盧兆麟，孫遠波，宋新衡，袁若歆，宋 浩，王惠萱

(1.北京理工大學 設計與藝術學院，北京 100081；2.工業(yè)制造藝術創(chuàng)新設計工信部重點實驗室，北京 100081)

0 引言

汽車形態(tài)主要受到機械結(jié)構(gòu)、人機工程、空氣動力學、能源形式4個因素的影響，同時還要考慮時代性、審美觀念等因素。近年來，由于新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，帶動汽車行業(yè)加速轉(zhuǎn)型發(fā)展。在這場變革中，起支撐作用的是移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和新能源革命等技術要素，這些要素與汽車變革交融和互動，戴姆勒公司等將這一變化總結(jié)為“CASE”(Connected-Autonomous-Shared-Electric)，即“網(wǎng)聯(lián)化—智能化—共享化—電動化”。其中智能化與網(wǎng)聯(lián)化高度融合，車輛通過搭載先進傳感器等裝置，運用人工智能等新技術，實現(xiàn)云、車、路、人等信息的交換與共享，從而實現(xiàn)復雜環(huán)境感知、智能決策與協(xié)同控制等功能，正逐步演變?yōu)橹悄芤苿涌臻g和應用終端，其高級階段即完全無人駕駛汽車(L5級)，將徹底改變駕乘人員對時間和空間的認識。電動化是伴隨著世界范圍內(nèi)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)展起來的，相比之下起步更早，主要包括純電動汽車、插電式混合動力(含增程式)汽車、燃料電池汽車等主要類型。目前，電動化與智能化、網(wǎng)聯(lián)化呈交織發(fā)展的態(tài)勢，在國務院2020年發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》中提出，將動力電池與管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術作為產(chǎn)業(yè)基礎能力提升的關鍵。共享化實質(zhì)上屬于一種商業(yè)模式，帶來的最直觀的改變是加快了車企從傳統(tǒng)制造企業(yè)向移動出行服務商的轉(zhuǎn)型步伐。業(yè)內(nèi)普遍認為，共享化的真正實現(xiàn)依賴于其他“三化”的高度發(fā)展。

車身造型形態(tài)設計指“根據(jù)汽車整體設計的多方面要求以塑造最理想的車身形狀，是汽車外部造型與車廂內(nèi)飾及空間設計的總和”[1]，消費者將造型作為選擇汽車理由的比率遠遠高于其他商品[2]。奧迪公司統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，近60%的用戶在做出購買汽車決定時更多地是考慮造型而非技術指標[3]；根據(jù)國務院發(fā)展研究中心、中國汽車工程學會等機構(gòu)的聯(lián)合調(diào)查[4]，分別有77.2%、83.5%、75.7%的中國消費者在決定購買轎車、SUV、MPV車型時，認為造型是首要考慮因素。車輛被列為“形態(tài)要素占據(jù)主導”的三大產(chǎn)品設計類型之一[5]。目前，汽車造型的設計實踐主要在獨立設計公司和汽車企業(yè)內(nèi)部設計部門展開。自上世紀九十年代中期以來，汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)生了兩個重要變化[6]：①由于市場競爭加劇，新車型開發(fā)周期明顯縮短、推出新車型的數(shù)量明顯增加，這使得廠商特別是新興廠商大幅增加了造型設計的資金投入，同時加強了與設計、技術服務等專業(yè)型公司的合作；②汽車產(chǎn)業(yè)價值鏈重組，歷史悠久的傳統(tǒng)汽車廠商正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐云放茷榛A的系統(tǒng)集成商,為了保持其品牌的可識別性，避免設計風格趨同化，造型設計工作多在其內(nèi)部設計系統(tǒng)展開。

我國汽車市場在進入二十一世紀以來經(jīng)歷了井噴式增長，自2015年以來產(chǎn)銷量、保有量均居世界首位[7]。受到市場因素的有力推動，自主品牌企業(yè)在汽車造型設計方面取得了很大進步，形成了初步原創(chuàng)設計能力，總體而言與世界著名傳統(tǒng)汽車企業(yè)相比仍有一定差距，尚存在著抄襲已有成功設計，或是完全委托外方機構(gòu)設計的問題，由此導致了兩個后果：①文化差異性增加了國內(nèi)用戶接受車型的難度。汽車造型設計能否取得成功，關鍵在于是否契合特定目標群體的文化、心理特征[8]，用戶購買的除了使用價值，其附加價值(如身份象征、精神滿足等)也愈發(fā)重要。②自主知識產(chǎn)權的缺失阻礙企業(yè)進一步成長。隨著經(jīng)濟的日益全球化，“山寨”著名企業(yè)產(chǎn)品的做法受到有關法律、法規(guī)的嚴厲限制。

在CASE趨勢下，跨界的科技型企業(yè)、投資者紛紛進入汽車領域，其中以特斯拉為代表，在純電動汽車研發(fā)和生產(chǎn)方面取得了巨大成功。與此同時，傳統(tǒng)汽車企業(yè)轉(zhuǎn)型速度加快，加之心理學、計算機科學、管理學、社會學等相關學科與設計學的深度交叉融合，車身造型形態(tài)設計出現(xiàn)了新的發(fā)展，正在處于重大變革之中。同時，CASE是全球汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，已成為大國競爭的重要科技領域[9]，也是我國科技創(chuàng)新支撐加快建設交通強國的重要內(nèi)容，近年來我國正在加快營造良好政策環(huán)境、持續(xù)推進標準規(guī)范體系建設[10]。當前智能網(wǎng)聯(lián)汽車正從小規(guī)模局部科學試驗逐步轉(zhuǎn)向大規(guī)模場景應用，加速進入到早期商業(yè)化試點的全新發(fā)展階段，迫切需要完善法規(guī)體系，統(tǒng)籌新技術測試驗證、新產(chǎn)品監(jiān)管方式、新業(yè)態(tài)發(fā)展路徑[11-12]，這就要求不僅從“技術端”加強研發(fā)，還要從“設計端”深化研究。為此，本文主要針對汽車車身造型形態(tài)設計研究面臨的新機遇與挑戰(zhàn)，對相關理論與技術進行回顧與梳理分析，歸納相應的研究范式，總結(jié)其關鍵問題，并對其未來發(fā)展前景進行展望。

