日本高速列車外形設(shè)計(jì)分析及啟示

岳天朗

摘 要：外形設(shè)計(jì)是高速列車設(shè)計(jì)的重要項(xiàng)目之一。因此，分析日本高速鐵路系統(tǒng)“新干線”系列列車的外形設(shè)計(jì)，總結(jié)并歸納日本高速列車外形設(shè)計(jì)要素。日本高速列車外形設(shè)計(jì)對(duì)我國(guó)高鐵設(shè)計(jì)有啟示和借鑒意義，學(xué)習(xí)吸收他人的成功經(jīng)驗(yàn)，立足于自主研發(fā)，以促進(jìn)我國(guó)高速列車外形設(shè)計(jì)的迭代提升。

關(guān)鍵詞：日本;高速列車;新干線;外形設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U270.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

在中國(guó)高速列車快速發(fā)展的今天，具有先進(jìn)的列車組及發(fā)達(dá)的鐵道網(wǎng)絡(luò)的日本對(duì)于我國(guó)高速列車的發(fā)展方向極具參考價(jià)值。我國(guó)高速列車技術(shù)發(fā)展路徑是以“技術(shù)引進(jìn)，再自主發(fā)展”為發(fā)展路線，盡管當(dāng)前在技術(shù)上獲得了重大突破，總體發(fā)展在世界各國(guó)中排名靠前，居于前列，但在外觀設(shè)計(jì)上始終未能擺脫德國(guó)、日本等國(guó)家的原有設(shè)計(jì)風(fēng)格[1]。如今高鐵技術(shù)各國(guó)競(jìng)技角逐日趨激烈，在研發(fā)新發(fā)明、新技術(shù)日新月異的形勢(shì)下，努力做好自主研發(fā)，研發(fā)出具有自己特色，適合我國(guó)高鐵技術(shù)體系要求的新設(shè)計(jì)，對(duì)促進(jìn)高鐵技術(shù)進(jìn)步、增強(qiáng)我國(guó)高鐵在世界各國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

1 日本現(xiàn)有高速列車（新干線）現(xiàn)狀分析

新干線為日本的高速鐵路簡(jiǎn)稱，是世上首個(gè)亦即當(dāng)時(shí)唯一投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的高速鐵路系統(tǒng)，采用1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，全線均為純客運(yùn)服務(wù)。

新干線的首條線路是日本東海道新干線，于1964年10月1日開(kāi)通營(yíng)運(yùn)，連接日本的東京與大阪兩個(gè)城市，其開(kāi)通首發(fā)受到了世界各國(guó)的矚目。截至2020年，新干線共有9條線路，其中包含2條線路較短的迷你新干線，可將日本大多數(shù)重要都市連結(jié)起來(lái)。它最初由日本國(guó)營(yíng)鐵道研發(fā)與運(yùn)營(yíng)，國(guó)鐵分割民營(yíng)化后由日本鐵路公司接手，并分別由該公司名下的JR北海道、JR東日本、JR東海、JR西日本以及JR九州5家成員公司提供服務(wù)。

新干線為達(dá)到同時(shí)適合快速及大量運(yùn)輸而設(shè)計(jì)，因而其建造與運(yùn)營(yíng)技術(shù)均有別于傳統(tǒng)鐵路，如全面采用動(dòng)力分散式列車、軌道全面采用立體交叉以及列車自動(dòng)控制系統(tǒng)等，最短可以3 min的班距運(yùn)行。除了迷你新干線時(shí)速稍低，其他列車最高時(shí)速依線路可達(dá)240～320 km/h。在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試速度時(shí)，最高時(shí)速高達(dá)443 km/h（由“300X”試驗(yàn)列車在1996年測(cè)試刷新高速記錄）。身為日本鐵路技術(shù)居于世界頂尖的重要象征，新干線的技術(shù)也向海外輸出，如我國(guó)部分高鐵采用新干線作為系統(tǒng)基礎(chǔ)，而采用新干線系統(tǒng)的英國(guó)、意大利、印度、泰國(guó)以及美國(guó)得克薩斯州等地的高速鐵路亦在興建或規(guī)劃中[2]。

2 新干線列車造型設(shè)計(jì)

2.1 高速列車造型分析

高速列車的造型設(shè)計(jì)是圍繞減阻、降噪、降低交會(huì)壓力波以及降低氣動(dòng)升力等目標(biāo)進(jìn)行的系統(tǒng)尋優(yōu)過(guò)程[3]。新干線系列高速列車的外部造型以其列車頭輪廓線構(gòu)成列車外部特征線，其列車頭具有獨(dú)特性，是其適應(yīng)日本地區(qū)文化、日本鐵道系統(tǒng)以及空氣動(dòng)力學(xué)等要求的產(chǎn)物。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。它可分為扁寬形、橢球形、梭形以及頓體頭形4種形式。它又可根據(jù)車身截面形狀與駕駛艙迎風(fēng)角，分別細(xì)分為鼓形壁車體和直壁車體、高迎風(fēng)角和低迎風(fēng)角[4]。

