《偉大征程》威亞設(shè)計(jì)解析

謝永偉，張 坷

（北京威亞傳邁文化傳播有限公司，北京 101100）

慶祝中國共產(chǎn)黨成立100周年文藝演出《偉大征程》于6月28日在國家體育場（鳥巢）盛大舉行。本次演出的高空威亞設(shè)計(jì)理念遵循技術(shù)服務(wù)于藝術(shù)的宗旨，將科技與藝術(shù)完美融合。演出高空威亞系統(tǒng)的使用規(guī)模是鳥巢有史以來最大的一次，采用全新首創(chuàng)的雙索多車威亞索道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，使用鋼絲繩近10萬米。對于威亞團(tuán)隊(duì)而言，這是一次全新的挑戰(zhàn)與突破。本文主要針對威亞系統(tǒng)的亮點(diǎn)及難點(diǎn)、軟硬件等方面展開介紹。

1 威亞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

威亞系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為表演方案創(chuàng)意設(shè)計(jì)、威亞演員培訓(xùn)、威亞設(shè)備及數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、采購安裝調(diào)試、排演保障等全方位的設(shè)計(jì)與服務(wù)。威亞系統(tǒng)模擬見圖1。

圖1 威亞系統(tǒng)模擬

威亞系統(tǒng)采用威亞主索共20組，每組由2條22 mm主索組成。主索固定在鳥巢南北兩側(cè)頂棚鋼結(jié)構(gòu)上方。水平驅(qū)動(dòng)索40組，矩陣移動(dòng)升降吊點(diǎn)100個(gè)，升降機(jī)械設(shè)備100臺，水平驅(qū)動(dòng)設(shè)備20臺。威亞平面布局圖見圖2～圖3。

圖2 威亞平面布局圖一

圖3 威亞平面布局圖二

本場演出共使用了兩種類型的威亞設(shè)備，功率分別為5 kW和11 kW，均采用兩個(gè)獨(dú)立的制動(dòng)器，一個(gè)位于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，另一個(gè)位于卷筒轉(zhuǎn)軸上（圖4）。卷揚(yáng)機(jī)設(shè)有防止松繩、亂繩的壓繩裝置，自排繩機(jī)構(gòu)，限位開關(guān)，極限位開關(guān)等安全功能。其中，水平牽引滿足偏離螺旋槽兩側(cè)的角度不應(yīng)超過2°。

圖4 威亞設(shè)備

2 威亞設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)及難點(diǎn)

演出中的高空威亞表演主要體現(xiàn)出兩大亮點(diǎn)，同時(shí)也克服了諸多困難。

2.1 威亞設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)

亮點(diǎn)一：第四篇章《新的天地》，空中呈現(xiàn)出象征建黨百年的100面巨型大鼓。每面鼓直徑3 m，每面鼓上站著一位演員。鼓陣在空中隨著音樂多次變化造型，呈現(xiàn)震撼的視覺效果（圖5）。

圖5 《新的天地》演出現(xiàn)場

亮點(diǎn)二：尾聲《領(lǐng)航》，高達(dá)16 m的金色黨徽與10面20 m巨型紅旗被威亞緩緩拉起，場面震撼，是整場演出最重要的視覺形象之一，將演出氣氛推向高潮（圖6）。

圖6 《領(lǐng)航》演出現(xiàn)場

2.2 威亞設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及解決方法

2.2.1 鼓的抗風(fēng)能力

由于100面鼓體積大，所以最怕風(fēng)。經(jīng)過測試，鼓的抗風(fēng)能力只能達(dá)到2.5級～3級。風(fēng)力超過3級后，鼓和演員在空中劇烈搖擺，鼓與鼓互相撞擊，會(huì)出現(xiàn)吊掛鋼絲繩纏繞等情況，非常危險(xiǎn)。初步結(jié)論是風(fēng)力超過3級，就不能進(jìn)行表演。但是，總導(dǎo)演下達(dá)的指示是，無論任何天氣都要確保演出效果完美呈現(xiàn)，這對于威亞團(tuán)隊(duì)壓力巨大，必須解決這個(gè)難題。

