结合地铁列车造型美学要求提出了一种48°前窗倾角流线型地铁列车头型设计方案；文献[7]对车头气动特性进行了数值计算，为较高时速的地铁列车外观气动性能评估提供了方法；文献[8]利用FLUENT模拟了隧道中相邻2个站台间地铁运行的气动压力变化情况，为较高时速运行的地铁列车和隧道系统设计提供了依据；文献[9]结合国内外多个地铁列车造型方案，研究提出了地域文化与地铁列车造型元素的转换模型，给出了一种能够传递地域文化的地铁列车造型设计方法。为了使地铁列车外观能够有效与运营城市、目标线路的典型文化相融合，进一步提升旅客对其的文化认同，本文提出了一种融合可拓语义和模糊综合评价的地铁列车外观设计方法，并以成都地铁列车外观设计为例论证了方法的可行性。

1 地铁列车外观设计概述

地铁是城市轨道交通7种制式之一，最高运营速度通常分为80 km/h，100 km/h和120 km/h三级[10]。通过分析德、法、日、中等国的地铁列车产品[4,9]，可以得出其如下外观设计特点：

地铁列车通常由2辆端车和若干中车组成(通常2~6辆)，造型设计的重点集中于端车司机室部分，其余车体的造型自由度相对较小。为了提升车内驾驶和载客空间，现已投入运营的地铁列车的头部造型总体上短而钝，车体侧墙有直线、鼓形和弧形3类形态。地铁列车端车前围和所有车厢两侧的细部均为对称设计，以营造整车左右均衡稳定的视觉感；车窗、车门以及前窗等细部设计，一些用整数比例来营造均衡、有序的节奏感，而另一些则将车窗及周围色彩处理成统一的色调以提升车体侧围的视觉统一感。地铁列车涂装色彩通常与其城市或运营线路文化有关，一般由主调色和辅助色组成。主调色多为单一色彩，以白色、黄色和银灰色居多，黄、绿、蓝位居其后，少数采用红、紫等色彩。多数地铁列车两侧还辅以细长的色带进行装饰，以营造列车侧围的动态感，增强车厢间的视觉联系。

在我国，地铁列车分为A型和B型(B1型、B2型)共2类3种，车体通常采用不锈钢或铝合金材料和整体承载结构[11-13]。近年来，随着我国各地的快速发展，城市形象问题日益受到重视，在地铁列车的外观设计上体现城市文化和运营线路文化已经成为一种发展趋势，因此寻求一种能够辨识提取典型城市和运营线路地域文化元素，并将其有效融入地铁列车外观设计的方法具有较为重要的现实意义。

2 地铁列车外观设计中的可拓语义表征方法

2.1 可拓理论概述

2.1.1 可拓理论

文献[14-15]提出了可拓学(extenics)，涵盖了可拓理论(extension theory)、可拓创新方法(extension innovation method)[16]和可拓工程[17]。其中，可拓理论包括了基元理论、可拓集理论和可拓逻辑3大理论[15]。可拓理论以基元为逻辑细胞，包括物元、事元、关系元3种基元的概念，用来形式化描述物、事和关系以及同时考虑量变和质变的思维过程，实现矛盾问题智能化的处理[14-18]。目前，可拓理论在产品创新、技术创新、管理创新和组织创新方面发挥了重要的作用[15,19]。

2.1.2 可拓语义

可拓语义(extensible se mantics)是基于可拓理论中的物元[20]和图解思维[21]所提出的一种研究事物的方法[22]，可拓理论的物元概念将质与量、动作与关系的相应特征分别统一在一个由事物N、特征C和量值V构成的有序三元组中，即

当一个事物具有众多的特征元，用多维物元表示，即

可拓语义以语义符号的形式将事物特征的性质变换过程量化，为寻找产品设计最优方案提供了参考方法，目前已被应用于文化创意产品设计[22]、有轨电车造型设计[23]和服务产品设计[24]等方面研究。