1 汽車車身造型形態(tài)設計過程與任務模型

1.1 汽車造型設計流程

1.1.1 傳統(tǒng)汽車造型設計流程

完整的整車開發(fā)流程一般包括產(chǎn)品戰(zhàn)略策劃、產(chǎn)品定義、概念開發(fā)、工程設計、產(chǎn)品驗證、商品化生產(chǎn)6個階段，總歷時50個月左右(如圖1)。造型設計屬于概念設計階段，為了保證設計產(chǎn)出的穩(wěn)定性，各機構(gòu)在進行汽車造型開發(fā)時一般會遵循固定的流程，從而降低不確定性，并在具體過程中會綜合運用多種方法和工具，BAE等[13]總結(jié)了傳統(tǒng)汽車造型設計流程以及工具與方法。值得注意的是，在正式的開發(fā)階段之前還存在模糊前端階段(Fuzzy Front End, FFE)，指的是新車型進行實質(zhì)性設計之前的階段，包括產(chǎn)品概念的提出與定義，以及產(chǎn)品創(chuàng)意的產(chǎn)生、評價和篩選[14]。國內(nèi)外大量實證研究發(fā)現(xiàn)，項目成功率與投入在模糊前端階段時間成強正相關，通過提升模糊前端活動可以提前規(guī)避風險，從而帶來巨大效益，模糊前端的執(zhí)行效果實際上成為了新產(chǎn)品開發(fā)成敗的分水嶺[15]，汽車造型設計模糊前端可劃分為項目前端與設計前端。

1.1.2 CASE趨勢下車型開發(fā)流程的重構(gòu)

在CASE背景下，整車開發(fā)流程雖然仍大體上包括上述6個階段，但具有顯著不同，主要受到以下因素影響：

(1)“軟件定義汽車”技術體系逐漸形成

隨著CASE的發(fā)展，整車電子系統(tǒng)功能復雜度呈指數(shù)級上升，軟件占比持續(xù)增大[16]。賽迪智庫的數(shù)據(jù)顯示，2010年主流車型的車載系統(tǒng)約含1 000萬行源代碼，而到了2016年則上升至約1.5億行。在價值構(gòu)成方面，據(jù)摩根士丹利估算，2018年軟件價值約占大型乘用車整車價值的10%，未來占比預計將達到60%左右。軟件將是未來汽車的基礎和競爭力的核心。數(shù)據(jù)的豐富和軟件的迭代，不僅可以不斷為用戶提供新服務、新體驗，還根據(jù)用戶的偏好不同，使得汽車成為“千車千面”的個性化產(chǎn)品和系統(tǒng)，未來汽車差異化將更多地由軟件賦能的人機交互和由此帶來的用戶體驗所體現(xiàn)，汽車技術革新也將更多地由軟件帶動[17]。文獻[17]將“軟件定義汽車(Software Defined Vehicles，SDV)”描述為：在模塊化和通用化硬件平臺支撐下，以人工智能為核心的軟件技術決定整車功能。汽車硬件將成為模塊化、通用化的平臺和資源池，支撐整車軟件多樣化開發(fā)與部署。

軟件定義汽車的一個重要特征就是使汽車具備自我進化的能力，使它由一個“出廠即落后”的“靜態(tài)物”，轉(zhuǎn)化為一個可以不斷進化的“新物種”。驅(qū)動汽車功能進化的是數(shù)據(jù)，而保障數(shù)據(jù)采集、處理和利用的是軟件。例如，軟件定義汽車功能的增加與升級可通過“空中下載技術”(Over-The-Air Technology, OTA)實現(xiàn)。例如特斯拉在2012年推出的Modes S車型上，最早通過OTA的方式完成續(xù)航里程增加、最高速度提高、乘坐舒適度提升等功能或者漏洞的修復，更新范圍涉及人機交互、自動駕駛、動力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)等領域；2016年11月，豐田宣布采用OTA技術更新行車電腦軟件；2017年5月福特公司首次通過OTA技術為搭載Sync 3車載系統(tǒng)的車型增加新功能。由于傳統(tǒng)的燃油汽車的軟件和硬件基本各自獨立，因此早期OTA技術主要針對車載多媒體系統(tǒng)進行。但是近年來隨著純電動技術的發(fā)展，汽車軟硬件之間的壁壘逐漸被打破，越來越多的企業(yè)將整車OTA作為自身產(chǎn)品智能化的體現(xiàn)。未來，汽車將通過OTA不斷帶來新的功能與服務，為用戶帶來新的體驗變化[18]。

從汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史來看，汽車技術和產(chǎn)品的重要突破都是整車企業(yè)和零部件企業(yè)密切配合的結(jié)果。傳統(tǒng)的開發(fā)流程是首先由整車廠完成設計，而后由零部件企業(yè)開發(fā)核心技術和關鍵零部件，最后再由整車廠完成系統(tǒng)集成。一般而言，這些零部件彼此獨立、沒有關聯(lián)，在使用壽命過程中也基本不需要升級，因此多采用一體化嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)。但在軟件定義汽車技術體系下，整車廠與供應商關系發(fā)生了根本變化，這種變化將重構(gòu)汽車造型設計流程。孟天闖等[17]認為，軟件定義汽車整車開發(fā)流程形成雙閉環(huán)，第一個閉環(huán)是指設計階段通過交互評價數(shù)據(jù)采集、用戶畫像構(gòu)建指導新車開發(fā)；另一個閉環(huán)是用戶使用階段可以借助OTA技術實現(xiàn)軟件持續(xù)更新迭代，如圖2所示。

(2)不同類型汽車企業(yè)發(fā)展路徑明顯差異

CASE的快速發(fā)展催生了一種新的現(xiàn)象：大量從事信息通信技術(Information and Communications Technology, ICT)的企業(yè)進入汽車領域。業(yè)界和學界將這類企業(yè)統(tǒng)稱為“造車新勢力”，國內(nèi)如華為、百度等，國外如蘋果、谷歌、微軟等，如圖3所示[19]。

