融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設(shè)計方法

李偉麗，向澤銳,2，李 然,2，茍 銳，鄧明曦

(1. 西南交通大學(xué)建筑與設(shè)計學(xué)院，四川 成都 611731；2. 西南交通大學(xué)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計研究所，四川 成都 611731)

地鐵是一種快速、大運量、電力牽引的重要城市軌道交通系統(tǒng)，截止2019年12月，我國地鐵運營線路長達(dá)5 187.03 km，占城市軌道交通總線路的77.07%，地鐵已成為人們城市出行的一種重要交通方式[1-2]。地鐵列車是地鐵系統(tǒng)的核心裝備之一，其外觀設(shè)計主要聚焦于造型和涂裝2方面，對體現(xiàn)城市和線路文化，打造城市名片，有著重要的作用和意義[3-4]。目前國內(nèi)外對地鐵列車外觀設(shè)計的研究包括：文獻(xiàn)[4]提出運營速度在100 km/h左右的車型受空氣阻力和會車壓力波影響較小，外觀造型自由度相對較大，車頭宜設(shè)計成鈍體形，整車流線型程度不宜過高；文獻(xiàn)[5]研究了NURBS技術(shù)在車身曲面造型設(shè)計上的應(yīng)用；文獻(xiàn)[6]基于車頭繞流場分析并結(jié)合地鐵列車造型美學(xué)要求提出了一種48°前窗傾角流線型地鐵列車頭型設(shè)計方案；文獻(xiàn)[7]對車頭氣動特性進(jìn)行了數(shù)值計算，為較高時速的地鐵列車外觀氣動性能評估提供了方法；文獻(xiàn)[8]利用FLUENT模擬了隧道中相鄰2個站臺間地鐵運行的氣動壓力變化情況，為較高時速運行的地鐵列車和隧道系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)；文獻(xiàn)[9]結(jié)合國內(nèi)外多個地鐵列車造型方案，研究提出了地域文化與地鐵列車造型元素的轉(zhuǎn)換模型，給出了一種能夠傳遞地域文化的地鐵列車造型設(shè)計方法。為了使地鐵列車外觀能夠有效與運營城市、目標(biāo)線路的典型文化相融合，進(jìn)一步提升旅客對其的文化認(rèn)同，本文提出了一種融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設(shè)計方法，并以成都地鐵列車外觀設(shè)計為例論證了方法的可行性。

1 地鐵列車外觀設(shè)計概述

地鐵是城市軌道交通7種制式之一，最高運營速度通常分為80 km/h，100 km/h和120 km/h三級[10]。通過分析德、法、日、中等國的地鐵列車產(chǎn)品[4,9]，可以得出其如下外觀設(shè)計特點：

地鐵列車通常由2輛端車和若干中車組成(通常2~6輛)，造型設(shè)計的重點集中于端車司機(jī)室部分，其余車體的造型自由度相對較小。為了提升車內(nèi)駕駛和載客空間，現(xiàn)已投入運營的地鐵列車的頭部造型總體上短而鈍，車體側(cè)墻有直線、鼓形和弧形3類形態(tài)。地鐵列車端車前圍和所有車廂兩側(cè)的細(xì)部均為對稱設(shè)計，以營造整車左右均衡穩(wěn)定的視覺感；車窗、車門以及前窗等細(xì)部設(shè)計，一些用整數(shù)比例來營造均衡、有序的節(jié)奏感，而另一些則將車窗及周圍色彩處理成統(tǒng)一的色調(diào)以提升車體側(cè)圍的視覺統(tǒng)一感。地鐵列車涂裝色彩通常與其城市或運營線路文化有關(guān)，一般由主調(diào)色和輔助色組成。主調(diào)色多為單一色彩，以白色、黃色和銀灰色居多，黃、綠、藍(lán)位居其后，少數(shù)采用紅、紫等色彩。多數(shù)地鐵列車兩側(cè)還輔以細(xì)長的色帶進(jìn)行裝飾，以營造列車側(cè)圍的動態(tài)感，增強(qiáng)車廂間的視覺聯(lián)系。

