新疆大剧院暨秀场舞台机械控制系统探讨

杜安坤　李由　陈强　刘基顺

【摘 要】 以新疆大剧院为例，从舞台控制系统结合舞台工艺美术的角度，阐述秀场类舞台机械控制系统的结构、组成、 特点、现状、展望以及安全要求，探索控制技术与舞台工艺及工艺美术的融合。

【关键词】 新疆大剧院；秀场；舞台机械；控制系统；安全要求

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.04.005

Discussion on the Stage Mechanical Control System of Xinjiang Grand Theatre & Show Field

DU An-kun， LI You， CHEN Qiang， LIU Ji-shun

（General Equipment Engineering Design Research Institute， Beijing 100028， China）

【Abstract】Taking Xinjiang grand theatre as an example， from the perspective of the stage control system combining with the stage of arts and crafts， the author introduced the structure， composition， characteristics， current situation， expectation and safety requirements of stage mechanical control system in show field， aimed to explore the integration of control technology， stage technology and the arts and crafts.

【Key Words】xinjiang grand theatre； show field； stage machinery； control system； safety requirements

近十年来，中国秀场类舞台机械发展迅速，编导创意、舞美表现及舞台机械工艺标新立异，展示手段花样繁多。由于功能方面的要求，对应舞台机械控制系统的难度日趋加大，新技术的采用日益增多。原本意义上，剧场的表演区和观众区有分界，无论什么样的舞台机械，都是辅助演员表演、给观众呈现视觉效果的载体。然而，秀场尤其是开放式舞台秀场，其舞台机械与观众互动，模糊了表演区和观众区的分界，机械安全方面的风险陡增。这种情形下，在采取安全防护和安全联锁措施的同时，尤其要加强演出监管。基于此，以新疆大剧院、秀场为例，用条文归纳的形式，从舞台控制系统结合舞台工艺美术的角度，阐述舞台机械控制系统的结构、组成、特点、安全要求以及发展趋势，探索控制技术与舞台工艺及工艺美术的融合。

1 新疆大剧院舞台机械控制系统概况

新疆大剧院舞台上的展示，其定位是效果可媲美世界最具影响力的美国拉斯维加斯欧秀。新疆大剧院的内核是按秀场所需打造的。

（1）控制对象的任务是在观众身临其境的立体化空间，让承载设备完成空间交互组合运动，借机械描绘人仙相会、飞鸟走兽、山崩地裂等场面。

（2）电机数量，即系统的主要控制对象，441台，其中调速电机控制占3/4。

（3）单个编场Q，实际同时动用电机数量最多达到30台。

（4）控制柜数量，120面，转接箱350多个。

（5）控制柜布置，按区域分为12组，后台栅顶，主舞台区上、下马道，主台仓上、下回廊，台口伸出区台面下的两侧，伸出区、观众区栅顶，观众区栅顶随轨道车吊挂，观众区后方等。

（6）控制中心I，西门子400系列PLC控制系统1套，CPU冗余配置，主备手动切换，位于舞台控制室，配置远程I/O站点12个，监控台上吊挂设备和台下升降、旋转、行走、翻转类设备；统属西门子300系列PLC控制从机10套，用于旋转8点吊组，水台面、跑马机、自行车台的控制；人机界面，控制台4台套，并行工作；实际编场240 Q/120 min。

（7）控制中心II，西门子D435-2 DP/PN控制单元，规格SIMOTION运动控制器核心CPU，8轴联动；经由PROFINET实时网络统属飞行机构从站4台套，各飞行机构从站主要配置CU320-2PN控制CPU、2組PM340-11kW电机驱动模块，及SMC30规格的增量型和绝对值编码器适配器；控制台1台套；可以编场实现单飞、双飞及飞毯3D空间轨迹。

（8）两控制中心的结合，信息交换和安全联锁通过以太网络联络。

（9）控制咽喉，有线以太网络、无线以太网、DP网络，PROFINET，其中干线采用光纤传输，PROFINET随动网线采用高柔性网线。

（10）网络站点数量330个，包括有线以太、无线以太、PROFINET、DP等。

（11）安全措施，PILZ急停链路，绝对编码器、编码器、限位、电流、电压检测，工艺性和功能性联锁，安全电压，隔离电源IT供电，绝缘监测，电磁兼容措施、接零接地系统。

