三維威亞和飛燈控制系統解析

張胤 侯鵬強

【摘? ? 要】 針對青島上合峰會燈光焰火藝術表演中所用到的三維威亞和飛燈系統的構成及表演形式，分析應用中控制系統 的難點及解決方案。

【關鍵詞】 上合峰會;舞臺機械;控制系統;三維威亞;飛燈系統

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.009

1? 引言

2018年6月，上海合作組織青島峰會燈光焰火藝術表演《有朋自遠方》在青島奧帆中心舉行，此表演區別于傳統的演出形式，將中華傳統文化與現代科技相交融，以天為幕，以海為臺，以城為景，將舞臺搭建在大海之上，通過海上舞臺多媒體球面視頻、環幕投影與海岸線城市景觀樓體相結合，創造性地將青島的城市夜景融入舞臺表演之中。整個舞臺由半圓形的投影幕構成舞臺背景，中間放置一個由LED條帶構成的球體，整個舞臺表面可注入幾公分深的水。舞臺機械裝置有一套三維威亞，124路飛燈，一個中心雙層升降臺，兩個側升降臺，一個直行車臺。

整個系統表演分為五個篇章：《天涯明月》《齊風魯韻》《國泰民安》《筑夢未來》《命運共同體》。最終演出中，《天涯明月》節目使用了雙層升降臺，《國泰民安》節目采用了124路飛燈，《筑夢未來》采用了三維威亞，演出效果見圖1。早期節目保留的側升降臺和直行車臺均由于節目的更改而未參與演出。

2? 三維威亞的系統控制

2.1 三維威亞機械機構的工作狀態

三維威亞主要用于《筑夢未來》的表演，通過三維威亞懸掛演員，在球體中完成太空漫步等經典動作，球體視頻、環幕、樓體的空間聯動效果，配合激光與燈光表演，帶來震撼人心的視覺體驗。為追求多個表演要素的整體配合效果，需要對演員行走的路線、速度、加速度等進行快速的修改，以滿足導演的創意和需求。

三維威亞機械機構采用固定式自排繩卷揚機，水平放置于地面，通過滑輪進行鋼絲繩出繩點轉向，為了達到系統實時響應的要求，采用德國倍福伺服電機，電機額定功率為7.5 kW，額定轉速2 000轉，卷筒出繩點速度為2.6 m/s，減速機采用斜齒輪減速機。由于伺服電機只配置了單個制動，并且制動力矩偏小，在卷筒的末端配置了單獨的制動器用于提升制動。

2.2? 三維威亞的控制系統及難點的解決

三維威亞的系統控制采用分層設計的方式，包括操作層、管理層、執行層三層結構，如圖2所示。操作層用于人機交互，編程軟件采用高級語言編寫，與控制器采用自定義總線進行通信。管理層主要包含控制器，用于接收計算機下發的指令并執行，從而驅動伺服電機按照設定好的位置進行位置、速度的實時調整。

演出中三維威亞有3分多鐘的表演時間，演員會在空中進行左右繞行、上下繞行等運動，要求演員在行走過程中平順，不能有卡頓的情況存在;并且現場需要針對導演的需求進行快速更改，需要對軌跡編輯進行簡化，使得系統能在最短的時間快速編程。

為了實現快速編程的功能，系統分為時間編程和速度編程，如圖3所示。在時間編程模式下，只需要設置經過點所需的時間即可，內部速度和加減速由速度編程后系統自動規劃。在速度加速度編程模式下，只需要設置每個經過點的速度和加速度值即可，時間則由時間編程自動計算。

如圖3所示，速度和加速度模式下可設置每個點的時間、延時、加速度、減速度幾個值，其中速度值為每段曲線運行到該段曲線結束時的速度，下一段曲線的開始速度。前端系數和后端系數則主要用來手動調節曲線的平滑程度。在時間編程模式下，speed則表示該段曲線運行的時間長短。

系統的控制模式有手動模式、編輯模式、自動模式三種，如圖4所示。其中，手動模式主要通過手柄控制設備的運行，同時可記錄設備的運行軌跡并進行回放;編輯模式主要用于軌跡編輯，通過編輯速度、加速度等曲線實現設備按軌跡運行，該模式下重要的功能為軌跡分析功能，在軌跡分析模塊中，可對編輯好的軌跡進行速度和加速度分析，對每段繩長和坐標進行速度和加速度分析，相當于系統編輯模式下的檢測功能;自動模式下則主要用于運行編輯好的曲線和記錄的軌跡。