在我國，地鐵列車分為A型和B型(B1型、B2型)共2類3種，車體通常采用不銹鋼或鋁合金材料和整體承載結(jié)構(gòu)[11-13]。近年來，隨著我國各地的快速發(fā)展，城市形象問題日益受到重視，在地鐵列車的外觀設(shè)計上體現(xiàn)城市文化和運營線路文化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，因此尋求一種能夠辨識提取典型城市和運營線路地域文化元素，并將其有效融入地鐵列車外觀設(shè)計的方法具有較為重要的現(xiàn)實意義。

2 地鐵列車外觀設(shè)計中的可拓語義表征方法

2.1 可拓理論概述

2.1.1 可拓理論

文獻(xiàn)[14-15]提出了可拓學(xué)(extenics)，涵蓋了可拓理論(extension theory)、可拓創(chuàng)新方法(extension innovation method)[16]和可拓工程[17]。其中，可拓理論包括了基元理論、可拓集理論和可拓邏輯3大理論[15]。可拓理論以基元為邏輯細(xì)胞，包括物元、事元、關(guān)系元3種基元的概念，用來形式化描述物、事和關(guān)系以及同時考慮量變和質(zhì)變的思維過程，實現(xiàn)矛盾問題智能化的處理[14-18]。目前，可拓理論在產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和組織創(chuàng)新方面發(fā)揮了重要的作用[15,19]。

2.1.2 可拓語義

可拓語義(extensible se mantics)是基于可拓理論中的物元[20]和圖解思維[21]所提出的一種研究事物的方法[22]，可拓理論的物元概念將質(zhì)與量、動作與關(guān)系的相應(yīng)特征分別統(tǒng)一在一個由事物N、特征C和量值V構(gòu)成的有序三元組中，即

當(dāng)一個事物具有眾多的特征元，用多維物元表示，即

可拓語義以語義符號的形式將事物特征的性質(zhì)變換過程量化，為尋找產(chǎn)品設(shè)計最優(yōu)方案提供了參考方法，目前已被應(yīng)用于文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計[22]、有軌電車造型設(shè)計[23]和服務(wù)產(chǎn)品設(shè)計[24]等方面研究。

2.2 地鐵列車外觀設(shè)計中的可拓語義表征

基于上述理論，針對地鐵列車外觀設(shè)計提出了“文化基元”概念，將地鐵列車外觀設(shè)計中的可拓語義構(gòu)建與表征步驟概括如下[22-24]：

(1) 將文化基元Q涉及到的文化載體和文化特征統(tǒng)一到D，F(xiàn)和T組成的三元組中，即

其中，D為研究對象，即典型地域文化載體；F為描述研究對象文化的特征詞匯；D可以有多個特征詞匯F用于描述其文化；T為可拓區(qū)間，對應(yīng)特征詞匯的量值信息。

(2) 將T進(jìn)一步分解為tx和ty，tx為用于描述特征詞匯F與研究對象D的文化關(guān)聯(lián)度，tx∈(0, 1]，tx1+tx2+···+txn=1 (n≥1)，其數(shù)值越靠近1表示該特征詞匯與對象D的關(guān)聯(lián)度越高。設(shè)每個特征詞匯所得的分a的個數(shù)為da，a∈[1,α]，da∈[1,β]，其中，α為最高分值；β為特征詞匯評估志愿者人數(shù)，則可拓特征詞匯與對象D的文化關(guān)聯(lián)度為

ty表示特征詞匯F在地鐵列車外觀設(shè)計中的文化價值，數(shù)值越大表示該特征詞匯在地鐵列車外觀設(shè)計中的文化價值越重要。設(shè)第Pn號志愿者對特征詞匯的文化價值有效度評分為bn，bn∈[1,θ]，n∈[1,φ]，其中，θ為最高分值，φ為評價文化價值的志愿者人數(shù)，則可拓特征詞匯的文化價值為