按照美國汽車工程師協(xié)會(Society of Automotive Engineers, SAE)的劃分，無人駕駛汽車由L0～L5劃分為6個等級。傳統(tǒng)汽車企業(yè)在硬件(如動力總成、變速箱等)、汽車電子系統(tǒng)(如發(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)等)方面更具有研發(fā)和制造的優(yōu)勢，因此往往從低級別駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)展到高級別駕駛輔助系統(tǒng)，逐步替代人的駕駛工作，直至最后實現(xiàn)無人駕駛[20]。與之相對應，其汽車造型設計多遵循由機械產(chǎn)品到電子產(chǎn)品、再到智能產(chǎn)品的漸進式發(fā)展路徑。并且由于平臺戰(zhàn)略的廣泛運用，采用共用模塊提高產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量，汽車造型也呈現(xiàn)出“家族式”面貌。

而造車新勢力企業(yè)則有所不同，因為在高精度地圖定位、環(huán)境感知、傳感器融合、計算機視覺、規(guī)劃決策、車輛控制邏輯、汽車操作系統(tǒng)等具有一定優(yōu)勢，所以往往是以人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等前沿技術為依托，直接實現(xiàn)L5無人駕駛這一終極目標，因此形態(tài)設計所受制約更少，往往更加具有激進性和突破性，如圖4所示。

1.2 汽車車身造型形態(tài)設計任務模型

(1)信息傳播模型

牛津大學LAWSON[21]將設計定義為在一系列特定情境下為滿足總體真實需求尋找合適解決方案的思維活動。為了清晰地闡述設計的內(nèi)在機制，劍橋大學學者CRILLY等[22]根據(jù)經(jīng)典的“香農(nóng)—韋弗(Shannon-Weaver)”信息傳播模式，將汽車造型設計定義為一個信息傳播的過程，如圖5所示。在該模型中，設計師團隊作為信源，汽車造型的物理屬性(幾何形態(tài)、尺寸、色彩、肌理、質(zhì)感等)被定義為發(fā)射器，用戶感官是接收器，最終的信宿是用戶，在對接收的信號進行處理、評判后形成認知，并最終產(chǎn)生決策和購買行為。該模型較好地解釋了從設計者到用戶之間的信息傳遞過程，同時也存在局限性：“香農(nóng)—韋弗”模式是直線單向過程，缺乏反饋環(huán)節(jié)，而在實際的車型開發(fā)過程中，設計者與用戶雙方都是具有能動性的主體。

(2)迭代過程模型

車型開發(fā)涉及技術實現(xiàn)問題，F(xiàn)ELDINGER等[23]提出一種融合技術與造型的設計過程模型，該模型充分反映了車型開發(fā)的迭代過程(如圖6)。

從初始的設計意圖開始，設計師使用各種建模工具進一步開發(fā)車輛的造型。然后，設計師評估新迭代的美學效果，并將結(jié)論作為下一次迭代的輸入。同時，從技術功能的角度對汽車造型進行評估，以尋求兩者的折衷，最終達到造型和功能需求之間所需的收斂程度，方可確定樣式。HYUN等[24]認為迭代設計的不足在于缺乏全局優(yōu)化的能力，往往只能實現(xiàn)局部最優(yōu)解。同時，由于其反復迭代的特性，決定了汽車造型設計是一個“沒有最好、只有更好”的過程，這有可能導致3個弊端：①企業(yè)內(nèi)部造型與設計部門的反復與沖突；②研發(fā)費用增加；③研發(fā)周期無計劃性延長。張志軍等[25]提出了進階性設計評審管理技術體系，其核心思路是“無極設計、有階評審”，如圖7所示。張海濤等[26]認為綜合主觀評價是代表顧客評價車輛的一個重要手段，也是整車開發(fā)過程中解決問題和判定目標是否實現(xiàn)的途徑之一，以國內(nèi)某自主品牌的產(chǎn)品開發(fā)過程為例，說明了綜合主觀評價方法的應用過程。

(3)車身造型形態(tài)設計重心轉(zhuǎn)移

CASE趨勢下車身造型形態(tài)設計在開發(fā)流程、開發(fā)模式、關注點、服務、以及價值構(gòu)成等方面體現(xiàn)出差異性，如表1所示?？傮w而言，傳統(tǒng)車型開發(fā)以硬件為中心，企業(yè)與供應鏈的各部門、機構(gòu)、組織的設置都圍繞該中心展開。未來，則是以用戶的體驗和優(yōu)質(zhì)服務為中心，組織架構(gòu)與人員將會發(fā)生相應的改變。

表1 CASE趨勢下車身造型開發(fā)差異性

2 現(xiàn)有研究體系主要內(nèi)容

新車型的開發(fā)是一項高度復雜的系統(tǒng)工程，集成了機械、電氣、軟件開發(fā)、動力學、熱力學等不同專業(yè)知識，既要滿足國家法規(guī)、行業(yè)標準及企業(yè)技術標準等嚴苛要求，還需充分滿足消費者需求。汽車車身造型形態(tài)設計也在不斷擴大自己的領域，產(chǎn)生了學科間的相互滲透，形成了多學科的交叉融合，實現(xiàn)主觀與客觀的統(tǒng)一、感性與理性的兼容，追求設計對象形式與功能的高度和諧。這也要求設計師們對人、物關系有深入的理解，并具備豐富工程知識與人文、藝術素養(yǎng)，以寬闊的視野和科學的思維探求設計之道。本文對現(xiàn)有的汽車造型形態(tài)研究體系進行梳理，歸納為5個部分，如圖8所示。

2.1 基于品牌文化特征的車身造型形態(tài)研究

汽車造型設計所傳達的內(nèi)容構(gòu)成了一個由視覺到精神、由表及里的層級性體系。對于企業(yè)而言，成功的設計能鞏固和發(fā)展品牌與客戶之間的情感共識與牢固關系，同時清晰的品牌形象有助于企業(yè)保持自身獨特性以區(qū)分于其他企業(yè)，因此造型設計早已成為汽車品牌策略的核心部分之一。另外一個不可忽視的事實是：在制造和使用汽車的長期實踐活動中，形成了一套行為方式、習俗、法規(guī)、價值、觀念等，從而構(gòu)成了“汽車文化”，這種文化又不可避免地帶有各國地域、民族特征，最終形成了“產(chǎn)品—品牌—文化”三位一體結(jié)構(gòu)[27]，例如大眾汽車之于德國文化、沃爾沃之于斯堪的納維亞文化、勞斯萊斯之于英國文化、凱迪拉克之于美國文化、豐田之于日本文化等，汽車造型與品牌、地域文化特征的內(nèi)在關聯(lián)因此成為了學界及產(chǎn)業(yè)界經(jīng)久不衰的研究課題。

