地鐵車內扶握系統設計現狀與優化研究

姜亮　魯曉濤　何思俊　安靜

摘要：地鐵車內扶握系統是利用率最高的服務設施，為了提升立席乘客的舒適性和分布均勻性，改善車內空間利用和乘客體驗。對車內扶握系統進行分類，分析了橫桿、立桿、吊環和扶手的現有設計形式、CMF及安裝工藝，歸納了扶握系統的3個主要作用，通過建立符合中國成年人體尺寸的人機設計約束，和開展乘客對扶握系統的偏好調查。總結出車廂兩側和車門區是乘客最愛站立的位置，倚靠墻板和抓握立桿的人數多于其他4類使用方式。提出了扶握系統人機尺寸、布局方式和美學設計的優化建議，并在實際案例中進行了應用。

關鍵詞：地鐵列車 扶握系統 人機優化 功能布局 CMF設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 05-0110-03

引言

地鐵是城市軌道交通的重要組成，承擔著城市絕大部分的公共交通運量。截至2019年，全球有75個國家開通城市軌道交通，其中有59個國家運營地鐵，在地鐵、輕軌和有軌電車三大制式中，地鐵占550玷，中國的地鐵里程占到了全世界的37.78%，排名世界第一[1]。國內新增城軌運營線路中，地鐵占85.96%，從客流規模看，北京、上海、廣州和深圳在世界城軌客流負荷強度中分別位居第1、3、5、7、8位[2-3]。《交通強國建設綱要》更明確地提出城市應優先發展公共交通，提高軌道交通通勤化水平…。可以說我國正處在地鐵發展的黃金時期。

隨著地鐵使用需求的增加，必然帶來擁擠的車內環境，地鐵的車內座席不足定員的1/4[5]，絕大多數人靠車內的扶握設施保持站立姿勢，在高峰時段，車內長久站立會引發人體肌肉疲勞、心率和血氧飽和度下降，帶給人強烈的不適感[6]，而多項研究表明[7-9]，車內不適與車內設施設計息息相關。隨著人們生活水平的提高，對出行的需求早已從功能型轉向了舒適性[10]。在大運量地鐵系統中，通過優化車內扶握設施來改善乘客的乘車體驗將比優化座椅更具普適價值。

一、扶握系統構成現狀及作用

（一）扶握系統的構成現狀

我國的絕大部分地鐵車輛的扶握系統都由橫桿、立桿、吊環和扶手4類組成，橫桿、立桿和扶手又統稱為扶桿。

1.設計形式：橫桿是指由緊固件直接固定在車頂型材上的扶握件，一般為長直線縱向排列，部分車型為增加扶握點位，橫桿兩端用弧形連接，形成一個橢圓的閉環，或者在中央門區車頂增加正圓型橫桿，不同的車型橫桿設計形式有細微變化，但有兩項主要的特征：①安裝在車頂，為乘客提供高扶握位的管具統稱橫桿;②橫桿布置在座前區車頂、中軸線車頂和門前區車頂其中的位置。

立桿是連接地板和車頂的扶握件，立桿只被布置在車廂中軸線上。通常以中央門區中心線為基準，確定一根中央立桿，其余立桿按一定間隔呈“一”字排開。立桿的形式以單根式、二分式和三分式最為常見，立桿適用于所有身高的旅客。

吊環是安裝在橫桿上的輔助抓握裝置，可為乘客提供少量的低扶握位，吊環的形式分為無把手和有把手兩類，無把手可稱作吊帶。吊環造型多樣，由于人體手部關節較多，構造精密，吊環是人機工程學和美學設計的重點。

扶手是指固定在車體側墻的輔助扶握設施，又稱側墻版扶手，一般布置在車門或縱向座椅的兩側以及無障礙座席區。車門兩側扶手設計形式較為單一，絕大多數半嵌入門框上，座椅兩側扶手根據有無座椅側擋板形式不同，有側擋板時，側擋板外包扶手，無側擋板時扶手從座椅底板連接到車頂板上，扶手在非高峰期只作為上下車乘客的過渡，不是主要的扶握設施。

2.CMF及安裝工藝：用色方面，扶桿通常為金屬裸色，潔凈感好，且易于清理，立桿和扶手的中部可外包PVC材料增加握感，PVC材料在乘客的視覺中心，一般與車內主題色調保持一致，而吊帶與吊環的用色空間較大，因其視覺面積較小，可合理選用飽和度稍高的明亮色，與車內環境色形成對比，給人醒目感。

