演出效果呈現集控技術的邏輯協調

豐其云，嚴華鋒

（浙江大豐實業股份有限公司（杭州）舞臺設計院，浙江 杭州 315400）

演出效果呈現集控技術的邏輯協調

豐其云，嚴華鋒

（浙江大豐實業股份有限公司（杭州）舞臺設計院，浙江 杭州 315400）

介紹演出效果呈現集控技術的邏輯協調模式，并從理論層面探討該模式的規劃過程及細化模型，以求進一步提高集控水平。

集控技術；邏輯協調；解析模型；關聯矩陣；效果呈現

1 系統特征概述

演出效果呈現的關鍵支撐技術之一是集控技術，而集控的主要宏觀對象是運動效果呈現（其執行端是機械設備運動控制子系統）、視覺效果呈現（其執行端是燈光控制子系統）、聽覺效果呈現（其執行端是擴聲及聲效控制子系統）等。

1.1 機械設備運動控制子系統

機械設備運動控制子系統由于其設備的多樣性及復雜性，至今沒有統一的控制模式，除了有大致的系統構架之外，具體控制系統基本都是根據場館設備的具體配置變通設計的。《舞臺機械設備運動分析》一文將常規機械設備的運動規律進行了歸納凝練，建立了上位機控制目標的輸入條件，由此，智能控制的程序設計主要針對這些條件進行。然而，文獻只是基礎性的運動分析，并沒有細化到具體輸入條件，其具體輸入條件是要針對設備配置規格及數量將每種設備的運動進行表述，但這些具體表述都是以文獻提供的模型進行。另外，文中提供的控制對象是抽象的，沒有具體到執行目標，因而也就難以提出具體的輸入條件，這正是階段性研究的局限性，一項系統工程的研究需要分階段持續地進行。

一般情況下，運動控制系統的執行部件是電機及其輔助元件，常規舞臺機械中一個維度的主運動至少需要一臺電機。當然，也有一臺電機驅動多個維度的結構的情況，這種情況通過一定的聯動機構實現多維度運動；也有一個維度的主運動需要兩臺以上電機的情況，這種情況通常盡可能考慮機械同步，以免除復雜的同步控制。誠然，電機驅動方式要視具體情況而言，如接力驅動的設備需要多臺電機，還有其他情況不得不采用同步控制，盡管其成本高昂，須以保證安全與基本功能為準。為了簡化表述，將一個維度的主運動視為一臺電機，接力驅動的電機及多臺并聯驅動的電機同步控制自有系統內部解決，這里只涉及與效果相關的概念驅動，代表其共性的控制對象特性。

如此，細化的控制對象執行元件主要針對電機，通常稱為軸電機，控制一臺電機就是控制一根軸的運動，故以軸電機表述。假設一個維度的運動依靠一臺軸電機驅動，如圖1所示，則需要提供的參數包括：運動效果需要的所有參數（速度、行程、載荷、停位等）；電機特性包括的所有參數（功率、轉速、扭矩等）；輔助元件包括的所有參數（制動器相關參數、編碼器相關參數、限位開關、極限開關、各種安全開關等）。以上這些都是機械設計與電控設計之間需要溝通及共同完成的設計工作，其內容也包括在機械運動控制子系統中，在現有成熟技術的基礎上，按總控系統要求的運動效果呈現作進一步的邏輯編排，以適應總控的要求。

總控系統僅將一個維度的運動執行部件視為一個控制對象進行調度，且按照子控系統提供的運動序列控制觸發。

1.2 燈光控制子系統

目前，劇場獨立的燈光控制系統有比較完善的控制功能可供選擇，但是由于劇場形式的多樣化以及投資額度的不同，所選擇的控制設備也有所不同。總控系統要求的燈光控制子系統應至少有一臺電腦燈控制臺，或以電腦燈為主的綜合控制臺。細化的控制對象執行元件理論上包括各種常規燈、電腦燈、LED燈、數字媒體燈等以及各種燈光的輔助設備，具體場館可根據規模及投資額度酌減其品種及數量配置。系統配置了可編程設計控制過程，并可調用再現執行控制過程；備有網絡功能，可傳輸DMX 512協議通訊及以太網協議通訊。