文化基元的可拓區(qū)間T的表達(dá)式為

T值越大，代表該特征詞匯與地域文化對象的關(guān)聯(lián)度越高，在地鐵列車外觀設(shè)計中能夠體現(xiàn)出的文化價值越突出。

(3) 將特征詞匯轉(zhuǎn)換為圖解語義，用h表示，則圖解語義的可拓區(qū)間為Th，同理，將Th進(jìn)一步分解為thx和thy，thx為圖解語義辨識度；thy為圖解語義的文化價值，其中，thx∈(0, 1]，thy∈[1, 7]，圖解語義的可拓區(qū)間為Th的表達(dá)式為

Th值越大，代表該圖解語義的辨識度越高，在地鐵列車外觀設(shè)計中能夠體現(xiàn)出的文化價值越突出。

3 基于模糊綜合評價的地鐵列車外觀設(shè)計方案評估

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法，可以有效提高設(shè)計評價的客觀性和合理性。本文采用模糊綜合評價法來評估設(shè)計方案是否有效提取并融入了目標(biāo)城市的典型地域文化元素，其評價過程如下[25-26]：

(1) 針對評估方案構(gòu)建包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的層次結(jié)構(gòu)模型。

(2) 根據(jù)設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜艺{(diào)查得到的標(biāo)度值構(gòu)建模糊判斷矩陣M，即

其中，Aij為指標(biāo)i比指標(biāo)j的重要程度。

(3) 確定指標(biāo)權(quán)重值W的步驟為：

① 計算模糊判斷矩陣M每行元素的乘積，得到Mi為

② 計算Mi的n次方根，得到

③ 歸一化處理后得到相對權(quán)重Wi為

(4) 將地鐵列車外觀設(shè)計方案的評價等級定為滿意、一般、不滿意，分別賦值1.0，0.5，0組成量化評價集為V={1.0, 0.5, 0}，并基于網(wǎng)絡(luò)問卷確定模糊評價矩陣R。

(5) 計算設(shè)計方案的評價向量B，即

(6) 去模糊值，得到設(shè)計方案中體現(xiàn)各指標(biāo)的滿意評分b為

其中，H=(滿意，一般，不滿意)=(1.0, 0.5, 0)。

4 地鐵列車外觀設(shè)計流程

地鐵列車的工業(yè)設(shè)計需綜合考慮技術(shù)、人因、美學(xué)和文化4大要素[27]。隨著社會的發(fā)展，在設(shè)計中考慮心理、精神和情感方面的需求變得越來越重要[28]。為了實現(xiàn)在地鐵列車外觀設(shè)計中融入城市或運營線路的典型地域文化元素，為旅客提供具有城市地域特色和文化認(rèn)同的產(chǎn)品，本文聚焦研究地鐵列車外觀設(shè)計中的文化因素，將設(shè)計與評估流程分為3個相對獨立的階段：文化提取與表征、外觀方案設(shè)計和方案評估，詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設(shè)計流程Fig. 1 Exterior design process of metro train based on extension semantics and fuzzy comprehensive evaluation

5 案例研究

5.1 成都地域文化提取與表征

5.1.1 構(gòu)建成都地域文化基元

(1) 成都地鐵列車的文化元素調(diào)研。截止2019年底，成都地鐵列車共開通了7條線路，在建8條，預(yù)計2024年底全部建成[29]。成都部分投入運營的地鐵列車外觀見表1。在造型方面，成都地鐵列車以低速的B2型車居多，端車頭部均短而鈍，車體側(cè)墻為直線或鼓形形式；其中3和4號線列車頭型融入了三星堆青銅人面像的造型元素，5號線融入了川劇臉譜的形象。在涂裝方面，多數(shù)列車車身兩側(cè)設(shè)有與線路標(biāo)志色匹配的裝飾色帶，車頭下方有成都地鐵企業(yè)標(biāo)識，多數(shù)車輛的司機(jī)室側(cè)窗有金沙“太陽神鳥”金飾圖案；3號線“盼達(dá)”號列車力求通過各種熊貓和竹子圖案營造“熊貓”文化主題，10號線“最成都”旅游文化列車綜合融入了大熊貓、青城山、蓋碗茶等成都文化元素形象。