（12）路由，强弱电缆分走桥架，无卤低烟电缆。

（13）自主软件，组态、编址、编场、调度，界面友好，操控灵活。

（14）控制的两大要素，能量、信息，同时也是控制的主要工作内容。

（15）控制的侧重点，动态特性包含在时间（或速度）、精度（或准确）、稳定、观察、鲁棒①、可靠、安全七个性质之中，这些性质在数理上均表示概率事件，小于1亦即小于100%，所以要尽量统筹完善。要求有针对性地找到解决系统中控制问题的方法。

2 秀场创意特点对舞台机械的要求

（1）秀场舞台机械，从观众的角度，是完成舞台视觉效果的载体；从演职人员的角度，是助演载体，是可触及；还可以是演员或观众配合互动的运载工具。

（2）场面表现的意境或风情各异，有政治的、战争的、和平的、文化的、生产的、生活的，喜怒哀乐、地域的、民族的、民俗的等。

（3）表演区与观众区分界模糊，机械防护、安全联锁与舞台监管要求高。

（4）围绕观众区的设备，特别是观众可触及的设备应具有更高的可靠性要求和安全要求。尤其是面对好动的儿童观众，应控制这类设备的运行速度，以便有足够的应急反应时间。

（5）舞台机械数量多、载荷大、关联复杂、变化多样，动静结合，振动与柔韧兼具，响应要求高。

（6）对运动形式，要求系统操作可靠灵活兼备，对创意的实验性工艺、布局、时间与立体空间等应具有出人意料的效果。剧目中，围绕观众的飞天、飞毯等飞行机构由钢丝绳牵引，完成空间轨迹的柔性多维运动；围绕演员的刚性机械的快速运动，要能给人留下不同凡响的影响。

（7）节目固定，使用频度高，相对程式化而又会随机调整编场。

（8）伴有其他表现手段，且手段多样，如电声电光、LED投影多媒体、水特效、冰特效、冷火焰、烟雾特效、歌舞、杂技、马术、吸幕、全息激光，甚至将来的量子态传输等技术性功能。仅就电气角度，各专业各行业混杂用电，电磁兼容要求高。

（9）控制系统则要能实现量化的恢宏场面、惬意视觉、互动开放、情景并茂的控制目标。

（10）节目因创作灵感会产生突然性运行调整要求。

（11）因突然性的运行调整会让演员及观众面临安全的风险性。

（12）安全对机电运动约束，既要对能量进行限制，又要约束信息边界。

（13）控制系统的要素和性质是明确的，但任务及其完成任务的技术方法、措施手段又是各有千秋，各显其能。

（14）机电设备越多，电气回路数量也越多，系统整体可靠性就会降低。一般一台电机对应电气回路大约30条～40条，至少每条首尾两端，就有70个左右的连接点，如经中间转接，连接点成倍增加，由此带来的可靠性也就成倍降低。质量控制必须慎之又慎，初始即严，一严到底。

（15）控制系统的瓶颈问题，获得高可靠性，需要对产品质量、施工质量严格要求。

（16）水和電共处，按防水与绝缘、隔离供电要求实施。

（17）防火要求，从设备贯穿到电气线路敷设路由。

（18）设备使用环境，自安装之日起，温度、湿度、尘雾就应该严格控制。设备越多，系统越大，如果对热（通风）、湿、尘控制不严，会造成霉变、绝缘降低甚至电气短路。

（19）无线信号，多专业在同一个空间分布，协调统筹安排频段。

总之，秀场是有着鲜明特色的多功能剧场。所以，其舞台机械相应地具有鲜明个性的可感知的视觉和触觉载体，控制系统的表现既要具有非凡而灵活的多样性，又要具备高度的安全性。

3 秀场舞台机械现状和发展趋势

（1）必须站在哲学和政治的高度来考虑文化和艺术。《延安文艺座谈会的讲话》为党的文艺事业发展奠定了坚实的理论基础，依然是中国今后的文化和艺术方针，是传播、呈现、解释剧目中舞美内容和舞台机械形式的结合点的出发点和落脚点。

（2）2015年5月5日，国务院办公厅正式转发文化部、财政部、新闻出版广电总局、体育总局起草的《关于做好政府向社会力量购买公共文化服务工作的意见》（以下简称《意见》），对建立健全政府向社会力量购买公共文化服务机制，完善公共文化服务供给体系，提高公共文化服务效能作出了重要部署。

（3）中国文化市场，毋庸置疑，剧目即文化商品，演艺团队犹如产品生产者、文化团体就是文化商品的供应商。

（4）文化的解释能力，这个概念最早见于克利福德·格尔茨著的《文化的解释》，从《意见》的指导性目录不难看出，中国的文化解释能力还需要不断完善提高，舞美手段用到了极致，为舞台机械及其控制系统提供了施展空间。

