第2章 城市地铁车辆及其设计概述
2.1 现代地铁车辆产生及其特点
随着经济的发展和技术的进步，城市化进程加速，城市人口迅速增长，人们的出行成为一个重要的问题。城市交通是一个城市的命脉，关系着城市经济的发展，也是生命安全的通道。经济的发展使整个城市的生活节奏加快，人口流动增大。城市轨道交通由于其方便、快捷、准时的优点，成为城市主要交通运力之一，也是人们出行首要选择的交通工具。
现代轨道交通工具中最具有代表性的就是地铁车辆。地铁，英文为Metro，通常指地下铁路，亦简称为地下铁，狭义上专指在地底运行为主的城市铁路系统或捷运系统；但广义上，由于许多此类的系统为了配合修筑的环境，可能也会有地面化的路段存在，因此通常涵盖了都会地区各种地底与地面上的高密度交通运输系统，是城市交通中运力最大的一种运输方式。
1863年开通的伦敦大都会铁路是世界上首条地下铁路系统，是为了解决当时伦敦的交通堵塞问题而建。当时的地铁车辆是木制车厢，后来为了减少火灾危险改用钢材。1953多伦多地铁车辆，开始改善，使用铝材料，从而有效地降低了车身重量。
地铁车辆是用于运送乘客的现代城市快速轨道交通车辆，不仅需要保证车辆行驶的安全、准点、快速，而且要为乘客提供良好的服务条件，使乘客乘车舒适、方便，同时还考虑对城市的景观和环境的影响。
现代地铁车辆一般具有如下特点：
第一，车辆构造上采用分散的动力布置，由有动力或无动力的动车和拖车组合而成，形成固定编组，操纵台设置在车辆两头，车体各种设备要尽量采用模块化的设计以方便检修。
第二，车辆整体重量轻，车辆通过良好的结构设计成为一个整体，主要采用大口径中空挤压铝合金型材；具有良好减震性能的悬挂系统；制动方式采用的是电气和空气的混合制动；采用自动车钩进行连接；车辆间采用通过量大的封闭式贯行通道。
第三，因为现代地铁车辆承载的是高密度、大流量的城市人群，所以必须具备安全、正点、快捷的优点，而且提供乘客在乘坐时相对舒适、安静的条件。
第四，车辆运行使用自动驾驶系统ATO，并采用世界先进的调频压交流变频器作为主要推进力。
2.2 我国城市地铁发展
近年来，随着我国经济的快速增长和城市化进程的不断加快，城市人口和车辆不断增加，这些都造成了城市交通拥堵、环境污染等问题，阻碍了城市的进一步发展。截至2012年人口普査，中国常住人口前十名的城市人口数目均超过1000万，这样庞大的城市人口数目还在不断增长。
城市交通作为城市的命脉，如何让这些城市的血管保持畅通，是一个城市发展的关键，它关系到如此庞大人群日常生活出行、城市建设、安全问题等。随着中国经济的高速增长，城市化进程的加剧，城市人口急剧增多，交通问题日益困扰着城市的发展。为了让整个城市保持更加有序及良好的交通秩序，纵观整个世界发达国家的城市建设，我们都可以看到城市轨道交通——地铁的修建是城市发展的一个必然趋势。
从20世纪80年代中期，国家就推出在百万人口以上的大城市中逐步发展地铁交通的政策，随后在80年代末，国家制定的产业政策再次明确其在基本建设中的重要地位。2000年开始，国家首次把“发展地铁交通”列入国民经济“十五”计划发展纲要，并作为拉动国民经济持续发展的重大战略，国内地铁建设以大城市与省会城市为主。
据统计，2013年国内地铁车辆招标数量达3137辆，而在2000年中国地铁车辆采购量为698辆，增长达4～5倍之多。据业内专家表示，中国已经进入城市轨道交通快速发展期，预计建设热潮至少持续10年以上。地铁不再仅局限于北、上、广那样的特大型城市，为缓解交通压力，内地城市也修建了地铁，例如：成都、西安、武汉等。由于地铁的运量大、速度快、准点等显而易见的优势，人们在出行中也更加倾向于选择这种方便、快捷的交通工具，它与人们的日常出行关系越来越密切。
2.3 地铁车辆类型和编组
2.3.1 地铁车型
现代地铁车辆型号是指地铁所用车辆的型号。在全世界范围内，现代地铁车辆型号没有统一的标准，都是按照每个地方标准定制的。在国内，现代地铁车辆一般有A、B、C三种型号。三种车型的主要区分是车体宽度。（这里指的是普通的侧面垂直的列车，不是鼓型车）。长度可以靠改变编组来随时变化，高度差别不大。
A型车长22.8米，宽3米；B型车长19米，宽2.8米；C型车长19米，宽2.6米。
A型车具有宽敞、舒适的优点，但它也具有相对较高的造价以及对线路条件、限界、站台、车辆段等要求都很高的缺点。所以目前只有上海、南京（全部为A型车）、深圳、广州部分线路采用A型车。
B型车因为具有相对成熟的加工和制造技术，较低的成本以及维修方便的优点，被目前大部分城市采用。
下面图表是A型车、B型车、C型车的交通等级表以及技术规格。
表2-1 现代城市轨道交通等级表
表2-2 车辆主要技术规格
2.3.2 现代地铁车辆编组方式
