基于分型图谱量化法的高速列车造型设计研究

欧华健

关键词：分型图谱量化法;高速列车;造型设计

目前，我国铁路事业蓬勃发展，从2004 年技术引进，到2017年我国制造出第一辆具有自主知识产权且处于世界先进水平的动车列车，中国铁路事业在逐渐走向产业化、自主化。其中，构建一套属于我国高速列车的造型谱系与设计语义是高速列车造型设计的重中之重，有利于突出视觉识别，提高我国高速列车的品牌辨识度。因此，为了进一步完善我国高速列车的外形继承性，有必要在满足列车气动性能的同时，塑造具有延续性的品牌与独特的家族化视觉形象，从而提升高速列车的辨识度、竞争力。

1 分型图谱量化法概述

分型图谱量化法，即抽离样本的外形轮廓线，然后对曲线进行分型分类并谱化，建立一个针对性较强的图谱体系[1]。“型”一般用来表示每种大类下衍生出的多个小类，“式”则用以表示每个小类的演化顺序。这种分析方法能够较为直观地得出样本造型的异同与继承性。

与生物界相类似，产品设计DNA 直接影响着下一代产品的性状，对产品族的稳定和延续起着关键性作用。子代产品总会或多或少地保留着父代产品的特征。可将产品的遗传和变异理解为外界因子作用下产品显性特征和隐性特征的变化[2]。将这些造型特征进行归纳总结、分型分式，得出一套属于样本的造型特征图谱。

贝塞尔曲线具有仿射不变性和几何不变性[2]，能使产品的造型特征得以保持一定的可继承性。因此，文章运用相关软件将高速列车进行二维抽象化解构，并抽取外轮廓线将其转化为贝塞尔曲线，然后结合分型图谱量化法进行高速列车造型的分型分类，研究其造型语言与产品家族趋势，综合客观因素，对高速列车的造型设计进行分析研究。

2 基于分型图谱量化法的高速列车造型设计意义

随着列车在性能与技术方面的稳定与成熟，列车造型成为市场竞争中不可忽视的影响因素。高速列车造型设计的视觉识别作用突出，对展示大国形象、打造中国高铁国家名片具有重要价值。基于分型图谱量化法对高速列车进行造型设计，能加强各车系造型设计语言上的关联，构建一套属于自己的谱系化设计语言，提升高速列车的辨识度。

3 基于分型图谱量化法的日本新干线高速列车造型设计

3.1 新干线系列高速列车的造型图谱分析

高速列车的造型设计是围绕减阻、降噪、降低交会压力波、降低气动升力等目标的系统寻优过程[3]。针对这一过程，文章对新干线高速列车的造型研究将引入相关技术作为变量，并运用分型图谱量化法进行探究。

新干线系列高速列车的造型特征主要是通过外部造型被人们所感知。从纵向来看，列车迭代设计以车型量化为前提，同系列多款车型之间通过车头形状、车身涂装等元素建立起迭代关系，其中车头轮廓形状构成了列车的外部特征线。而日本高速列车的形制差异，集中体现在车头的流线型区域，根据变化可分为以下四种形式：扁宽形、椭球形、梭形、钝体头形[4]。又可根据车身截面形状与驾驶窗迎风角细分为鼓形壁车体和直壁车体、高迎风角和低迎风角[4]。

另外，造型特征也并非孤立存在而是经过发展及演变，它与列车的技术发展有着密切关系，不同国家的列车设计之所以会存在差异，主要是因为科技的发展对列车设计的影响。新干线系列高速列车拥有较长的发展时间及较为丰富的样本数量。因此，文章以新干线系列高速列车为样本，进行高速列车造型的迭代图谱研究。

3.2 新干线系列高速列車分型分式

新干线系列高速列车的造型变化差异主要体现在头车的流线型区域，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，列车头形可以分为四种类型，即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，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渡生硬，鼻尖圆润，除障器较大，流线型长度较短，为4400mm—4700mm，根据车身截面形状不同又可分为2 式：Ⅰ式：鼓形壁，高迎风角[4]，例见1964 年服役的0 系列车;Ⅱ式：直壁，高迎风角，例见服役于1982 年的200 系列车。

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，为4700mm—15000mm，驾驶窗与鼻头连接平顺，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;Ⅱ式：鼓壁，低迎风角，例见服役于1997 年的500 系。Ⅲ式：直壁，低迎风角，例见2014 年服役的E7 系列车。

