日本高速列车外形设计分析及启示

岳天朗

摘 要：外形设计是高速列车设计的重要项目之一。因此，分析日本高速铁路系统“新干线”系列列车的外形设计，总结并归纳日本高速列车外形设计要素。日本高速列车外形设计对我国高铁设计有启示和借鉴意义，学习吸收他人的成功经验，立足于自主研发，以促进我国高速列车外形设计的迭代提升。

关键词：日本;高速列车;新干线;外形设计

中图分类号：U270.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0152-03

Abstract： The shape design is one of the important projects of high-speed train design. This paper analyzes the shape design of Shinkansen trains in Japan’s high-speed railway system， and summarizes the elements of the shape design of Japan’s high-speed trains. The shape design of high-speed trains in Japan can be used for reference for the design of high-speed trains in China. At the same time， learning from the successful experience of others can promote the development of high-speed train shape design iteratively.

Keywords： Japan;bullet train;shinkansen;form design

在中国高速列车快速发展的今天，具有先进的列车组及发达的铁道网络的日本对于我国高速列车的发展方向极具参考价值。我国高速列车技术发展路径是以“技术引进，再自主发展”为发展路线，尽管当前在技术上获得了重大突破，总体发展在世界各国中排名靠前，居于前列，但在外观设计上始终未能摆脱德国、日本等国家的原有设计风格[1]。如今高铁技术各国竞技角逐日趋激烈，在研发新发明、新技术日新月异的形势下，努力做好自主研发，研发出具有自己特色，适合我国高铁技术体系要求的新设计，对促进高铁技术进步、增强我国高铁在世界各国的竞争力具有重大的现实意义和战略意义。

1 日本现有高速列车（新干线）现状分析

新干线为日本的高速鐵路简称，是世上首个亦即当时唯一投入商业运营的高速铁路系统，采用1 435 mm标准轨距，全线均为纯客运服务。

新干线的首条线路是日本东海道新干线，于1964年10月1日开通营运，连接日本的东京与大阪两个城市，其开通首发受到了世界各国的瞩目。截至2020年，新干线共有9条线路，其中包含2条线路较短的迷你新干线，可将日本大多数重要都市连结起来。它最初由日本国营铁道研发与运营，国铁分割民营化后由日本铁路公司接手，并分别由该公司名下的JR北海道、JR东日本、JR东海、JR西日本以及JR九州5家成员公司提供服务。

新干线为达到同时适合快速及大量运输而设计，因而其建造与运营技术均有别于传统铁路，如全面采用动力分散式列车、轨道全面采用立体交叉以及列车自动控制系统等，最短可以3 min的班距运行。除了迷你新干线时速稍低，其他列车最高时速依线路可达240～320 km/h。在进行试验测试速度时，最高时速高达443 km/h（由“300X”试验列车在1996年测试刷新高速记录）。身为日本铁路技术居于世界顶尖的重要象征，新干线的技术也向海外输出，如我国部分高铁采用新干线作为系统基础，而采用新干线系统的英国、意大利、印度、泰国以及美国得克萨斯州等地的高速铁路亦在兴建或规划中[2]。

2 新干线列车造型设计

2.1 高速列车造型分析

高速列车的造型设计是围绕减阻、降噪、降低交会压力波以及降低气动升力等目标进行的系统寻优过程[3]。新干线系列高速列车的外部造型以其列车头轮廓线构成列车外部特征线，其列车头具有独特性，是其适应日本地区文化、日本铁道系统以及空气动力学等要求的产物。日本高速列车的形制差异集中体现在车头的流线型区域。它可分为扁宽形、椭球形、梭形以及顿体头形4种形式。它又可根据车身截面形状与驾驶舱迎风角，分别细分为鼓形壁车体和直壁车体、高迎风角和低迎风角[4]。

