《伟大征程》威亚设计解析

2021-11-06谢永伟

演艺科技 2021年8期

谢永伟，张坷

（北京威亚传迈文化传播有限公司，北京 101100）

庆祝中国共产党成立100周年文艺演出《伟大征程》于6月28日在国家体育场（鸟巢）盛大举行。本次演出的高空威亚设计理念遵循技术服务于艺术的宗旨，将科技与艺术完美融合。演出高空威亚系统的使用规模是鸟巢有史以来最大的一次，采用全新首创的双索多车威亚索道结构的设计方式，使用钢丝绳近10万米。对于威亚团队而言，这是一次全新的挑战与突破。本文主要针对威亚系统的亮点及难点、软硬件等方面展开介绍。

1 威亚系统设计

威亚系统设计主要分为表演方案创意设计、威亚演员培训、威亚设备及数控系统设计、加工、采购安装调试、排演保障等全方位的设计与服务。威亚系统模拟见图1。

图1 威亚系统模拟

威亚系统采用威亚主索共20组，每组由2条22 mm主索组成。主索固定在鸟巢南北两侧顶棚钢结构上方。水平驱动索40组，矩阵移动升降吊点100个，升降机械设备100台，水平驱动设备20台。威亚平面布局图见图2～图3。

图2 威亚平面布局图一

图3 威亚平面布局图二

本场演出共使用了两种类型的威亚设备，功率分别为5 kW和11 kW，均采用两个独立的制动器，一个位于电动机转轴上，另一个位于卷筒转轴上（图4）。卷扬机设有防止松绳、乱绳的压绳装置，自排绳机构，限位开关，极限位开关等安全功能。其中，水平牵引满足偏离螺旋槽两侧的角度不应超过2°。

图4 威亚设备

2 威亚设计的亮点及难点

演出中的高空威亚表演主要体现出两大亮点，同时也克服了诸多困难。

2.1 威亚设计的亮点

亮点一：第四篇章《新的天地》，空中呈现出象征建党百年的100面巨型大鼓。每面鼓直径3 m，每面鼓上站着一位演员。鼓阵在空中随着音乐多次变化造型，呈现震撼的视觉效果（图5）。

图5 《新的天地》演出现场

亮点二：尾声《领航》，高达16 m的金色党徽与10面20 m巨型红旗被威亚缓缓拉起，场面震撼，是整场演出最重要的视觉形象之一，将演出气氛推向高潮（图6）。

图6 《领航》演出现场

2.2 威亚设计的难点及解决方法

2.2.1 鼓的抗风能力

由于100面鼓体积大，所以最怕风。经过测试，鼓的抗风能力只能达到2.5级～3级。风力超过3级后，鼓和演员在空中剧烈摇摆，鼓与鼓互相撞击，会出现吊挂钢丝绳缠绕等情况，非常危险。初步结论是风力超过3级，就不能进行表演。但是，总导演下达的指示是，无论任何天气都要确保演出效果完美呈现，这对于威亚团队压力巨大，必须解决这个难题。

经过对鸟巢内外风速的数据分析，鼓必须达到能够对抗6级大风，才能保障演出安全呈现。由于舞台搭建了近200 m宽的大屏，改变了鸟巢原有的风学设计。鸟巢外面正常风速时，鸟巢内部表演区每个高度的风速都不一样，无规律可循。为了实时掌握每个高度风速的数据，在舞台区域、大屏上方等相关位置安装多个风速仪，监测每个高度的风速。根据近半个月的数据监控，结合鼓吊挂空中实时测得的准确数据，做出以下调整。

（1）对飞行高度、飞行轨迹、表演形式等进行调整修改，根据不同风速设置不同的表演程序。

（2）将威亚小车吊具长度增加，从而增加扭矩，防止吊具旋转，可以将鼓的抗风能力从3级提升至4级。

（3）增加备用表演程序，将鼓进行分组软连接，鼓的抗风能力从3级提升至6级，并增加相应的软件保护。

（4）对演员进行摇摆控制培训。在空中有风且鼓摇摆的情况下，威亚演员可以在做表演动作的同时，给予一些外力来控制摇摆。

经过威亚团队不懈的努力，多重安全措施得到提升，并提高了安全等级，保证演出完美呈现（图7）。

图7 《新的天地》排练现场

2.2.2 1分钟之内100面鼓备场吊挂完毕

在舞台两侧屏幕之间狭小的空间内，鼓要在一分钟之内到位，并且挂钩完毕升起，否则会影响其他节目演员上下场，使演出无法顺利进行。为了在如此短时间内完成吊挂，将鼓重量控制在55 kg，两个演员可以抬起，按照规定路线、规定时间到达指定位置，在鼓搬运过程中，由于鼓的直径3 m，受风面较大，行进过程中极易被风吹倒。为了杜绝安全隐患，在鼓中间站一名演员维持鼓的稳定。300名演员抬鼓，100人站在鼓上表演，进行长达一个月的训练，确保在规定的时间内安全完成所有吊挂（图8）。