學界將生物學引入設計領域，提出了汽車造型基因的概念，品牌文化需要依靠造型設計特征表達，造型特征要保證品牌基因的恒長性和進化方向[28-29]，目前該部分研究主要從以下兩個方面展開：

(1)汽車造型基因表征

對于汽車造型基因的表征有兩種主要方式：①基于分解式的結(jié)構(gòu)[30]，CALABRESE等[6]將汽車造型定義為漸進過程，即在每一次具體的車型設計任務中，并不必然意味著顛覆式創(chuàng)新，而往往是在給定的約束條件下，對已有的設計元素進行重新整合和再創(chuàng)造。REZAYAT[31]的研究進一步支持了上述觀點，發(fā)現(xiàn)新車型中40%的組件是對現(xiàn)有零件的重用，40%的組件是對現(xiàn)有零件的修改，而只有20%的零件是全新的。②基于風格特征的映射結(jié)構(gòu)，KARJALAINEN[32]將造型基因定義為顯性風格特征域與隱性風格特征域以及兩者的映射。

(2)汽車造型基因延續(xù)與進化

麻省理工學院STINY教授[33]提出了形狀文法，具體的運用包括兩個方面：①描述、歸納和分析已有汽車產(chǎn)品族特征；②依據(jù)形狀規(guī)則對產(chǎn)品特征進行再現(xiàn)和發(fā)展。MCCORMACK等[34]通過對別克汽車造型發(fā)展歷程的分析，總結(jié)出63條形狀文法，并將其編碼為可重用的語言；羅仕鑒等[35]構(gòu)建了產(chǎn)品族外形基因與消費者偏好之間的映射模型，并轉(zhuǎn)換成偏好驅(qū)動的進化函數(shù)，運用遺傳算法實現(xiàn)SUV產(chǎn)品族側(cè)面輪廓線基因進化；李愚等[36]提出了汽車外形設計的基因網(wǎng)絡模型。

以上研究取得了豐富成果，也存在著一定不足：①多從既有品牌出發(fā)，而對“產(chǎn)品—品牌—文化”形成的復雜內(nèi)在機制與動因缺乏探索，不能有效指導新興品牌的設計工作開展；②對于地域特色與國際化潮流之間的關系缺乏深入研究，如何真正實現(xiàn)汽車產(chǎn)品“既是民族的又是世界的”，尚缺少有效的理論與方法支撐。

2.2 意象驅(qū)動的車身造型認知研究

“意象”是指用戶對產(chǎn)品物理屬性的感知及引發(fā)的心理與情感活動，最終形成審美認知[37-38]。在汽車造型設計領域，該研究主要包括設計評價與設計方法兩方面，通常是用語義差異法建立用戶感性意象與汽車造型要素的關聯(lián)，并通過聚類分析法、主成分分析法、因子分析等方法降低認知空間維度。如：王亞輝等[39]提出一種基于多目標粒子群優(yōu)化算法的汽車造型設計決策模型；印度理工大學YADAV等[40]以Kano模型結(jié)合魯棒設計，以汽車造型為例提出新的設計方法；胡偉峰等[41]發(fā)展出了“期望意象”的概念，以此驅(qū)動汽車造型基因進化，并用遺傳算法加以實現(xiàn)；本研究團隊[42-43]提出了基于自然語言處理的汽車造型風格推導方法，為避免主觀誤差，結(jié)合眼動跟蹤實驗與Fisher判別實現(xiàn)對汽車造型的客觀評價；臺灣成功大學HSIAO等[44-46]通過模糊集，對汽車色彩、造型風格以及意象進行了研究；LAI等[47]提出了“感知品質(zhì)”(Feeling Quality, FQ)的概念，量化用戶對汽車造型的感知意象；譚正棠等[48]解讀了普通用戶與專家用戶對造型感知的不同偏好，認為用戶的造型感知是一種有組織的關聯(lián)表達過程，幫助設計師從用戶對汽車造型感知偏好的層面進行造型方案的選?。恍烨铿摰萚49]使用灰色理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡和馬爾科夫鏈的組合分析模型，對汽車造型進化趨勢進行預測；梁峭[50]基于汽車造型要素,探討用戶的情感意象,并對兩者的關聯(lián)情況進行研究,從而更深入地了解用戶情感意象特點,為造型要素的合理使用提供借鑒；趙丹華等[51]通過考慮設計師與用戶的認知差異，提出了一種汽車造型可信性評價方法；高士峰[52]分析了汽車造型意象認知的內(nèi)涵和形成過程，來探討影響汽車造型意象認知的設計語言；成振波等[53]分別以“造型特征”與“用戶商務意象”作為自變量和因變量,通過單因素方差分析，研究關鍵造型特征對商務意象影響的顯著性。

按照信息傳播理論，意象是汽車造型“投影”于用戶心理的結(jié)果，實際上決定著用戶對于汽車造型的偏好程度，加之受到用戶的個體差異性影響，呈現(xiàn)出較大的復雜性與不確定性，目前該領域仍然是汽車造型設計研究的重要課題之一。

2.3 融合空氣動力學的車身造型形態(tài)研究

汽車空氣動力學(automobile aerodynamics)是空氣動力學的重要分支，主要研究汽車與周圍空氣在相對運動時兩者之間相互作用力的關系及運動規(guī)律，涉及汽車的空氣動力性能、行駛穩(wěn)定性、操縱性和氣動噪聲等，特別是如何降低汽車外形風阻從而降低油耗。

