新型司控臺(tái)在低地板車(chē)輛上的應(yīng)用

■ 周飛

周飛：南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)部，助理工程師，江蘇 南京，210031

低地板車(chē)輛以其方便旅客乘降、編組多樣、運(yùn)行靈活、投資少、建設(shè)速度快、與現(xiàn)有公交站臺(tái)和路面資源共享等特點(diǎn)，非常適應(yīng)大城市的支線交通和中小城市干線交通的需求，有著廣闊的市場(chǎng)前景。作為安裝與車(chē)輛駕駛密切相關(guān)設(shè)備的司控臺(tái)，對(duì)整車(chē)牽引、制動(dòng)、空調(diào)、車(chē)門(mén)和廣播等系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)檢測(cè)列車(chē)運(yùn)行信息，以保證列車(chē)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 司控臺(tái)輕量化設(shè)計(jì)

低地板車(chē)輛發(fā)展的趨勢(shì)在于輕量化、適合小半徑曲線及適應(yīng)不同運(yùn)量。輕量化設(shè)計(jì)的理念在于低成本、低消耗。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)及相對(duì)落后的評(píng)價(jià)手段已不能適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求。因此，在滿足相應(yīng)法律及規(guī)范的同時(shí)，運(yùn)用這一理論設(shè)計(jì)符合低地板車(chē)輛的司控臺(tái)，主要從材質(zhì)選型和造型結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行考慮。

司控臺(tái)材質(zhì)選型方面，采用玻璃鋼即GRP，一種以高分子環(huán)氧樹(shù)脂為基體，玻璃纖維或碳纖維等為增強(qiáng)體，經(jīng)過(guò)復(fù)合工藝制成的復(fù)合材料，密度在1.5～2 g/cm3，只有普通碳鋼的1/5～1/4，比鋁還要輕1/3左右，機(jī)械強(qiáng)度卻很高。玻璃鋼有良好的熱性能，其比熱是金屬的2～3倍，但導(dǎo)熱系數(shù)較低，只是金屬材料的1/1 000～1/100。由于玻璃鋼耐腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度較高，具有一定的絕緣性，且生產(chǎn)加工產(chǎn)品時(shí)采用木質(zhì)模具，可進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整而保證模具不報(bào)廢，成型工藝簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低，可制作曲面較多、形狀復(fù)雜的部件，故被選作低地板車(chē)輛司控臺(tái)的制造材料。

司控臺(tái)結(jié)構(gòu)造型方面，以往司控臺(tái)設(shè)計(jì)采用寬大臺(tái)面，司控臺(tái)側(cè)面及后部與內(nèi)裝墻板、擋風(fēng)玻璃窗臺(tái)、側(cè)護(hù)板存在搭接關(guān)系，結(jié)構(gòu)約束多，增加了設(shè)計(jì)難度。無(wú)錫2號(hào)線司控臺(tái)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

由于司控臺(tái)需要搭靠周邊內(nèi)裝，必然帶來(lái)部分空間的浪費(fèi)，即司控臺(tái)兩側(cè)、部分臺(tái)面及寬厚的尾部空間，整體感覺(jué)很笨重。新型司控臺(tái)摒棄傳統(tǒng)臺(tái)面，采用部分類(lèi)T字形外形設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)司控臺(tái)框架緊扣設(shè)備，無(wú)多余感，在其內(nèi)部預(yù)埋的布線支架盡可能開(kāi)滿方孔，進(jìn)一步降低司控臺(tái)整體的質(zhì)量（見(jiàn)圖2）。

司控臺(tái)造型的突破對(duì)其整體質(zhì)量的減輕起決定性作用。目前南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司（簡(jiǎn)稱公司）生產(chǎn)的無(wú)錫2號(hào)線、東莞R2線等項(xiàng)目的車(chē)輛司控臺(tái)仍沿用傳統(tǒng)造型，結(jié)構(gòu)笨重、空間多余；而蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線采用新型司控臺(tái)的外觀設(shè)計(jì)，整體質(zhì)量減輕至31.3 kg。表1是公司最新項(xiàng)目且主材質(zhì)采用玻璃鋼的司控臺(tái)框架質(zhì)量統(tǒng)計(jì)?？梢?jiàn)，運(yùn)用在低地板車(chē)輛蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線上的新型司控臺(tái)在質(zhì)量上比其他項(xiàng)目司控臺(tái)輕1/3～1/2。