2.2 新干线系列高速列车分型分式

新干线系列高速列车的造型变化差异主要体现在车头的流线型区域，而流线型区域的造型元素主要包括流线型长度、司机室（驾驶舱）、鼻尖点、除障器及转向架。以典型列车头部形状为分类原则，列车头形可以分为A型钝体头形、B型梭形头形、C型椭球形头形以及D型扁宽头形4种类型，其中A型、B型与D型又可根据壁型与迎风角的高低分为若干样式[4]。

A型为钝体头形，头部侧视图曲面转折较为明显，驾驶窗与鼻头衔接过度生硬，鼻尖圆润，除障器较大，流线型长度较短，为4 400～4 700 mm。根据车身截面形状不同，它又可分为2式。I式∶鼓形壁，高迎风角[4]，如1964年服役的0系列车。此外，I式∶直壁，高迎风角，见服役于1982年的200系列车。新干线200系列车实物图如图1所示。

B型为梭形头形，归属此型列车较多。鼻头与A型相比较为细长，长度为4 700～15 000 mm，驾驶窗与鼻头连接处有明显转折，除障器较为低矮，可分为3式。I式∶直壁，高迎风角，1985年服役的100系、1992年服役的400系、1993年服役的300系、1994年服役的E1系、1997年服役的E3系以及1997年服役E2系，均属于此式。I式∶鼓壁，低迎风角，见服役于1997年的500系。邛式∶直壁，低迎风角，见2014年服役的E7系列车。C型为椭球形头形，流线型长度为9 500 mm。仅为1式∶直壁，低迎风角，见2004年服役的800系列车。新干线800系列车实物图如图2所示。

D型为扁宽头形，归属此型列车较多，主要为大鼻头，驾驶窗突出于迎风面，流线型长度较长，为9 200～15 000 mm，除障器低矮，多数有扁宽鼻翼。仅为1式∶直壁，低迎风角。1999年服役的700系与N700系、1997年服役的E4系、2011年服役的E5系以及2013年服役的E6系列车均属此式[5]。新干线E6系列车实物图如图3所示。

2.3 空气阻力

新干线系列高速列车运行速度均在200 km/h以上，所受阻力中空气阻力占比较高，而车头和车尾的流线型设计使其受到的空气阻力较小。新干线为降低噪声而安装的转向架侧罩与车钩周围全包罩等其他具有平滑减阻外形的覆盖物，也利于减小空气阻力。此外，新干线对车体表面的光滑程度进行的分析与设计尚不充足。试验发现，当前设计的拉门比当前设计的车窗的空气阻力要大20倍。试验还发现，装有4个拉门和40个车窗的中间车，若将所有门窗平滑化，空气阻力可减少2.6%[6]。

3 新干线高速列车外形设计所体现的日本文化与时代背景对其的影响

3.1 新干线高速列车外形设计所体现的日本性格与文化

产品造型风格在很大程度上受民族文化基因的影响[7]。分析发现，日本高速列车的设计有个显著特点，即实用性兼具本民族文化特色。造型设计吸收国外高铁先进技术的同时，融合了民族鲜明的传统文化特色，因而日本高速列车外形设计颇具日本民族特色。日本高速列车外形设计基于实际运用功能兼具自然要素，外观造型多是基于仿生和空气动力要求而设计的，大量弧线的运用给人以高科技的视觉感受，同时高度适应气动布局的要求，在色彩上多以干净简洁的双色搭配或配以红色细长线条凸显其速度感[1]。

