北京冬奥会上空舞台机械设备的控制系统架构及软件应用解析

刘基顺，刘庆龙，李同进，孙建锋，周 娇

（北京北特圣迪科技发展有限公司，北京 100028）

引言

2022年2月4日，北京冬奥会开幕式为全世界观众奉献了一场简约、浪漫、唯美、空灵的视听盛宴。其中，上空舞台机械设备（以下简称：上空设备）作为冬奥会开幕式上实现理念创新与科技力量完美融合的核心设备，其重要性不言而喻。上空设备包括上空威亚系统（以下简称：威亚系统）、主火炬姿态调整执行机构（以下简称：火炬执行机构）。在隆重盛大的开幕式演出中，参与厂商众多，应用到的设备结构复杂，相互之间的交叉干涉时有发生。因此，在对上空设备进行操控时，更是需要考虑到多方面的因素，任何环节的失误都可能导致演出中断，带来不可弥补的损失与影响。鉴于此，控制系统应满足以下要求：

1）高可靠性

首先，保证控制系统具有较强的容错性（包括通讯容错、驱动容错和操作容错）；其次，保证即使在个别设备出现故障的情况下，也要有备份手段确保系统能够继续运行，完成演出环节的必要动作；最后，保证系统在时间上、空间上的运行精确度高，误差小。

2）高安全性

上空设备都是在距离地面几十米的高空完成表演，且多个设备运行还需和地面演出设备配合联动完成，加上地面演出人员众多，因而设备运行（包括空中自身位置、相互姿态）安全至关重要。控制系统必须具备各个环节的监控及紧急处理手段，保证能够实时监控设备状态，及时发现异常并进行紧急处理。

1 控制对象描述

根据国家体育场（以下简称：鸟巢）的特点，新建的威亚系统由顶部支撑系统、承载钢索、威亚装置等组成，布置于鸟巢顶部。根据导演创意需求，南北布置3组10根固定索（8根直径28 mm承载钢索、2根直径18 mm电缆钢索），总跨度约200 m。

在3号钢索上悬吊主火炬系统。其中，火炬执行机构重4.4 t，火炬自重2.2 t。火炬执行机构吊挂在威亚小车之上，承担了开幕式主火炬的供电、供气及信号传输、提升和旋转功能。

1.1 威亚系统

威亚系统包括10套威亚设备，由36台电机驱动。通过控制威亚设备进行升降、水平移动，完成控制道具（奥运五环、大滑板、火炬执行机构）动作，实现相关创意场景。

1）五环控制过程。提前控制2台威亚小车水平移动至冰立方上方，两吊点同步下降与冰立方内的五环对接；随着冰立方的升起，威亚同步升起到一定高度，然后停留在事先预定的位置；演出结束后，按要求降落到地面的冰立方内。

2）火炬执行机构控制过程。控制4吊点威亚小车水平同步移动到中央升降台的位置，将威亚的四吊点同步降入中央升降台内以便与火炬执行机构连接；然后随着中央升降台升起至地面指定高度。威亚水平移动时，要控制收揽器对电缆进行相应收放。

3）大滑板控制过程。滑板事先悬挂在同一钢索的2个威亚上，控制威亚水平移动使滑板从南到北移动，同时控制威亚升降，使滑板运动轨迹为开口向上抛物线型。两威亚的水平移动和升降动作都应保持一致。

1.2 火炬执行机构

火炬执行机构由旋转装置、提升装置、移动吊点、电缆卷筒组成，由11台电机驱动。通过控制这些装置实现对执行机构的动作控制，实现相关创意场景。

整体控制流程如下：

1）准备过程。控制移动吊点1和移动吊点2至中间位置，将提升装置1的吊点、电缆卷筒1和电缆卷筒2上的电缆和气管下降到指定位置，以便与设备连接，为火炬执行机构动作及供电做准备。

2）调整火炬执行机构翻转。控制提升装置1提升，使火炬执行机构由水平状态翻转至45°，然后设备等待点火；提升装置1提升的过程中，电缆卷筒同时收缩电缆和气管，地面装置同时配合托动火炬执行机构。