C 型为椭球形头形，流线型长度为9500mm。仅为1 式：直壁，低迎风角，例见2004 年服役的800 系列车。

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9200mm—15000mm，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。

3.3 新干线系列高速列车的图谱组合

根据分型定式，分别从表1 中提取出各型的典型外轮廓图形，将可变区域起点的连接线与水平线之夹角值（以下简称R 值）对比图、列车重心高度对比图、外轮廓图形集合对比图、主要特征点形态与位置对比图作为参考，而后将参考值量化，构建新干线系列高速列车轮廓图形图谱。在抽离轮廓图形的过程中，发现四种曲线类型，它们分别为：（1） 钝体头形，R 值属四型之中最高，鼻尖位置较高;（2） 梭形头形，大多样本的可变区域长度较短，鼻部造型尖锐;（3） 椭球形头形，鼻型圆润，R 值较小;（4） 扁宽型头形，鼻端造型扁平，流线型长度较长，R 值小。这些线型的变化揭示了新干线列车在设计迭代过程中的规律性和连续性。

将不同型的轮廓图形以颜色加以区分，等比缩放后置于坐标中（图1），曲线编号源于表1，方便下一步的研究。通过对所获图谱的研究，可以形成参考值，截取列车流线型长度部分，将参考值量化得出新干线系列高速列车R 值变化图（图2）。能够得知A 型列车的平均R 值为27.1°，区间范围为26°—28.2°之间;B 型列车的平均R 值为23.6°，区间范围为10.6°—33.5° ;C 型车的R 值为16.8° ;D 型车的平均R 值为13.3° ;区间范围为9.8°—18.9°。此外，将不同型列车高度与流线型长度量化，列车鼻尖离地高度设为h，列车重心高度设为H，列车流线型长度设为L，表2 中所示二者之比为h/H（保留小数点后三位有效数字）。可以得到A 型车平均h/H 值为0.833，平均h/L值为0.379 ;B 型车平均h/H 值为0.398，平均h/L 值为0.104 ;C 型车h/H 值为0.207，h/L 值为0.040 ;D 型车平均h/H 值为0.450，平均h/L 值为0.081。

3.4 分型图谱量化的结论

3.4.1 R 值量化的结论

R 值作为列车整体造型的重要构成元素，分型图谱量化的结果展示了新干线系列高速列车的演变过程的规律性与家族外形迭代的继承性。根据以上结果来看，以运营时间为轴，A 型车的平均R 值最大，A 型车运营开始年代最早，处于高速列车的探索期，其雏形是根据当时现有的普速列车与快速列车改进而来。1990 年至2000 年，高速列车进入发展期，流体力学在列车运用上日渐成熟，新干线列车开始加强其气动性能，在图1 中直观表现为列车细长比逐渐增大[5]，即R 值逐渐减小。在B型车的500 系列车，R 值更是缩小到了10°，拥有极长的头部形状，鼻尖长度达15000mm，并达到了设计的最高速度320km/h [6]。可以从图2 中得知，1997 年为新干线的分水岭，在此之前的列车迎风角均大于20°。在4 种分型的列车迎风角中，D 型车平均R 值最低，拥有更为低趴的列车造型姿态，且D 型车均分布于1997 年后，其R 值与列车的上线时间呈负相关。