融合空氣動力學的汽車造型設計一般采取兩種方式：①在汽車造型設計初期，設計的自由度較高，通常采用整體造型優(yōu)化的形式，如張晨銘等[54]從汽車造型設計的比例、容積、曲面、細節(jié)4個層級出發(fā)，逐層分析了電動汽車如何實現(xiàn)良好的氣動性能；李彥龍等[55]將低阻生物海豚作為形態(tài)仿生學對象，完成整體低阻整車車體設計，并對車頭、車輪等各部位依次進行造型與氣動優(yōu)化，有效降低了汽車造型空氣阻力。②在受到已有汽車車身尺寸與基本形態(tài)等限制的情況下，則需要通過考慮局部造型優(yōu)化的方式，對汽車外觀造型進行空氣動力學研究，如王東等[56]對某敞篷車及其硬頂變型車進行流場數(shù)值模擬，對風阻產(chǎn)生肌理進行分析；蔣蘭芳等[57]建立由考慮美學與氣動阻力的車燈造型汽車外流場數(shù)值分析簡化模型和正交實驗優(yōu)化算法組成的車燈造型參數(shù)設計平臺，并利用該方法優(yōu)化汽車前照燈對汽車外形空氣阻力的影響，有效降低了汽車前部造型空氣阻力。

另外，在研究方法上一般是通過仿真與風洞實驗相結(jié)合，例如韋甘等[58]依次分析車身全局造型與頭、尾部造型，然后通過遺傳算法，分3步優(yōu)化汽車車身氣動形態(tài)，并根據(jù)二維和三維算例的差異性制定相應的進化策略，最后通過風洞實驗驗證了該優(yōu)化方法的可靠性；江濤等[59]從美學與空氣動力學結(jié)合的角度出發(fā)，提出將優(yōu)良氣動理想形體作為基準，并將藝術元素圖案投影在其特征線上以生成三維草圖，在定型草圖上直接構(gòu)建可供渲染和數(shù)控加工的車身CAD模型。

2.4 考慮被動安全的汽車造型形態(tài)研究

汽車的安全性能一般包括主動安全與被動安全。主動安全配置如指示報警裝置、照明裝置、制動裝置、汽車防碰撞預警裝置設計等，一般在工程設計階段后期進行，并且對外部造型影響較?。欢粍影踩O置往往先于工程設計階段，如果此時不能充分考慮其對于車身造型的影響，會導致后期反復修改，降低汽車研發(fā)效率。因此，在汽車造型階段對被動安全性能進行考慮非常必要。

由于發(fā)生事故時，行人直接暴露于交通環(huán)境中，造成的損傷也最為直接，因此部分學者通過針對行人不同身體部位的碰撞保護進行汽車造型的研究，如NIE等[60]基于有限元建模，分析了具有不同引擎蓋造型特征的車輛前端在碰撞時導致的行人頭部運動情況，發(fā)現(xiàn)更高位置的引擎蓋邊界特征線以及朝向護板方向的連續(xù)引擎蓋表面，更加有利于保護行人；聶冰冰等[61]提出了以降低碰撞能量輸入為目標，分析了汽車前端造型因素對行人髖部碰撞的影響,并建立了髖部沖擊器與某實車車型發(fā)動機罩前緣碰撞模型，提出了車型外輪廓設計方法；吳斌等[62]分析了汽車前端結(jié)構(gòu)參數(shù)對行人腿部碰撞性能影響的規(guī)律性，在MADYMO中建立汽車前端結(jié)構(gòu)的多體簡化模型，并在吸能塊和副保險杠支撐系統(tǒng)方面，總結(jié)出了乘用車前部結(jié)構(gòu)設計方法和改善建議，以利于行人腿部保護。

上述研究從行人在碰撞過程中受到損傷的不同身體部位入手，分析汽車前端造型在碰撞過程中對行人造成的危害，結(jié)合行人不同身體部位特征，有效地將碰撞時的行人動態(tài)身體參數(shù)與汽車前部造型及結(jié)構(gòu)特征結(jié)合，可以有針對性地改善汽車前部造型在碰撞時對行人的傷害。

2.5 基于乘員舒適性的車身造型形態(tài)研究

汽車除對功能可靠性、安全性等要求外，還有更多對行駛質(zhì)量的要求，研究也相應地向乘員的舒適性問題轉(zhuǎn)變[63]。舒適性包括的內(nèi)容十分廣泛，須結(jié)合工程學、物理學、心理學及生理學等知識，從人的感覺對其進行評價[64]。在對舒適性的研究中，需將人、車、道路視作一個系統(tǒng)，三者相互作用、彼此聯(lián)系，共同決定著舒適性的總體水平[65]。具體而言，“人”包括生理與心理兩個方面，“車”主要是汽車各項參數(shù)，“道路”主要包括交通環(huán)境、路面狀況等。從工程技術角度看，對車內(nèi)成員舒適性影響較大的是噪聲、震動、聲振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness，NVH)等3個因素。在研究汽車NVH問題的過程中，通常把汽車看成一個由激勵源、傳遞路徑和響應器組成的系統(tǒng)。激勵源主要包括發(fā)動機、路面、風阻等，傳遞路徑主要包括懸架系統(tǒng)、車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等，傳入車身室內(nèi)后形成振動和聲學響應，最終表現(xiàn)為車廂地板、座椅和方向盤的觸覺振動與乘員的耳旁噪聲等現(xiàn)象[66]。

在NVH中，噪聲因素與汽車造型形態(tài)設計有直接關聯(lián)，因此本文對相關研究進行總結(jié)梳理，發(fā)現(xiàn)主要通過研究汽車局部結(jié)構(gòu)造型與行駛過程中產(chǎn)生的噪聲的關系，來進一步提高汽車乘坐舒適性，例如：CHEN等[67]基于聲學計算理論，使用Fluent模型對兩種后視鏡造型進行比較分析，通過優(yōu)化后視鏡的造型及位置，可以有效減弱噪音，進而提高乘客的舒適性；陳鑫等[68]對車外后視鏡不同邊緣結(jié)構(gòu)引起的外部流場和鏡后車身表面監(jiān)測點處的氣動噪聲進行了數(shù)值仿真，設計了后部流場渦團更遠離車身表面的后視鏡邊緣造型，有利于降低氣動噪聲；通過風洞實驗測量了后視鏡尾流區(qū)域的氣動噪聲數(shù)據(jù)，總結(jié)得出5個對后視鏡氣動噪聲影響較大的造型因素，通過適當調(diào)整這5個造型因素將有助于降低后視鏡的氣動噪聲[69]。

