舞台机械技术、工艺、应用系列谈——舞台机械技术

智 浩，高松松，蔡朝阳，曹福祥

（北京金东高科科技有限公司，北京 100000）

近几年，伴随经济和文化的发展，各类型剧场建设方兴未艾，需求旺盛。舞台机械作为剧场建设中设备配置的主要专业之一，受到剧场规划、建设、使用方越来越多的重视和依赖。但由于舞台机械专业性强，门槛较高，从业人员相对其他专业较少，业内对舞台机械的关注点也比较分散，造成对舞台机械的认识理解比较模糊，在剧场建设的技术支持中成为薄弱环节。鉴于此，笔者结合近年来的工作经验，相对系统地整理了舞台机械方面的知识和工程经验，希望对上述问题有所帮助。具体内容仅一家之言，不妥之处请不吝赐教，批评指正。

技术是解决问题的方法及原理，舞台机械技术主要是利用机械及控制技术解决舞台设备运动及演出场景转换问题。早期舞台机械技术主要以手动和助力机构为主，是简易的机械设备，用于剧场舞台的辅助动作或表演效果。剧场功能和演出形式不断演化、需求复杂多样，对舞台机械的要求也逐步提高，舞台机械技术也随着机械技术的发展不断进步。

常见的舞台机械技术主要是升降、平移、旋转以及组合动作的机械设备技术，从技术手段和方法来说，大多是在其他场合已经应用成熟的技术，或是类似设备在剧场中的应用。根据剧场建设与表演的实际要求，现有的技术手段已经基本可以满足常规剧场设备和演出的需求，所以到目前还没有专门的舞台机械专业来研究分析相关内容。

但随着科技水平与演艺形式的快速发展，对舞台形式、表演效果都有了新的或特殊的要求，对舞台机械设备和实现方法也提出了更高的要求，常规的技术手段已不能满足高水平艺术创意的需要，舞台机械技术的系统化、规范化成为亟待解决的问题。

1 舞台机械技术概念及功用

1.1 舞台机械技术的定义与范围

舞台机械技术是在满足舞台功能需求的前提下，充分考虑了建筑、结构、设备、艺术创意等多种影响因素，系统分析了舞台机械设备系统集成、协同、安全等多方面耦合关系，以机械与控制技术为核心的舞台机械工程的总体技术，是机械设计、钢结构、自动控制等多专业一体化集成技术。其相关性如图1所示，要求实现舞台机械精确动作的多种组合、运动速度与位置的快速响应、人机结合可靠的安全措施以及运营操控的实用便捷。

1.2 技术思路与目标

舞台机械技术的应用需遵循舞台机械的使用规律，积极借鉴国内外先进和成熟的技术理念，同时根据舞台机械不同应用场合的特点及艺术创意，寻求其内部共性与规律，识别出关键技术与难点，开展技术攻关，以具体项目和技术设备研发为突破点，以特种机械设备工程技术成果为依托，以安全、可靠、创新、适用为根本，针对性、系统性地建立舞台机械的系统方案，通过工程实施转化技术方案，最终实现设备间的协同，以及与精彩表演的完美结合。

1.3 舞台机械技术的功用

舞台机械技术涉及传统标准剧场演出以及各类流动演出、旅游演出等领域。标准剧场的舞台机械设备主要实现室内不同尺度、不同载荷、不同速度和不同位置设备的升降、平移、旋转、倾斜等功能及其组合功能。流动演出、旅游演出等要实现不规则形状舞台的升降、平移、旋转和倾斜，同时要求相对恶劣的环境运行条件，如室外、高空、水下等，往往具有超大的重量、尺寸和苛刻的使用限制条件，需要各种先进技术手段实现。舞台机械技术是多种专业交叉、多类系统集成的复杂技术组合，要解决以下几类问题：