3.2 新干线高速列车外形与日本经济奇迹

修建新干线的设想最初遭受了大量日本国民的反对。在当时的日本学界，大量学者认为发展汽车等交通工具是主流，汽车产业是未来交通的发展方向，而铁路因其建设过程耗资大、时速低、交通运输成本高、油耗大以及污染环境严重等应被淘汰。甚至当时日本国内较有影响力的东京大学著名教授今野源八郎等，认为新干线计划耗费大量的材料与资源，没有为本国创造任何利益，是一项劳民伤财的无意义之举。在铁路建设方面，日本完全没有这种铁路的建设经验，甚至尚未进行过试验。此外，连年的赤字、事故、罢工“三大苦恼”使该项目的“上马”困难重重。在这种经济与技术有着极大困难的情况下，无论是工程师抑或普通员工，都不看好新干线项目。当时部分汽车交通运输发达的国家视日本逆势而动，重拾这种已过气被淘汰的运输方式。在此被众人不看好的情况下，高速列車的车型设计必须是先进的，有突进感的。此时，正值日本经济的黄金年代，在日本经济高歌猛进之际，日本国民的民族自豪感和快速发展的势头与日本高速列车之先进性进步性相契合。受此经济高速发展的文化激流影响，新干线0系电力动车组的子弹形列车头具有流畅而富有冲击性的独特美感，充分体现了当时日本社会昂扬向上的拼搏奋发精神。日本“新干线”系列0系列车如图4所示。

4 日本高速列车外形设计对我国高铁发展的启示

①创新是科技进步的灵魂。科技是第一生产力，而创新是科技的原动力。坚持创新，坚持对科技发展的经济投入，加强对科技发展的文化建设与宣传，积极培养创新型科技人才。

②学习吸收世界最先进的技术，自主研发具有自主产权的专利，优化并增进实用性功能，提高我国科技成果与世界科技的兼容性，提高国际化水平，保证我国在国际环境中的科研地位，为我国后续的科研发展提供坚实的基础与充足的发展空间。

③发扬我国传统文化，把我国文化元素融入外形设计中。将我国优秀传统文化与先进的现代科技产物有机结合，形成中国高速列车独特的设计风格，有效提高我国高速列车在外形上的辨识度，极大地增强我国高铁产品在国际上的竞争力和我国传统文化的影响力。

④对本土文化与人民生活习惯进行技术上的适配。提高技术应用的本土化程度，积极适应我国国情与民众审美，对我国国民情况进行合理设计与应用，可以增强技术在群众中的应用广泛性，同时提高技术的社会利用水平和技术研发与应用的投入产出比，对科研的进步具有积极作用。

5 结语

日本现有的高速列车（新干线）的设计水平处于世界前列，且拥有良好的本土适应性，是世界高速列车外形设计的经典案例。本文对日本高速列车外形设计进行总结，讨论日本高速列车外形设计的实用性、合理性、其对日本文化的体现以及对我国高铁发展的重要启示，对我国高速列车外形设计者提出了更高要求，对高铁产品技术的迭代更新等具有较强的现实意义。高铁是当前我国“一带一路”的技术产品载体，充分而高效地发展高铁经济可极大地提高当地的交通通达度，带动第二、三产业发展，对促进“一带一路”沿线国家的经济建设与基础设施建设具有重大意义，同时是推动我国在与“一带一路”沿线国家经济往来与技术交流活动中的重要推手，对我国和他国的经济建设、基础设施建设以及铁道技术交流具有积极作用。

参考文献：

[1]舒斌.基于中国传统文化元素的高速列车外观设计研究[J].工业设计，2019（8）：68-70.

[2]新干线.百度百科[EB/OL].（2021-05-22）[2021-06-29].http：//baike.baidu.com/view/325182.html.

[3]张曙光.高速列车速度与技术[J].中国铁路，2010（12）：20.

[4]田红旗.中国列车空气动力学研究进展[J].交通运输工程学报，2006（1）：5.

[5]欧华健.基于分型图谱量化法的高速列车造型设计研究：以日本新干线为例[J].工业设计，2021（8）：54-56.

[6]周方涵.铁路空气动力学与噪声的最新研究[J].国外铁道车辆，2021（3）：20-23.

[7]支锦亦，徐伯初.“形神兼备”：高速列车外观设计的文化内涵[J].创意设计，2014（3）：88-92.