3）调整火炬执行机构提升。点火完成后，控制提升装置1继续提升，使火炬执行机构竖立并提升至指定高度；提升装置1提升的过程中，电缆卷筒同时收缩电缆和气管；火炬执行机构竖立过程中，地面装置要配合相应动作。

4）调整火炬执行机构旋转。火炬执行机构提升到相应位置后，控制旋转装置旋转，带动火炬执行机构以1 r/min的速度持续旋转，直到接收停止命令后停止。

5）调整火炬执行机构下降。表演结束以后，将火炬执行机构下降至初始状态，控制过程是以上过程的反过程。

2 架构组成及功能

控制系统根据鸟巢设备运行特点和导演创意安排，在北京北特圣迪科技发展有限公司自主研发的舞台机械控制软件基础上，依据分布式设计理念，采用模块化配置思路，通过分层逻辑结构，将现场驱动设备、远程安全采样信号、安全保护输出与核心控制器快速方便地联系起来，为机械设备运行提供实时、安全、可靠的运行保证。

网络结构如图1所示。

图1 控制系统网络结构

控制系统功能划分为PLC运行子系统（控制级软件）、人机界面管理子系统（管理级软件）和驱动子系统（现场级软件）。

2.1 PLC运行子系统

采用透明化编程方式和可配置编程思路，主要功能包括：

1）运行控制：设备位置控制、速度控制和时间控制；

2）安全保护：检测设备运行数据并和已建立的安全规则进行比对，及时阻止异常事件发生；

3）命令执行：接受HMI各种命令，通过各种执行函数和数据块实现设定功能；

4）状态反馈：监测设备运行，数据及时传递到HMI显示界面中，包括各种报警信息和状态信息。

2.2 人机界面管理子系统

1）设备单控：将设备分配到控制台上不同的功能区，手动控制设备速度和位置，适合装台和维修模式；

自我国改革开放以来，国与国之间的交流更加频繁，人们对外国文化越来越感兴趣。电影作为主要文化传播方式之一，宽阔了人们的视野，丰富了人们的知识。但是人们在看电影的过程中会遇到一些不理解的现象，为了使人们准确地理解，好的字幕翻译就至关重要。

2）编场控制：场景运行过程中的多个设备联动控制，包括曲线、跳跃及多段等空间复杂设备顺序动作；

3）信息图示：包括设备状态信息、报警信息以及柱状图、3D显示的设备排布位置信息；

4）维护操作：操作权限管理、设置数据、设备禁用、屏蔽外部故障、旁路选择、报警及复位、编组同步等功能。

2.3 驱动子系统

主要实现电机调速定位运行，包含以下功能：

1）运行控制：接收来自PLC的位置控制、速度控制和时间控制命令，驱动威亚电机按指令运行；

2）状态反馈：传递变频器状态、电机状态给PLC。

3 安全策略实施

控制系统是整个舞台设备的指挥中枢，可靠性和安全性是承接北京冬奥会舞台控制系统的核心设计理念，保证控制系统设备运行过程中的高鲁棒性和强抗干扰性是其必要条件。从电气设计、软件编程到设备带装联排，可靠性和安全性应始终贯穿在所有舞台机械工程实施环节。

3.1 冗余双控制台+备用远程手控盒

控制系统采用三种控制模式互为备份，分别为远程计算机程序控制、远程控制台手动控制、备用远程手操盒端子近控。为增加系统的多种操作手段，采用“静态抢权后次有效、动态让权运行有效”多控制台的安全管理技术。中央两控制台既可以同时使用，亦互为备用。所有的控制台独立授权、方式平等，操作方式之间转换不需要等待时间。用户可进行多控制台同时控制场景运行，也可由其中的某控制台单独控制场景。所有控制台是热冗余状态，任何控制台都能替代，出现故障并不影响其他控制台工作。

控制系统中设置本地操作处理器，在中央控制台旁边放置备用远程手控盒。当系统正常工作时，该操作处理器充当网关的作用，监督设备运动。当系统出现致命错误造成网络、控制台或是核心处理器瘫痪不能工作时，本地控制器通过备用远程手控盒唤醒，接管设备备用驱动控制权限，实现对设备继续控制。

