地鐵車內(nèi)扶握系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與優(yōu)化研究

姜亮　魯曉濤　何思俊　安靜

摘要：地鐵車內(nèi)扶握系統(tǒng)是利用率最高的服務(wù)設(shè)施，為了提升立席乘客的舒適性和分布均勻性，改善車內(nèi)空間利用和乘客體驗(yàn)。對(duì)車內(nèi)扶握系統(tǒng)進(jìn)行分類，分析了橫桿、立桿、吊環(huán)和扶手的現(xiàn)有設(shè)計(jì)形式、CMF及安裝工藝，歸納了扶握系統(tǒng)的3個(gè)主要作用，通過(guò)建立符合中國(guó)成年人體尺寸的人機(jī)設(shè)計(jì)約束，和開展乘客對(duì)扶握系統(tǒng)的偏好調(diào)查?？偨Y(jié)出車廂兩側(cè)和車門區(qū)是乘客最愛站立的位置，倚靠墻板和抓握立桿的人數(shù)多于其他4類使用方式。提出了扶握系統(tǒng)人機(jī)尺寸、布局方式和美學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化建議，并在實(shí)際案例中進(jìn)行了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地鐵列車 扶握系統(tǒng) 人機(jī)優(yōu)化 功能布局 CMF設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2020） 05-0110-03

引言

地鐵是城市軌道交通的重要組成，承擔(dān)著城市絕大部分的公共交通運(yùn)量。截至2019年，全球有75個(gè)國(guó)家開通城市軌道交通，其中有59個(gè)國(guó)家運(yùn)營(yíng)地鐵，在地鐵、輕軌和有軌電車三大制式中，地鐵占550玷，中國(guó)的地鐵里程占到了全世界的37.78%，排名世界第一[1]。國(guó)內(nèi)新增城軌運(yùn)營(yíng)線路中，地鐵占85.96%，從客流規(guī)?？矗本?、上海、廣州和深圳在世界城軌客流負(fù)荷強(qiáng)度中分別位居第1、3、5、7、8位[2-3]?！督煌◤?qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》更明確地提出城市應(yīng)優(yōu)先發(fā)展公共交通，提高軌道交通通勤化水平…?？梢哉f(shuō)我國(guó)正處在地鐵發(fā)展的黃金時(shí)期。

隨著地鐵使用需求的增加，必然帶來(lái)?yè)頂D的車內(nèi)環(huán)境，地鐵的車內(nèi)座席不足定員的1/4[5]，絕大多數(shù)人靠車內(nèi)的扶握設(shè)施保持站立姿勢(shì)，在高峰時(shí)段，車內(nèi)長(zhǎng)久站立會(huì)引發(fā)人體肌肉疲勞、心率和血氧飽和度下降，帶給人強(qiáng)烈的不適感[6]，而多項(xiàng)研究表明[7-9]，車內(nèi)不適與車內(nèi)設(shè)施設(shè)計(jì)息息相關(guān)。隨著人們生活水平的提高，對(duì)出行的需求早已從功能型轉(zhuǎn)向了舒適性[10]。在大運(yùn)量地鐵系統(tǒng)中，通過(guò)優(yōu)化車內(nèi)扶握設(shè)施來(lái)改善乘客的乘車體驗(yàn)將比優(yōu)化座椅更具普適價(jià)值。

一、扶握系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)狀及作用

（一）扶握系統(tǒng)的構(gòu)成現(xiàn)狀

我國(guó)的絕大部分地鐵車輛的扶握系統(tǒng)都由橫桿、立桿、吊環(huán)和扶手4類組成，橫桿、立桿和扶手又統(tǒng)稱為扶桿。

1.設(shè)計(jì)形式：橫桿是指由緊固件直接固定在車頂型材上的扶握件，一般為長(zhǎng)直線縱向排列，部分車型為增加扶握點(diǎn)位，橫桿兩端用弧形連接，形成一個(gè)橢圓的閉環(huán)，或者在中央門區(qū)車頂增加正圓型橫桿，不同的車型橫桿設(shè)計(jì)形式有細(xì)微變化，但有兩項(xiàng)主要的特征：①安裝在車頂，為乘客提供高扶握位的管具統(tǒng)稱橫桿;②橫桿布置在座前區(qū)車頂、中軸線車頂和門前區(qū)車頂其中的位置。

立桿是連接地板和車頂?shù)姆鑫占?，立桿只被布置在車廂中軸線上。通常以中央門區(qū)中心線為基準(zhǔn)，確定一根中央立桿，其余立桿按一定間隔呈“一”字排開。立桿的形式以單根式、二分式和三分式最為常見，立桿適用于所有身高的旅客。