材料運用上，車內扶桿多為不銹鋼或鋁合金管，如北京地鐵16號線扶桿采用06Cr19Nil0（ 304）不銹鋼管材，哈爾濱地鐵1號線為鋁合金管材。扶桿表面采用拉絲、電泳、噴砂或拋光處理，在立桿和扶手的中部扶握區進行噴砂，或用PVC材料包面。吊帶則以聚碳酸酯（PC或防彈膠）為主，材料穩定性好，抗沖擊能力強，不會斷裂;吊環由TPU阻燃織帶和工程塑料（不透明）或有機塑料（透明）組成，TPU織帶具有良好的阻燃防火性和牢固性，工程塑料重量輕，成型方便，易于實現各種造型，成本低，可經常更換。國外地鐵中也常見皮革的表面加工方式，但費效比高，不適合我國國情。

安裝工藝方面，立桿底部插入管座中，管座內的安裝座通過M10螺釘固定在車廂地板上，立桿頂部通過連接板固定在車體吊梁。橫桿直接通過連接板安裝在車體吊梁上，橫桿間通過連接座拼接，M10螺釘緊固。扶手一般采用現車鉆眼、攻絲、緊固的方式安裝在門區、貫通道或無障礙區。吊環裝置由安裝座、連接件和吊環三部分組成，只安裝在橫桿上。

（二）扶握系統的作用

地鐵車輛在運行的過程中，整體較為平穩，但在過彎、加速和制動時，由于離心力和正負加速度作用，站姿乘客人體質心會被擾亂，在一定程度上失去平衡。我國地鐵的運營速度在80-120Km/h，運營速度越高失衡作用越明顯。因此，為身體提供支撐，維系平衡是扶握系統的最重要作用。其次，緩解長時間站立乘客的肌肉疲勞和提升車內空間設計質量、營造不同文化主題和審美風格的車內環境也是扶握系統的主要功能。

1.維持平衡：縱向加速帶來的身體不適主要是失衡引發的，人體在失去平衡的時候通過扶握件能快速恢復到正常狀態，不同類型、高度和尺寸的扶握件提供的抓握力有顯著差別。在列車緊急制動時，握住立桿和靠在靠背上都能幫助身體保持平衡，但一經失衡，立桿能幫助乘客快速恢復，靠背則不能[11]。而在車輛加速時，高抓握位的橫桿抓握力最低，低于肩膀位置扶手和立桿[12]。因此整體而言，扶握系統中對人體平衡的維持能力：立桿>扶手>橫桿>吊環。設計的重點是橫桿和吊環高度。

2.緩解疲勞：乘客在長時、振動的情況下保持同一種站立姿勢極易產生疲勞感。這種疲勞的作用機理是：車輛的加減速、轉彎和顛簸是不固定的，具有周期性和隨機性，上背部和手臂肌肉會處在間歇緊張的狀態，而扶握件可通過手部施力對姿勢進行動態調整，緩解局部肌肉不適。因此何種造型和尺度提供的抓握力最優是扶握系統設計中必須考慮的問題。

3.提升美感：扶握系統雖然是功能型設施，但協調優美的扶握件設計可以對車內視覺環境起到畫龍點睛的作用。在線條運用方面，吊環常見圓形、方形、橢圓及三角形態，給人的視覺意象不同，圓形較為柔美、趣味，如香港迪士尼地鐵的圓形米老鼠吊環，與列車線路主題遙相呼應，顯得溫暖有趣。而方形能突出英朗的設計風格，三角形則更簡約、穩定。使用何種造型語言要根據線路人文特征和車內整體風格確定，優秀的設計讓扶握件更像是點綴車內的藝術品。

二、人機約束與使用偏好

（一）設施人機約束

《中國成年人人體尺寸》 （GB 10000-88）是我國運用最為廣泛的人體尺寸參考標準。在扶握系統設計中，橫桿高度、吊環高度、吊環間隔、吊環內徑和扶桿直徑是關鍵的幾項人機參數。結合《在產品設計中應用人體尺寸百分位數的通則》（GB/T12985-1991）提出各關鍵參數臨界值的計算方法如下，單位為mm。

橫桿高度>P95男（身高）+穿鞋修正量=1775+25 =1800;

吊環高度≤P5女（肩高+上臂長+前臂長+1/2手長）+穿鞋修正量=1195+262+193+79.5+20=1750：

吊環間隔>P95男（胸厚）+著衣修正量=245+18=265;

吊環內徑>P95男（手寬）=90。

橫桿高度從不碰頭，不影響逃生的角度出發，應滿足高于第95百分位男性身高，即要大于1800mm。吊環高度從滿足第5百分位女性的抓握需求出發，最好不高于1750mm。這樣車內扶握設施的高、低握位才能滿足絕大多數中國乘客的使用需求。吊環間隔假設在擁擠情況下乘客都面向列車行駛方向站立，至少應大于第95百分位的男性胸厚，固不能低于265mm。此外，研究表明老年人的握力只有年輕人的70%左右，老年人更適宜較細的扶手來保證抓握力[13]。考慮目前國內地鐵使用φ32mm和φ38mm管材居多，建議扶桿使用φ38mm，而扶手使用φ32mm。