3.2 冗余光纤环网+路由星型网络

主干通讯网络采用光纤环网，当网络的某个方向或是一段网络出现数据传输问题时，可从另外一侧路由传输相同的数据。同时对驱动设备采用管理型交换机支持的星型网络传输驱动信号，通过预先规划备用路由路径，降低某一个或几个设备通讯中断对网络的干扰。

网络介质冗余结构显著提高了设备的可用性，单个链路的故障对通信没有影响。采用管理型交换机配置的路由星型网络，所需的维修工作可以在不需要停机的情况下进行。在发生网络故障时，通过人机界面管理系统，可以快速进行网络诊断并加快故障排除。

为进一步保障网络的维护性，对所有远距离的光纤进行硬件备份，当光纤出现故障时能及时更换。

3.3 冗余热备驱动

所有主要设备均设置两套电气驱动装置。每套驱动对应独立的物理通道和统一的设备逻辑名称，实际分离的两套驱动设备的数据信息互备份提取，方便场景的断点续接。设备互备份信息包括设备静态、动态信息。采样点、设备运行属性（运行分类、现实分类、地址），从属区域等属于静态信息；动态信息包括设备的位置、速度、状态、命令、互锁标志。当某一设备的主驱动出现问题造成运行停止，通过人机界面可以迅速切换到备用驱动，设备数据信息同时传递到备用驱动。操作人员接续启动当前场景的设备，而不需做任何多余的更改，方便设备在电器驱动故障情况下的快速接力运行。

3.4 冗余核心控制器

采用硬冗余控制系统。通过双CPU之间的双光纤实现程序、数据和硬件组态的实时更新和备份。当主CPU出现故障停机时，系统自动切到备用CPU接管控制权限进行程序控制。能够有效防止数据丢失以及避免停机，尽可能地降低舞台控制系统出现故障或意外停机的可能性。

同时，在核心控制器设置统一系统IP，系统IP是两个控制器的公共设置端点，可以方便地切换控制台人机界面的访问接口，减少通讯延时和判断时间。

4 先进技术实现

通过先进的技术手段把舞台机械设备完美展现在全世界观众面前一直是设计上空设备控制系统的出发点和落脚点，从重达3 t的冰雪五环在冰立方中破冰而出、大滑板在空中的优雅飘过，到创意无限的大雪花火炬，控制系统结合人机工程学理念，融合自适应控制、有限元分析和模糊控制等先进控制技术，结合高速实时现场总线，很好地解决了控制过程中的多设备轴控联动耦合复杂、位置空间不确定、轨迹解析过程非线性强等技术难题，用智慧和实力完美地实现了导演的意图。

4.1 空中防摇稳定技术

空中悬吊设备在水平移动或是旋转运动的启动/停止过程中，由于受到自身加减速产生的力冲击，从而造成钢丝绳晃动，影响设备运行的稳定。为了消除钢丝绳震荡，根据绳长的摆动周期，采用开环前馈控制降低干扰。通过在设备启动/停止过程中使用“多段加减速-匀速算法”和“降低加减速斜率”的方法，加入模糊控制计算“多段加减速-匀速权值”反向耦合摆动周期克服扰动，使设备在水平移动或是旋转中保持稳定性。

当开幕式演出进入高潮时，直径约15 m、重约2.4 t大雪花承载着已成功点燃的火炬在鸟巢上空灵动飘逸地边旋转边上升，火炬执行机构应用的是旋转稳定技术；在“致敬人民”场景中，当演员在鸟巢中心场地进行滑雪表演时，大滑板由两台威亚同步从南侧牵引到北侧，水平移动距离160 m，水平移动速度为1.7 m/s，平稳完美地实现弧线运动，应用的是水平稳定技术。大雪花升空并平稳旋转见图2。