（5）创意途径、动态舞美、舞台机械作为演艺装备与工艺美术或舞美的结合，力求时间与空间、形式与内容、方法与措施、多专业设备之间的协调、功能与安全等方面达到技术与舞台美术的和谐统一。

（6）演艺技术，用演艺装备做什么，怎么做；设备技术与艺术创意的结合点是什么，怎么结合，是做好表演设备及其控制系统的一个个症结，可以探讨研究的空间很大，但仍不出舞台机械技术与舞台工艺美术协调统一的范围。

（7）通过舞台工艺将技术手段与工艺美术结合。

（8）设备布局，甚或舞台工艺，设备群组的组态、时空关系，作为个案的系统如何保证安全可靠等因素有必要统筹协调。

（9）由演艺设备的可复制性及重复性带来的审美疲劳，需要创新破局。但标新立异的艺术表现不等于就要采用标新立异的控制技术，创新方面必须考虑控制系统的成熟度与合规性。

（10）舞台中的舞台，舞台机械本身既助演也直接参与表演，舞台机械的嵌套技术措施多彩多样，舞台演艺设备的制造处在一个施展大众公共艺术的时代。

（11）高新技术的引入与贯彻标准的矛盾，如何协调统一。不能因标准推出的滞后而不去采用新技术新工艺，这样就谈不上进一步的发展提高；同时，也要积极准备和实施制定新标准、修订现有标准，如同生产力需要相应的生产关系及上层建筑一样。

（12）控制系统的完整性，现代控制系统虽然具备灵活的可扩展性，但作为集成了的成套设备及其路由并不具有任意的柔性，因为舞台机械的控制设备还做不到即插即拔。所以应该在项目初始阶段明确把握舞台工艺的总体，以便于规划用电点、用电量、设备布置及其线缆路由空间。否则，会使电气控制陷于剪切缝补的尴尬境地。

（13）创新与求实，创新是亮点，在保证安全的前提下，适度应用成果，成熟可靠的技术应用同样可以拓展空间。

（14）關于制造战略，中国制造战略第一个十年的纲领性文件《中国制造2025》，对接德国的“工业4.0”和美国的“先进制造伙伴计划”。舞台机械作为制造行业的一部分，其控制系统更要围绕创新、智能、强基、绿色、高端五大工程要求，推动质量和安全建设责无旁贷。

4 安全及合规性要求

（1）2007年～2010年之间，文化部所颁发的舞台机械安全标准，其适应范围已经不能涵盖目前诸多秀场类舞台机械的研制与使用。这点要求从业者应有对系统和设备整体上的把握。

（2）鉴于国内尚无系统的安全评价标准，对应于IEC61511在国内的协调标准为GB/T 21109《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》系列标准，遇到类似问题必须展开机械安全、电气安全的风险评估，是否借助SIL安全度量化标准划分评价，也是个问题，关键在于GB/T 21109划定了仪表系统这一缩小了的适应范围。

（3）欧美的相关标准可以借鉴，问题在于如何在秀场类舞台机械设备中使用，有待权威部门的认可。

（4）对于各专业偏远散的设备的用电，土建施工往往忽略了其对工作地和等电位公共接地建设，而工业电子、可控硅零部件的大量使用，对电网供电要求、用电对电网影响都有严格的规定。

（5）因场地受限造成设备布置或运行的干涉，仍然是技术人员与舞台工艺美术在项目前期要引起足够重视、多加沟通协调的工作。

（6）载人设备多样化，不仅应有对应的安全措施，还应有确保对所承载演职人员的救护措施，这与设备所承载人员的耐受力直接相关，尤其是空中被吊挂的演员。

（7）舞台系统使用监管，由于检测受限，安全联锁难以做到全面、实时，演出时的看护和监管应该是制度性的。剧院的管理也是一门科学，从设备管理到行人引导，都应健全对应的规程、岗位制度等。

5 结语

秀场类舞台机械控制系统的任务，是完成多种多样舞台机械设备执行任务的调度监控，应从舞台机械工艺与舞台工艺美术结合着手，把握系统设备的整体布局，克服关键技术，采用先进、优秀、合规的方法及有效措施，使集成配套的电气、电子、计算机、网络等组件协调统一，发挥实现舞美创意的核心作用。

注释：

①鲁棒，解决复杂的工业过程控制大系统乃至复杂巨系统的系统模型的不确定性的控制。鲁棒性质可通俗理解为多变量系统的稳定性，就如计算机系统，插上或拔去一只鼠标后计算机仍可以稳定地工作。