吊環(huán)是安裝在橫桿上的輔助抓握裝置，可為乘客提供少量的低扶握位，吊環(huán)的形式分為無(wú)把手和有把手兩類，無(wú)把手可稱作吊帶。吊環(huán)造型多樣，由于人體手部關(guān)節(jié)較多，構(gòu)造精密，吊環(huán)是人機(jī)工程學(xué)和美學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

扶手是指固定在車體側(cè)墻的輔助扶握設(shè)施，又稱側(cè)墻版扶手，一般布置在車門或縱向座椅的兩側(cè)以及無(wú)障礙座席區(qū)。車門兩側(cè)扶手設(shè)計(jì)形式較為單一，絕大多數(shù)半嵌入門框上，座椅兩側(cè)扶手根據(jù)有無(wú)座椅側(cè)擋板形式不同，有側(cè)擋板時(shí)，側(cè)擋板外包扶手，無(wú)側(cè)擋板時(shí)扶手從座椅底板連接到車頂板上，扶手在非高峰期只作為上下車乘客的過(guò)渡，不是主要的扶握設(shè)施。

2.CMF及安裝工藝：用色方面，扶桿通常為金屬裸色，潔凈感好，且易于清理，立桿和扶手的中部可外包PVC材料增加握感，PVC材料在乘客的視覺中心，一般與車內(nèi)主題色調(diào)保持一致，而吊帶與吊環(huán)的用色空間較大，因其視覺面積較小，可合理選用飽和度稍高的明亮色，與車內(nèi)環(huán)境色形成對(duì)比，給人醒目感。

材料運(yùn)用上，車內(nèi)扶桿多為不銹鋼或鋁合金管，如北京地鐵16號(hào)線扶桿采用06Cr19Nil0（ 304）不銹鋼管材，哈爾濱地鐵1號(hào)線為鋁合金管材。扶桿表面采用拉絲、電泳、噴砂或拋光處理，在立桿和扶手的中部扶握區(qū)進(jìn)行噴砂，或用PVC材料包面。吊帶則以聚碳酸酯（PC或防彈膠）為主，材料穩(wěn)定性好，抗沖擊能力強(qiáng)，不會(huì)斷裂;吊環(huán)由TPU阻燃織帶和工程塑料（不透明）或有機(jī)塑料（透明）組成，TPU織帶具有良好的阻燃防火性和牢固性，工程塑料重量輕，成型方便，易于實(shí)現(xiàn)各種造型，成本低，可經(jīng)常更換。國(guó)外地鐵中也常見皮革的表面加工方式，但費(fèi)效比高，不適合我國(guó)國(guó)情。

安裝工藝方面，立桿底部插入管座中，管座內(nèi)的安裝座通過(guò)M10螺釘固定在車廂地板上，立桿頂部通過(guò)連接板固定在車體吊梁。橫桿直接通過(guò)連接板安裝在車體吊梁上，橫桿間通過(guò)連接座拼接，M10螺釘緊固。扶手一般采用現(xiàn)車鉆眼、攻絲、緊固的方式安裝在門區(qū)、貫通道或無(wú)障礙區(qū)。吊環(huán)裝置由安裝座、連接件和吊環(huán)三部分組成，只安裝在橫桿上。

（二）扶握系統(tǒng)的作用

地鐵車輛在運(yùn)行的過(guò)程中，整體較為平穩(wěn)，但在過(guò)彎、加速和制動(dòng)時(shí)，由于離心力和正負(fù)加速度作用，站姿乘客人體質(zhì)心會(huì)被擾亂，在一定程度上失去平衡。我國(guó)地鐵的運(yùn)營(yíng)速度在80-120Km/h，運(yùn)營(yíng)速度越高失衡作用越明顯。因此，為身體提供支撐，維系平衡是扶握系統(tǒng)的最重要作用。其次，緩解長(zhǎng)時(shí)間站立乘客的肌肉疲勞和提升車內(nèi)空間設(shè)計(jì)質(zhì)量、營(yíng)造不同文化主題和審美風(fēng)格的車內(nèi)環(huán)境也是扶握系統(tǒng)的主要功能。

