宽轨货运电力机车涂装设计与评价_范沁红.pdf

第 卷第期 年月太原理工大学学报 引文格式：范沁红，贾显淯，江星辰，等宽轨货运电力机车涂装设计与评价太原理工大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：山西省科技平台资助项目（）；山西省科技重大专项资助项目（）；太原科技大学博士启动项目（）第一作者：范沁红（），博士，副教授，主要从事工程机械与车辆工业设计及人机工程技术的研究，（）宽轨货运电力机车涂装设计与评价范沁红，贾显淯，江星辰，李浩林，王佳棋，（太原科技大学 机械工程学院，太原 ；燕山大学 艺术与设计学院，河北 秦皇岛 ）摘要：为使宽轨货运电力机车的涂装设计更加全面、科学、合理。采用模糊层次分析法（）对涂装设计要素进行了分析并确定其重要性排序，进而指导设计的完成。对涂装方案根据设计要素指标进行模糊评价，并结合眼动试验的客观评价结果，进行涂装方案的优选排序。通过出口白俄罗斯的宽轨货运电力机车涂装设计的案例，证明了 在机车涂装设计过程中的可行性，赋予了设计过程的全面性与合理性。通过模糊评价法与眼动试验对方案进行了评价，为机车涂装方案的设计评价提供了理论依据，体现了方案优选的科学性。关键词：机车涂装设计；模糊层次分析法；眼动追踪试验；工业设计中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，）：，（），：；随着全球轨道交通运输方式需求的持续提升，我国轨道交通装备的性能水平也得到迅速发展，出口份额在国际上占有了一席之地。货运电力机车也将像高铁一样成为我国另一张靓丽的名片，发挥促进“一带一路”沿线国家文化交流的作用，货运电力机车涂装设计也因此越发重要。针对用于出口到白俄罗斯的宽轨货运电力机车的涂装设计，采用基于模糊层次分析法（，）的设计方法，对影响机车涂装设计的因素进行了深入分析并指导设计。模糊层次分析法通过充分利用模糊数学的研究成果，将层次分析法扩展到模糊环境中，以解决判断矩阵是否具有一致性比较困难、判断矩阵的一致性与人类思维的一致性有差异的问题。模糊层次分析法可以将复杂的设计要素层次化、有序化，从而呈现出更具有设计逻辑的设计方案，近几年在工业设计领域内被广泛应用。文献 运用模糊层次分析法构建多层设计指标体系，使得设计方案实现了装饰性、功能性和文化性的有效融合。文献 运用模糊层次分析法有效地挖掘用户的真实需求，强化了用户需求与产品功能的关系，最大程度地满足了用户不同层次的需求。文献 通过将模糊层次分析法针对产品需求点进行重要程度分析，并作为依据进行方案设计，实现了产品属性与设计要素之间的匹配。本文运用模糊层次分析法，充分考虑机车涂装设计的影响因素，以实现机车涂装设计上美学性、技术性、文化性的和谐统一。在完成机车的涂装设计后，采用模糊评价法对设计方案进行主观评价，并结合眼动试验的客观评价结果，从备选方案中选出令工业设计师生与机车设计人员满意的方案。模糊评价法是常见的专家主观评价方法，利用层次分析法确定的指标权重进行模糊评价，被广泛地应用于产品方案的评价与优选中。本文将模糊层次分析法得出的设计指标作为评价指标，根据模糊权重，对涂装方案进行模糊评价。人类在从外界获取信息的过程中，有 的信息是通过视觉进行搜集的。眼动追踪技术是通过记录眼球的活动，来检测被试者心理活动的有效手段。近年来眼动追踪技术在产品方案的评价优选中被广泛应用 。本文将通过基于熵权法的眼动试验对备选涂装方案进行评价，并综合模糊评价的结果，从而得出更加科学、全面的宽轨货运电力机车涂装设计方案。机车涂装设计宽轨货运电力机车的涂装设计过程中不仅需要满足各项技术指标而且要兼顾当地文化与企业特色，涉及美观、功能、技术等多方面因素，故采用模糊层次分析法（）进行设计要素的分析。宽轨货运电力机车的设计流程如下：首先运用 对设计要素指标进行权重确定与重要程度排序，并根据重要程度对设计要素进行深入分析；然后根据指标重要程度与分析结果对机车涂装进行设计。