图1 舞台机械技术体系与相关专业的关系

（1）设备的功能与建筑、舞美等相关专业的配合；

（2）设备的技术参数指标与实际使用要求；

（3）设备的定位精度和平稳、噪声控制；

（4）设备的空间占用和剧院演出空间的使用；

（5）设备的安全可靠和操控简单；

（6）设备的经济合理和维护便捷。

这些问题既是舞台机械设备自身具有的特点，也是研究开发舞台机械设备的难点。这些问题与常规机械设备系统的研究开发有相似之处，又有研发过程制约条件较多、限制因素复杂的自身特性，如何科学、合理、均衡、有效地解决好以上问题，是舞台机械设备系统技术研究的关键。

1.4 舞台机械技术的内容

舞台机械技术主要是以常规机械传动和控制技术为基础，实现设备的不同功能，满足安全可靠、平稳准确、快速便捷的要求，其研究开发可分为工艺方案、模型试验、设备研发、系统集成四个阶段。采用的技术主要有以下几种。

吊挂技术：主要针对空中吊挂类设备的升降功能。升降技术：主要实现地面和地下升降台类设备的升降及倾斜功能。

平移技术：主要实现设备的水平移动功能，包括上空设备的滑移和地面车台类的平移。

旋转技术：主要实现车台或升降台类设备的水平旋转和其他设备的空间翻转功能。

特种需求技术：主要实现演出过程的特殊功能要求，如空间移动、舞台伸缩、水中设备等。

控制技术：采用机电一体化技术实现舞台机械系统的控制。

组合技术：对上述各类型技术的组合应用，是机械、结构、控制一体化技术的体现。

舞台机械技术是多专业技术的集成，是一个系统工程，其内容不仅要包含机械、控制和计算机仿真等技术，还涉及建筑、结构、设备、灯光、音响、视频、水景、舞美、艺术创意等相关专业技术。舞台机械系统是剧场建设和艺术创意的重要组成部分，可以作为舞台设备工程的总体工艺和牵头专业，为其他相关专业提供总体工艺要求和条件，最终实现剧场舞台建设和舞美创意。

2 升降推拉转的实现及采用的技术

2.1 失速安全保护、同步控制卷扬机系统

（1）上空设备的失速安全保护

设置独立的失速保护检测电路，防止设备失控而引发的自由下落（见图2）。采用多种安全保护，如硬件上下限位、硬件上下极限位及软件上下限位。硬件上下限位独立于软件系统，保证系统在安全范围内运行；同时，软限位可以与硬件上下限位互校，保证及时发现偏差。硬件上下极限位保证了上下限位失效时的安全保护；同时，应根据不同要求，进行乱绳、超重（静态）、超速、超载（动态）的检测与保护；采用电路安全设计，从电路原理上确保系统安全。

图2 吊杆失速保护装置

（2）同步控制

上空设备除了保证单独运行的精度，还应满足在载荷容许的情况下任意组合使用，并做到多套设备精确同步运行（见图3）。通过保证加工安装精度、设置增量及绝对值编码器，运行定位精度可达到±2 mm，同步精度可达到±3 mm。采用分散控制定位技术，由变频器或轴控制器进行直接定位控制，可编程序控制器或计算机进行集中管理，有效解决电机的精确定位。同时，采用软件同步调节算法，实现多设备间的同步协调运行。

图3 吊杆定位及同步试验

2.2 空间立体舞台的旋转升降

旅游类剧场通常希望打破常规剧场的框架，实现大进深、宽视角、新颖独特的多层次立体观演舞台。该类舞台需要克服大规模大载荷舞台设备带来的结构、动力、传动、轨迹、控制、集成和协同等一系列相关技术问题。如深圳世界之窗的空间立体舞台旋转升降技术应用。其舞台建筑造型是椭圆球体， “地球”造型根据表演的需要，通过一系列开合、旋转、升降及伸缩等60多种运动形式的关联、协同和互锁，向观众展示出现代化舞台的理想表演空间，同时也创造出了一个从封闭的公园主题到敞开的广场式露天艺术剧院。

