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摘 要：

解析北京冬奧會地面舞臺機械控制系統的架構及功能實現，基于高可靠性、高安全性的要求，硬件采取冗余設計，軟件涉及安全信息的采集、處理、仲裁，并針對技術難點給出解決方案。

2022年在北京國家體育場（鳥巢）舉辦的第24屆冬季奧林匹克運動會（以下簡稱：北京冬奧會）、第13屆冬季殘疾人奧林匹克運動會（以下簡稱：北京冬殘奧會）開閉幕式，以科技與藝術的結合為全世界觀眾呈現了一場唯美浪漫的視覺盛宴。其中，北京冬奧會開幕式上，冰雪五環“破冰”而出震撼全場，奧運圣火在浪漫雪花火炬臺上點燃更是與全世界觀眾一起見證了北京成為世界首座“雙奧之城”。北京冬奧會地面舞臺機械控制系統經過兩年的精心籌備，數百個日夜的頑強奮斗，克服了新冠肺炎疫情的影響，助力北京冬奧會冬殘奧會開閉幕式完美呈現。

北京奧運會開閉幕式演出對于舞臺機械控制系統的可靠性、安全性要求極高。為了確保地面舞臺機械系統 的安全穩定性，在系統設計時從各個層面加以考量，對系統的硬件采取冗余設計，軟件層面考慮各種安全信息的采集、處理及仲裁。以下就北京冬奧會地面舞臺機械控制系統設計進行解析，闡述基于“安全性、可靠性、維修性、環境適應性、測試性、保障性”原則的系統架構及功能實現，以及針對技術難點的解決方案。

攝影 呂桃

1 硬件系統

為貫徹北京冬奧會綠色、廉潔的辦奧理念，地面舞臺機械系統設計以安全、簡約為原則，僅包含中央升降臺系統、中央區兩套開合蓋板（包括車臺和補償臺）系統、冰立方主升降系統、冰立方5套活門開合系統。但每個子系統的控制都不簡單，其中，冰立方升降系統重達約400 t，啟停時系統需要處理設備巨大的慣量；兩套開合蓋板開合過程由2臺電機同步運行，同時要與補償臺協調動作，如任何差錯都可導致演出失敗。為保證萬無一失，對每一個控制對象都進行了驅動設備、控制設備、網絡、電源、控制臺冗余備份，一旦系統中任何一個環節出現問題都可以做到快速“無縫切換”。

地面舞臺機械控制系統的設計和材料選型，以航天“安全性、可靠性、維修性、環境適應性、測試性、保障性”六性為原則，整個系統采用分層設計的方式舞臺控制系統，分為操作層、控制層、執行層，如圖1所示。操作層和控制層通過普通以太網進行互聯，為了保障網絡的可靠性，采用雙環網的拓撲結構?？刂茖雍蛨绦袑又g通過Profinet進行互聯，采用了環網加星型的復合拓撲結構，每臺設備的主驅動與備驅動分配在不同的網絡節點后面，從而一個節點失效不會影響該設備的使用。

圖1 地面舞臺控制系統網絡示意圖

操作層由兩個主控臺與一個狀態監測工作站組成，兩個主控臺之間做了熱備冗余，一個控臺失效自動切換到另外一個控臺。狀態監測工作站主要對整個系統的供電系統狀態、系統網絡狀態、系統急停狀態、實時運行狀態進行監控顯示與數據記錄，方便操作人員實時掌握每臺設備的運行狀態。

控制層用于協調多個操作終端和驅動端，一方面接收來自操作層的指令，并通過以太網將解析后的命令實時發送給執行層的驅動單元。同時控制層實時接收來自驅動單元反饋的設備狀態信息，如位置、速度、載荷、外部開關等，并反饋到操作層，方便操作員掌握底層設備的狀態。控制層選用冗余和安全型的S7-400HF可編程邏輯控制器（PLC）。

執行層主要是由一個個驅動單元構成，每個驅動單元包含變頻器、制動電阻、電機、編碼器等子單元。驅動單元接收管理層的控制命令，轉換成對應的運動指令，驅動變頻器進而驅動電機運行。

整個系統的配電設計如圖2所示，從一級配電開始設計主備供電系統，主驅動的電源由主電源提供，備驅動的電源使用備電源提供；主備驅動公共用電部分使用了雙電源切換模塊和UPS，使配電具有冗余性。

圖2 地面舞臺配電系統示意圖

2 軟件系統

軟件系統主要由上位機軟件、PLC軟件、狀態監控軟件三部分組成。

上位機軟件具備人機交互功能，負責建立系統與操作員之間交互；具備快速編輯場景的功能，可根據導演的需求快速計算整個運動過程所需時間，也可以在設備容許的最大速度內根據導演要求的時間完成整個運動過程，從而縮短與導演或者第三方設備配合和排練時間；具備安全編組功能，可避免兩個設備托舉同一個固定設備時其中一臺故障而導致設備損壞，還可根據主備驅動的工作狀態，進行快速主備驅動之間的切換。

PLC軟件主要負責解析上位機指令，根據當前指令的邏輯關系，控制各個驅動單元進行相應的運動，并將現場采集到如設備實時位置、運行電流、變頻器溫度、變頻器狀態、設備IO信息等反饋至上位機與狀態監控系統。