（二）乘客偏好調查

對車內乘客的站立位置選擇偏好和扶握設施使用偏好進行調查，有助于解決車內扶握設施的布局問題。以問卷調查的方式設計地鐵列車扶握系統使用偏好問卷，包含4項基本信息和2項問題，通過網絡平臺收回有效問卷226份，剔除在“是否乘坐過地鐵”的信息項中回答“否”的樣本，實際有效的樣本數為220份，男女比例均衡，18-60歲樣本占比90.45%，中位身高占比83.lgo玷，如表1所示。整體呈正態分布，說明樣本數據有效。

將問卷數據錄入SPSS統計軟件進行信效度分析，克朗巴哈系數a=0.933，一般當1>α（>0.8時，說明統計數據有較好的信度。按站立位置和設施使用方式的選擇頻次進行統計，結果如圖1所示。在站立位置選擇方面，有38%乘客選擇車廂兩側的無座席區，車廂兩側端部一般不設扶桿，這一數據與25%的乘客選擇倚靠墻板相對應。其次有26%的乘客選擇車門區。實際上，車廂兩側和車門區并不是扶握系統最集中的地方，抓握點位最多的座前區反而人數不多。這說明需要調整扶握系統的分布，使車內乘客密度更均勻，才能避免局部擁擠的發生。對扶握設施使用方式的統計結果可以看出，25%的人習慣倚靠墻板，通常是在車廂兩側，其次23%的人習慣抓握立桿，因為立桿可以自由調節抓握高度，以便乘客維持在舒適的姿勢，抓握吊環比抓握橫桿的人更多，而使用扶手的人是最少的。

三、人機與布局優化建議

通過對車內扶握系統的人機尺度與偏好研究，結合扶握系統的基本功能和CMF設計現狀，從物理尺度、功能布局和美學設計三方面歸納了地鐵列車扶握系統的設計策略。

（一）人機尺度

以實現“抓得到、不碰頭、抓位多”為基本原則，模桿主要滿足乘客的高握位需求，吊環需滿足乘客的低握位需求，橫桿為固定設施，碰頭會影響乘降和疏散效率，造成安全隱患[14]。結合前文約束分析和《客車結構安全要求》（GB13094-2007）中給出的橫桿最高建議值綜合考慮，橫桿高度以1800-1900mm為宜。吊環為非固定活動連接，雖然有碰頭的可能但一般不會阻礙逃生，吊環應低于1750mm，考慮不遮擋立席乘客視線，應高于人體最大眼高1705mm，因此吊環高度宜為1705-1750mm。吊環間距最極端情況為側身站立，即大于第95百分位男性胸厚，但從空間利用的角度考慮，最大不應超過第95百分位男性肩寬403mm，取265-403的中間值較為合適。吊環內徑可取上文中的極小值90mm。

（二）功能布局

扶握系統布局需考慮對乘客站立位置的引導，合理的乘客分布能使列車乘用效率最大化。車門區是列車乘降的重要區域，應盡量避免乘客在此滯留，因此車門區建議不設橫桿，可有過渡用扶手和單根式立柱。從調研的情況來看，車廂兩側乘客較多，但扶握設施不足，可考慮在車廂兩側增設橫桿和吊環。為了增加抓握點位，除車門區的其他區域立桿可采用二分式或三分式，具體根據車型而定，B型車考慮單根式和二分式立桿，A型車可使用二分式或三分式立桿，并可在立桿上加裝橫桿和橫桿附屬吊環。

（三）美學設計

地鐵內飾設計中除了座椅，扶握系統是最具外觀表現價值的設施，吊環設計可以抽取地域文化中的代表形態，盡量體現線路的獨特性，避免同質化設計。用材上也可以用多種復合材質，如在握面用顆粒狀橡膠，提升設計的精致感。立桿造型與乘客流動息息相關，變換設計方式需經過行人運動學仿真驗證，看是否阻礙通行。用色上，主要是立桿扶握區外包材料顏色和吊環顏色需符合列車設計主題，建議為同一色系，或因吊環顏色面積小，可在飽和度和明度上比立桿扶握區高一級，以體現車內視覺環境的層次感。

四、扶握系統設計實踐

以廣州地鐵21號線設計任務為例，設計了單根式立桿如圖2（a）、圖2（b）和二分式立桿如圖2（c）、圖2（d）所示。立桿直徑為38mm，使用不銹鋼噴漆避免裸色金屬給人的冰冷感，外包PVC有助于提升防滑性。單根式立桿突顯廣州南竹文化，在色彩和材質上用了竹節元素對抓握處進行分割，引導乘客在扶握時保留手部間距，避免皮膚接觸帶來的心理不適。二分式立桿可用于非車門區或高峰期編組，扶握范圍涵蓋了第5百分位至第95百分位人體肘高，小臂可與身體垂直平握，維持較為舒適的姿勢。單根式和二分式均搭配了廣州地鐵21號線的主題色藍紫色和補色系的淡黃色兩種用色方案。藍紫色與車內環境更為協調，黃色則更為醒目。