3 CASE趨勢下車身造型形態(tài)設計研究展望

3.1空間重構(gòu)

CASE趨勢下，車輛廣泛采用非石化燃料作為動力來源，汽車的動力及供能系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車有著明顯不同，因此也帶來了造型形態(tài)設計的重大改變，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成外部形態(tài)的改變

百年來汽車主要由內(nèi)燃機提供動力，形成了發(fā)動機艙、座艙的布局模式，汽車外觀造型雖然經(jīng)歷多次風格的演變，整體上依舊在基礎燃油車標準框架限制下進行設計。但隨著新能源，尤其以電動車為代表的新技術逐漸發(fā)展，發(fā)動機被更小的電機所取代，也不需要復雜的傳動系統(tǒng)進行驅(qū)動，整車所用線束數(shù)量大幅度減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變將帶來全新的外部造型設計。相較于傳統(tǒng)燃油汽車，智能網(wǎng)聯(lián)電動汽車雖然取消了發(fā)動機和變速箱，但是由于增加了電機、電控、電池系統(tǒng)，導致整車質(zhì)量反而高于傳統(tǒng)燃油車。為了解決這一問題，近年來車身大量采用鋁合金等輕量化材料，并使用高壓壓鑄工藝，例如特斯拉2020年推出的一體式壓鑄技術，主要目的在于簡化Model Y車型的底板結(jié)構(gòu)，通過一臺鎖模力為6 000噸的大型壓鑄機將整個后底板70余個零部件壓縮為一體成型，有效減輕了結(jié)構(gòu)重量[70]。隨著這一技術的普遍應用，“一體化車身結(jié)構(gòu)”將成為主流，勢必對車身造型形態(tài)設計產(chǎn)生較大影響。

(2)設計重心由外飾向內(nèi)飾改變

由于電動化，汽車的整車結(jié)構(gòu)零部件的減少以及布局形式變得更加簡單，汽車內(nèi)部空間逐漸得以釋放，使得汽車造型設計的重心逐漸向內(nèi)飾傾斜。例如通用汽車公司推出的Hy-wire概念車[71]，采用線傳操控技術取代傳統(tǒng)機械操控裝置，取消了發(fā)動機艙和發(fā)動機間隔間，將所有電驅(qū)動系統(tǒng)置于平順的“滑板”狀底盤之內(nèi)，從而將車內(nèi)空間完全讓渡給了乘員，帶來了空間設計的極大突破，如圖9所示。電動汽車內(nèi)飾的變化主要體現(xiàn)在功能布局和人機交互兩方面，CASE背景下汽車作為一個“移動的智能空間”，更多信息的接收、交換、處理與發(fā)布將在這個移動智能空間內(nèi)發(fā)生，內(nèi)飾設計將更多體現(xiàn)信息化的特點[72]。同時，由于共享化，汽車內(nèi)部空間將滿足更多的個性化需求，提供更多的可調(diào)節(jié)性與靈活度。

3.2 體驗優(yōu)化

有研究者認為[73]，就汽車主機廠而言，可將汽車“用戶體驗”分為3個層面：車機用戶體驗、座艙用戶體驗、整車用戶體驗。其中：車機用戶體驗主要是指人與車輛操控界面交互形成的體驗；座艙用戶體驗則涵蓋了乘座艙內(nèi)與用戶產(chǎn)生交互的所有軟硬件產(chǎn)品與環(huán)境因素，除了操控界面外還包括乘坐的舒適性、空間感、視野、儲物便利性、車內(nèi)氣味、材質(zhì)觸感等；整車用戶體驗包括了用戶使用汽車全過程的主觀感受。另有學者[74]從通用設計的視角出發(fā)，分析并提取出與駕駛汽車相關的用戶體驗要素共計72項，涵蓋了汽車主要構(gòu)件，其中與車載操作系統(tǒng)相關的用戶體驗要素數(shù)量最高，達到22項，其他依次為自動駕駛系統(tǒng)17項、車身內(nèi)飾/外飾15項、電子設備11項，而動力系統(tǒng)5項和底盤2項則與用戶體驗關聯(lián)度最低。

傳統(tǒng)汽車形態(tài)是以保障駕駛員的駕駛安全和操作便捷為基本出發(fā)點，例如車窗面積、A柱角度、前機蓋高度、儀表臺造型等都須考慮駕駛員的視野和空間。但無人駕駛技術改變了這一情況，將不再需要針對駕駛者的需求而在造型上作出妥協(xié)。2022年3月美國交通部國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)發(fā)布首個《無人駕駛汽車乘客保護規(guī)定》，明確了全自動駕駛汽車不再需要配備傳統(tǒng)的方向盤、制動或油門踏板等手動控制裝置來滿足碰撞中的乘員安全保護標準。該規(guī)定一旦生效后，將邁出歷史性的一步：自動駕駛汽車必須有人類駕駛員控制的安全標準就此改變，即自動駕駛汽車不再需要遵守“必須設有人類駕駛員座位、汽車方向盤和轉(zhuǎn)向柱，或只能設有一個前排外側(cè)的乘客座位”的規(guī)定[75]。車窗的高度和面積可以更加自由，A柱也不必再考慮對視線的影響，儀表臺可以與整個內(nèi)飾環(huán)境融為一體，這意味著“駕駛”不再成為人與汽車關系的主要矛盾[72]，使得汽車內(nèi)“駕駛者”和“乘客”的概念消失。汽車在網(wǎng)聯(lián)化基礎下，將不僅僅是一個交通運輸工具，而將成為一個可移動的功能性空間，使得汽車成為一個移動網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)下的端口，形成智能網(wǎng)聯(lián)生活狀態(tài)展示的舞臺。人對汽車審美認知的基礎也將被這種物理層面上的整合所顛覆，設計師的傳統(tǒng)審美經(jīng)驗將不適于新的汽車樣態(tài)，也無法繼續(xù)沿用舊有的設計思維范式對其進行設計，而是應以更富于前瞻性的視角，重新思考未來用戶在不同場景中出行的核心需求，實現(xiàn)“駕駛體驗”(driving experience)向“出行生活體驗”(travel life experience)的轉(zhuǎn)變，如圖10所示[72]。汽車開發(fā)模式由“以硬件為中心”的瀑布開發(fā)模式向“以體驗為中心”的橫向開發(fā)模式轉(zhuǎn)變，跨界合作、共建汽車開發(fā)生態(tài)是未來趨勢。