1.維持平衡：縱向加速帶來(lái)的身體不適主要是失衡引發(fā)的，人體在失去平衡的時(shí)候通過(guò)扶握件能快速恢復(fù)到正常狀態(tài)，不同類型、高度和尺寸的扶握件提供的抓握力有顯著差別。在列車緊急制動(dòng)時(shí)，握住立桿和靠在靠背上都能幫助身體保持平衡，但一經(jīng)失衡，立桿能幫助乘客快速恢復(fù)，靠背則不能[11]。而在車輛加速時(shí)，高抓握位的橫桿抓握力最低，低于肩膀位置扶手和立桿[12]。因此整體而言，扶握系統(tǒng)中對(duì)人體平衡的維持能力：立桿>扶手>橫桿>吊環(huán)。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是橫桿和吊環(huán)高度。

2.緩解疲勞：乘客在長(zhǎng)時(shí)、振動(dòng)的情況下保持同一種站立姿勢(shì)極易產(chǎn)生疲勞感。這種疲勞的作用機(jī)理是：車輛的加減速、轉(zhuǎn)彎和顛簸是不固定的，具有周期性和隨機(jī)性，上背部和手臂肌肉會(huì)處在間歇緊張的狀態(tài)，而扶握件可通過(guò)手部施力對(duì)姿勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，緩解局部肌肉不適。因此何種造型和尺度提供的抓握力最優(yōu)是扶握系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。

3.提升美感：扶握系統(tǒng)雖然是功能型設(shè)施，但協(xié)調(diào)優(yōu)美的扶握件設(shè)計(jì)可以對(duì)車內(nèi)視覺環(huán)境起到畫龍點(diǎn)睛的作用。在線條運(yùn)用方面，吊環(huán)常見圓形、方形、橢圓及三角形態(tài)，給人的視覺意象不同，圓形較為柔美、趣味，如香港迪士尼地鐵的圓形米老鼠吊環(huán)，與列車線路主題遙相呼應(yīng)，顯得溫暖有趣。而方形能突出英朗的設(shè)計(jì)風(fēng)格，三角形則更簡(jiǎn)約、穩(wěn)定。使用何種造型語(yǔ)言要根據(jù)線路人文特征和車內(nèi)整體風(fēng)格確定，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)讓扶握件更像是點(diǎn)綴車內(nèi)的藝術(shù)品。

二、人機(jī)約束與使用偏好

（一）設(shè)施人機(jī)約束

《中國(guó)成年人人體尺寸》 （GB 10000-88）是我國(guó)運(yùn)用最為廣泛的人體尺寸參考標(biāo)準(zhǔn)。在扶握系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，橫桿高度、吊環(huán)高度、吊環(huán)間隔、吊環(huán)內(nèi)徑和扶桿直徑是關(guān)鍵的幾項(xiàng)人機(jī)參數(shù)。結(jié)合《在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則》（GB/T12985-1991）提出各關(guān)鍵參數(shù)臨界值的計(jì)算方法如下，單位為mm。

橫桿高度>P95男（身高）+穿鞋修正量=1775+25 =1800;

吊環(huán)高度≤P5女（肩高+上臂長(zhǎng)+前臂長(zhǎng)+1/2手長(zhǎng)）+穿鞋修正量=1195+262+193+79.5+20=1750：

吊環(huán)間隔>P95男（胸厚）+著衣修正量=245+18=265;

吊環(huán)內(nèi)徑>P95男（手寬）=90。

橫桿高度從不碰頭，不影響逃生的角度出發(fā)，應(yīng)滿足高于第95百分位男性身高，即要大于1800mm。吊環(huán)高度從滿足第5百分位女性的抓握需求出發(fā)，最好不高于1750mm。這樣車內(nèi)扶握設(shè)施的高、低握位才能滿足絕大多數(shù)中國(guó)乘客的使用需求。吊環(huán)間隔假設(shè)在擁擠情況下乘客都面向列車行駛方向站立，至少應(yīng)大于第95百分位的男性胸厚，固不能低于265mm。此外，研究表明老年人的握力只有年輕人的70%左右，老年人更適宜較細(xì)的扶手來(lái)保證抓握力[13]?？紤]目前國(guó)內(nèi)地鐵使用φ32mm和φ38mm管材居多，建議扶桿使用φ38mm，而扶手使用φ32mm。

（二）乘客偏好調(diào)查

對(duì)車內(nèi)乘客的站立位置選擇偏好和扶握設(shè)施使用偏好進(jìn)行調(diào)查，有助于解決車內(nèi)扶握設(shè)施的布局問(wèn)題。以問(wèn)卷調(diào)查的方式設(shè)計(jì)地鐵列車扶握系統(tǒng)使用偏好問(wèn)卷，包含4項(xiàng)基本信息和2項(xiàng)問(wèn)題，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)收回有效問(wèn)卷226份，剔除在“是否乘坐過(guò)地鐵”的信息項(xiàng)中回答“否”的樣本，實(shí)際有效的樣本數(shù)為220份，男女比例均衡，18-60歲樣本占比90.45%，中位身高占比83.lgo玷，如表1所示。整體呈正態(tài)分布，說(shuō)明樣本數(shù)據(jù)有效。