2 司控臺(tái)造型及布置的設(shè)計(jì)與分析

司控臺(tái)作為列車(chē)運(yùn)行時(shí)的人機(jī)界面，是各系統(tǒng)設(shè)備的集中反映，其布置是否科學(xué)合理關(guān)系到司機(jī)駕駛時(shí)的舒適性和可操作性，這對(duì)司機(jī)能否全面、準(zhǔn)確完成駕駛職能具有重大影響，直接關(guān)系到列車(chē)的運(yùn)行安全與穩(wěn)定。

圖1 無(wú)錫2號(hào)線司控臺(tái)整體

圖2 低地板司控臺(tái)整體

從人機(jī)工程學(xué)出發(fā)，司機(jī)是操作中心，司控臺(tái)布置必須首先滿足駕駛?cè)藛T坐于座椅上時(shí)對(duì)操縱設(shè)備的可操作性，然后要使駕駛?cè)藛T在操作過(guò)程中感覺(jué)舒適，這就要對(duì)司控臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸及臺(tái)上設(shè)備的位置、形狀、大小等進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)，通過(guò)人機(jī)之間的配合，使得不同人體測(cè)量參數(shù)的司機(jī)與司控臺(tái)、設(shè)備布局之間達(dá)到最佳配合。新型司控臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用CATIA軟件中的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊，對(duì)司控臺(tái)進(jìn)行人機(jī)模擬。由于軟件中缺乏我國(guó)人體數(shù)據(jù)，采用相近的韓國(guó)人體進(jìn)行分析。

人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析結(jié)果顯示：人在脊椎幾乎不彎曲的坐姿下，可以達(dá)到對(duì)司控臺(tái)上設(shè)備全覆蓋，充分發(fā)揮人體機(jī)能，最大范圍減輕司機(jī)駕駛時(shí)的疲勞程度，使司機(jī)能夠更方便舒適地操作各類(lèi)設(shè)備。由于沒(méi)有傳統(tǒng)的駕駛臺(tái)面，司控器布置在座椅左扶手上，肘部撐著座椅扶手的同時(shí)兼顧駕駛，便捷、舒適。車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，司機(jī)需要在坐姿狀態(tài)下完成一系列列車(chē)駕駛操作，因此，充裕的腿部活動(dòng)空間尤為重要。傳統(tǒng)司控臺(tái)設(shè)計(jì)讓司機(jī)腿部處于下柜體框架之間，活動(dòng)范圍狹??；新型司控臺(tái)由于采用了臺(tái)體突出下柜體框架邊界的設(shè)計(jì)，整體操作空間寬敞，身體活動(dòng)自由（見(jiàn)圖3），腿部活動(dòng)幾乎無(wú)遮擋，為司機(jī)提供了一個(gè)舒適、便捷的工作環(huán)境。

3 司控臺(tái)造型的防水、散熱處理

防水處理方面，司控臺(tái)的凹槽結(jié)構(gòu)和柜體突出的擋水板能夠有效防止水順著框架流入柜體內(nèi)部，避免司控臺(tái)與柜體上部平板周邊打膠，保證了整體美觀性，方便司控臺(tái)的拆裝（見(jiàn)圖4）。

散熱方面，新型司控臺(tái)采用層疊的前后罩，后罩伸入前罩，間隔12 mm（見(jiàn)圖5），結(jié)合臺(tái)上現(xiàn)有設(shè)備散熱要求，能夠很好滿足其散熱，避免在司控臺(tái)上部開(kāi)孔安裝散熱格柵，影響整體美觀。

防眩方面，為防止光線照射在顯示器畫(huà)面上形成反射，設(shè)計(jì)帽檐結(jié)構(gòu)用以遮光，將危害降至最低。

4 新型司控臺(tái)造型的通用性設(shè)計(jì)與分析

為了減少設(shè)計(jì)周期，降低成本，在不改變司控臺(tái)外形結(jié)構(gòu)的前提下，只對(duì)司控臺(tái)的開(kāi)孔尺寸相應(yīng)調(diào)整，以滿足設(shè)備的機(jī)械及電氣接口，這是司控臺(tái)設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題，即司控臺(tái)的通用性。

