歐華健

關鍵詞：分型圖譜量化法;高速列車;造型設計

目前，我國鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展，從2004 年技術引進，到2017年我國制造出第一輛具有自主知識產(chǎn)權(quán)且處于世界先進水平的動車列車，中國鐵路事業(yè)在逐漸走向產(chǎn)業(yè)化、自主化。其中，構(gòu)建一套屬于我國高速列車的造型譜系與設計語義是高速列車造型設計的重中之重，有利于突出視覺識別，提高我國高速列車的品牌辨識度。因此，為了進一步完善我國高速列車的外形繼承性，有必要在滿足列車氣動性能的同時，塑造具有延續(xù)性的品牌與獨特的家族化視覺形象，從而提升高速列車的辨識度、競爭力。

1 分型圖譜量化法概述

分型圖譜量化法，即抽離樣本的外形輪廓線，然后對曲線進行分型分類并譜化，建立一個針對性較強的圖譜體系[1]?！靶汀币话阌脕肀硎久糠N大類下衍生出的多個小類，“式”則用以表示每個小類的演化順序。這種分析方法能夠較為直觀地得出樣本造型的異同與繼承性。

與生物界相類似，產(chǎn)品設計DNA 直接影響著下一代產(chǎn)品的性狀，對產(chǎn)品族的穩(wěn)定和延續(xù)起著關鍵性作用。子代產(chǎn)品總會或多或少地保留著父代產(chǎn)品的特征?？蓪a(chǎn)品的遺傳和變異理解為外界因子作用下產(chǎn)品顯性特征和隱性特征的變化[2]。將這些造型特征進行歸納總結(jié)、分型分式，得出一套屬于樣本的造型特征圖譜。

貝塞爾曲線具有仿射不變性和幾何不變性[2]，能使產(chǎn)品的造型特征得以保持一定的可繼承性。因此，文章運用相關軟件將高速列車進行二維抽象化解構(gòu)，并抽取外輪廓線將其轉(zhuǎn)化為貝塞爾曲線，然后結(jié)合分型圖譜量化法進行高速列車造型的分型分類，研究其造型語言與產(chǎn)品家族趨勢，綜合客觀因素，對高速列車的造型設計進行分析研究。

2 基于分型圖譜量化法的高速列車造型設計意義

隨著列車在性能與技術方面的穩(wěn)定與成熟，列車造型成為市場競爭中不可忽視的影響因素。高速列車造型設計的視覺識別作用突出，對展示大國形象、打造中國高鐵國家名片具有重要價值?；诜中蛨D譜量化法對高速列車進行造型設計，能加強各車系造型設計語言上的關聯(lián)，構(gòu)建一套屬于自己的譜系化設計語言，提升高速列車的辨識度。

3 基于分型圖譜量化法的日本新干線高速列車造型設計

3.1 新干線系列高速列車的造型圖譜分析

高速列車的造型設計是圍繞減阻、降噪、降低交會壓力波、降低氣動升力等目標的系統(tǒng)尋優(yōu)過程[3]。針對這一過程，文章對新干線高速列車的造型研究將引入相關技術作為變量，并運用分型圖譜量化法進行探究。

新干線系列高速列車的造型特征主要是通過外部造型被人們所感知。從縱向來看，列車迭代設計以車型量化為前提，同系列多款車型之間通過車頭形狀、車身涂裝等元素建立起迭代關系，其中車頭輪廓形狀構(gòu)成了列車的外部特征線。而日本高速列車的形制差異，集中體現(xiàn)在車頭的流線型區(qū)域，根據(jù)變化可分為以下四種形式：扁寬形、橢球形、梭形、鈍體頭形[4]。又可根據(jù)車身截面形狀與駕駛窗迎風角細分為鼓形壁車體和直壁車體、高迎風角和低迎風角[4]。