设计指标体系的构建通过对宽轨货运电力机车的涂装设计进行调研，搜集工业设计师生以及机车设计人员的意见并查阅相关资料，构建宽轨货运电力机车涂装设计的设计要素指标体系。设计要素指标体系包括目标层、准则层和方案层个层次。目标层为宽轨货运电力机车涂装设计（），准则层包括美学性指标（）、技术性指标（）以及文化性指标（），指标层由影响涂装设计的个指标组成，关系构成如图所示。对各设计要素指标进行分析说明如表所示。图涂装设计要素指标体系 模糊层次分析法构建模糊判断矩阵根据指标对涂装设计的指导作用，通过两两比较来确定各个指标的重要程度。采用如表 所示的互补型标度值来表示各个指标的重要性，构造模糊判断矩阵。由设计专业师生和机车设计人员，根据的标度，对指标层通过两两比较。将设计要素指标与设计指标要素相比的重要度记为，如公式（）所示建立模糊判断矩阵（）.（）第期范沁红，等：宽轨货运电力机车涂装设计与评价表设计要素指标说明 指标层设计要素指标分析说明预期 目 标 感 知 意 象对意象词打分并求取均值，作为机车涂装设计的预期目标意象整体 局 部 的 协 调 性涂装配色与机车所需配备的各种标志、文字相互协调机车 人 机 工 程 要 求拖车车钩、把手、脚踏平台的需满足警示与提醒要求机车 的 转 型 与 升 级货运机车后续转型为客运机车，涂装设计兼顾客运机车属性特征机车 的 开 发 可 行 性涂装配色对应机车公司提供的色卡，并满足 的要求成本 的 预 估 与 控 制机车涂装设计的成本由机车公司进行计算和评估地域 元 素 有 机 融 合机车涂装需要与白俄罗斯民族文化相适应彰显 企 业 形 象 特 征机车涂装需彰显出机车公司的企业形象运行 环 境 的 适 应 性机车涂装需要与车站等场景相协调涂装设计要素指标体系模糊权重计算文献 给出了一种模糊判断矩阵排序的通用方法，且所需的计算量较小，求解公式如下。（），（）经过公式计算得到权重之后，还需进行一致性检验。本文采用相容性矩阵指标来检验矩阵的一致性，过程如下：设模糊判断矩阵（）的权重向量为（，），根据公式进行变换得到，其组成的矩阵（）既是矩阵的特征矩阵，又是一个模糊判断矩阵。根据公式（）计算矩阵与矩阵的相容性指标（，）（），（）（，），（）设判断标准为，当相容性指标（，）时，可以认为模糊判断矩阵是满足一致性的，一般取.当共有个专家进行打分并给出模糊判断矩阵时，则 会 产 生个 模 糊 互 补 判 断 矩 阵（），进一步有个特征矩阵（），其中，；，.若模糊判断矩阵以及特征矩阵进一步满足不等式（）（）（，），（）（，），（）式中：，为个专家中任意两位专家的模糊判断矩阵。则模糊判断矩阵通过其一致性检验，根据文献 可知其综合判断矩阵也通过其一致性检验，故可用个权重向量的均值作为设计要素指标体系的综合权重 ，并根据权重的大小确定设计要素指标的重要程度排序，指导更深入的设计分析。设计分析确定设计要素指标权重邀请位工业设计师生和位机车设计人员，对所建立的基于 的货运宽轨电力机车涂装设计要素指标体系中的指标层，按照如表所示的级标度法进行模糊重要性评价，并构建模糊评价矩阵。其中以一名专家对指标重要程度的模糊评价为例，根据公式计算出权重，如表所示。表标度值及其含义 标度值含义 元素极端重要于元素.元素强烈重要于元素.元素明显重要于元素.元素稍微重要于元素.元素与元素同样重要.与.相反，元素稍微重要于元素.与.相反，元素明显重要于元素.与.相反，元素强烈重要于元素.与.相反，元素极端重要于元素表一名专家的涂装设计要素模糊权重 项目权重排序.太 原 理 工 大 学 学 报第 卷由公式（）求出，根据公式计算验证该模糊判断矩阵的相容性（，），故模糊判断矩阵一致性通过。经检验，名专家进行模糊打分构成模糊判断矩阵及满足公式（）与公式（），故宽轨货运电力机车涂装设计的综合权重 （保留小数点后位）。（.）由权重可知，涂装设计要素指标的重要程度由高到低的排序为：，前五位的指标分别为：方案的开发可行性、机车人机工程要求、预期目标感知意象、地域元素有机融合、整体局部的协调性。