從設(shè)備安裝接口的角度出發(fā)，隨著觸摸屏?xí)r代的到來(lái)，解決了傳統(tǒng)硬件不方便調(diào)整的缺陷，更好適應(yīng)客戶的需求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠最大化滿足觸摸屏安裝要求的司控臺(tái)。首先，對(duì)司控臺(tái)安裝設(shè)備面的縱向尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就要對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)等系統(tǒng)顯示屏統(tǒng)計(jì)分析，得出裝在司控臺(tái)上的屏尺寸主要分為12.1寸和10.4寸兩種規(guī)格，且顯示屏的長(zhǎng)寬比例集中在4∶3～16∶9，取較大的12.1寸屏和最小長(zhǎng)寬比4∶3計(jì)算，得出觸摸區(qū)域最寬尺寸為12.1×25.4×3/5=184 mm。考慮設(shè)備帶有邊框，結(jié)合設(shè)備供應(yīng)商，其設(shè)備外邊框上下寬度小于35 mm，得出設(shè)備所需最大寬度小于184+35+35=254 mm。留出設(shè)備合理的安裝空間，給出司控臺(tái)安裝設(shè)備面的縱向設(shè)計(jì)尺寸為270 mm。然后，對(duì)司控臺(tái)安裝設(shè)備面的橫向尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，取12.1寸屏和長(zhǎng)寬比16∶9計(jì)算，得出屏最長(zhǎng)尺寸為267 mm，12.1寸屏外邊框左右寬度小于45 mm，得出設(shè)備所需最大長(zhǎng)度小于267+45+45=357 mm，留出設(shè)備合理的安裝空間，給出司控臺(tái)橫向各面最小設(shè)計(jì)長(zhǎng)度365 mm。這樣，可以任意調(diào)整設(shè)備間的位置，以滿足國(guó)內(nèi)外不同客戶的使用需求和操作習(xí)慣。

表1 司控臺(tái)框架質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

圖3 司機(jī)腿部空間

圖4 內(nèi)部防水結(jié)構(gòu)

圖5 司控臺(tái)前后罩截面

從司控臺(tái)本身安裝接口的角度出發(fā)，傳統(tǒng)司控臺(tái)造型靠后的設(shè)計(jì)與內(nèi)裝墻板、側(cè)護(hù)板及擋風(fēng)玻璃窗臺(tái)存在搭接關(guān)系（見(jiàn)圖6），約束多，影響自身的造型結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)周期。

新型司控臺(tái)通過(guò)座椅位置的調(diào)整，根據(jù)UIC 651里司控臺(tái)和座椅的其他推薦尺寸設(shè)計(jì)，伸出下柜體框架的邊界，避開(kāi)與周邊內(nèi)裝的搭接，獨(dú)立成型，減小了造型變化的概率，且以司機(jī)為中心，流線型環(huán)繞結(jié)構(gòu)給人渾然一體的整體感（見(jiàn)圖7）。

圖6 無(wú)錫2號(hào)線司控臺(tái)與周邊內(nèi)裝搭接關(guān)系

圖7 新型司控臺(tái)

新型司控臺(tái)由于與周邊內(nèi)裝護(hù)板、擋風(fēng)玻璃窗臺(tái)等不存在搭接關(guān)系，單獨(dú)成型，能夠滿足設(shè)備間位置任意調(diào)整，且不改變整體造型結(jié)構(gòu)，對(duì)于快速發(fā)展的低地板車(chē)輛司控臺(tái)具有一定通用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型司控臺(tái)質(zhì)量更輕；運(yùn)用CATIA軟件人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析，駕駛更舒適；造型容錯(cuò)率高，在低地板項(xiàng)目上具有一定的通用性；為公司搭建了一個(gè)成熟的低地板司控臺(tái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，應(yīng)用在100%低地板蘇州有軌電車(chē)1號(hào)線。南京河西、麒麟有軌電車(chē)項(xiàng)目及自主研發(fā)的70%低地板項(xiàng)目司控臺(tái)都是依托此平臺(tái)，該平臺(tái)的形成不但縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了成本，還增加了產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，降低了新產(chǎn)品研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]王忠杰，尹力明. “六軸五車(chē)體”100%低地板輕軌車(chē)輛技術(shù)方案[J]. 上海電氣技術(shù)，2011，4(4)：47-52.

[2]敖建安. 大連市快速軌道交通3號(hào)線車(chē)輛的研制開(kāi)發(fā)[C]//全面建設(shè)小康社會(huì). 中國(guó)科技工作者的歷史責(zé)任——中國(guó)科協(xié)2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上），2003.

[3]中國(guó)玻璃鋼綜合信息網(wǎng). 玻璃鋼的基本性能——力學(xué)性能，2003. http://www.cnfrp.net/news/echo.php?id=229.

[4]孟慶利，楊國(guó)紀(jì). 城軌車(chē)輛司機(jī)室頭罩的結(jié)構(gòu)功能以及造型分析[J]. 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2011(1)：21-24.

[5]陳強(qiáng)，郭依超，黎煥先. SDA1型機(jī)車(chē)司機(jī)室人機(jī)工程學(xué)分析[J]. 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2013，36(3)：9-12.

[6]UIC 651 機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)、動(dòng)車(chē)組和駕駛拖車(chē)的司機(jī)室設(shè)計(jì)[S].