2.2 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)在車頭的流線型區(qū)域，而流線型區(qū)域的造型元素主要包括流線型長(zhǎng)度、司機(jī)室（駕駛艙）、鼻尖點(diǎn)、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4種類型，其中A型、B型與D型又可根據(jù)壁型與迎風(fēng)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(guò)度生硬，鼻尖圓潤(rùn)，除障器較大，流線型長(zhǎng)度較短，為4 400～4 700 mm。根據(jù)車身截面形狀不同，它又可分為2式。I式∶鼓形壁，高迎風(fēng)角[4]，如1964年服役的0系列車。此外，I式∶直壁，高迎風(fēng)角，見(jiàn)服役于1982年的200系列車。新干線200系列車實(shí)物圖如圖1所示。

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(xì)長(zhǎng)，長(zhǎng)度為4 700～15 000 mm，駕駛窗與鼻頭連接處有明顯轉(zhuǎn)折，除障器較為低矮，可分為3式。I式∶直壁，高迎風(fēng)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。I式∶鼓壁，低迎風(fēng)角，見(jiàn)服役于1997年的500系。邛式∶直壁，低迎風(fēng)角，見(jiàn)2014年服役的E7系列車。C型為橢球形頭形，流線型長(zhǎng)度為9 500 mm。僅為1式∶直壁，低迎風(fēng)角，見(jiàn)2004年服役的800系列車。新干線800系列車實(shí)物圖如圖2所示。

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(fēng)面，流線型長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為9 200～15 000 mm，除障器低矮，多數(shù)有扁寬鼻翼。僅為1式∶直壁，低迎風(fēng)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[5]。新干線E6系列車實(shí)物圖如圖3所示。

2.3 空氣阻力

新干線系列高速列車運(yùn)行速度均在200 km/h以上，所受阻力中空氣阻力占比較高，而車頭和車尾的流線型設(shè)計(jì)使其受到的空氣阻力較小。新干線為降低噪聲而安裝的轉(zhuǎn)向架側(cè)罩與車鉤周圍全包罩等其他具有平滑減阻外形的覆蓋物，也利于減小空氣阻力。此外，新干線對(duì)車體表面的光滑程度進(jìn)行的分析與設(shè)計(jì)尚不充足。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前設(shè)計(jì)的拉門比當(dāng)前設(shè)計(jì)的車窗的空氣阻力要大20倍。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，裝有4個(gè)拉門和40個(gè)車窗的中間車，若將所有門窗平滑化，空氣阻力可減少2.6%[6]。

3 新干線高速列車外形設(shè)計(jì)所體現(xiàn)的日本文化與時(shí)代背景對(duì)其的影響

3.1 新干線高速列車外形設(shè)計(jì)所體現(xiàn)的日本性格與文化

產(chǎn)品造型風(fēng)格在很大程度上受民族文化基因的影響[7]。分析發(fā)現(xiàn)，日本高速列車的設(shè)計(jì)有個(gè)顯著特點(diǎn)，即實(shí)用性兼具本民族文化特色。造型設(shè)計(jì)吸收國(guó)外高鐵先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，融合了民族鮮明的傳統(tǒng)文化特色，因而日本高速列車外形設(shè)計(jì)頗具日本民族特色。日本高速列車外形設(shè)計(jì)基于實(shí)際運(yùn)用功能兼具自然要素，外觀造型多是基于仿生和空氣動(dòng)力要求而設(shè)計(jì)的，大量弧線的運(yùn)用給人以高科技的視覺(jué)感受，同時(shí)高度適應(yīng)氣動(dòng)布局的要求，在色彩上多以干凈簡(jiǎn)潔的雙色搭配或配以紅色細(xì)長(zhǎng)線條凸顯其速度感[1]。