2.2 地铁列车外观设计中的可拓语义表征

基于上述理论，针对地铁列车外观设计提出了“文化基元”概念，将地铁列车外观设计中的可拓语义构建与表征步骤概括如下[22-24]：

(1) 将文化基元Q涉及到的文化载体和文化特征统一到D，F和T组成的三元组中，即

其中，D为研究对象，即典型地域文化载体；F为描述研究对象文化的特征词汇；D可以有多个特征词汇F用于描述其文化；T为可拓区间，对应特征词汇的量值信息。

(2) 将T进一步分解为tx和ty，tx为用于描述特征词汇F与研究对象D的文化关联度，tx∈(0, 1]，tx1+tx2+···+txn=1 (n≥1)，其数值越靠近1表示该特征词汇与对象D的关联度越高。设每个特征词汇所得的分a的个数为da，a∈[1,α]，da∈[1,β]，其中，α为最高分值；β为特征词汇评估志愿者人数，则可拓特征词汇与对象D的文化关联度为

ty表示特征词汇F在地铁列车外观设计中的文化价值，数值越大表示该特征词汇在地铁列车外观设计中的文化价值越重要。设第Pn号志愿者对特征词汇的文化价值有效度评分为bn，bn∈[1,θ]，n∈[1,φ]，其中，θ为最高分值，φ为评价文化价值的志愿者人数，则可拓特征词汇的文化价值为

文化基元的可拓区间T的表达式为

T值越大，代表该特征词汇与地域文化对象的关联度越高，在地铁列车外观设计中能够体现出的文化价值越突出。

(3) 将特征词汇转换为图解语义，用h表示，则图解语义的可拓区间为Th，同理，将Th进一步分解为thx和thy，thx为图解语义辨识度；thy为图解语义的文化价值，其中，thx∈(0, 1]，thy∈[1, 7]，图解语义的可拓区间为Th的表达式为

Th值越大，代表该图解语义的辨识度越高，在地铁列车外观设计中能够体现出的文化价值越突出。

3 基于模糊综合评价的地铁列车外观设计方案评估

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，可以有效提高设计评价的客观性和合理性。本文采用模糊综合评价法来评估设计方案是否有效提取并融入了目标城市的典型地域文化元素，其评价过程如下[25-26]：

(1) 针对评估方案构建包括目标层、准则层和指标层的层次结构模型。

(2) 根据设计领域专家调查得到的标度值构建模糊判断矩阵M，即

其中，Aij为指标i比指标j的重要程度。

(3) 确定指标权重值W的步骤为：

① 计算模糊判断矩阵M每行元素的乘积，得到Mi为

② 计算Mi的n次方根，得到

③ 归一化处理后得到相对权重Wi为

(4) 将地铁列车外观设计方案的评价等级定为满意、一般、不满意，分别赋值1.0，0.5，0组成量化评价集为V={1.0, 0.5, 0}，并基于网络问卷确定模糊评价矩阵R。

(5) 计算设计方案的评价向量B，即

(6) 去模糊值，得到设计方案中体现各指标的满意评分b为

其中，H=(满意，一般，不满意)=(1.0, 0.5, 0)。

4 地铁列车外观设计流程

地铁列车的工业设计需综合考虑技术、人因、美学和文化4大要素[27]。随着社会的发展，在设计中考虑心理、精神和情感方面的需求变得越来越重要[28]。为了实现在地铁列车外观设计中融入城市或运营线路的典型地域文化元素，为旅客提供具有城市地域特色和文化认同的产品，本文聚焦研究地铁列车外观设计中的文化因素，将设计与评估流程分为3个相对独立的阶段：文化提取与表征、外观方案设计和方案评估，详细流程如图1所示。

图1 融合可拓语义和模糊综合评价的地铁列车外观设计流程Fig. 1 Exterior design process of metro train based on extension semantics and fuzzy comprehensive evaluation

5 案例研究

5.1 成都地域文化提取与表征

5.1.1 构建成都地域文化基元

(1) 成都地铁列车的文化元素调研。截止2019年底，成都地铁列车共开通了7条线路，在建8条，预计2024年底全部建成[29]。成都部分投入运营的地铁列车外观见表1。在造型方面，成都地铁列车以低速的B2型车居多，端车头部均短而钝，车体侧墙为直线或鼓形形式；其中3和4号线列车头型融入了三星堆青铜人面像的造型元素，5号线融入了川剧脸谱的形象。在涂装方面，多数列车车身两侧设有与线路标志色匹配的装饰色带，车头下方有成都地铁企业标识，多数车辆的司机室侧窗有金沙“太阳神鸟”金饰图案；3号线“盼达”号列车力求通过各种熊猫和竹子图案营造“熊猫”文化主题，10号线“最成都”旅游文化列车综合融入了大熊猫、青城山、盖碗茶等成都文化元素形象。