燈光控制的作用效果是通過各類燈具的開關效應、亮度色彩的變化、投射位置及角度的變化，圍繞戲劇主題來營造劇情所需要的空間、時間、時空的轉換，突出特定角色的視覺形象、烘托場景氣氛、調節情節節奏變化、渲染矛盾沖突等。如此一系列的控制過程都以場景的形式編排設定，總控系統僅將一個燈場景視為一個執行對象進行調度，且按照子控系統提供的場景序列觸發。

圖1 軸電機及其運動控制輔助元件

1.3 擴聲及聲效控制子系統

擴聲及聲效控制子系統有不同的特征，雖然擴聲及聲控都屬于聽覺效果呈現子系統，但其控制方式差別較大，需分別表述。

目前，劇場獨立的擴聲控制系統都有比較完善的控制功能可供選擇，總控系統要求的擴聲控制子系統應具備現場擴聲、舞臺監聽、效果聲、演出監控、音源播放以及公共廣播等功能。細化的控制對象執行元件主要是主擴揚聲器、觀眾廳環繞效果揚聲器、舞臺揚聲器、主持傳聲器、演唱傳聲器、樂隊傳聲器以及音源播放器等。以前置放大器為主體的專業電聲系統，接受多路不同阻抗、不同電平的各種音源信號，對信號進行均衡、效果、混合、分配、編組、聲像定位調整等處理，保證最佳信噪比、高質量、高效率的聲音信號傳輸。

擴聲控制的作用是將舞臺上的人聲、樂器聲和效果聲等，通過放大以及藝術加工處理后傳送給聽眾，讓聽眾感受到足夠的響度、清晰度和優良的音質，加之聲像定位功能，并結合劇情，可產生更高的藝術效果。同時，擴聲控制系統還應具備良好的外圍設備通訊接口，配置多選擇音源播放設備，以增加背景音樂的優化效果。如此一系列的控制過程都以場景的形式編排設定，總控系統僅將一個聲場景視為一個執行對象進行調度，且按照子控系統提供的場景序列觸發。

一般情況下，在劇場工藝設計階段已經按照建筑聲效設計的要求確定其聲場聲效，并落實到建筑結構以及裝修中，故演出中除上述的電聲控制外，再無所謂聲效控制。然而，有些場館為了追求不同演出劇種的最佳效果，設計了通過改變劇場部分結構從而改變聲效的裝備。這些裝備大多是通過機械設備運動來變換，雖然屬于聽覺效果子系統，但其執行機構卻是歸類于機械設備控制，因此，需要聲控系統來確定變換方案，由機械控制來執行。目前，這些動作僅限于演出前的準備階段，很少在演出過程實施變換，故本系統暫不列入自動控制，但系統有擴展該功能的可能，在此不做贅述。

上述各項子系統與總控臺的信號傳輸執行本課題開發的以太網為主的專用協議（WTDT001-A集成控制系統數據傳輸協議）。

2 子項解析模型

舞臺編輯將演出節目按時間順序進行排序，并將參與演出的相關設備運行參數提取給控制系統，由控制系統的演出時間數據處理模塊接收，并進行集成分析，生成控制系統執行單元能夠識別的指令序列。

《國家科技支撐項目實施的組織管理》一文中界定了各子項的控制范圍，確立了子項解析的基本構架，但沒有細化子項解析模型。解析子項的關鍵步驟是建立統一的時間軸坐標，將各個子項都納入惟一的時間軸坐標中。時間軸坐標的響應源是演出劇目，由于整場演出中的間歇時間難以控制準確，所以時間軸的單元宜以節目劃分，在一個節目中設定起始時間為0，則機械運動控制序列、燈光變換控制場景、擴聲調節控制場景均在統一的時間軸上設定。