不僅如此，交互體驗設計導向也給汽車造型形態(tài)帶來新變化，例如奔馳概念車F015 Luxury in Motion在前臉與尾部造型中融入了交互的元素，前臉以LED燈構(gòu)成的“進氣格柵”集成了投影功能，可以在地面投影出斑馬線以及轉(zhuǎn)向箭頭、停車等符號。這種以交互體驗設計為導向的設計方式使得汽車造型不僅停留在審美意象層面，還將藝術美感與功能結(jié)合起來，使得汽車外觀造型更具活力[76]。

3.3 價值增益

傳統(tǒng)的車身造型形態(tài)設計是圍繞“有人駕駛”展開的，然而在CASE背景下，高級別“無人駕駛”將成為未來發(fā)展方向。當用戶從繁重的駕駛?cè)蝿罩薪饷摮鰜碇螅囕v行駛過程中的時間與精力如何使用與分配，既是設計面臨的新任務，也是新的產(chǎn)品機會。用戶將不再僅僅滿足于單一的出行功能，而更關注汽車所能提供的增值服務[19](如圖11)。對于廠商而言，將通過汽車為用戶提供新的功能和服務，帶來新的體驗變化，進而不斷創(chuàng)造新的價值和效益。汽車由價值實現(xiàn)的終點變成了起點，這也將催生出新的商業(yè)模式，形成新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。例如豐田公司于2021年推出的e-Palette概念車，其核心理念是“面向所有人的新移動出行服務”，其功能設計與自動駕駛平臺相結(jié)合，為消費者和企業(yè)帶來清潔、互連、安全和節(jié)能的移動出行，并且可以通過智能手機的APP來操作實現(xiàn)。豐田公司基于該車型，成立了“e-Palette聯(lián)盟”，整合了整車廠、運營平臺、餐飲、零售等其他服務提供商和技術開發(fā)公司，希望為移動出行相關業(yè)務建立一個新的生態(tài)系統(tǒng)[77]。

為實現(xiàn)價值增益，需要調(diào)動各行業(yè)參與，創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)模式，明確發(fā)展路徑。通過集合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、用戶偏好建模、軟硬件個性化定制、全生命周期管理等概念，將各產(chǎn)業(yè)鏈條充分聚合，為出行賦能。正如智能手機沿著“交互創(chuàng)新—架構(gòu)升級—生態(tài)發(fā)展”的路徑，從單一的通信工具升級為萬能的場景性工具。汽車將沿著手機的智能化演進路徑，以座艙的人機交互變革為起點，疊加自動駕駛浪潮，其正從出行工具轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱淮悄芙K端。相似的架構(gòu)迭代和交互技術以及生態(tài)培育能力成為新力量跨界汽車領域的落腳點。

4 未來車身造型形態(tài)設計研究關鍵方法與技術

以哈利·厄爾為代表的傳統(tǒng)汽車設計師較多地依靠個人的靈感與經(jīng)驗。近年來，在CASE背景下，對于汽車造型設計領域的研究也突破了感性經(jīng)驗的范疇，開始向定量化、數(shù)理化方向發(fā)展，不斷產(chǎn)生新的研究方法，實驗手段也隨著計算機工程、仿真技術、電子測量等技術的進步不斷提高。

4.1 計算設計方法

計算設計(computation design)作為一種基于數(shù)據(jù)計算的跨學科設計方法，能夠有效降低主觀性和個體決策差異對汽車造型設計方案決策的影響。近十年以來，計算設計日益成為汽車造型領域的重要研究方法，在設計過程、模型生成、進化優(yōu)化、設計評價等方面應用廣泛，包括獲取數(shù)據(jù)與分析處理數(shù)據(jù)這兩大關鍵環(huán)節(jié)。

目前獲取數(shù)據(jù)的方法主要有：①電生理測量方法。包括眼動跟蹤、腦電、肌電、皮膚電、心電和呼吸等，由于這些生理信號的頻率通常比較弱，且采集時易受到外界環(huán)境影響，通常需要專門的設備進行采集。如唐幫備等[78]通過測量觀察者的眼動與腦電波數(shù)據(jù)，用于汽車工業(yè)設計用戶體驗評價方法研究。②物理模型實驗方法。例如VIEIRA等[79]通過對被試者操作過程中的車載鍵盤物理參數(shù)測算和分析，將用戶的主觀感知與車載鍵盤的物理屬性相關聯(lián)。③社會調(diào)查法?，F(xiàn)有方法主要包括語義差異法問卷、量表、口語報告、文獻數(shù)據(jù)采集等,主要用于獲得被試者對于汽車造型的看法。

在汽車造型領域內(nèi)，數(shù)據(jù)分析與處理主要集中在電生理測量結(jié)果分析處理、多算法融合的汽車造型特征數(shù)值模擬等方面。對生理信號進行分析處理的主要步驟是[80]：①對實驗被試者進行外界刺激，同時收集多模態(tài)生理信號；②對所采集的腦電、肌電、眼動信號進行預處理,包括降采樣、去除噪聲以及帶通濾波、空間濾波等；③特征提取和特征選擇；④訓練分類器以及測試。

多算法融合的汽車造型特征數(shù)值模擬通常是將汽車造型設計過程的參數(shù)通過一組方程來描述，并采用數(shù)值計算的方法求解，以獲得對該過程的定量認識，并且對該過程進行動態(tài)模擬分析，預測或判斷設計方案的優(yōu)劣。