2.3 大型结构二维空间平移开合

为了实现舞台大空间与环境转换，需要有大型结构和设备的运动变换，其平移开合不同的剧场有不同的要求。如无锡灵山梵宫剧场的大型结构二维空间平移开合技术，其剧场的圆形墙体是环形舞台和圆形观众区的分界，墙体通过机电控制可实现沿圆弧轨道旋转展开并沿水平方向前后移动。当8扇墙体围合成封闭圆时，剧场形成供游客参观的大殿。整个过程涉及到升降、平移与弧形运动、插销定位等21个动作，综合采用链条、齿条、摩擦等多种传动技术，实现水平移动与弧形运动的无缝转换。机械墙体可展开270°，将圆形殿堂转换为270°视角的圆形舞台，如图4所示。

图4 移动墙体动作示意

2.4 超大旋转升降组合

图5 穹顶翻转

室外表演或实景演出往往需要超大的舞台设备，提供与演出环境相适应的大型表演舞台，并根据演出内容进行实时转换。常规的平移、升降已无法满足需求，需要平移、旋转、倾斜、升降等运动形式的组合，实现大型舞台场景的变化。如云南“希夷之大理”的旋转升降组合穹顶翻转技术的应用。其主舞台由旋转相切的圆形组成，天棚穹顶是舞台整体眼睛创意的眼珠，翻转升起后可以作为投影幕使用。其中，五瓣穹顶既要相互分离，还要互相支持依靠，保证轻薄球面结构的整体稳定和变形控制，采用主次骨架结构、同轴旋转、液压顶推、滚动支撑、分离挂钩等方法，实现穹顶翻转，如图5所示。采用同心轨道、多点浮动链轮驱动、虚拟圆心定位、电缆滑车供电、液压系统随动等方式，实现大型圆弧转台的360°旋转；采用自主液压同步控制软件，有效解决了不同液压驱动设备的同步问题，稳态同步控制精度小于5 mm。

2.5 水中平移、升降设备技术

水中设备主要解决驱动布置、密封防护、浮力应用、液压和水压的选用、供电保护等问题。水中无法直接使用电动装置，水平或垂直的直线运动适合采用钢丝绳牵引到远处水面上设备机房，由卷扬机驱动，但如果设备运行轨迹不是一维运动，或设备之间存在复杂的相互运动关系，就无法只靠钢丝绳牵引来实现。液压缸是比较好的水下驱动源，但油压系统存在漏油可能，在水环境下有很大制约；采用水压传动，由于技术和设备还不完全成熟，且推力较小，难以满足实际需要；选择合适浮力材料，借助浮力做动力或减轻自重，是利用水压设备实现水中舞台功能的重要方法。所以，水下设备要综合考虑以上因素，根据具体情况，采用一种或几种技术组合，实现水下和水中设备的功能要求。如北京欢乐谷剧场是根据演出内容量身定制的，其典型场景大洪水是当时最早在水中应用平移、升降设备技术。设置在水池正中的升降台，要求由水中升起的同时，要有演员在上面表演，采用了密封盖、行走小车、升降子台等分体联动等组合技术加以实现。

3 舞台机械的控制技术

舞台机械对于安全、便捷、精确的实现，除了机械系统设计时要考虑合理的驱动传动运动方式，保证设备机械系统本身的安全精确，更主要是通过控制系统来实现的。控制系统就是舞台机械设备的神经和大脑，主宰着设备的运动，所以，控制技术也是舞台机械不可或缺的重要组成部分，应当引起相关单位的足够重视。