表1 成都部分地铁列车外观设计概况Table 1 Exterior design of some metro trains in chengdu

(2) 确定成都典型地域文化载体。成都是一座历史悠久的文化名城，是古蜀文明的中心，蕴含了丰富的历史文化资源[30]。成都金沙遗址出土的“太阳神鸟”金饰图案在2005年被我国国家文物局确定为中国文化遗产标志的核心图案[31]，其已成为成都对外宣传和交流的重要文化载体。图2即为“太阳神鸟”金饰及其图案，整体呈圆形，镂空图案分为内、外2层：内层是12条形态相同且等距分布的按顺时针旋转的光芒状太阳纹；外层是4只形态相同、引颈伸腿、展翅翱翔的神鸟按逆时针绕内层太阳纹飞行图案。该金饰图案整体形态表达了古蜀人对太阳神、太阳神鸟的崇拜，蕴含了生命轮回、神秘和动感内涵；金色色彩则表达了古蜀人热爱太阳、崇尚光明。鉴于此，本文选择“太阳神鸟”金饰作为成都地铁列车外观设计的典型地域文化载体。

图2 “太阳神鸟”金饰及其图案Fig. 2 Gold ornament and pattern of “Sun god Bird”

(3) 提取与表征地域文化的特征词汇。结合“太阳神鸟”金饰图案所传递出的文化内涵，构建了成都金沙文化基元Q，其中代表该地域文化特征的对象D为太阳神鸟，描述对象D的特征词汇包括：动感、神秘、光明、飞鸟、生命，即

5.1.2 成都金沙文化基元的可拓语义评估

(1) 评估特征词汇。选取12名(6男，6女)对金沙文化以及“太阳神鸟”金饰有一定了解，并且有多次乘坐成都地铁经验的志愿者进行问卷调查。每位志愿者对5个特征词汇进行评估，按照词汇能够反映“太阳神鸟”文化内涵的强弱进行排序，最强记5分，较强记4分，一般记3分，较弱记2分，最弱记1分(5-point Likert scale)。12份问卷的调查结果见表2。

表2 “太阳神鸟”特征词汇评估Table 2 Evaluation of characteristic vocabulary of “sun god bird”

继续选取5名较为了解成都文化并从事设计研究的志愿者来评估特征词汇的文化价值，分值设为1~7分(7-point Likert scale)，评分越高表明此志愿者认为该特征词汇的文化价值越高。5份问卷的调查结果见表3。

表3 特征词汇的文化价值评估Table 3 Cultural value evaluation of characteristic vocabulary

根据式(4)~(6)，得出特征词汇的可拓设计区间T值，见表4。

表4 特征词汇的可拓设计区间Table 4 Extension design interval of feature words

根据评估结果可以得出金沙“太阳神鸟”特征词汇的可拓量值排序为：动感、光明、飞鸟、生命、神秘，其中动感、光明、飞鸟的可拓区间较大。

(2) 评估特征词汇的图解语义。地铁列车外观设计的地域文化特征主要体现在造型和涂装2方面：运用图解思维将金沙“太阳神鸟”金饰的5个特征词汇进行图形分解，每个特征词汇选取出8张代表性的关联图。将图片进行去色处理，仅从形态上进行图解语义的评估，仍由5名较为了解成都文化并从事设计研究的志愿者再次打分，每个特征词汇列出被选次数较多的前3张图片，其特征词汇的图解语义见表5。

表5 特征词汇的图解语义Table 5 Graphic semantics of characteristic words

重新邀请3名从事设计研究的志愿者对表5中的图解语义及其文化价值进行评估，3份问卷的调查结果见表6和表7。

表6 对图解语义辨识度的评估结果Table 6 The evaluation results of semantic identification degree of diagrams

表7 对图解语义文化价值的评估结果Table 7 The evaluation results of cultural value of graphic semantics

通过对上述评估结果进行均值处理和分析，求得了每个图解语义的辨识度thx和图解语义的文化价值thy，见表8。根据式(7)，计算出单特征图解语义可拓区间Th，最终结果见表9。

表8 单特征图解语义值Table 8 Single feature graph to interpret semantic value

表9 单特征图解语义可拓区间Table 9 Single feature diagrammatic semantic extension interval

(3) 确定成都地铁列车的文化元素。从统计结果可知，动感图解语义中h3、光明图解语义中h1、飞鸟图解语义中h3的可拓区间较大，设表5中第m个特征词汇的n个图解为hmn，结合特征词汇可拓语义分析中动感、光明的可拓量值的排序，将动感、光明中最大的图解语义量值相融合，得到最大可拓区间，即h13+h31=4.38+4.38=8.76。

