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摘 要：

解析北京冬奧會(huì)地面舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的架構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)，基于高可靠性、高安全性的要求，硬件采取冗余設(shè)計(jì)，軟件涉及安全信息的采集、處理、仲裁，并針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)給出解決方案。

2022年在北京國(guó)家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）舉辦的第24屆冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：北京冬奧會(huì)）、第13屆冬季殘疾人奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：北京冬殘奧會(huì)）開(kāi)閉幕式，以科技與藝術(shù)的結(jié)合為全世界觀眾呈現(xiàn)了一場(chǎng)唯美浪漫的視覺(jué)盛宴。其中，北京冬奧會(huì)開(kāi)幕式上，冰雪五環(huán)“破冰”而出震撼全場(chǎng)，奧運(yùn)圣火在浪漫雪花火炬臺(tái)上點(diǎn)燃更是與全世界觀眾一起見(jiàn)證了北京成為世界首座“雙奧之城”。北京冬奧會(huì)地面舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩年的精心籌備，數(shù)百個(gè)日夜的頑強(qiáng)奮斗，克服了新冠肺炎疫情的影響，助力北京冬奧會(huì)冬殘奧會(huì)開(kāi)閉幕式完美呈現(xiàn)。

北京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)閉幕式演出對(duì)于舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的可靠性、安全性要求極高。為了確保地面舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng) 的安全穩(wěn)定性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)從各個(gè)層面加以考量，對(duì)系統(tǒng)的硬件采取冗余設(shè)計(jì)，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(huì)地面舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行解析，闡述基于“安全性、可靠性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性、測(cè)試性、保障性”原則的系統(tǒng)架構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)，以及針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)的解決方案。

攝影 呂桃

1 硬件系統(tǒng)

為貫徹北京冬奧會(huì)綠色、廉潔的辦奧理念，地面舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)以安全、簡(jiǎn)約為原則，僅包含中央升降臺(tái)系統(tǒng)、中央?yún)^(qū)兩套開(kāi)合蓋板（包括車(chē)臺(tái)和補(bǔ)償臺(tái)）系統(tǒng)、冰立方主升降系統(tǒng)、冰立方5套活門(mén)開(kāi)合系統(tǒng)。但每個(gè)子系統(tǒng)的控制都不簡(jiǎn)單，其中，冰立方升降系統(tǒng)重達(dá)約400 t，啟停時(shí)系統(tǒng)需要處理設(shè)備巨大的慣量；兩套開(kāi)合蓋板開(kāi)合過(guò)程由2臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行，同時(shí)要與補(bǔ)償臺(tái)協(xié)調(diào)動(dòng)作，如任何差錯(cuò)都可導(dǎo)致演出失敗。為保證萬(wàn)無(wú)一失，對(duì)每一個(gè)控制對(duì)象都進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)設(shè)備、控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、電源、控制臺(tái)冗余備份，一旦系統(tǒng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可以做到快速“無(wú)縫切換”。

地面舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和材料選型，以航天“安全性、可靠性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性、測(cè)試性、保障性”六性為原則，整個(gè)系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)的方式舞臺(tái)控制系統(tǒng)，分為操作層、控制層、執(zhí)行層，如圖1所示。操作層和控制層通過(guò)普通以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，為了保障網(wǎng)絡(luò)的可靠性，采用雙環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？刂茖雍蛨?zhí)行層之間通過(guò)Profinet進(jìn)行互聯(lián)，采用了環(huán)網(wǎng)加星型的復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每臺(tái)設(shè)備的主驅(qū)動(dòng)與備驅(qū)動(dòng)分配在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后面，從而一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效不會(huì)影響該設(shè)備的使用。

圖1 地面舞臺(tái)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

操作層由兩個(gè)主控臺(tái)與一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作站組成，兩個(gè)主控臺(tái)之間做了熱備冗余，一個(gè)控臺(tái)失效自動(dòng)切換到另外一個(gè)控臺(tái)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作站主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電系統(tǒng)狀態(tài)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、系統(tǒng)急停狀態(tài)、實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控顯示與數(shù)據(jù)記錄，方便操作人員實(shí)時(shí)掌握每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

控制層用于協(xié)調(diào)多個(gè)操作終端和驅(qū)動(dòng)端，一方面接收來(lái)自操作層的指令，并通過(guò)以太網(wǎng)將解析后的命令實(shí)時(shí)發(fā)送給執(zhí)行層的驅(qū)動(dòng)單元。同時(shí)控制層實(shí)時(shí)接收來(lái)自驅(qū)動(dòng)單元反饋的設(shè)備狀態(tài)信息，如位置、速度、載荷、外部開(kāi)關(guān)等，并反饋到操作層，方便操作員掌握底層設(shè)備的狀態(tài)?？刂茖舆x用冗余和安全型的S7-400HF可編程邏輯控制器（PLC）。