图8 威亚演员训练现场

2.2.3 10面巨型国旗抗风能力及造型呈现

高20 m、长30 m的巨型国旗在鸟巢使用的最大问题就是抗风能力。国旗受风面大，演出期间有2级～3级风，难以控制。为解决此问题，将多年来在鸟巢演出积累的数据、以及现场实测风速数据进行分析，避开风速穿过位置，将国旗位置进行调整和避让，并且在旗帜底部增加一个可移动的底座，将旗帜载荷传递至底座上，地面安排辅助人员进行固定，威亚吊挂采用移动升降同步配合进行提升，应用多重措施保障国旗完美呈现（图9）。

图9 国旗吊挂实验现场

2.2.4 威亚索道结构

威亚系统首次使用一索道10套移动小车设计结构，水平钢丝绳的补偿系统，保证水平牵引钢丝绳在主索上运行时，不会与主索缠绕在一起，也避免运行小车在主索运行时的钢丝绳松弛现象（图10）。主索上的10个吊点采用具有自适应功能穿绳方法和滑轮组，确保多条钢丝绳在高速运行时不缠绕，避免钢丝绳通过滑轮时，不会因吊绳的偏角而加剧滑轮磨损，提高滑轮的使用寿命。

图10 索道安装图

3 威亚控制系统

3.1 概述

本项目需要控制的设备共120台，分南北两侧各60台。控制系统核心采用基于倍福PC控制技术的高性能处理器，将PLC、可视化、运行控制等集成在同一个控制平台。威亚控制系统由两套独立的子系统组成，即专门的安全主控单元来处理安全逻辑，其他逻辑交由传统PLC来执行。

（1）运动控制系统（Motion Control System）：采用CX6920作为控制系统核心，系统由控制器、120套伺服系统、远程IO、上位机软件组成，并采用分层设计（图11），分别是管理层、控制层和执行层。

图11 系统结构图

（2）安全联锁系统（Safety Interlocking System，简称SIS）：由安全完整性等级为SIL3的安全PLC和安全I/O模块组成。

通过这两套独立运行的子系统，安全稳定地实现所有单轴点位运行、多轴联动运行和复杂逻辑运算等功能，将数字科技与整场演出精准衔接、完美融合。

同时，项目在南北两个区域各设置两套威亚控台，既可以分别控制，也可以同时控制南北两侧的设备。

3.2 系统稳定性

为了保证系统稳定性和容错能力，采用一套成熟的硬件系统，控制器采用硬冗余（Redundancy）设计，当主控制器出现故障时，备用控制器立即接管系统控制权，成为主控制器，保证设备的正常运行。同时，现场总线也采用网络冗余结构，通过实时以太网端口倍增器，实现环网的拓扑结构，防止由于某个设备的网线损坏或脱落导致的通信故障，从而提高整个系统的稳定性。

系统可以由多个控制终端（控台）同时控制，若出现控台故障或者其他紧急情况，可由其他控制终端（控台）直接控制，无需进行任何硬件或软件的切换，保证演出顺利进行，也是提高系统稳定性的保障。

3.3 系统安全性

系统安全性是保障人身安全和设备安全的前提，是系统设计中最重要的环节。

（1）为避免雷电感应的高压窜入，造成设备损坏而引起安全事故，项目所用的配电柜、PLC柜、驱动柜都设置了浪涌保护器，SPD采用相线/中性线对地保护模式。

（2）每台威亚设备上安装多个检测开关，主要包括上极限位开关、下极限位开关、上限位开关、下限位开关、链条检测开关、排绳检测开关。这些检测开关和上位机设置的软限位构成了三层保护。

第一层保护：控制器检测到运行位置处于软限位，将停止该设备运行；当控制器读取伺服驱动器内部的扭矩值，通过对扭矩值和扭矩值增量的斜率实时跟踪判断，如果超过设定峰值，可能存在机械故障或者钢丝绳出现缠绕等危险情况，系统将立即停止伺服驱动器，同时，上位机软件将给出相应的故障提示信息和报警，方便故障排查。

第二层保护：上限位开关、下限位开关、链条检测开关、排绳检测开关接入安全I/O模块中，通过独立的安全控制逻辑，如果触发了开关，将禁止对应的驱动器运行，并关闭抱闸。

第三层保护：当设备运行触碰到上、下极限开关时，系统通过电路直接断掉该设备的供电。

（3）系统的安全联锁功能，主要运用在设备编组运行中，安全PLC通过判断接入安全模块的伺服报警信号、限位开关信号、检测开关信号状态，决定是否触发安全逻辑。比如，在一组编组设备中，一个设备发生故障，那么，这个设备所在的编组中所有设备将全部联锁停止运行。该功能主要在《新的天地》100面巨型大鼓备用表演程序，将鼓进行分组软连接中使用。

（4）系统急停功能按照GB16754-2008《机械安全急停设计原则》进行设计，分为0类停机和1类停机。0类停机安装在控台上和设备区域两侧，通过立即切断设备的供电（动力源）进行急停；1类急停安装在控台上，通过安全扭矩关断、关闭抱闸、终止运行程序进行紧急停车。