基于分型圖譜量化法的高速列車造型設(shè)計(jì)研究

歐華健

關(guān)鍵詞：分型圖譜量化法;高速列車;造型設(shè)計(jì)

目前，我國鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展，從2004 年技術(shù)引進(jìn)，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(jìn)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(shè)計(jì)語義是高速列車造型設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)，塑造具有延續(xù)性的品牌與獨(dú)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(jìn)行分型分類并譜化，建立一個(gè)針對性較強(qiáng)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(gè)小類，“式”則用以表示每個(gè)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(shè)計(jì)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(guān)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。可將產(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(jìn)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(yùn)用相關(guān)軟件將高速列車進(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

2 基于分型圖譜量化法的高速列車造型設(shè)計(jì)意義

隨著列車在性能與技術(shù)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(shè)計(jì)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(jià)值?；诜中蛨D譜量化法對高速列車進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，能加強(qiáng)各車系造型設(shè)計(jì)語言上的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建一套屬于自己的譜系化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)是圍繞減阻、降噪、降低交會壓力波、降低氣動升力等目標(biāo)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(guān)技術(shù)作為變量，并運(yùn)用分型圖譜量化法進(jìn)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(shè)計(jì)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(guān)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(fēng)角細(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]。

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(shù)發(fā)展有著密切關(guān)系，不同國家的列車設(shè)計(jì)之所以會存在差異，主要是因?yàn)榭萍嫉陌l(fā)展對列車設(shè)計(jì)的影響。新干線系列高速列車擁有較長的發(fā)展時(shí)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(jìn)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(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(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(fēng)角[4]，例見1964 年服役的0 系列車;Ⅱ式：直壁，高迎風(fēng)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(xì)長，為4700mm—15000mm，駕駛窗與鼻頭連接平順，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;Ⅱ式：鼓壁，低迎風(fēng)角，例見服役于1997 年的500 系。Ⅲ式：直壁，低迎風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(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。

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(diǎn)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(diǎn)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(shè)計(jì)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(biāo)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(shè)為h，列車重心高度設(shè)為H，列車流線型長度設(shè)為L，表2 中所示二者之比為h/H（保留小數(shù)點(diǎn)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(yùn)營時(shí)間為軸，A 型車的平均R 值最大，A 型車運(yùn)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(dāng)時(shí)現(xiàn)有的普速列車與快速列車改進(jìn)而來。1990 年至2000 年，高速列車進(jìn)入發(fā)展期，流體力學(xué)在列車運(yùn)用上日漸成熟，新干線列車開始加強(qiáng)其氣動性能，在圖1 中直觀表現(xiàn)為列車細(xì)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(dá)15000mm，并達(dá)到了設(shè)計(jì)的最高速度320km/h [6]?？梢詮膱D2 中得知，1997 年為新干線的分水嶺，在此之前的列車迎風(fēng)角均大于20°。在4 種分型的列車迎風(fēng)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(shí)間呈負(fù)相關(guān)。

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(dǎo)視覺重心向鼻尖處集中，以塑造強(qiáng)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(guān)關(guān)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(jìn)步與時(shí)代的推移，平均運(yùn)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(shí)間正序?yàn)檩S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(shí)造型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)處于穩(wěn)定期，擁有較強(qiáng)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(xì)長低趴的扁寬頭形到縮短長度的梭形頭形，這是由于長細(xì)比不能無限制增加， 且過長的流線型長度會嚴(yán)重影響司機(jī)的視野，造成安全隱患[9]。車鉤的設(shè)置與其空間需求決定了鼻頭夾角值不能無限制縮小。同時(shí)，長細(xì)比過高會浪費(fèi)頭車空間，緣于車廂強(qiáng)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(gè)角度較大的迎風(fēng)面，不符合空氣動力學(xué)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(jìn)入發(fā)展期，列車造型開始與流體力學(xué)結(jié)合，司機(jī)室的頂部轉(zhuǎn)折得到流線化處理，造型風(fēng)格開始具有一定的流線感。從時(shí)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(guān)系，流線型長度較短。E7 系的時(shí)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(diǎn)鼻翼的突起，同時(shí)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?yàn)槠涫袌龇错?、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(shè)計(jì)，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(shí)噪音過大）以及經(jīng)濟(jì)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(gè)B 型列車的造型迭代，其列車姿態(tài)逐漸傾斜，迎風(fēng)面的輪廓線保持下壓的趨勢，不僅提升了氣動性能，同時(shí)視覺上也更具速度感，這種構(gòu)建產(chǎn)品譜系的設(shè)計(jì)方法是建立在人們的認(rèn)知規(guī)律之上，因而被認(rèn)為是合理有效的設(shè)計(jì)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(chǔ)所開發(fā)，不同點(diǎn)在于沒有采用700系列車的“鴨嘴獸”設(shè)計(jì)，但仍繼承了700 系的設(shè)計(jì)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(diǎn)高度。

D型扁寬頭形作為分布時(shí)間最新的分型，綜合來看，其造型需求是為了進(jìn)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(jī)室的視野要求[9]，遂將駕駛窗凸出于列車頭部。同時(shí)，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(dú)有的“鴨嘴獸”列車頭部外形。2010年后，高速列車進(jìn)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(jìn)了造型語言的豐富，同時(shí)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(qiáng)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(guān)聯(lián)，相反，新干線造型設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出一種斷裂與繼承的關(guān)系，二者辯證統(tǒng)一，其造型設(shè)計(jì)不被前代列車外觀所限制，而是由日益革新的科學(xué)技術(shù)為之賦能，新干線的造型設(shè)計(jì)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(shù)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(yīng)關(guān)注列車的造型圖譜整合，這也將成為未來列車工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。