涂装方案的形成根据设计要素指标的重要程度排序，对排名前几位的美学性指标与文化性指标进行分析。白俄罗斯文化性分析在进行列车涂装设计时，结合地域文化是非常必要的，因此设计选色时，应将乘客心理因素、民族文化相结合 。针对设计要素指标体系的文化性指标中“地域元素有机融合”和“运行环境的适应性”两个指标，分别对白俄罗斯的机车场景图意象和白俄罗斯的人文文化进行分析。如图所示为白俄罗斯的主要工业火车站：莫济里（）车站、克鲁普基（）车站、明斯克（）车站、巴拉诺维奇（）车站、维帖布斯克（）车站。图白俄罗斯车站场景 白俄罗斯目前重要的车站以及铁路枢纽的建筑样式独具年代感，这和其经济发展及基础设施的建设有着密切的关系，因此针对“运行环境的适应性”进行机车涂装设计时，要注意和这些老式车站外观之间的衔接，既不能过分前卫，又不能过于老旧而与时代脱节。白俄罗斯车站的风格都带有浓厚的宗教风格。白俄罗斯的宗教与民族事务管理机构提供数据显示，白俄罗斯人具有宗教信仰，其中东正教教徒占信徒总数的 。白俄罗斯推行“双国语”模式，使得立陶宛、波兰和俄罗斯文化符号的多元并存。故针对“地域元素有机结合”的设计要素指标，进行涂装图案样式的设计及涂装颜色的选择，都要与其独特的宗教文化相适应。构建涂装预期感知意象选择出适合描述宽轨货运电力机车的意象词并组成词对，得到组共 个用于描述机车外观意象的感性词对。利用这些形容词构建相应的 级量表，收集普通乘客、设计专业师生、机车公司工作人员对第期范沁红，等：宽轨货运电力机车涂装设计与评价于宽轨货运电力机车的感性意象形容词的偏好程度，并对评价结果进行统计分析。对打分结果取平均值，该平均值为宽轨货运电力机车涂装的预期目标意象，如图所示。图宽轨货运电力机车涂装预期意象 在进行后续的方案设计阶段，图所示的 级量表，即为设计要素指标中的指标所要求的涂装设计期望的目标感知意象。现有机车分析为满足美学性中“整体与局部的协调性”和文化性中“彰显企业形象特征”的设计要素指标，在调研阶段，对机车公司现有机车进行分析。针对机车涂装设计，对现有机车车头的车身色彩分割与颜色分析，如表、表所示。通过分析可得：）货运电力机车配色基本上都采用种配色，大多数机车的主体色占比超过，较少的机车的主体色占比少于；）涂装配色的区域会按照一定的功能进行划分，比如照明灯与辅照灯的部分会进行颜色的区分，以及规定区域会采用橙色警戒颜色进行提醒；）涂装配色区域的图形为直线组成的几何图形，整体感知硬朗规整。表机车涂装分析 车型 型神华 型中白号中白号车身色彩分割车身色彩比例表机车涂装分析 车型韶山型韶山型韶山型韶山 型韶山型车身色彩分割车身色彩比例机车涂装设计与评价机车涂装设计综合考虑设计要素指标及其重要程度，并进行深入调研分析后，设计出个系列的涂装图形样式，从左往右依次为启辰系列、卓航系列、寰宇系列，如图所示。色彩搭配设计过程中，要符合色彩搭配的基本协调原理，要考虑类似色、临近色、对比色和互补色的协调应用。根据涂装设计要素指标，对上述种涂装样式进行上色，共设计出种配色，分别为灰影黄、魅力橙、素雅绿、工业蓝、悦动红，如图所示。根据涂装样式的设计与配色风格，最终设计出款涂装配色方案，如图所示。图机车涂装图案样式设计 机车涂装的模糊评价对于设计方案不应仅采用肯定或者否定的评太 原 理 工 大 学 学 报第 卷价，而应是多因素影响的决策过程。因此，采用模糊评价法根据设计要素指标体系，对宽轨货运电力机车的涂装设计方案进行评价。图宽轨货运电力机车涂装配色 图宽轨货运电力机车种涂装方案 首先，设定评价指标，评价指标即为涂装设计要素指标体系中的个指标。根据种偏好程度建立宽轨货运电力机车涂装设计方案的评语集 非常满意，满意，一般满意，不满意，非常不满意。其次，构建主观打分表，组织被试人员对每个涂装方案进行主观评价打分并进行汇总统计。名工业设计师生与名机车设计人员，共 名被试人员对机车涂装进行评价，结果如表所示。表涂装配色方案 模糊评价打分 评价指标非常满意满意一般满意不满意非常不满意 通过工业设计师生与机车设计人员依据