现代地铁车辆有多种形式，主要有动车（M, Motor）和拖车（T, Trailer）、带司机室车和不带司机室车等。动车是带有动力牵引装置的车辆，拖车则是没有动力牵引装置的车辆；动车有带受电弓的动车和不带受电弓的动车两种形式。
动车：带司机室动车（Mc）、无司机室动车（M）。
拖车：带司机室拖车（Tc）、无司机室拖车（T）。
现代地铁车辆的运营方式是列车编组运行，编组形式有动车和拖车混合编组或者是全动车编组。现代地铁车辆本身带有动力牵引装置，所以既有牵引又有载客的功能。目前国内地铁车辆的主要编组形式有六辆编组和四辆编组，这主要是结合线路以及客流量等因素确定的，六辆编组的编组形式有四动二拖、三动三拖，四辆编组采用的是两动两拖的形式。车辆根据需要采用自动、半自动车钩或半永久牵引杆来连接。
图2-1 现代地铁车辆编组形式
2.4 地铁车辆造型元素分析
现代地铁车辆是由许多相对独立的结构部件有机地结合在一起，互相配合来实现地铁车辆安全可靠、高品质的运行。
现代地铁车辆一般由七部分组成，如下：
1．车体
车体是安装与连接其他设备和部件的基础，主要包括底架、端墙、侧墙及车顶等几个部分。
2．动力转向架和非动力转向架
其包括框架、悬架、砂轮轴箱装置和制动装置等。
3．牵引缓冲连接装置
现代地铁车辆是编组运行的，车辆之间的连接需要借助连接装置。为了改善列车纵向平稳性，一般在车钩的后部装设缓冲装置，以缓和列车的冲动。
4．制动装置
制动装置是现代地铁车辆安全运行的保证，主要的车辆制动系统有空气制动系统、制动电阻及制动轨等。
5．受流装置
受流装置指的是将电流从接触导线或导电轨引入动车的装置。
6．车辆内部设备
固定装置包括车辆电气、通风、采暖、空调、座椅、把手等。
7．车辆电气系统
车辆电气包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。按其作用和功能可分为主电路系统、辅助电路系统和控制电路系统三个部分。
图2-2 现代地铁车辆车身造型设计元素
现代地铁车辆车身造型设计元素一般分为车头和车体两部分。
车头部分的基本造型元素有显示装置、前窗、逃生门、车灯、面罩、前立柱、司机室车门、雨刮器等。
车体部分的基本造型元素有侧墙、侧窗、车顶、车门和底架。
2.5 现代地铁车辆设计
现代地铁车辆主要是在城市及市郊运行，站与站之间的距离近，其最高运行速度一般设计为80～90 km/h，空气阻力对车辆造型设计的影响并不那么明显，所以在很长一段时间里国内外现代地铁车辆的车头造型一直是“四方钝头”的生硬设计。
现代地铁车辆的设计要切实符合人们的使用，在满足现代地铁车辆系统功能的要求下最大限度地达到美观、安全、健康、舒适的效果。在我国，地铁建设事业起步较晚，直到20世纪50年代才开始起步，1999年以后，达到建设的高峰期，但是有很多先进技术直接从国外引进。现在，虽然已经能够掌握并独立制造现代地铁车辆，但大多集中在技术领域，在相关的工业设计方面却是一片空白，造型设计一般从国外引进，或者直接买进现成的车辆进行修改。
现代地铁车辆工业设计主要包括三个方面的内容：一是整车外观设计，二是地铁车厢内饰设计，三是驾驶室内部设计。
地铁车厢内部是一个特殊的环境，由于它的客流量很大，运营时间长，在乘客乘坐过程中内部空间设施的一些问题便暴露出来，部分设施的设计不够完善、考虑不够周全，且容易磨损、不耐脏、不易清洁，空间的美感不足、人们获取信息的渠道不顺畅等，这样的乘坐环境势必会对乘客的乘坐体验产生一定的影响。
此外，轨道交通工具驾驶室是轨道交通的控制中枢，是驾驶员获取信息、做出决策，并对系统进行控制、完成各项任务的作业空间，其人机工程设计的合理性对轨道交通工具运行安全、驾驶员作业的高效性、舒适性以及身体健康起关键性作用。目前，我国轨道交通的发展已处于世界前列，并已掌握一些核心技术，但由于一方面轨道交通工具的技术引自国外，车内的各种设施包括驾驶室座椅、操纵台等都是按照国外的人体尺寸和各种标准设计，导致轨道交通工具驾驶室的人机设计不能真正满足我国驾驶员的要求；另一方面，列车运行控制技术已发生很大变化，越来越多的电子设备用于驾驶室内，显示器和控制器增多，导致人机之间信息交流量急剧增加，驾驶员认知与操作负荷增大，在长时间的驾驶过程中，导致身体和精神疲劳，影响驾驶员的认知与作业绩效，给列车运行安全带来隐患。
不断发展的科学技术以及人们不断提高的审美观，造成了产品的研发不仅要满足功能的需求，更加需要符合大众审美的造型。我们的社会里高技术越多，我们就越希望创造高情感的环境，用技术的软性一面来平衡硬性的一面。纵观体验经济、情感社会，都与后现代社会要抓住用户的内心情感不谋而合。鉴于此，现代地铁车辆的造型设计，已经逐渐从注重技术忽略造型的阶段发展到现在的同时兼顾造型与技术的阶段，从最初的机械生硬发展直到现在外观平滑流线，样式也变得多样化。现代地铁车辆设计不仅需要完善的功能技术，更要求设计师按照大众的审美需求结合科技的发展、时代精神来重视其工业设计。