3? 124路飛燈控制系統

3.1? 飛燈系統構成

124路飛燈主要用于《國泰民安》，舞動的燈具配合著大氣磅礴的歌曲，描繪了一幅跨越時空的“盛世中國”畫卷。飛燈系統打破了“燈位不動，只有光在運動”的限制，讓電腦燈本身也運動起來，自由翱翔，實現從“光的運動”到“運動的光”這巨大的轉變。

飛燈系統通過124路單點吊機進行提升，每個單點吊機安裝于投影幕頂層空間，如圖5所示，單點吊機采用自排繩系統，鋼絲繩出繩速度較快，達到3.2 m/s，出繩點為兩個，通過復式安裝懸掛電腦燈托盤，電腦燈運行速度最大為1.6 m/s。

3.2? 系統控制難點及解決方案

由于系統位于海邊，燈的固定需要考慮風大導致的搖晃問題，系統最終采用6根鋼絲繩來做固定。飛燈系統的另一個難點主要集中在電控系統，系統中分為124路子系統，為了保證各子系統的運行精度和穩定性以及編程的易用性，均需要進行針對性的設計。

系統采用了以太網總線，保證124軸的掃描周期能在1 ms內完成，同時配置了倍福冗余交換機形成環網，保證單軸斷開的情況下網絡也能正常運行。

對于編程而言，由于軸數量較多，并且需要控制燈具做出分段波浪、分段斜線、異形造型等各種動態造型;同時，設備需要持續動作4分鐘，因此，編程工作量巨大。為了簡化編程，系統引入了造型、時間序列混合編程的概念。

（1）造型功能

將一系列需要快速編程的設備作為一個造型來進行快速二次編程，如圖6所示，如將選出的設備快速地呈現為直線、斜線、波浪線。在此次活動中，飛燈總共分為9個區域，其中8個區域的燈具各為14臺，中間第五區為12臺。在造型的編輯過程中，可將幾個區進行分開編輯，即建立9個造型，針對每個造型進行單獨的動作編程，也可將左邊1～4區進行整體動作的快速編程，將6～9區進行整體動作的快速編程。在造型的編程中，可對延時、往返、時間、速度等參數進行設置。

如圖6所示，在造型交互窗口中，有往返、延時、波浪等功能的設置。其中，往返用于兩個造型間往返，即兩個造型動作的重復，比如可輕松實現一個類似眼球開合的造型，或者循環飛天的造型。在往返的情況下，系統自動計算兩個造型間的時間，保證造型切換同時到達。延時則可輕易完成類似間隔延時、數列延時等功能，讓每個設備的啟動時間可快速更改。對于波浪等常見的造型，也可快速插入。

（2）時間序列混合編程功能

該功能主要通過時間和動作序列結合的方式來實現，通過時間來完成時間點的卡位，通過動作序列來實現設備編程的連貫性。比如一個設備執行完當前動作后需要馬上執行下一個動作，最好的方式是通過序列編程，而一個設備需要在某個時間點進行特殊的動作，為了和其他設備的時間點進行配合，采用時間的編程又會變得簡單。

如圖7所示，在場景編程中主要分為5種指令：位置、速度、延時、條件、位時。其中，位置指令主要用于以某種速度和加速度、減速度到達某個指定的位置值;速度指令用于指示設備運行多長時間，可用于設備的多段速變化過程;延時指令用于設備的短期延時;條件指令則可與其他設備的條件進行互動觸發，也可與自身進行觸發，比如吊機1可在吊機2的位置到達某個值后再啟動該條指令;位時指令則結合了時間，用于表示場景啟動多長時間后啟動該條指令，涵蓋了時間碼的概念。

4? 總結

青島上合峰會燈光焰火藝術表演對于舞臺機械提出了很高的要求，特別是機械的可靠性、靈活性要求極高，在系統穩定的大前提下要求能對系統進行快速的調整，改變機械所呈現的狀態。系統圓滿達到了使用要求。

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