5.2 具有地域文化的成都地铁列车设计

图3 成都地铁列车外观设计效果图Fig. 3 Design scheme of chengdu metro train

本文设计的是一款80 km/h级低速B2型地铁列车，端车头部短而钝，车体侧墙为直线形式。充分考虑地铁列车技术、人因、美学在设计方面的约束[4]，基于对成都金沙文化的上述图解语义分析，结合表4中特征词汇的可拓量值排序，选取符合金沙“太阳神鸟”语义内涵、文化价值较大且辨识度较高的动感、光明、飞鸟作为成都地铁列车的文化元素进行方案创作，图3为最终确定的设计效果图。该地铁列车方案的前窗整体设计为圆形，融入了太阳的形态特征和金饰的色彩特征；车灯以神鸟的头部轮廓为形，力图塑造视觉动感、体现文化元素；车身两侧的装饰图案来源于神鸟轮廓，且神鸟首足前后相接，共同朝向太阳(圆形车窗)飞行，能够较好重现“太阳神鸟”金饰核心图案的意象。此外，针对成都不同地铁线路具有不同专用色系的问题，将前窗边缘和侧窗的上、下边缘均设计有代表线路色的条纹装饰色带，以此来区分列车所属线路。

5.3 设计方案的评估

为进一步检验设计方案是否较好地体现了成都金沙“太阳神鸟”地域文化特征，采用模糊综合评价法并结合网络问卷调查数据对上述设计方案进行评估。

5.3.1 构建评价用层次结构模型

采用层次分析来确定成都地铁列车外观设计方案评价用层次结构模型如图4所示。

图4 设计方案评价用层次结构模型Fig. 4 Hierarchy model for design scheme evaluation

5.3.2 确定指标权重

采用表10所示的1~9标度评价原则，邀请5位设计领域专家对设计方案评价体系中的各级指标进行两两比较，构建模糊判断矩阵M，经计算最终得到各指标的权重值。

表10 1～9标度评价原则Table 10 1～9 scale evaluation principle

根据5位专家对设计方案评价体系中的各级指标比较结果，结合式(8)，得出指标层对准则层的判断矩阵MA，MB以及准则层中A，B对目标层C的判断矩阵MC分别为

根据式(9)~(11)，得到成都地铁列车外观设计方案中体现成都金沙文化元素的各级指标权重值见表11。

表11 评价体系各指标权重Table 11 Index weight of evaluation system

5.3.3 构建评价矩阵

建立设计方案中各因素模糊评价矩阵，数据来源于基于“问卷星”平台回收的网络问卷。此次问卷基于微信发布，采用实名登录且仅允许作答1次。接受调查的样本主要由设计类硕士研究生、设计类本科生以及随机抽样的成都民众构成。问卷调查时间为2020年1月30日至2月2日，总计回收167份有效问卷，调查问卷及结果参见：https://www.wjx.cn/report/54113815.aspx。

表12为本次问卷调查的评价结果，继续整理可得A，B的模糊评价矩阵为

表12 基于网络问卷调查获得的评价结果Table 12 Evaluation results based on network questionnaire survey

5.3.4 确定评价结果

将各评价指标权重向量W和对应指标的模糊评价矩阵R进行合成，根据式(12)，得到设计方案的评价向量B，即通过式(13)去模糊值，得到成都地铁列车外观设计方案中体现成都金沙文化的满意评分为

同理，计算出设计方案中对体现成都金沙文化的总体满意评价分数为

最终，得出各层级指标满意情况及对设计方案的总体满意情况评分数据见表13。

表13 设计方案体现成都金沙文化元素的满意情况Table 13 The design scheme reflects the satisfaction of chengdu jinsha cultural elements

根据上述满意评价结果可知，调查样本对设计方案体现成都金沙文化元素的整体满意情况为87.24%，对特征词汇的文化语义和图解语义的满意情况分别为87.20%和87.35%，综合表明该设计方案较好地体现了成都金沙“太阳神鸟”地域文化特征。

6 结束语

地铁列车作为一种重要的城市轨道交通工具，其外观与运营城市的形象塑造与文化传播密切相关，为其外观能够提升运营城市或线路的地域文化特征，本文提出一种融合可拓语义和模糊综合评价的地铁列车外观设计方法。针对地铁列车外观设计提出了“文化基元”概念，将其外观语义与文化载体的关系进行了量化和可视化，提出了地铁列车外观设计方法与评估流程，实现了融入典型成都地域文化元素的地铁列车外观设计方案。设计方案评价结果表明，本文有效实现了地域文化元素与地铁列车外观设计相融合，验证了融合可拓语义和模糊综合评价的地铁列车外观设计方法的合理性和可行性，为从外观设计提升地域文化特征提供了方法参考。