吊環設計從人機安全性（抓得牢）和美觀性方面考慮，使用安裝座、銜接帶和抓握環的通用結構組成，吊環內徑為90mm，大于第95百分位男性手寬，普通圓形抓握環為工程塑料制的正圓形，表面的防滑性欠佳，因此考慮在圓形的基礎上增加造型的曲面轉折提升手部接觸面，并在手掌貼合處使用硅膠等材質做表面處理，以達到增加握力的目的。如圖3所示。不同材質的運用提升了吊環的精致感，使用預制件拼貼不會額外增加成本。

在現有車型扶握系統的基礎上，提出了一種改進式布局，如圖4所示。取消了座前區橫桿上的低握位吊環，將抓握點位集中布置在車輛中軸線上，這樣不影響兩側座席乘客入座，車內立桿采用多分式的設計，目的是將乘客都引導在車廂中部站立，避免車門區和座前區的局部擁擠。根據前期研究，車廂兩側是乘客最多的區域，但現有車輛在此區域的扶握設施數量不足，新方案在車廂兩側的無座席區增設了立桿、橫桿和扶手，車廂兩側區域對列車乘降的影響最小，可作為立席乘客分布的主要區域。新方案在整體上提升了抓握點位布局的均勻性，對緩解車內擁擠提高用車效率有一定幫助。

結語

地鐵列車中的扶握系統是車內設計中較易被忽視的部分，就利用率而言，地鐵的扶握件是最為主要的服務設施。首先，從工業設計的角度詳述了扶握系統的分類、設計形式、CMF及功能作用，厘清了車內扶握系統與乘客的交互機理。其次，從人機適配和使用偏好層面開展尺度測算和調查分析，提出了具有普適意義的人機設計參數和布局建議，以期對我國標準化地鐵的研制工作提供有益參考。最后，將分析結論運用在實際案例中，設計了扶桿、吊環及布局的改進方案。.

基金項目：國家重點研發計劃資助項目（ 2017YFB1201103-9，2017YFB1201103—10， 2017YFB1201103-11， 2017YFB1201103-12）.

參考文獻

[1]韓寶明，陳佳豪，楊運節，等2019年世界城市軌道交通運營統計與分析綜述[J]都市快軌交通.2020，33 （01）：4-8

[2]中國城市軌道交通協會，2019年中國內地城軌交通線路概況[EB/OL] http： //www.camet.org.cn/index.pbp？m=conterrt&crndex&a-show&catid-43&id-19329. 2020-4-15

[3]中國城市軌道交通協會，中國城市軌道交通2018年度數據統計[J]隧道建設（中英j9，2019，39 （04）：694-697

[4]中共中央，國務院交通強國建設綱要[Z] 2019-09-19

[5]北京市規劃委員會，GB 50157-2013地鐵設計規范[M]北京：中國建筑工業出版社，2013

[6]趙夏萌，盧春霞，軌道交通高峰時段乘客生理信號特征提取[J]石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2019，32（03）：59-65

[7] NeLoC，de OliveuaPL，SantosCMDErgonomical and statistical aspectsin the desWi ofa subway curiage[J]Gestao&ProduSao，2002，9（1）：93-105

[8] SuzukiH，ShirotoH，NakagawaC，etd Developmerrt and utilization of ride comfort simulator[J]QuartelyRepon of RTRI， 2006， 47 （4）： 205-210

[9]趙亮，陳峰，吳奇兵，鼽道交通車輛服務設施的合理布置[J]鐵道運輸與經濟，2009，31 （06）：65-68

[10]吳奇兵，陳峰，劉暢，基于舒適性的軌道交通車廂合理立席密度研究[J]綜合運輸，2014 （04）：53-58

[11] RobertT，Beillas P' MaupasA，etd Conditions of possible head impacLs for standing passengeis in publictransportation： an experimental study[J]Internationaljoumal of crashworthiness，2007，12 （3）：319_327

[12] SanafTA，MarigoldD S，RobinovitchSN Maintaining standing balance by handiail grasping[J]Gait&Posture，2014， 39 （1）： 258_264

[13] UetakeT，Shimoda M. Experimental study on the grip and hold strength for stanchions and handrailsm buses[J]Journal of human ergology， 2006， 35 （1-2）： 11-19

[14]王碩，李然，安靜地鐵客室扶握系統優化設計研究[J]設計，2020，33 （05）：16-19