狀態監控軟件主要提供以下幾個方面的狀態監測，以方便操作人員快速診斷整個系統的工作狀態。

（1）供電系統的狀態

監測地面舞臺供電系統的所有供電狀態，并實時記錄供電系統電流、電壓曲線，方便對供電狀態復查。

（2）系統網絡狀態

對現場每一個網絡節點進行監測，并實時反饋每一網絡節點的當前狀態，方便及時發現存在問題的網絡節點。

（3）系統急停狀態

對每個急停點都進行立體標注，并準確反饋每個急停的狀態，急停觸發后快速確定觸發急停的位置。

（4）實時位置監控

對每一個設備進行剖面示意，監控界面可實時顯示實際運動軌跡的變化，使設備在舞臺上所處的位置一目了然。

（5）設備運行數據監控

實時監控顯示設備的IO信息、運行電流、變頻器母線電壓、變頻器溫度、設備運行速度等設備運行的相關數據，并用曲線記錄，方便操作人員快速診斷出該設備的狀態，并做出相應的決策。

（6）設備運行流程監控

對所有設備當前執行的流程進行全流程監控，并顯示目前的運行狀態和導致不能運行的前置連鎖條件，同時對是否能完全執行的流程提前預示。

3 技術難點

為保障每個舞臺機械動作都能按時、按質呈現給觀眾，攻克了以下控制系統的技術難點。

（1）主備電機實時切換系統

每一個地面舞臺機械設備都安裝了一主一備兩臺同樣的電機，在機械結構上兩臺電機連接在同一傳動軸上，一臺電機運行時另一臺電機是被動運行的。其中任何一臺電機運行發生故障，控制系統立即調度另一臺電機進行飛車啟動，實現無停止、無頓挫、無延時的切換，使系統始終處于正常運行狀態。

（2）大慣量抑制

整個地面舞臺機械系統中，僅冰立方自重就達400 t，并且機械系統中沒有安裝任何配重。在冰立方異常停車時制動距離明顯加大，甚至可能出現設備損壞的情況。為了解決這一問題，引入了特殊的制動邏輯控制算法和轉矩補償算法，使冰立方在任何狀態都能安全停止。

（3）高精度同步

車臺蓋板開合動作由兩臺電機同步驅動，由于機械設計十分精密，兩側電機的絕對位置差不得超過5 mm，否則可能出現車臺“傾斜”狀態而無法正常運行。為了保障同步得到實時響應，將兩臺同步運行電機直接引入獨立的控制器，以1 ms為周期進行實時位置監控與補償，使絕對同步精度控制在1 mm以內，從而實現同步控制。

（4）高精度位置控制

車臺蓋板除了需要解決同步問題，還要解決高精度定位問題。車臺蓋板直徑為16 m，蓋板正上方鋪設了LED屏幕，在蓋板關閉時兩個蓋板間的間隙要足夠小，否則可能會影響視頻效果。同時，在車臺蓋板高速關閉時不得出現位置過沖或反復調整的情況，以免左右車臺蓋板發生撞擊而損壞屏幕。在設備調試時，將位置控制PID算法與兩臺電機同步控制算法耦合，實現同步動運的同時還控制定位精度達0.1 mm。

（5）高可靠性設計

為保障系統的可靠性，地面舞臺控制系統各環節工程師進行了大量的可靠性分析，在此基礎上再進行方案及軟件的設計與優化。

可靠性分析需要查詢所有元器件的失效率，且要分析每一個元器件失效對整個系統的影響，從而建立一個復雜的可靠性模型。然后分析所有的故障點，并對所有的故障點提供冗余方案或者備選方案，通過大量計算與實驗得出整個系統的可靠性為99.9999%。

（6）安全與可靠決策

在控制臺操作層還建立了各種設備功能的選擇與忽略的決策方案?？紤]眾多可能引發影響演出效果的因素，將可能出現的情況引入計算機進行快速分析，分析出現問題的原因，進而推出建議處理的方式，指引決策者在異常情況下快速進行控制方案調整。

4總結

地面舞臺機械控制系統，通過控制臺與計算機軟件結合實現熱備冗余、安全編組、自由編組、運行數據計算、故障指示等功能，整個系統中設備運行位置精度可達0.1 mm，同步精度0.5 mm，時間響應0.1 s；安全為前提下可對系統功能進行快速的調整，保證演出的實時性舞臺控制系統，確保整個演出萬無一失。

在舞臺機械控制系統設計、調試過程中，還積極聽取了業內外眾多專家建議，最終通過中國藝術科技研究所國家舞臺設備質量監督檢驗中心的檢測，核心軟件通過了北京京航計算通信研究所（中國航天科工集團第三研究院第三〇四研究所）專家的代碼與功能驗證，為北京冬奧會開閉幕式的精彩呈現保駕護航，為今后大型舞臺控制系統解決方案積累了寶貴的經驗。

更快、更高、更強、更團結，是奧林匹克的格言。而今舞臺工作者也正在用更快、更高、更強的技術手段打造新的舞臺，用更團結向世界展示磅礴的中國力量

選自2022年《演藝科技 冬奧特刊》曹嶺，張向文，田 凱，張月飛，侯鵬強《北京冬奧會開閉幕式地面舞臺機械控制系統解析》。轉載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內容請參閱《演藝科技冬奧特刊》。

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