經(jīng)過對鳥巢內(nèi)外風(fēng)速的數(shù)據(jù)分析，鼓必須達(dá)到能夠?qū)?級大風(fēng)，才能保障演出安全呈現(xiàn)。由于舞臺搭建了近200 m寬的大屏，改變了鳥巢原有的風(fēng)學(xué)設(shè)計(jì)。鳥巢外面正常風(fēng)速時(shí)，鳥巢內(nèi)部表演區(qū)每個(gè)高度的風(fēng)速都不一樣，無規(guī)律可循。為了實(shí)時(shí)掌握每個(gè)高度風(fēng)速的數(shù)據(jù)，在舞臺區(qū)域、大屏上方等相關(guān)位置安裝多個(gè)風(fēng)速儀，監(jiān)測每個(gè)高度的風(fēng)速。根據(jù)近半個(gè)月的數(shù)據(jù)監(jiān)控，結(jié)合鼓吊掛空中實(shí)時(shí)測得的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，做出以下調(diào)整。

（1）對飛行高度、飛行軌跡、表演形式等進(jìn)行調(diào)整修改，根據(jù)不同風(fēng)速設(shè)置不同的表演程序。

（2）將威亞小車吊具長度增加，從而增加扭矩，防止吊具旋轉(zhuǎn)，可以將鼓的抗風(fēng)能力從3級提升至4級。

（3）增加備用表演程序，將鼓進(jìn)行分組軟連接，鼓的抗風(fēng)能力從3級提升至6級，并增加相應(yīng)的軟件保護(hù)。

（4）對演員進(jìn)行搖擺控制培訓(xùn)。在空中有風(fēng)且鼓搖擺的情況下，威亞演員可以在做表演動(dòng)作的同時(shí)，給予一些外力來控制搖擺。

經(jīng)過威亞團(tuán)隊(duì)不懈的努力，多重安全措施得到提升，并提高了安全等級，保證演出完美呈現(xiàn)（圖7）。

圖7 《新的天地》排練現(xiàn)場

2.2.2 1分鐘之內(nèi)100面鼓備場吊掛完畢

在舞臺兩側(cè)屏幕之間狹小的空間內(nèi)，鼓要在一分鐘之內(nèi)到位，并且掛鉤完畢升起，否則會(huì)影響其他節(jié)目演員上下場，使演出無法順利進(jìn)行。為了在如此短時(shí)間內(nèi)完成吊掛，將鼓重量控制在55 kg，兩個(gè)演員可以抬起，按照規(guī)定路線、規(guī)定時(shí)間到達(dá)指定位置，在鼓搬運(yùn)過程中，由于鼓的直徑3 m，受風(fēng)面較大，行進(jìn)過程中極易被風(fēng)吹倒。為了杜絕安全隱患，在鼓中間站一名演員維持鼓的穩(wěn)定。300名演員抬鼓，100人站在鼓上表演，進(jìn)行長達(dá)一個(gè)月的訓(xùn)練，確保在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)安全完成所有吊掛（圖8）。

圖8 威亞演員訓(xùn)練現(xiàn)場

2.2.3 10面巨型國旗抗風(fēng)能力及造型呈現(xiàn)

高20 m、長30 m的巨型國旗在鳥巢使用的最大問題就是抗風(fēng)能力。國旗受風(fēng)面大，演出期間有2級～3級風(fēng)，難以控制。為解決此問題，將多年來在鳥巢演出積累的數(shù)據(jù)、以及現(xiàn)場實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，避開風(fēng)速穿過位置，將國旗位置進(jìn)行調(diào)整和避讓，并且在旗幟底部增加一個(gè)可移動(dòng)的底座，將旗幟載荷傳遞至底座上，地面安排輔助人員進(jìn)行固定，威亞吊掛采用移動(dòng)升降同步配合進(jìn)行提升，應(yīng)用多重措施保障國旗完美呈現(xiàn)（圖9）。