將問(wèn)卷數(shù)據(jù)錄入SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行信效度分析，克朗巴哈系數(shù)a=0.933，一般當(dāng)1>α（>0.8時(shí)，說(shuō)明統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有較好的信度。按站立位置和設(shè)施使用方式的選擇頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。在站立位置選擇方面，有38%乘客選擇車廂兩側(cè)的無(wú)座席區(qū)，車廂兩側(cè)端部一般不設(shè)扶桿，這一數(shù)據(jù)與25%的乘客選擇倚靠墻板相對(duì)應(yīng)。其次有26%的乘客選擇車門區(qū)。實(shí)際上，車廂兩側(cè)和車門區(qū)并不是扶握系統(tǒng)最集中的地方，抓握點(diǎn)位最多的座前區(qū)反而人數(shù)不多。這說(shuō)明需要調(diào)整扶握系統(tǒng)的分布，使車內(nèi)乘客密度更均勻，才能避免局部擁擠的發(fā)生。對(duì)扶握設(shè)施使用方式的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，25%的人習(xí)慣倚靠墻板，通常是在車廂兩側(cè)，其次23%的人習(xí)慣抓握立桿，因?yàn)榱U可以自由調(diào)節(jié)抓握高度，以便乘客維持在舒適的姿勢(shì)，抓握吊環(huán)比抓握橫桿的人更多，而使用扶手的人是最少的。

三、人機(jī)與布局優(yōu)化建議

通過(guò)對(duì)車內(nèi)扶握系統(tǒng)的人機(jī)尺度與偏好研究，結(jié)合扶握系統(tǒng)的基本功能和CMF設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，從物理尺度、功能布局和美學(xué)設(shè)計(jì)三方面歸納了地鐵列車扶握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略。

（一）人機(jī)尺度

以實(shí)現(xiàn)“抓得到、不碰頭、抓位多”為基本原則，模桿主要滿足乘客的高握位需求，吊環(huán)需滿足乘客的低握位需求，橫桿為固定設(shè)施，碰頭會(huì)影響乘降和疏散效率，造成安全隱患[14]。結(jié)合前文約束分析和《客車結(jié)構(gòu)安全要求》（GB13094-2007）中給出的橫桿最高建議值綜合考慮，橫桿高度以1800-1900mm為宜。吊環(huán)為非固定活動(dòng)連接，雖然有碰頭的可能但一般不會(huì)阻礙逃生，吊環(huán)應(yīng)低于1750mm，考慮不遮擋立席乘客視線，應(yīng)高于人體最大眼高1705mm，因此吊環(huán)高度宜為1705-1750mm。吊環(huán)間距最極端情況為側(cè)身站立，即大于第95百分位男性胸厚，但從空間利用的角度考慮，最大不應(yīng)超過(guò)第95百分位男性肩寬403mm，取265-403的中間值較為合適。吊環(huán)內(nèi)徑可取上文中的極小值90mm。

（二）功能布局

扶握系統(tǒng)布局需考慮對(duì)乘客站立位置的引導(dǎo)，合理的乘客分布能使列車乘用效率最大化。車門區(qū)是列車乘降的重要區(qū)域，應(yīng)盡量避免乘客在此滯留，因此車門區(qū)建議不設(shè)橫桿，可有過(guò)渡用扶手和單根式立柱。從調(diào)研的情況來(lái)看，車廂兩側(cè)乘客較多，但扶握設(shè)施不足，可考慮在車廂兩側(cè)增設(shè)橫桿和吊環(huán)。為了增加抓握點(diǎn)位，除車門區(qū)的其他區(qū)域立桿可采用二分式或三分式，具體根據(jù)車型而定，B型車考慮單根式和二分式立桿，A型車可使用二分式或三分式立桿，并可在立桿上加裝橫桿和橫桿附屬吊環(huán)。

（三）美學(xué)設(shè)計(jì)