各子項在時間軸坐標上建立控制對象序列坐標和控制參量序列坐標。時間軸坐標的精度至少應該做到毫秒級，控制對象序列按次序縱向依次排列，應將所有受控對象都納入該序列，同時，縱坐標又作為控制參量序列坐標。對機械運動來說，解析模型就是隨時間變化的運動圖線；對燈光、擴聲系統來說，解析模型就是隨時間變化的控制狀態（通、斷或過渡調節）。

既然時間軸坐標的響應源是演出劇目與演出場景序列，要說明解析子項模型的建立，就需要一套在控制對象序列里可以調動任意對象、在額定范圍里可以修改任意運動參量的設備表演劇目。本文案例設定一個設備表演節目，時長約16 min（通常一個節目的時長約在4 min～16 min之間）。

2.1 舞臺機械運動控制節點解析模型

設備表演節目的舞臺機械運動控制節點解析模型如圖2所示。圖2中，橫坐標為時間軸，總時長為16 min，臺上機械的序列觸發時間節點以Qai（i=0，01，02……)表示，臺下機械的序列觸發時間節點以Qbi（i同前）表示。縱坐標為設備運動行程示意（無比例），同時也表示所用設備序列，從下往上依次排列。坐標圖中的線條為設備運動圖線，表示了各個設備在相應時間節點的序列運動觸發點，而運動終止點及運動過程的變速、調節等則由子系統自動控制，這里只顯示序列開始的觸發點，設為Q節點，各個Q節點與相應的時間一一對應， Qi與Qi+1之間的時長各自不同。部分觸發點的運動過程如下：

（1）Qa01觸發——大幕升起、燈桿機mx下降、天幕桿機下降；

（2）Qa02觸發——大幕下降、吊桿機nu下降；

（3）Qa03觸發——大幕打開、吊桿機nz下降；

（4）Qa04～Qa06分別觸發，吊桿機ny、nx、nn依次下降；

（5）Qa07觸發——吊桿機nn、nx、ny、nz、nu同時上升、單點吊機dx下降；

（6）Qb02觸發——側輔助臺2下降；

（7）Qb03觸發——主升降臺2下降（至側車臺位置）、側車臺2側行（直至主升降臺臺面）；

（8）Qb04觸發——主升降臺2再下降（至下限位置）、側輔助臺2上升、側補平臺2上升；

（9）Qb05觸發——主升降臺2上升（直至上限位置）；

（10）Qb06觸發——主升降臺下降（至側車臺位置），側輔助臺2下降；

（11）Qb07觸發——側車臺2返回、側補平臺2下降；

（12）Qb08觸發——主升降臺2上升（至舞臺面位置）、側輔助臺2上升。

圖2 舞臺機械運動控制節點解析模型

圖3 視覺、聽覺效果控制節點解析模型

2.2 舞臺機械運動控制節點解析模型

設備表演節目的視覺、聽覺效果控制節點解析模型如圖3所示。

圖3與圖2的橫坐標時間軸一致，燈光場景觸發時間節點以Qci（i同前）表示，擴聲場景觸發時間節點以Qdi（i同前）表示。縱坐標為所用設備序列，從下往上依次排列。圖中為設備場景觸發狀態圖線，表示了各個設備在相應時間節點的場景觸發點，而觸發后的調節、過渡等則由子系統自動控制，這里只顯示序列開始與終止的觸發點，設為Q節點，各個Q節點與相應的時間一一對應，Qi與Qi+1之間的時長根據需要各不相同。部分觸發點的運動過程如下：