表1 成都部分地鐵列車外觀設(shè)計概況Table 1 Exterior design of some metro trains in chengdu

(2) 確定成都典型地域文化載體。成都是一座歷史悠久的文化名城，是古蜀文明的中心，蘊含了豐富的歷史文化資源[30]。成都金沙遺址出土的“太陽神鳥”金飾圖案在2005年被我國國家文物局確定為中國文化遺產(chǎn)標(biāo)志的核心圖案[31]，其已成為成都對外宣傳和交流的重要文化載體。圖2即為“太陽神鳥”金飾及其圖案，整體呈圓形，鏤空圖案分為內(nèi)、外2層：內(nèi)層是12條形態(tài)相同且等距分布的按順時針旋轉(zhuǎn)的光芒狀太陽紋；外層是4只形態(tài)相同、引頸伸腿、展翅翱翔的神鳥按逆時針繞內(nèi)層太陽紋飛行圖案。該金飾圖案整體形態(tài)表達(dá)了古蜀人對太陽神、太陽神鳥的崇拜，蘊含了生命輪回、神秘和動感內(nèi)涵；金色色彩則表達(dá)了古蜀人熱愛太陽、崇尚光明。鑒于此，本文選擇“太陽神鳥”金飾作為成都地鐵列車外觀設(shè)計的典型地域文化載體。

圖2 “太陽神鳥”金飾及其圖案Fig. 2 Gold ornament and pattern of “Sun god Bird”

(3) 提取與表征地域文化的特征詞匯。結(jié)合“太陽神鳥”金飾圖案所傳遞出的文化內(nèi)涵，構(gòu)建了成都金沙文化基元Q，其中代表該地域文化特征的對象D為太陽神鳥，描述對象D的特征詞匯包括：動感、神秘、光明、飛鳥、生命，即

5.1.2 成都金沙文化基元的可拓語義評估

(1) 評估特征詞匯。選取12名(6男，6女)對金沙文化以及“太陽神鳥”金飾有一定了解，并且有多次乘坐成都地鐵經(jīng)驗的志愿者進(jìn)行問卷調(diào)查。每位志愿者對5個特征詞匯進(jìn)行評估，按照詞匯能夠反映“太陽神鳥”文化內(nèi)涵的強(qiáng)弱進(jìn)行排序，最強(qiáng)記5分，較強(qiáng)記4分，一般記3分，較弱記2分，最弱記1分(5-point Likert scale)。12份問卷的調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 “太陽神鳥”特征詞匯評估Table 2 Evaluation of characteristic vocabulary of “sun god bird”

繼續(xù)選取5名較為了解成都文化并從事設(shè)計研究的志愿者來評估特征詞匯的文化價值，分值設(shè)為1~7分(7-point Likert scale)，評分越高表明此志愿者認(rèn)為該特征詞匯的文化價值越高。5份問卷的調(diào)查結(jié)果見表3。

表3 特征詞匯的文化價值評估Table 3 Cultural value evaluation of characteristic vocabulary

根據(jù)式(4)~(6)，得出特征詞匯的可拓設(shè)計區(qū)間T值，見表4。

表4 特征詞匯的可拓設(shè)計區(qū)間Table 4 Extension design interval of feature words

根據(jù)評估結(jié)果可以得出金沙“太陽神鳥”特征詞匯的可拓量值排序為：動感、光明、飛鳥、生命、神秘，其中動感、光明、飛鳥的可拓區(qū)間較大。

(2) 評估特征詞匯的圖解語義。地鐵列車外觀設(shè)計的地域文化特征主要體現(xiàn)在造型和涂裝2方面：運用圖解思維將金沙“太陽神鳥”金飾的5個特征詞匯進(jìn)行圖形分解，每個特征詞匯選取出8張代表性的關(guān)聯(lián)圖。將圖片進(jìn)行去色處理，僅從形態(tài)上進(jìn)行圖解語義的評估，仍由5名較為了解成都文化并從事設(shè)計研究的志愿者再次打分，每個特征詞匯列出被選次數(shù)較多的前3張圖片，其特征詞匯的圖解語義見表5。