4.2 數(shù)字化設計技術

數(shù)字化設計(digital design)是以計算機輔助設計和計算機輔助工程為基礎的技術，它的出現(xiàn)使得依賴直覺、經(jīng)驗、圖樣、手工計算的傳統(tǒng)汽車設計開發(fā)模式逐漸走入歷史。數(shù)字化設計的領域相當廣泛，任何以計算機圖形學為理論基礎、支持產(chǎn)品設計的計算機軟硬件系統(tǒng)都可以歸結(jié)為產(chǎn)品數(shù)字化設計技術的范疇[81]。

近年來汽車領域的數(shù)字化設計不斷發(fā)展，運用場景和領域越來越普遍、越來越深入，主要包括面向汽車產(chǎn)品開發(fā)全過程的整車及其組成系統(tǒng)的計算機輔助設計、性能預測和虛擬實驗評價技術等。例如，以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management, PDM)系統(tǒng)為支撐，集成虛擬產(chǎn)品開發(fā)(Virtual Product Development, VPD)系統(tǒng)、虛擬試驗場(Virtual Proving Ground, VPG)系統(tǒng)、數(shù)字化樣車技術(Digital Mockup, DM)，完成汽車從概念設計到量產(chǎn)的全生命周期的計算機虛擬實現(xiàn)[82]，不但對汽車產(chǎn)品的物質(zhì)形態(tài)和制造過程進行模擬和可視化，而且對產(chǎn)品的性能、行為、功能以及在產(chǎn)品實現(xiàn)各個階段中的實施方案進行預測、評價和優(yōu)化。

值得注意的是，在汽車造型形態(tài)設計的早期階段，數(shù)字化程度往往并不高，其原因在于設計是一個復雜的思維過程，具有偶發(fā)性、隨機性、非理性的特點，與人的認知、感悟、情感等主觀因素密切相關，尚無法完全被計算機所取代。在這一階段，目前學界將研究重點放在如何提升計算機輔助造型系統(tǒng)(Computer-Aided Styling, CAS)的水平，更加智能和便捷，同時實現(xiàn)與生產(chǎn)部門的對接，如：龔永堅等[83]通過將壓感信息融入語義草圖表達中，開發(fā)了一套汽車三維手繪系統(tǒng)的原型，并在Auto Sketch系統(tǒng)中進行集成。

4.3 數(shù)字孿生技術

近年來，數(shù)字孿生(digital twin)技術受到學界和產(chǎn)業(yè)界的高度關注。數(shù)字孿生是綜合運用感知、計算、建模等信息技術，將物理實體的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、性能、屬性、行為、功能等映射到虛擬世界，形成高保真的多維、多尺度、多物理量模型[84]，從而實現(xiàn)虛實之間的雙向映射、動態(tài)交互。該模型與真實世界之間進行著不間斷的閉環(huán)信息反饋與數(shù)據(jù)同步，模擬對象在真實世界中的行為，反映物理實體的運行狀況，監(jiān)控物理實體的變化，評估物理實體的實時狀態(tài)，感知未來發(fā)展態(tài)勢，最終改變和優(yōu)化真實的物理世界。

數(shù)字孿生技術與數(shù)字化設計技術之間既有區(qū)別也有聯(lián)系：①數(shù)字化設計仍屬于傳統(tǒng)仿真技術的范疇，由三維軟件設計出虛擬樣車模型，可以對整車設計進行檢查和監(jiān)控，實現(xiàn)低成本、高效率、全方位的產(chǎn)品可視化模擬，進行部件間的功能分析，并能夠按照從上到下的模式實現(xiàn)裝配之間、零部件之間、模型文件的多個幾何實體之間、特征之間的關聯(lián)，檢查配置的完整性。可以將數(shù)字化設計技術看作數(shù)字孿生的“虛擬實體”實現(xiàn)部分，是數(shù)字孿生的重要基礎之一。②按照Grieves教授最初提出的模型，數(shù)字孿生應包括3個部分，即物理實體、虛擬實體及二者間的連接，其本質(zhì)是一種信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical Systems, CPS)。相較于數(shù)字化設計技術，數(shù)字孿生技術最大的不同在于需要采用實測、仿真、數(shù)據(jù)分析等手段對車身的物理實體進行感知、診斷和預測，建立虛擬車身與實體車身之間的連接。孿生中的數(shù)字與實體雙胞胎具備多物理量的虛擬映射，并能覆蓋產(chǎn)品的全生命周期，實體設備上傳感器采集的信息會同步到數(shù)字孿生上，以支撐更多維度的分析跟蹤，甚至預測實體設備的狀態(tài)。

在具體應用方面，陶飛等[85]提出一種基于數(shù)字孿生技術的車輛抗毀傷評估方法，從材料、結(jié)構(gòu)、部件及功能等多維度對車輛的抗毀傷性能進行綜合評價;麻晨等[86]提出在汽車產(chǎn)品的設計階段，利用數(shù)字孿生技術提高設計“雙V形”模型。

5 結(jié)束語

汽車工業(yè)屬于技術、資金高度密集的綜合性工業(yè)類型，與材料、電子、機械等多個工業(yè)部門緊密相關，創(chuàng)造大量就業(yè)機會和巨額產(chǎn)值，在國民經(jīng)濟中起著支柱性作用，世界上主要的工業(yè)強國無一不是“汽車強國”，因此汽車也被稱為“世界第一商品”。車身造型形態(tài)設計對于決定消費者購買意愿、樹立品牌形象起著決定性作用。車身造型形態(tài)研究領域融合了藝術、工程、心理學、商業(yè)、管理等多個學科，具有典型的學科交叉屬性，在“網(wǎng)聯(lián)化—智能化—共享化—電動化”(CASE)的趨勢下，正處于重大變革的前沿。本文對CASE背景下國內(nèi)外車身造型形態(tài)研究的現(xiàn)狀進行了總結(jié)與梳理，回顧了其發(fā)展歷程、基本模型、研究體系等，并展望了發(fā)展方向，提出了未來研究的關鍵方法與技術?？偟膩砜?，汽車正成為移動的生活空間，其造型經(jīng)歷著從僅僅作為汽車的美學屬性向兼具功能性、社會性、交互語義發(fā)展。相應地，車身造型形態(tài)設計研究將會朝著領域更加寬廣、視角更加多元、方法更加融合多樣的方向發(fā)展。