图6 北京欢乐谷剧场实景演出和水中升降台示意

3.1 控制技术要求

在舞台机械中采用的控制技术及其功能主要有以下几种。

（1）多控制台场景运行处理技术

利用多控制台管理设备原则，解决多控制台控制设备优先级的问题；应急场景控制的设备切入、切出功能，可加强舞台实景演出设备人工操控的能力，达到理想演出效果。

（2）多种类系统冗余配置技术

针对整体控制方案和控制设备规模，开发软件冗余、网络完全冗余、异类冗余等不同的冗余方式，以满足不同用户的需求，实现对控制系统从重要局部到全局操控的总体把握，保证舞台机械的集中管理和分散控制，且所有冗余控制方式对于用户都是自动切换。

（3）多类型设备绑定同步技术

用于控制速度、距离等参数组合复杂的设备组的运行，避免操作失误导致场景及设备碰撞或损坏等危险情况。这种绑定要求有较大的随意性，同步的设备包括同类型或不同类型设备，设备速度及功率可能差别很大，同步位置要求可能相同或保持某一固定偏差，同步设定要求灵活，可以按要求设置同步组合，也可以解除同步状态，恢复单体运行。

（4）多方位设备保护技术

独立的失速保护检测电路，通过失速检测实现因设备失控而引发自由下落的安全防护功能；空间设备的互锁、解锁技术，避免设备运行时发生相互碰撞的危险，保证剧场演出人员及设备的安全；利用现场总线网络监控及加强技术，可对网络通信故障引发的设备控制运行失效进行有效、准确排查；采用多种安全反馈，保证设备可靠运行。

（5）矩阵切换冗余技术

冗余控制矩阵切换技术针对台上变频调速设备,每一个设备受多个变频器选通控制。出现问题的变频器可由网络挂接的其余变频器接替工作，从而达到热备效果。

（6）场景数据冗余备份和快速恢复技术

一键式设备位置恢复功能，备份设备状态数据，当舞台控制系统出现故障时进行数据恢复；具备场景运行控制模式，实现在没有场景编程计算机参与时，独立控制舞台机械设备场景运行。

（7）便捷、高效的远程维护和故障诊断技术

通过远程联网地址和现场舞台控制系统网络跨接，实现设备在线浏览；远程维护和故障诊断技术采用包括远程数据记录及分析系统进行远程终端控制软件维护。通过舞台远程服务软件，实现舞台厂家技术人员和现场用户之间的远程协作功能。同时还应具有专业的管理功能，可对远程服务数据进行有效的管理和分析。

（8）人机交互的三维虚拟剧场系统

随着技术发展，逐步具备应用计算机技术生成逼真的剧场三维视觉效果的能力，可将编导或设计者“投射”到剧场中某个环境中，并操作、控制剧场设备，实现在对虚拟剧院空间中进行设备控制的体验和交互。

3.2 PLC控制技术与轴控制器技术[4]

PLC控制技术一般采用主流自动化厂家研发的中大型PLC系统为主，如西门子、施耐德、AB、贝加莱等，基于PLC的方案多采用主控CPU加扩展模块的方式来完成，一个系统中通常只采用一到两个主站来作为主控。PLC更多通过集中控制系统架构实现对设备的控制。

由于PLC可以结合伺服或变频系统的运动控制功能，大大减轻了PLC的运算负担，并且现在的PLC具备很大的I/O映射区，因此，PLC可以控制上千台的运动设备。对于大型舞台系统，这种PLC的方式非常适合。

舞台机械的轴控制器技术主要为一些专业做舞台设备的公司所研发，如瓦格纳、SBS、BBH等。一个轴控制器通常可控制1～4个设备，一个完整的系统中有几十上百个轴控制器，并通过高速总线进行互联。轴控制器一般采用分散控制的系统架构。

轴控制器有着较高精度、高动态性能的运动控制能力，在多轴插补的情况时尤为明显，这是其非常大的一个优势。在高速总线的配合下，轴控制器的控制通过使用主控单元和扩展单元的方式可控制运动设备的数量在上百台的数量级，因此，占用实时总线系统的资源也相对较多。