表5 特征詞匯的圖解語義Table 5 Graphic semantics of characteristic words

重新邀請3名從事設(shè)計研究的志愿者對表5中的圖解語義及其文化價值進(jìn)行評估，3份問卷的調(diào)查結(jié)果見表6和表7。

表6 對圖解語義辨識度的評估結(jié)果Table 6 The evaluation results of semantic identification degree of diagrams

表7 對圖解語義文化價值的評估結(jié)果Table 7 The evaluation results of cultural value of graphic semantics

通過對上述評估結(jié)果進(jìn)行均值處理和分析，求得了每個圖解語義的辨識度thx和圖解語義的文化價值thy，見表8。根據(jù)式(7)，計算出單特征圖解語義可拓區(qū)間Th，最終結(jié)果見表9。

表8 單特征圖解語義值Table 8 Single feature graph to interpret semantic value

表9 單特征圖解語義可拓區(qū)間Table 9 Single feature diagrammatic semantic extension interval

(3) 確定成都地鐵列車的文化元素。從統(tǒng)計結(jié)果可知，動感圖解語義中h3、光明圖解語義中h1、飛鳥圖解語義中h3的可拓區(qū)間較大，設(shè)表5中第m個特征詞匯的n個圖解為hmn，結(jié)合特征詞匯可拓語義分析中動感、光明的可拓量值的排序，將動感、光明中最大的圖解語義量值相融合，得到最大可拓區(qū)間，即h13+h31=4.38+4.38=8.76。

5.2 具有地域文化的成都地鐵列車設(shè)計

圖3 成都地鐵列車外觀設(shè)計效果圖Fig. 3 Design scheme of chengdu metro train

本文設(shè)計的是一款80 km/h級低速B2型地鐵列車，端車頭部短而鈍，車體側(cè)墻為直線形式。充分考慮地鐵列車技術(shù)、人因、美學(xué)在設(shè)計方面的約束[4]，基于對成都金沙文化的上述圖解語義分析，結(jié)合表4中特征詞匯的可拓量值排序，選取符合金沙“太陽神鳥”語義內(nèi)涵、文化價值較大且辨識度較高的動感、光明、飛鳥作為成都地鐵列車的文化元素進(jìn)行方案創(chuàng)作，圖3為最終確定的設(shè)計效果圖。該地鐵列車方案的前窗整體設(shè)計為圓形，融入了太陽的形態(tài)特征和金飾的色彩特征；車燈以神鳥的頭部輪廓為形，力圖塑造視覺動感、體現(xiàn)文化元素；車身兩側(cè)的裝飾圖案來源于神鳥輪廓，且神鳥首足前后相接，共同朝向太陽(圓形車窗)飛行，能夠較好重現(xiàn)“太陽神鳥”金飾核心圖案的意象。此外，針對成都不同地鐵線路具有不同專用色系的問題，將前窗邊緣和側(cè)窗的上、下邊緣均設(shè)計有代表線路色的條紋裝飾色帶，以此來區(qū)分列車所屬線路。

5.3 設(shè)計方案的評估

為進(jìn)一步檢驗設(shè)計方案是否較好地體現(xiàn)了成都金沙“太陽神鳥”地域文化特征，采用模糊綜合評價法并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查數(shù)據(jù)對上述設(shè)計方案進(jìn)行評估。

5.3.1 構(gòu)建評價用層次結(jié)構(gòu)模型

采用層次分析來確定成都地鐵列車外觀設(shè)計方案評價用層次結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 設(shè)計方案評價用層次結(jié)構(gòu)模型Fig. 4 Hierarchy model for design scheme evaluation