執(zhí)行層主要是由一個(gè)個(gè)驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包含變頻器、制動(dòng)電阻、電機(jī)、編碼器等子單元。驅(qū)動(dòng)單元接收管理層的控制命令，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)變頻器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)的配電設(shè)計(jì)如圖2所示，從一級(jí)配電開(kāi)始設(shè)計(jì)主備供電系統(tǒng)，主驅(qū)動(dòng)的電源由主電源提供，備驅(qū)動(dòng)的電源使用備電源提供；主備驅(qū)動(dòng)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(tái)配電系統(tǒng)示意圖

2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要由上位機(jī)軟件、PLC軟件、狀態(tài)監(jiān)控軟件三部分組成。

上位機(jī)軟件具備人機(jī)交互功能，負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)與操作員之間交互；具備快速編輯場(chǎng)景的功能，可根據(jù)導(dǎo)演的需求快速計(jì)算整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程所需時(shí)間，也可以在設(shè)備容許的最大速度內(nèi)根據(jù)導(dǎo)演要求的時(shí)間完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而縮短與導(dǎo)演或者第三方設(shè)備配合和排練時(shí)間；具備安全編組功能，可避免兩個(gè)設(shè)備托舉同一個(gè)固定設(shè)備時(shí)其中一臺(tái)故障而導(dǎo)致設(shè)備損壞，還可根據(jù)主備驅(qū)動(dòng)的工作狀態(tài)，進(jìn)行快速主備驅(qū)動(dòng)之間的切換。

PLC軟件主要負(fù)責(zé)解析上位機(jī)指令，根據(jù)當(dāng)前指令的邏輯關(guān)系，控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，并將現(xiàn)場(chǎng)采集到如設(shè)備實(shí)時(shí)位置、運(yùn)行電流、變頻器溫度、變頻器狀態(tài)、設(shè)備IO信息等反饋至上位機(jī)與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

狀態(tài)監(jiān)控軟件主要提供以下幾個(gè)方面的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以方便操作人員快速診斷整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

（1）供電系統(tǒng)的狀態(tài)

監(jiān)測(cè)地面舞臺(tái)供電系統(tǒng)的所有供電狀態(tài)，并實(shí)時(shí)記錄供電系統(tǒng)電流、電壓曲線，方便對(duì)供電狀態(tài)復(fù)查。

（2）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)反饋每一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，方便及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

（3）系統(tǒng)急停狀態(tài)

對(duì)每個(gè)急停點(diǎn)都進(jìn)行立體標(biāo)注，并準(zhǔn)確反饋每個(gè)急停的狀態(tài)，急停觸發(fā)后快速確定觸發(fā)急停的位置。

（4）實(shí)時(shí)位置監(jiān)控

對(duì)每一個(gè)設(shè)備進(jìn)行剖面示意，監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)顯示實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，使設(shè)備在舞臺(tái)上所處的位置一目了然。

（5）設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示設(shè)備的IO信息、運(yùn)行電流、變頻器母線電壓、變頻器溫度、設(shè)備運(yùn)行速度等設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，并用曲線記錄，方便操作人員快速診斷出該設(shè)備的狀態(tài)，并做出相應(yīng)的決策。

（6）設(shè)備運(yùn)行流程監(jiān)控

對(duì)所有設(shè)備當(dāng)前執(zhí)行的流程進(jìn)行全流程監(jiān)控，并顯示目前的運(yùn)行狀態(tài)和導(dǎo)致不能運(yùn)行的前置連鎖條件，同時(shí)對(duì)是否能完全執(zhí)行的流程提前預(yù)示。

3 技術(shù)難點(diǎn)

為保障每個(gè)舞臺(tái)機(jī)械動(dòng)作都能按時(shí)、按質(zhì)呈現(xiàn)給觀眾，攻克了以下控制系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。

（1）主備電機(jī)實(shí)時(shí)切換系統(tǒng)

每一個(gè)地面舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備都安裝了一主一備兩臺(tái)同樣的電機(jī)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上兩臺(tái)電機(jī)連接在同一傳動(dòng)軸上，一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)另一臺(tái)電機(jī)是被動(dòng)運(yùn)行的。其中任何一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行發(fā)生故障，控制系統(tǒng)立即調(diào)度另一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行飛車(chē)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)停止、無(wú)頓挫、無(wú)延時(shí)的切換，使系統(tǒng)始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

