摘 要：

解析北京冬奥会地面舞台机械控制系统的架构及功能实现，基于高可靠性、高安全性的要求，硬件采取冗余设计，软件涉及安全信息的采集、处理、仲裁，并针对技术难点给出解决方案。

2022年在北京国家体育场（鸟巢）举办的第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称：北京冬奥会）、第13届冬季残疾人奥林匹克运动会（以下简称：北京冬残奥会）开闭幕式，以科技与艺术的结合为全世界观众呈现了一场唯美浪漫的视觉盛宴。其中，北京冬奥会开幕式上，冰雪五环“破冰”而出震撼全场，奥运圣火在浪漫雪花火炬台上点燃更是与全世界观众一起见证了北京成为世界首座“双奥之城”。北京冬奥会地面舞台机械控制系统经过两年的精心筹备，数百个日夜的顽强奋斗，克服了新冠肺炎疫情的影响，助力北京冬奥会冬残奥会开闭幕式完美呈现。

北京奥运会开闭幕式演出对于舞台机械控制系统的可靠性、安全性要求极高。为了确保地面舞台机械系统 的安全稳定性，在系统设计时从各个层面加以考量，对系统的硬件采取冗余设计，软件层面考虑各种安全信息的采集、处理及仲裁。以下就北京冬奥会地面舞台机械控制系统设计进行解析，阐述基于“安全性、可靠性、维修性、环境适应性、测试性、保障性”原则的系统架构及功能实现，以及针对技术难点的解决方案。

摄影 吕桃

1 硬件系统

为贯彻北京冬奥会绿色、廉洁的办奥理念，地面舞台机械系统设计以安全、简约为原则，仅包含中央升降台系统、中央区两套开合盖板（包括车台和补偿台）系统、冰立方主升降系统、冰立方5套活门开合系统。但每个子系统的控制都不简单，其中，冰立方升降系统重达约400 t，启停时系统需要处理设备巨大的惯量；两套开合盖板开合过程由2台电机同步运行，同时要与补偿台协调动作，如任何差错都可导致演出失败。为保证万无一失，对每一个控制对象都进行了驱动设备、控制设备、网络、电源、控制台冗余备份，一旦系统中任何一个环节出现问题都可以做到快速“无缝切换”。

地面舞台机械控制系统的设计和材料选型，以航天“安全性、可靠性、维修性、环境适应性、测试性、保障性”六性为原则，整个系统采用分层设计的方式舞台控制系统，分为操作层、控制层、执行层，如图1所示。操作层和控制层通过普通以太网进行互联，为了保障网络的可靠性，采用双环网的拓扑结构。控制层和执行层之间通过Profinet进行互联，采用了环网加星型的复合拓扑结构，每台设备的主驱动与备驱动分配在不同的网络节点后面，从而一个节点失效不会影响该设备的使用。

图1 地面舞台控制系统网络示意图

操作层由两个主控台与一个状态监测工作站组成，两个主控台之间做了热备冗余，一个控台失效自动切换到另外一个控台。状态监测工作站主要对整个系统的供电系统状态、系统网络状态、系统急停状态、实时运行状态进行监控显示与数据记录，方便操作人员实时掌握每台设备的运行状态。

控制层用于协调多个操作终端和驱动端，一方面接收来自操作层的指令，并通过以太网将解析后的命令实时发送给执行层的驱动单元。同时控制层实时接收来自驱动单元反馈的设备状态信息，如位置、速度、载荷、外部开关等，并反馈到操作层，方便操作员掌握底层设备的状态。控制层选用冗余和安全型的S7-400HF可编程逻辑控制器（PLC）。

执行层主要是由一个个驱动单元构成，每个驱动单元包含变频器、制动电阻、电机、编码器等子单元。驱动单元接收管理层的控制命令，转换成对应的运动指令，驱动变频器进而驱动电机运行。

整个系统的配电设计如图2所示，从一级配电开始设计主备供电系统，主驱动的电源由主电源提供，备驱动的电源使用备电源提供；主备驱动公共用电部分使用了双电源切换模块和UPS，使配电具有冗余性。

图2 地面舞台配电系统示意图

2 软件系统

软件系统主要由上位机软件、PLC软件、状态监控软件三部分组成。

上位机软件具备人机交互功能，负责建立系统与操作员之间交互；具备快速编辑场景的功能，可根据导演的需求快速计算整个运动过程所需时间，也可以在设备容许的最大速度内根据导演要求的时间完成整个运动过程，从而缩短与导演或者第三方设备配合和排练时间；具备安全编组功能，可避免两个设备托举同一个固定设备时其中一台故障而导致设备损坏，还可根据主备驱动的工作状态，进行快速主备驱动之间的切换。

PLC软件主要负责解析上位机指令，根据当前指令的逻辑关系，控制各个驱动单元进行相应的运动，并将现场采集到如设备实时位置、运行电流、变频器温度、变频器状态、设备IO信息等反馈至上位机与状态监控系统。