3.4.2 高度量化的结论

h/H 值代表列车头部造型低趴程度，h/H 值越小，则头车造型越低趴，较低的h/H 值可以让鼻部线条更好地引导视觉重心向鼻尖处集中，以塑造强烈的速度感。结合表1 与图3 结果来看，B 型车与D 型车的h/H 值较低，研究表明鼻尖高度对整车阻力和车头表面最大声功率为正相关关系[7]，这也从侧面说明了B 型车与D 型车的样本最多。而随着科技的进步与时代的推移，平均运营年代较新的D 型车却出现了h/H 上升的变化，这是由于后续研究发现，虽然减小鼻尖高度能使气动阻力减小，但增加鼻尖高度却可以使列车升力显著降低，改善升力性能[7-8]。h/L 值表示了列车头部造型的尖锐程度，此值越小，则头车造型越尖锐。结合h/H 值与h/L 值，以时间正序为轴的主题河流图（图4）直观的展示了新干线系列高速列车的头车造型趋势：（1） 1964 年的0 系列车至1993 年的300 系列车的头车造型逐渐演变为下压的头形，此时造型设计处于发展期;（2） 自1994 年的E1 系列车起，直到2004 年的800 系列车，新干线的整体长高比都稳定在一定数值内，造型设计处于稳定期，拥有较强的家族继承性;（3）2007 年的N700 系列车至2014 年的E7 系列车头部造型变化趋势为细长低趴的扁宽头形到缩短长度的梭形头形，这是由于长细比不能无限制增加， 且过长的流线型长度会严重影响司机的视野，造成安全隐患[9]。车钩的设置与其空间需求决定了鼻头夹角值不能无限制缩小。同时，长细比过高会浪费头车空间，缘于车厢强度要求，头车转向架需安装在近鼻头的位置，但车厢的总长度不能超过一定的阈值，即流线型长度变长会缩短头车车厢的可用空间。

3.4.3 造型图谱量化的结论

在A型列车的侧面视图中，顶部转折几乎为方角，在驾驶窗与鼻部的衔接处形成了一个角度较大的迎风面，不符合空气动力学的要求，鼻尖与除障器的衔接处也十分硬朗，整体轮廓线条粗犷。

直到1990年，新干线进入发展期，列车造型开始与流体力学结合，司机室的顶部转折得到流线化处理，造型风格开始具有一定的流线感。从时间正序来看，B 型车的外部轮廓都具有一定的家族继承性，平缓的驾驶窗线，障器与鼻尖处有明显转折关系，流线型长度较短。E7 系的时间处于晚期，除障器与鼻尖的转折缩小，流线型长度加大，使车体造型更加光滑顺畅，E7 系并未承袭其前代E5、E6 系列车较为夸张的流线型造型，仅保留了前代部分造型特点鼻翼的突起，同时E7 系还缩短了鼻头长度。而截面形状为鼓形壁的B 型Ⅱ式列车，仅出现了500 系一例，是因为其市场反响、环保等问题，而使得该造型被舍弃。由于500 系列车采用了鼓形壁与圆锥头形的设计，造成了500 系列车的舒适性不佳（車内空间与座椅间隔较狭小）、环保性较差（因使用全动车编组造成行驶时噪音过大）以及经济性较低（特殊的截面形状使得座椅数减少）[10]。此外，纵观整个B 型列车的造型迭代，其列车姿态逐渐倾斜，迎风面的轮廓线保持下压的趋势，不仅提升了气动性能，同时视觉上也更具速度感，这种构建产品谱系的设计方法是建立在人们的认知规律之上，因而被认为是合理有效的设计方法[11]。

归属C型的800系列车作为唯一的椭球形头形列车，其以700 系列车为基础所开发，不同点在于没有采用700系列车的“鸭嘴兽”设计，但仍继承了700 系的设计语言，同是直壁的车身截面形状，相似的流线型长度，以及较低的鼻尖点高度。

D型扁宽头形作为分布时间最新的分型，综合来看，其造型需求是为了进一步提高列车的气动性能。D型列车皆拥有较长的流线型长度[5]，由于需要保证司机室的视野要求[9]，遂将驾驶窗凸出于列车头部。同时，俯视的最大控制型线前端为方形的头形所产生的交会压力波最小，宽形的流线型头部对降低交会压力波非常有效[12]，与此相配合的造型语言形成了D型列车所独有的“鸭嘴兽”列车头部外形。2010年后，高速列车进入了跨越期，E5系列车与E6系列车的造型更加奔放，富有韵律感的线条促进了造型语言的丰富，同时与众不同的造型更容易让受众对列车产生深刻的印象，加强了列车的品牌识别特征。

4 结语

新干线系列高速列车形制数据存在着差异，但并非没有关联，相反，新干线造型设计呈现出一种断裂与继承的关系，二者辩证统一，其造型设计不被前代列车外观所限制，而是由日益革新的科学技术为之赋能，新干线的造型设计处在一种动态的、融合的环境里。如今，随着列车在性能与技术方面的日趋稳定与成熟，列车造型在列车市场竞争力中所占的比重也越来越大。因此对于列车造型研究，应关注列车的造型图谱整合，这也将成为未来列车工业设计发展的方向。