另外，造型特征也并非孤立存在而是經(jīng)過發(fā)展及演變，它與列車的技術發(fā)展有著密切關系，不同國家的列車設計之所以會存在差異，主要是因為科技的發(fā)展對列車設計的影響。新干線系列高速列車擁有較長的發(fā)展時間及較為豐富的樣本數(shù)量。因此，文章以新干線系列高速列車為樣本，進行高速列車造型的迭代圖譜研究。

3.2 新干線系列高速列車分型分式

新干線系列高速列車的造型變化差異主要體現(xiàn)在頭車的流線型區(qū)域，而流線型區(qū)域的造型元素主要包括流線型長度、司機室（駕駛艙）、鼻尖點、除障器及轉(zhuǎn)向架。以典型列車頭部形狀為分類原則，列車頭形可以分為四種類型，即A 型鈍體頭形、B 型梭形頭形、C 型橢球形頭形以及D 型扁寬頭形，其中A 型、B 型與D 型又可根據(jù)壁型與迎風角的高低分為若干樣式[4]。

A 型為鈍體頭形，頭部側(cè)視圖曲面轉(zhuǎn)折較為明顯，駕駛窗與鼻頭銜接過渡生硬，鼻尖圓潤，除障器較大，流線型長度較短，為4400mm—4700mm，根據(jù)車身截面形狀不同又可分為2 式：Ⅰ式：鼓形壁，高迎風角[4]，例見1964 年服役的0 系列車;Ⅱ式：直壁，高迎風角，例見服役于1982 年的200 系列車。

B 型為梭形頭形，歸屬此型列車較多，鼻頭與A 型相比較為細長，為4700mm—15000mm，駕駛窗與鼻頭連接平順，除障器較為低矮?？煞譃? 式：Ⅰ式：直壁，高迎風角，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 系均屬于此式;Ⅱ式：鼓壁，低迎風角，例見服役于1997 年的500 系。Ⅲ式：直壁，低迎風角，例見2014 年服役的E7 系列車。

C 型為橢球形頭形，流線型長度為9500mm。僅為1 式：直壁，低迎風角，例見2004 年服役的800 系列車。

D 型為扁寬頭形，歸屬此型列車較多，主要為大鼻頭，駕駛窗突出于迎風面，流線型長度較長，為9200mm—15000mm，除障器低矮，多數(shù)有扁寬鼻翼。僅為1 式：直壁，低迎風角。

1999 年服役的700 系與N700 系、1997 年服役的E4 系、2011年服役的E5 系，以及2013 年服役的E6 系列車均屬此式。

3.3 新干線系列高速列車的圖譜組合

根據(jù)分型定式，分別從表1 中提取出各型的典型外輪廓圖形，將可變區(qū)域起點的連接線與水平線之夾角值（以下簡稱R 值）對比圖、列車重心高度對比圖、外輪廓圖形集合對比圖、主要特征點形態(tài)與位置對比圖作為參考，而后將參考值量化，構(gòu)建新干線系列高速列車輪廓圖形圖譜。在抽離輪廓圖形的過程中，發(fā)現(xiàn)四種曲線類型，它們分別為：（1） 鈍體頭形，R 值屬四型之中最高，鼻尖位置較高;（2） 梭形頭形，大多樣本的可變區(qū)域長度較短，鼻部造型尖銳;（3） 橢球形頭形，鼻型圓潤，R 值較小;（4） 扁寬型頭形，鼻端造型扁平，流線型長度較長，R 值小。這些線型的變化揭示了新干線列車在設計迭代過程中的規(guī)律性和連續(xù)性。