状态监控软件主要提供以下几个方面的状态监测，以方便操作人员快速诊断整个系统的工作状态。

（1）供电系统的状态

监测地面舞台供电系统的所有供电状态，并实时记录供电系统电流、电压曲线，方便对供电状态复查。

（2）系统网络状态

对现场每一个网络节点进行监测，并实时反馈每一网络节点的当前状态，方便及时发现存在问题的网络节点。

（3）系统急停状态

对每个急停点都进行立体标注，并准确反馈每个急停的状态，急停触发后快速确定触发急停的位置。

（4）实时位置监控

对每一个设备进行剖面示意，监控界面可实时显示实际运动轨迹的变化，使设备在舞台上所处的位置一目了然。

（5）设备运行数据监控

实时监控显示设备的IO信息、运行电流、变频器母线电压、变频器温度、设备运行速度等设备运行的相关数据，并用曲线记录，方便操作人员快速诊断出该设备的状态，并做出相应的决策。

（6）设备运行流程监控

对所有设备当前执行的流程进行全流程监控，并显示目前的运行状态和导致不能运行的前置连锁条件，同时对是否能完全执行的流程提前预示。

3 技术难点

为保障每个舞台机械动作都能按时、按质呈现给观众，攻克了以下控制系统的技术难点。

（1）主备电机实时切换系统

每一个地面舞台机械设备都安装了一主一备两台同样的电机，在机械结构上两台电机连接在同一传动轴上，一台电机运行时另一台电机是被动运行的。其中任何一台电机运行发生故障，控制系统立即调度另一台电机进行飞车启动，实现无停止、无顿挫、无延时的切换，使系统始终处于正常运行状态。

（2）大惯量抑制

整个地面舞台机械系统中，仅冰立方自重就达400 t，并且机械系统中没有安装任何配重。在冰立方异常停车时制动距离明显加大，甚至可能出现设备损坏的情况。为了解决这一问题，引入了特殊的制动逻辑控制算法和转矩补偿算法，使冰立方在任何状态都能安全停止。

（3）高精度同步

车台盖板开合动作由两台电机同步驱动，由于机械设计十分精密，两侧电机的绝对位置差不得超过5 mm，否则可能出现车台“倾斜”状态而无法正常运行。为了保障同步得到实时响应，将两台同步运行电机直接引入独立的控制器，以1 ms为周期进行实时位置监控与补偿，使绝对同步精度控制在1 mm以内，从而实现同步控制。

（4）高精度位置控制

车台盖板除了需要解决同步问题，还要解决高精度定位问题。车台盖板直径为16 m，盖板正上方铺设了LED屏幕，在盖板关闭时两个盖板间的间隙要足够小，否则可能会影响视频效果。同时，在车台盖板高速关闭时不得出现位置过冲或反复调整的情况，以免左右车台盖板发生撞击而损坏屏幕。在设备调试时，将位置控制PID算法与两台电机同步控制算法耦合，实现同步动运的同时还控制定位精度达0.1 mm。

（5）高可靠性设计

为保障系统的可靠性，地面舞台控制系统各环节工程师进行了大量的可靠性分析，在此基础上再进行方案及软件的设计与优化。

可靠性分析需要查询所有元器件的失效率，且要分析每一个元器件失效对整个系统的影响，从而建立一个复杂的可靠性模型。然后分析所有的故障点，并对所有的故障点提供冗余方案或者备选方案，通过大量计算与实验得出整个系统的可靠性为99.9999%。

（6）安全与可靠决策

在控制台操作层还建立了各种设备功能的选择与忽略的决策方案。考虑众多可能引发影响演出效果的因素，将可能出现的情况引入计算机进行快速分析，分析出现问题的原因，进而推出建议处理的方式，指引决策者在异常情况下快速进行控制方案调整。

4总结

地面舞台机械控制系统，通过控制台与计算机软件结合实现热备冗余、安全编组、自由编组、运行数据计算、故障指示等功能，整个系统中设备运行位置精度可达0.1 mm，同步精度0.5 mm，时间响应0.1 s；安全为前提下可对系统功能进行快速的调整，保证演出的实时性舞台控制系统，确保整个演出万无一失。

在舞台机械控制系统设计、调试过程中，还积极听取了业内外众多专家建议，最终通过中国艺术科技研究所国家舞台设备质量监督检验中心的检测，核心软件通过了北京京航计算通信研究所（中国航天科工集团第三研究院第三〇四研究所）专家的代码与功能验证，为北京冬奥会开闭幕式的精彩呈现保驾护航，为今后大型舞台控制系统解决方案积累了宝贵的经验。

更快、更高、更强、更团结，是奥林匹克的格言。而今舞台工作者也正在用更快、更高、更强的技术手段打造新的舞台，用更团结向世界展示磅礴的中国力量

选自2022年《演艺科技 冬奥特刊》曹岭，张向文，田 凯，张月飞，侯鹏强《北京冬奥会开闭幕式地面舞台机械控制系统解析》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技冬奥特刊》。

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