圖9 國旗吊掛實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

2.2.4 威亞索道結(jié)構(gòu)

威亞系統(tǒng)首次使用一索道10套移動(dòng)小車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，水平鋼絲繩的補(bǔ)償系統(tǒng)，保證水平牽引鋼絲繩在主索上運(yùn)行時(shí)，不會(huì)與主索纏繞在一起，也避免運(yùn)行小車在主索運(yùn)行時(shí)的鋼絲繩松弛現(xiàn)象（圖10）。主索上的10個(gè)吊點(diǎn)采用具有自適應(yīng)功能穿繩方法和滑輪組，確保多條鋼絲繩在高速運(yùn)行時(shí)不纏繞，避免鋼絲繩通過滑輪時(shí)，不會(huì)因吊繩的偏角而加劇滑輪磨損，提高滑輪的使用壽命。

圖10 索道安裝圖

3 威亞控制系統(tǒng)

3.1 概述

本項(xiàng)目需要控制的設(shè)備共120臺，分南北兩側(cè)各60臺?？刂葡到y(tǒng)核心采用基于倍福PC控制技術(shù)的高性能處理器，將PLC、可視化、運(yùn)行控制等集成在同一個(gè)控制平臺。威亞控制系統(tǒng)由兩套獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，即專門的安全主控單元來處理安全邏輯，其他邏輯交由傳統(tǒng)PLC來執(zhí)行。

（1）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（Motion Control System）：采用CX6920作為控制系統(tǒng)核心，系統(tǒng)由控制器、120套伺服系統(tǒng)、遠(yuǎn)程IO、上位機(jī)軟件組成，并采用分層設(shè)計(jì)（圖11），分別是管理層、控制層和執(zhí)行層。

圖11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）安全聯(lián)鎖系統(tǒng)（Safety Interlocking System，簡稱SIS）：由安全完整性等級為SIL3的安全PLC和安全I(xiàn)/O模塊組成。

通過這兩套獨(dú)立運(yùn)行的子系統(tǒng)，安全穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)所有單軸點(diǎn)位運(yùn)行、多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行和復(fù)雜邏輯運(yùn)算等功能，將數(shù)字科技與整場演出精準(zhǔn)銜接、完美融合。

同時(shí)，項(xiàng)目在南北兩個(gè)區(qū)域各設(shè)置兩套威亞控臺，既可以分別控制，也可以同時(shí)控制南北兩側(cè)的設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和容錯(cuò)能力，采用一套成熟的硬件系統(tǒng)，控制器采用硬冗余（Redundancy）設(shè)計(jì)，當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障時(shí)，備用控制器立即接管系統(tǒng)控制權(quán)，成為主控制器，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，現(xiàn)場總線也采用網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)，通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)端口倍增器，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，防止由于某個(gè)設(shè)備的網(wǎng)線損壞或脫落導(dǎo)致的通信故障，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)可以由多個(gè)控制終端（控臺）同時(shí)控制，若出現(xiàn)控臺故障或者其他緊急情況，可由其他控制終端（控臺）直接控制，無需進(jìn)行任何硬件或軟件的切換，保證演出順利進(jìn)行，也是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障。

3.3 系統(tǒng)安全性

系統(tǒng)安全性是保障人身安全和設(shè)備安全的前提，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)。

（1）為避免雷電感應(yīng)的高壓竄入，造成設(shè)備損壞而引起安全事故，項(xiàng)目所用的配電柜、PLC柜、驅(qū)動(dòng)柜都設(shè)置了浪涌保護(hù)器，SPD采用相線/中性線對地保護(hù)模式。

（2）每臺威亞設(shè)備上安裝多個(gè)檢測開關(guān)，主要包括上極限位開關(guān)、下極限位開關(guān)、上限位開關(guān)、下限位開關(guān)、鏈條檢測開關(guān)、排繩檢測開關(guān)。這些檢測開關(guān)和上位機(jī)設(shè)置的軟限位構(gòu)成了三層保護(hù)。