將不同型的輪廓圖形以顏色加以區(qū)分，等比縮放后置于坐標中（圖1），曲線編號源于表1，方便下一步的研究。通過對所獲圖譜的研究，可以形成參考值，截取列車流線型長度部分，將參考值量化得出新干線系列高速列車R 值變化圖（圖2）。能夠得知A 型列車的平均R 值為27.1°，區(qū)間范圍為26°—28.2°之間;B 型列車的平均R 值為23.6°，區(qū)間范圍為10.6°—33.5° ;C 型車的R 值為16.8° ;D 型車的平均R 值為13.3° ;區(qū)間范圍為9.8°—18.9°。此外，將不同型列車高度與流線型長度量化，列車鼻尖離地高度設為h，列車重心高度設為H，列車流線型長度設為L，表2 中所示二者之比為h/H（保留小數(shù)點后三位有效數(shù)字）?？梢缘玫紸 型車平均h/H 值為0.833，平均h/L值為0.379 ;B 型車平均h/H 值為0.398，平均h/L 值為0.104 ;C 型車h/H 值為0.207，h/L 值為0.040 ;D 型車平均h/H 值為0.450，平均h/L 值為0.081。

3.4 分型圖譜量化的結(jié)論

3.4.1 R 值量化的結(jié)論

R 值作為列車整體造型的重要構(gòu)成元素，分型圖譜量化的結(jié)果展示了新干線系列高速列車的演變過程的規(guī)律性與家族外形迭代的繼承性。根據(jù)以上結(jié)果來看，以運營時間為軸，A 型車的平均R 值最大，A 型車運營開始年代最早，處于高速列車的探索期，其雛形是根據(jù)當時現(xiàn)有的普速列車與快速列車改進而來。1990 年至2000 年，高速列車進入發(fā)展期，流體力學在列車運用上日漸成熟，新干線列車開始加強其氣動性能，在圖1 中直觀表現(xiàn)為列車細長比逐漸增大[5]，即R 值逐漸減小。在B型車的500 系列車，R 值更是縮小到了10°，擁有極長的頭部形狀，鼻尖長度達15000mm，并達到了設計的最高速度320km/h [6]。可以從圖2 中得知，1997 年為新干線的分水嶺，在此之前的列車迎風角均大于20°。在4 種分型的列車迎風角中，D 型車平均R 值最低，擁有更為低趴的列車造型姿態(tài)，且D 型車均分布于1997 年后，其R 值與列車的上線時間呈負相關。

3.4.2 高度量化的結(jié)論

h/H 值代表列車頭部造型低趴程度，h/H 值越小，則頭車造型越低趴，較低的h/H 值可以讓鼻部線條更好地引導視覺重心向鼻尖處集中，以塑造強烈的速度感。結(jié)合表1 與圖3 結(jié)果來看，B 型車與D 型車的h/H 值較低，研究表明鼻尖高度對整車阻力和車頭表面最大聲功率為正相關關系[7]，這也從側(cè)面說明了B 型車與D 型車的樣本最多。而隨著科技的進步與時代的推移，平均運營年代較新的D 型車卻出現(xiàn)了h/H 上升的變化，這是由于后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，雖然減小鼻尖高度能使氣動阻力減小，但增加鼻尖高度卻可以使列車升力顯著降低，改善升力性能[7-8]。h/L 值表示了列車頭部造型的尖銳程度，此值越小，則頭車造型越尖銳。結(jié)合h/H 值與h/L 值，以時間正序為軸的主題河流圖（圖4）直觀的展示了新干線系列高速列車的頭車造型趨勢：（1） 1964 年的0 系列車至1993 年的300 系列車的頭車造型逐漸演變?yōu)橄聣旱念^形，此時造型設計處于發(fā)展期;（2） 自1994 年的E1 系列車起，直到2004 年的800 系列車，新干線的整體長高比都穩(wěn)定在一定數(shù)值內(nèi)，造型設計處于穩(wěn)定期，擁有較強的家族繼承性;（3）2007 年的N700 系列車至2014 年的E7 系列車頭部造型變化趨勢為細長低趴的扁寬頭形到縮短長度的梭形頭形，這是由于長細比不能無限制增加， 且過長的流線型長度會嚴重影響司機的視野，造成安全隱患[9]。車鉤的設置與其空間需求決定了鼻頭夾角值不能無限制縮小。同時，長細比過高會浪費頭車空間，緣于車廂強度要求，頭車轉(zhuǎn)向架需安裝在近鼻頭的位置，但車廂的總長度不能超過一定的閾值，即流線型長度變長會縮短頭車車廂的可用空間。