（1）Qc01觸發——一道面光、二道面光、二層耳光、一道頂光、天幕光均打開；

（2）Qc02觸發——二道面光、二層耳光關閉，一層耳光、一道逆光打開；

（3）Qc03觸發——二道頂光打開；

（4）Qd01觸發——音源播放、主持傳聲器、樂隊傳聲器、主擴聲揚聲器、舞臺揚聲器、觀眾廳環繞揚聲器均打開；

（5）Qd02觸發——音源播放關閉、主持傳聲器關閉，樂隊傳聲器打開；

（6）Qd03觸發——音源播放、演唱傳聲器均打開。

機械、燈光、擴聲等子系統按照統一的節目時間段區間編排好各自的Q序列，分別將該序列發往總控系統。各子系統的Q時間節點有可能相重，也有可能不相重，相重的就是同時動作節點。本案例為了簡化表述，絕大數設為相重，只有少量不相重，實際則不然。

3 集成邏輯協調

總控系統收到各子系統的Q序列表之后，要進行識別、分析，然后進行邏輯運算，按照時間順序即

Qi∈(Qai∪Qbi∪Qci∪Qdi)

則Qi∈Qai且Qi∈Qbi且Qi∈Qci且Qi∈Qdi

（公式1）

如此，時間坐標軸將相重和不相重的時間節點都重新進行了大排序，并將圖2與圖3的縱坐標統一取最大值，將各子系統的觸發系列分別寫成關聯矩陣如下：（公式2）

關聯矩陣中，列為時間序列，即大排序后的Qi；行為設備序列，仍按圖2、圖3的次序從下往上排列。A為臺上機械運動關聯矩陣；B為臺下機械運動關聯矩陣；C為燈光控制關聯矩陣；D為擴聲控制關聯矩陣。然后進行矩陣相加運算，得

A+B+C+D=Z （公式3）（公式4）

Z為總控臺集成后的場景觸發關聯矩陣，其中，列為一個節目的全部時間場景節點序列，同一Q點上凡有觸發信號的不同設備都同時觸發。總控系統按照矩陣Z的控制節點生成可執行的指令序列，在演出的過程中，總控臺可根據演出的進度在設定的時間節點向各個控制系統發送相關的指令。如演出要求中需要對時間序列改動，通過人工干預等方式對時間序列進行重新編排。

另外，為了防止指令數據出錯而造成的運動設備錯誤動作，演出時間數據處理模塊還增加了數據容錯處理模塊，其容錯處理方法是：執行單元接收到指令數據，如有錯誤即時產生反饋信號，并發送到演出時間數據處理模塊，演出時間數據處理模塊收到反饋信息之后，在一個掃描周期（100 ms）之內把出錯的數據補發，保證運動設備的及時運行。數據至指令傳輸途徑如圖4所示。

圖4 數據-指令傳輸途徑

4 小結

綜上，通過系統特征分析，建立子項解析模型，直到集成邏輯協調。逐步形成了演出效果呈現集控技術的邏輯協調模式，從宏觀及理論的層面探討了這種模式的規劃過程及細化模型，可完整地達到進一步提高集控水平的目標。

注：本文得到國家科技支撐計劃“演出效果呈現關鍵支撐技術研究與應用示范”項目，“舞臺效果裝備控制集成系統”課題（課題編號：2012BAH38F01）的資助。

參加本文內容研究的有：魏發孔、謝海歧、田海弘、孫濤、盛敏、黃學通、劉榛、吳立鋒、張磊、蔣松波等。

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［6］Rardin R.L. Optimization in operations research[M]. New York Printice Hall，1998.

（編輯 薛云霞）

The Logical Coordinate of Centralized Control Technology about Performance Effects Presentation

FENG Qi-yun, YAN Hua-feng
(Zhejiang Dafeng Industrial Co., Ltd.(Hangzhou) Stage Design Institute, Hangzhou Zhejiang 315400, China)

This article describes the logical coordinate mode of performance effects presentation, and discusses the planning process and detailed model of the model from the theoretical level, in order to improve the level of centralized control further.

centralized control technology; logical coordination; analytical model; incidence matrix; effects presentation

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.02.008