第一層保護(hù)：控制器檢測到運(yùn)行位置處于軟限位，將停止該設(shè)備運(yùn)行；當(dāng)控制器讀取伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的扭矩值，通過對扭矩值和扭矩值增量的斜率實(shí)時(shí)跟蹤判斷，如果超過設(shè)定峰值，可能存在機(jī)械故障或者鋼絲繩出現(xiàn)纏繞等危險(xiǎn)情況，系統(tǒng)將立即停止伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)，上位機(jī)軟件將給出相應(yīng)的故障提示信息和報(bào)警，方便故障排查。

第二層保護(hù)：上限位開關(guān)、下限位開關(guān)、鏈條檢測開關(guān)、排繩檢測開關(guān)接入安全I(xiàn)/O模塊中，通過獨(dú)立的安全控制邏輯，如果觸發(fā)了開關(guān)，將禁止對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行，并關(guān)閉抱閘。

第三層保護(hù)：當(dāng)設(shè)備運(yùn)行觸碰到上、下極限開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)通過電路直接斷掉該設(shè)備的供電。

（3）系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖功能，主要運(yùn)用在設(shè)備編組運(yùn)行中，安全PLC通過判斷接入安全模塊的伺服報(bào)警信號、限位開關(guān)信號、檢測開關(guān)信號狀態(tài)，決定是否觸發(fā)安全邏輯。比如，在一組編組設(shè)備中，一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障，那么，這個(gè)設(shè)備所在的編組中所有設(shè)備將全部聯(lián)鎖停止運(yùn)行。該功能主要在《新的天地》100面巨型大鼓備用表演程序，將鼓進(jìn)行分組軟連接中使用。

（4）系統(tǒng)急停功能按照GB16754-2008《機(jī)械安全急停設(shè)計(jì)原則》進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為0類停機(jī)和1類停機(jī)。0類停機(jī)安裝在控臺上和設(shè)備區(qū)域兩側(cè)，通過立即切斷設(shè)備的供電（動(dòng)力源）進(jìn)行急停；1類急停安裝在控臺上，通過安全扭矩關(guān)斷、關(guān)閉抱閘、終止運(yùn)行程序進(jìn)行緊急停車。

3.4 系統(tǒng)操作性

系統(tǒng)的操作性是否良好、是否能快速響應(yīng)導(dǎo)演要求，體現(xiàn)了上位機(jī)軟件的核心功能。

（1）操作界面簡潔清晰（圖12），主要分為系統(tǒng)配置、節(jié)目管理、設(shè)備監(jiān)控三個(gè)區(qū)域。

圖12 上位機(jī)軟件

（2）基于時(shí)間軸-位置可視化編程方式，能夠更直觀地反映軌跡數(shù)據(jù)。

（3）造型插入功能。能夠快速編輯一個(gè)場景。

（4）節(jié)目數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能?？梢栽诰幣藕玫?∶1視頻效果中，按照一定格式輸出所需數(shù)據(jù)的文件，導(dǎo)入本系統(tǒng)即可直接使用，無需進(jìn)行繁瑣的編節(jié)目環(huán)節(jié)。大大提高效率，更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)節(jié)目舞臺效果。

（5）應(yīng)急操作功能。在節(jié)目運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)突發(fā)情況，可在應(yīng)急操作界面中停止單個(gè)或多個(gè)設(shè)備，并可以單獨(dú)對其進(jìn)行手動(dòng)操作，不影響其他設(shè)備的場次運(yùn)行。

4 結(jié)語

在本次演出中，威亞團(tuán)隊(duì)通過規(guī)范的管理、安全穩(wěn)定的技術(shù)，保障訓(xùn)練、排練和演出順利進(jìn)行，無任何故障出現(xiàn)。一是威亞演員在高空訓(xùn)練、培訓(xùn)彩排以及演出中，未出現(xiàn)任何安全問題。二是數(shù)百次排練、彩排、演出，未出現(xiàn)一次故障；三是威亞系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)均嚴(yán)格按照制定方案實(shí)施，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念，整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。