3.4.3 造型圖譜量化的結(jié)論

在A型列車的側(cè)面視圖中，頂部轉(zhuǎn)折幾乎為方角，在駕駛窗與鼻部的銜接處形成了一個角度較大的迎風面，不符合空氣動力學的要求，鼻尖與除障器的銜接處也十分硬朗，整體輪廓線條粗獷。

直到1990年，新干線進入發(fā)展期，列車造型開始與流體力學結(jié)合，司機室的頂部轉(zhuǎn)折得到流線化處理，造型風格開始具有一定的流線感。從時間正序來看，B 型車的外部輪廓都具有一定的家族繼承性，平緩的駕駛窗線，障器與鼻尖處有明顯轉(zhuǎn)折關系，流線型長度較短。E7 系的時間處于晚期，除障器與鼻尖的轉(zhuǎn)折縮小，流線型長度加大，使車體造型更加光滑順暢，E7 系并未承襲其前代E5、E6 系列車較為夸張的流線型造型，僅保留了前代部分造型特點鼻翼的突起，同時E7 系還縮短了鼻頭長度。而截面形狀為鼓形壁的B 型Ⅱ式列車，僅出現(xiàn)了500 系一例，是因為其市場反響、環(huán)保等問題，而使得該造型被舍棄。由于500 系列車采用了鼓形壁與圓錐頭形的設計，造成了500 系列車的舒適性不佳（車內(nèi)空間與座椅間隔較狹?。?、環(huán)保性較差（因使用全動車編組造成行駛時噪音過大）以及經(jīng)濟性較低（特殊的截面形狀使得座椅數(shù)減少）[10]。此外，縱觀整個B 型列車的造型迭代，其列車姿態(tài)逐漸傾斜，迎風面的輪廓線保持下壓的趨勢，不僅提升了氣動性能，同時視覺上也更具速度感，這種構(gòu)建產(chǎn)品譜系的設計方法是建立在人們的認知規(guī)律之上，因而被認為是合理有效的設計方法[11]。

歸屬C型的800系列車作為唯一的橢球形頭形列車，其以700 系列車為基礎所開發(fā)，不同點在于沒有采用700系列車的“鴨嘴獸”設計，但仍繼承了700 系的設計語言，同是直壁的車身截面形狀，相似的流線型長度，以及較低的鼻尖點高度。

D型扁寬頭形作為分布時間最新的分型，綜合來看，其造型需求是為了進一步提高列車的氣動性能。D型列車皆擁有較長的流線型長度[5]，由于需要保證司機室的視野要求[9]，遂將駕駛窗凸出于列車頭部。同時，俯視的最大控制型線前端為方形的頭形所產(chǎn)生的交會壓力波最小，寬形的流線型頭部對降低交會壓力波非常有效[12]，與此相配合的造型語言形成了D型列車所獨有的“鴨嘴獸”列車頭部外形。2010年后，高速列車進入了跨越期，E5系列車與E6系列車的造型更加奔放，富有韻律感的線條促進了造型語言的豐富，同時與眾不同的造型更容易讓受眾對列車產(chǎn)生深刻的印象，加強了列車的品牌識別特征。

4 結(jié)語

新干線系列高速列車形制數(shù)據(jù)存在著差異，但并非沒有關聯(lián)，相反，新干線造型設計呈現(xiàn)出一種斷裂與繼承的關系，二者辯證統(tǒng)一，其造型設計不被前代列車外觀所限制，而是由日益革新的科學技術為之賦能，新干線的造型設計處在一種動態(tài)的、融合的環(huán)境里。如今，隨著列車在性能與技術方面的日趨穩(wěn)定與成熟，列車造型在列車市場競爭力中所占的比重也越來越大。因此對于列車造型研究，應關注列車的造型圖譜整合，這也將成為未來列車工業(yè)設計發(fā)展的方向。