地鐵內(nèi)飾設(shè)計(jì)中除了座椅，扶握系統(tǒng)是最具外觀表現(xiàn)價(jià)值的設(shè)施，吊環(huán)設(shè)計(jì)可以抽取地域文化中的代表形態(tài)，盡量體現(xiàn)線路的獨(dú)特性，避免同質(zhì)化設(shè)計(jì)。用材上也可以用多種復(fù)合材質(zhì)，如在握面用顆粒狀橡膠，提升設(shè)計(jì)的精致感。立桿造型與乘客流動(dòng)息息相關(guān)，變換設(shè)計(jì)方式需經(jīng)過(guò)行人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證，看是否阻礙通行。用色上，主要是立桿扶握區(qū)外包材料顏色和吊環(huán)顏色需符合列車設(shè)計(jì)主題，建議為同一色系，或因吊環(huán)顏色面積小，可在飽和度和明度上比立桿扶握區(qū)高一級(jí)，以體現(xiàn)車內(nèi)視覺環(huán)境的層次感。

四、扶握系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

以廣州地鐵21號(hào)線設(shè)計(jì)任務(wù)為例，設(shè)計(jì)了單根式立桿如圖2（a）、圖2（b）和二分式立桿如圖2（c）、圖2（d）所示。立桿直徑為38mm，使用不銹鋼噴漆避免裸色金屬給人的冰冷感，外包PVC有助于提升防滑性。單根式立桿突顯廣州南竹文化，在色彩和材質(zhì)上用了竹節(jié)元素對(duì)抓握處進(jìn)行分割，引導(dǎo)乘客在扶握時(shí)保留手部間距，避免皮膚接觸帶來(lái)的心理不適。二分式立桿可用于非車門區(qū)或高峰期編組，扶握范圍涵蓋了第5百分位至第95百分位人體肘高，小臂可與身體垂直平握，維持較為舒適的姿勢(shì)。單根式和二分式均搭配了廣州地鐵21號(hào)線的主題色藍(lán)紫色和補(bǔ)色系的淡黃色兩種用色方案。藍(lán)紫色與車內(nèi)環(huán)境更為協(xié)調(diào)，黃色則更為醒目。

吊環(huán)設(shè)計(jì)從人機(jī)安全性（抓得牢）和美觀性方面考慮，使用安裝座、銜接帶和抓握環(huán)的通用結(jié)構(gòu)組成，吊環(huán)內(nèi)徑為90mm，大于第95百分位男性手寬，普通圓形抓握環(huán)為工程塑料制的正圓形，表面的防滑性欠佳，因此考慮在圓形的基礎(chǔ)上增加造型的曲面轉(zhuǎn)折提升手部接觸面，并在手掌貼合處使用硅膠等材質(zhì)做表面處理，以達(dá)到增加握力的目的。如圖3所示。不同材質(zhì)的運(yùn)用提升了吊環(huán)的精致感，使用預(yù)制件拼貼不會(huì)額外增加成本。

在現(xiàn)有車型扶握系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)式布局，如圖4所示。取消了座前區(qū)橫桿上的低握位吊環(huán)，將抓握點(diǎn)位集中布置在車輛中軸線上，這樣不影響兩側(cè)座席乘客入座，車內(nèi)立桿采用多分式的設(shè)計(jì)，目的是將乘客都引導(dǎo)在車廂中部站立，避免車門區(qū)和座前區(qū)的局部擁擠。根據(jù)前期研究，車廂兩側(cè)是乘客最多的區(qū)域，但現(xiàn)有車輛在此區(qū)域的扶握設(shè)施數(shù)量不足，新方案在車廂兩側(cè)的無(wú)座席區(qū)增設(shè)了立桿、橫桿和扶手，車廂兩側(cè)區(qū)域?qū)α熊嚦私档挠绊懽钚。勺鳛榱⑾丝头植嫉闹饕獏^(qū)域。新方案在整體上提升了抓握點(diǎn)位布局的均勻性，對(duì)緩解車內(nèi)擁擠提高用車效率有一定幫助。

結(jié)語(yǔ)

地鐵列車中的扶握系統(tǒng)是車內(nèi)設(shè)計(jì)中較易被忽視的部分，就利用率而言，地鐵的扶握件是最為主要的服務(wù)設(shè)施。首先，從工業(yè)設(shè)計(jì)的角度詳述了扶握系統(tǒng)的分類、設(shè)計(jì)形式、CMF及功能作用，厘清了車內(nèi)扶握系統(tǒng)與乘客的交互機(jī)理。其次，從人機(jī)適配和使用偏好層面開展尺度測(cè)算和調(diào)查分析，提出了具有普適意義的人機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和布局建議，以期對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化地鐵的研制工作提供有益參考。最后，將分析結(jié)論運(yùn)用在實(shí)際案例中，設(shè)計(jì)了扶桿、吊環(huán)及布局的改進(jìn)方案。.

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（ 2017YFB1201103-9，2017YFB1201103—10， 2017YFB1201103-11， 2017YFB1201103-12）.

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