（2）大慣量抑制

整個(gè)地面舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)中，僅冰立方自重就達(dá)400 t，并且機(jī)械系統(tǒng)中沒(méi)有安裝任何配重。在冰立方異常停車(chē)時(shí)制動(dòng)距離明顯加大，甚至可能出現(xiàn)設(shè)備損壞的情況。為了解決這一問(wèn)題，引入了特殊的制動(dòng)邏輯控制算法和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法，使冰立方在任何狀態(tài)都能安全停止。

（3）高精度同步

車(chē)臺(tái)蓋板開(kāi)合動(dòng)作由兩臺(tái)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，由于機(jī)械設(shè)計(jì)十分精密，兩側(cè)電機(jī)的絕對(duì)位置差不得超過(guò)5 mm，否則可能出現(xiàn)車(chē)臺(tái)“傾斜”狀態(tài)而無(wú)法正常運(yùn)行。為了保障同步得到實(shí)時(shí)響應(yīng)，將兩臺(tái)同步運(yùn)行電機(jī)直接引入獨(dú)立的控制器，以1 ms為周期進(jìn)行實(shí)時(shí)位置監(jiān)控與補(bǔ)償，使絕對(duì)同步精度控制在1 mm以?xún)?nèi)，從而實(shí)現(xiàn)同步控制。

（4）高精度位置控制

車(chē)臺(tái)蓋板除了需要解決同步問(wèn)題，還要解決高精度定位問(wèn)題。車(chē)臺(tái)蓋板直徑為16 m，蓋板正上方鋪設(shè)了LED屏幕，在蓋板關(guān)閉時(shí)兩個(gè)蓋板間的間隙要足夠小，否則可能會(huì)影響視頻效果。同時(shí)，在車(chē)臺(tái)蓋板高速關(guān)閉時(shí)不得出現(xiàn)位置過(guò)沖或反復(fù)調(diào)整的情況，以免左右車(chē)臺(tái)蓋板發(fā)生撞擊而損壞屏幕。在設(shè)備調(diào)試時(shí)，將位置控制PID算法與兩臺(tái)電機(jī)同步控制算法耦合，實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)運(yùn)的同時(shí)還控制定位精度達(dá)0.1 mm。

（5）高可靠性設(shè)計(jì)

為保障系統(tǒng)的可靠性，地面舞臺(tái)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)工程師進(jìn)行了大量的可靠性分析，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行方案及軟件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

可靠性分析需要查詢(xún)所有元器件的失效率，且要分析每一個(gè)元器件失效對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，從而建立一個(gè)復(fù)雜的可靠性模型。然后分析所有的故障點(diǎn)，并對(duì)所有的故障點(diǎn)提供冗余方案或者備選方案，通過(guò)大量計(jì)算與實(shí)驗(yàn)得出整個(gè)系統(tǒng)的可靠性為99.9999%。

（6）安全與可靠決策

在控制臺(tái)操作層還建立了各種設(shè)備功能的選擇與忽略的決策方案。考慮眾多可能引發(fā)影響演出效果的因素，將可能出現(xiàn)的情況引入計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速分析，分析出現(xiàn)問(wèn)題的原因，進(jìn)而推出建議處理的方式，指引決策者在異常情況下快速進(jìn)行控制方案調(diào)整。

4總結(jié)

地面舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)，通過(guò)控制臺(tái)與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)熱備冗余、安全編組、自由編組、運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、故障指示等功能，整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行位置精度可達(dá)0.1 mm，同步精度0.5 mm，時(shí)間響應(yīng)0.1 s；安全為前提下可對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行快速的調(diào)整，保證演出的實(shí)時(shí)性舞臺(tái)控制系統(tǒng)，確保整個(gè)演出萬(wàn)無(wú)一失。

在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中，還積極聽(tīng)取了業(yè)內(nèi)外眾多專(zhuān)家建議，最終通過(guò)中國(guó)藝術(shù)科技研究所國(guó)家舞臺(tái)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)，核心軟件通過(guò)了北京京航計(jì)算通信研究所（中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第三〇四研究所）專(zhuān)家的代碼與功能驗(yàn)證，為北京冬奧會(huì)開(kāi)閉幕式的精彩呈現(xiàn)保駕護(hù)航，為今后大型舞臺(tái)控制系統(tǒng)解決方案積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

更快、更高、更強(qiáng)、更團(tuán)結(jié)，是奧林匹克的格言。而今舞臺(tái)工作者也正在用更快、更高、更強(qiáng)的技術(shù)手段打造新的舞臺(tái)，用更團(tuán)結(jié)向世界展示磅礴的中國(guó)力量

選自2022年《演藝科技 冬奧特刊》曹嶺，張向文，田 凱，張?jiān)嘛w，侯鵬強(qiáng)《北京冬奧會(huì)開(kāi)閉幕式地面舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)解析》。轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱《演藝科技冬奧特刊》。

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