5.3.2 確定指標(biāo)權(quán)重

采用表10所示的1~9標(biāo)度評價原則，邀請5位設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜覍υO(shè)計方案評價體系中的各級指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建模糊判斷矩陣M，經(jīng)計算最終得到各指標(biāo)的權(quán)重值。

表10 1～9標(biāo)度評價原則Table 10 1～9 scale evaluation principle

根據(jù)5位專家對設(shè)計方案評價體系中的各級指標(biāo)比較結(jié)果，結(jié)合式(8)，得出指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的判斷矩陣MA，MB以及準(zhǔn)則層中A，B對目標(biāo)層C的判斷矩陣MC分別為

根據(jù)式(9)~(11)，得到成都地鐵列車外觀設(shè)計方案中體現(xiàn)成都金沙文化元素的各級指標(biāo)權(quán)重值見表11。

表11 評價體系各指標(biāo)權(quán)重Table 11 Index weight of evaluation system

5.3.3 構(gòu)建評價矩陣

建立設(shè)計方案中各因素模糊評價矩陣，數(shù)據(jù)來源于基于“問卷星”平臺回收的網(wǎng)絡(luò)問卷。此次問卷基于微信發(fā)布，采用實名登錄且僅允許作答1次。接受調(diào)查的樣本主要由設(shè)計類碩士研究生、設(shè)計類本科生以及隨機(jī)抽樣的成都民眾構(gòu)成。問卷調(diào)查時間為2020年1月30日至2月2日，總計回收167份有效問卷，調(diào)查問卷及結(jié)果參見：https://www.wjx.cn/report/54113815.aspx。

表12為本次問卷調(diào)查的評價結(jié)果，繼續(xù)整理可得A，B的模糊評價矩陣為

表12 基于網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查獲得的評價結(jié)果Table 12 Evaluation results based on network questionnaire survey

5.3.4 確定評價結(jié)果

將各評價指標(biāo)權(quán)重向量W和對應(yīng)指標(biāo)的模糊評價矩陣R進(jìn)行合成，根據(jù)式(12)，得到設(shè)計方案的評價向量B，即通過式(13)去模糊值，得到成都地鐵列車外觀設(shè)計方案中體現(xiàn)成都金沙文化的滿意評分為

同理，計算出設(shè)計方案中對體現(xiàn)成都金沙文化的總體滿意評價分?jǐn)?shù)為

最終，得出各層級指標(biāo)滿意情況及對設(shè)計方案的總體滿意情況評分?jǐn)?shù)據(jù)見表13。

表13 設(shè)計方案體現(xiàn)成都金沙文化元素的滿意情況Table 13 The design scheme reflects the satisfaction of chengdu jinsha cultural elements

根據(jù)上述滿意評價結(jié)果可知，調(diào)查樣本對設(shè)計方案體現(xiàn)成都金沙文化元素的整體滿意情況為87.24%，對特征詞匯的文化語義和圖解語義的滿意情況分別為87.20%和87.35%，綜合表明該設(shè)計方案較好地體現(xiàn)了成都金沙“太陽神鳥”地域文化特征。

6 結(jié)束語

地鐵列車作為一種重要的城市軌道交通工具，其外觀與運營城市的形象塑造與文化傳播密切相關(guān)，為其外觀能夠提升運營城市或線路的地域文化特征，本文提出一種融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設(shè)計方法。針對地鐵列車外觀設(shè)計提出了“文化基元”概念，將其外觀語義與文化載體的關(guān)系進(jìn)行了量化和可視化，提出了地鐵列車外觀設(shè)計方法與評估流程，實現(xiàn)了融入典型成都地域文化元素的地鐵列車外觀設(shè)計方案。設(shè)計方案評價結(jié)果表明，本文有效實現(xiàn)了地域文化元素與地鐵列車外觀設(shè)計相融合，驗證了融合可拓語義和模糊綜合評價的地鐵列車外觀設(shè)計方法的合理性和可行性，為從外觀設(shè)計提升地域文化特征提供了方法參考。