3.2 新干線高速列車外形與日本經(jīng)濟(jì)奇跡

修建新干線的設(shè)想最初遭受了大量日本國(guó)民的反對(duì)。在當(dāng)時(shí)的日本學(xué)界，大量學(xué)者認(rèn)為發(fā)展汽車等交通工具是主流，汽車產(chǎn)業(yè)是未來(lái)交通的發(fā)展方向，而鐵路因其建設(shè)過(guò)程耗資大、時(shí)速低、交通運(yùn)輸成本高、油耗大以及污染環(huán)境嚴(yán)重等應(yīng)被淘汰。甚至當(dāng)時(shí)日本國(guó)內(nèi)較有影響力的東京大學(xué)著名教授今野源八郎等，認(rèn)為新干線計(jì)劃耗費(fèi)大量的材料與資源，沒(méi)有為本國(guó)創(chuàng)造任何利益，是一項(xiàng)勞民傷財(cái)?shù)臒o(wú)意義之舉。在鐵路建設(shè)方面，日本完全沒(méi)有這種鐵路的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，甚至尚未進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。此外，連年的赤字、事故、罷工“三大苦惱”使該項(xiàng)目的“上馬”困難重重。在這種經(jīng)濟(jì)與技術(shù)有著極大困難的情況下，無(wú)論是工程師抑或普通員工，都不看好新干線項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)部分汽車交通運(yùn)輸發(fā)達(dá)的國(guó)家視日本逆勢(shì)而動(dòng)，重拾這種已過(guò)氣被淘汰的運(yùn)輸方式。在此被眾人不看好的情況下，高速列車的車型設(shè)計(jì)必須是先進(jìn)的，有突進(jìn)感的。此時(shí)，正值日本經(jīng)濟(jì)的黃金年代，在日本經(jīng)濟(jì)高歌猛進(jìn)之際，日本國(guó)民的民族自豪感和快速發(fā)展的勢(shì)頭與日本高速列車之先進(jìn)性進(jìn)步性相契合。受此經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的文化激流影響，新干線0系電力動(dòng)車組的子彈形列車頭具有流暢而富有沖擊性的獨(dú)特美感，充分體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)日本社會(huì)昂揚(yáng)向上的拼搏奮發(fā)精神。日本“新干線”系列0系列車如圖4所示。

4 日本高速列車外形設(shè)計(jì)對(duì)我國(guó)高鐵發(fā)展的啟示

①創(chuàng)新是科技進(jìn)步的靈魂?？萍际堑谝簧a(chǎn)力，而創(chuàng)新是科技的原動(dòng)力。堅(jiān)持創(chuàng)新，堅(jiān)持對(duì)科技發(fā)展的經(jīng)濟(jì)投入，加強(qiáng)對(duì)科技發(fā)展的文化建設(shè)與宣傳，積極培養(yǎng)創(chuàng)新型科技人才。

②學(xué)習(xí)吸收世界最先進(jìn)的技術(shù)，自主研發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的專利，優(yōu)化并增進(jìn)實(shí)用性功能，提高我國(guó)科技成果與世界科技的兼容性，提高國(guó)際化水平，保證我國(guó)在國(guó)際環(huán)境中的科研地位，為我國(guó)后續(xù)的科研發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)與充足的發(fā)展空間。

③發(fā)揚(yáng)我國(guó)傳統(tǒng)文化，把我國(guó)文化元素融入外形設(shè)計(jì)中。將我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化與先進(jìn)的現(xiàn)代科技產(chǎn)物有機(jī)結(jié)合，形成中國(guó)高速列車獨(dú)特的設(shè)計(jì)風(fēng)格，有效提高我國(guó)高速列車在外形上的辨識(shí)度，極大地增強(qiáng)我國(guó)高鐵產(chǎn)品在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力和我國(guó)傳統(tǒng)文化的影響力。

④對(duì)本土文化與人民生活習(xí)慣進(jìn)行技術(shù)上的適配。提高技術(shù)應(yīng)用的本土化程度，積極適應(yīng)我國(guó)國(guó)情與民眾審美，對(duì)我國(guó)國(guó)民情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可以增強(qiáng)技術(shù)在群眾中的應(yīng)用廣泛性，同時(shí)提高技術(shù)的社會(huì)利用水平和技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的投入產(chǎn)出比，對(duì)科研的進(jìn)步具有積極作用。

5 結(jié)語(yǔ)

日本現(xiàn)有的高速列車（新干線）的設(shè)計(jì)水平處于世界前列，且擁有良好的本土適應(yīng)性，是世界高速列車外形設(shè)計(jì)的經(jīng)典案例。本文對(duì)日本高速列車外形設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，討論日本高速列車外形設(shè)計(jì)的實(shí)用性、合理性、其對(duì)日本文化的體現(xiàn)以及對(duì)我國(guó)高鐵發(fā)展的重要啟示，對(duì)我國(guó)高速列車外形設(shè)計(jì)者提出了更高要求，對(duì)高鐵產(chǎn)品技術(shù)的迭代更新等具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。高鐵是當(dāng)前我國(guó)“一帶一路”的技術(shù)產(chǎn)品載體，充分而高效地發(fā)展高鐵經(jīng)濟(jì)可極大地提高當(dāng)?shù)氐慕煌ㄍㄟ_(dá)度，帶動(dòng)第二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)促進(jìn)“一帶一路”沿線國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重大意義，同時(shí)是推動(dòng)我國(guó)在與“一帶一路”沿線國(guó)家經(jīng)濟(jì)往來(lái)與技術(shù)交流活動(dòng)中的重要推手，對(duì)我國(guó)和他國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及鐵道技術(shù)交流具有積極作用。

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