目前国内厂家以PLC控制为主，国外厂家主推轴控制器技术。两者是控制理念和系统架构的区别，在稳定性、可维护性、安全可靠性、定位精度、同步精度、适应性等方面各有特点，对解决和处理舞台机械的控制问题，两种控制系统均能满足舞台机械使用、安全、精度需求，并不存在技术上的优劣或差异。

随着技术的发展，两者会取长补短，功能特点逐渐融合接近。未来轴控制器技术主要向设备端扩展，对单体设备实施进一步精细化控制；PLC也可自带轴控定位功能，完成单独轴控器的定位及控制功能，实现通用性基础上的专业性。

3.3 变频控制与伺服控制技术

变频驱动控制是通过电力半导体器件的通断作用将工频电源频率换成另一频率的电机控制装置，一般用交直交方式实现。伺服驱动控制是通过闭环检测实现对速度、位置、力矩等的精确控制，使被控物体的位置、方式、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）任意变化，伺服控制可以用来精确跟踪或复现某个过程反馈系统，又称随动控制。

其中，变频器主要充当调节变频电机、普通交流电机转速的角色，实现对交流异步电机的软启动和变频调速，提高运转精度、改变功率因素等。伺服驱动器是按指令要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，利用位移、速度、电流三环闭环控制，使驱动装置输出的力矩、速度、位置控制非常灵活方便。

变频控制的核心元件变频器，通常由整流单元、高容量电容、逆变器、控制器等组成。伺服控制的核心元件是闭环反馈元件、伺服驱动器、运动控制卡等。

变频控制与伺服控制的过载能力不同，伺服过载可达3倍，变频约1.5倍；两者控制精度不同，根据编码器精度决定，伺服理论上可达1 μm，但与机械系统精度有关，变频控制精度可达0.01 mm，与脉冲频率和电机控制数量有关；变频控制属于传动控制领域，一般用于常规工业应用，伺服控制属于运动控制领域，用于高精度、高响应、高性能场合；根据电机转动惯量不同，伺服加减速性能在空载0～2 000转时，所需时间一般＜20 ms；变频控制一般用于三相异步交流电机，伺服控制一般用于同步交流伺服电机。

3.4 SIL概念

所有电子/电气/可编程（E/E/PE）设备，包括一些最精密的设备/系统都可能由各种原因产生故障。用来评定故障及其后果的方法，就是根据故障概率得出的安全完整性等级SIL（Safety Integrity Level），共分4个等级，SIL1至SIL4，SIL4为最高等级。对于舞台机械设备，目前希望达到的安全完整性等级为SIL3[5]。

安全完整性等级(SIL)是一种评估、验证和认证，主要涉及安全设备开发流程的文档管理(FSM)评估，硬件可靠性计算和评估、软件评估、环境试验、EMC电磁兼容性测试等内容。

需要指出的是，具有SIL认证的设备与设备使用过程的安全并不是直接划等号的，即对于具备SIL3认证的舞台机械设备，只能说明设备本身具备与SIL3规定相对应的安全可靠性，由于剧场环境、使用人员等不确定因素造成的复杂性，舞台机械的设备安全还有其使用过程诸多因素的考虑。

4 舞台机械技术的发展趋势

舞台机械技术作为“艺术创意的技术实现”，为艺术家提供随心所欲的创意舞台；作为现代舞台设备的骨架和基础，现有的舞台机械技术必然需要进一步发展，如已有应用的虚拟仿真样机技术，利用三维设计、动态仿真、动力学计算、运动学分析相结合的方法，为大型复杂机械设备或装置的研发提供了技术支持；还有可即时安装即插即用的可移动吊挂设备及控制系统，舞美特效与舞台机械设备相结合的大型组合机械设备或装置，智能化虚拟剧场及AI控制舞台设备，声光电机水等多专业集成的表演创意应用，舞台机械智能化主动安全性能监测等，都将是舞台技术发展的重要方向。

致谢：原总装设计院和金东高科同仁为文章撰写提供了相关素材，并提出了宝贵意见，衷心感谢。