图2 火炬执行机构带动2.4 t大雪花平稳旋转上升

4.2 同步快速跟随技术

传统的编组同步方式在组内设备超过一定偏差值后就会保护停车，再次启动由于安全保护限制，需人工处理偏差值到合理设定范围内才能启动组内同步设备。同时编组方式一般采用并行同步处理，多为虚拟主轴或是主从联动方式，组内从属轴偏差跟随响应不及时。考虑到冬奥会开闭幕式演出的多条威亚使用是软性连接同步，设备故障复位和再次运行间隔等待时间要求较短，演出吊装为大负载表演道具（如南北横索1，使用2台威亚小车吊装冰雪五环，满载负荷3.2 t。南北横索3使用四吊点威亚小车吊装火炬执行机构和大雪花，满载负荷6.6 t），所有提升/下降过程中道具均需保持水平，空中演出姿态要保持稳定，同时超差故障后能快速恢复。为了实现以上要求，对传统的编组同步采用如下措施进行修正：

1）在编组同步程序内部加入主从偏差时序记忆序列，在威亚运行时监测偏差值变换趋势。在超过同步偏差再次启动威亚设备时，趋势变小则继续运行，趋势变大停止运行。有效克服组内超差故障处理需人工修正缺陷，加快了响应时间。

2）在从属设备中加入预先设置有加减速的虚拟追赶轴。根据启动时间点的主从偏差位置设置阈值，当超过阈值后以当前主从位置差为目标位置启动虚拟追赶轴计算插补，叠加到从属轴的速度发生器中，快速修正主从偏差，达到空中设备姿态快速校正，稳定运行。

同步吊点将冰雪五环从冰立方中稳定提升见图3。

图3 冰雪五环依靠同步吊点从冰立方中破冰而出

4.3 动态位置-速度优化技术

采用优先级管理机制，按照规定好的威亚设备空间尺寸、位置对控制过程各阶段的顺序进行自动判别和保护，启动威亚小车运行状态和动态空间位置监测定时巡检逻辑随时跟踪，及时将运动控制指令发送给调速定位驱动单元，在内部算法功能块的统一识别下，在线及时修正目标位置和设定速度改变运行状态，做到被控设备和表演场景要求的高度契合。

例如，在大雪花上升过程中，火炬执行机构负责保证提升位置的准确和空中姿态的稳定。特别是在大雪花从地面倾斜上升过程中，地面辅助提升机构是匀速垂直运动，反映到大雪花提升的运行轨迹是吊点可变的速度时变弧线运动，所以在控制程序内部必须以火炬执行机构提升的速度和位置为依据，根据大雪花运行弧度进行分段线性化，确保安装在大雪花上的提升钢索和地面中央升降台、大雪花辅助提升机构动作的一致性。如果负责提升大雪花的火炬执行机构速度过快，会拉断电缆、气管（为大雪花提供电源、气源)，同时大雪花会出现倾斜触地风险；如果火炬执行机构提升速度过慢，钢丝绳、电缆、气管会有明显悬垂，影响表演效果。通过现场反复实验调整和算法更替，最终达到满意效果。

4.4 钢索柔性处理技术

鸟巢南北方向威亚的水平运行距离160 m，钢索悬垂度水平落差8 m。为了保证在钢索运行的设备空中姿态的一致，必须进行钢索垂直补偿。根据钢索南北距离和悬垂度的多组实测数据进行有限元分析，建立数学模型，通过位置逆解和坐标变换把钢索的悬垂度转化为钢索上威亚小车提升补偿高度，最后对威亚小车运动轨迹规划和提取，采用离散化处理转化为NC控制逻辑输出到电机驱动器。

其中在“致敬人民”场景中，大滑板由两台威亚小车同步从南侧牵引到北侧展示弧线运动，垂直往复运行60 m。运行前半段为不断向下的俯冲姿态，在后半段为不断向上的仰起姿态，在大滑板运行到冰雪五环下方时进行空中姿态变换，演出道具为重心靠前的重300 kg人偶滑板模型。为了保证大滑板姿态的完整性、动作的稳定性和演出动作的一致性，需要根据威亚小车在钢索行走的水平位置和钢索离散后的悬垂进行小车提升的不断修正，应用此项技术实现大滑板在空中弧线运行。大滑板俯冲和仰起见图4、图5。

图4 大滑板保持固定倾斜角俯冲下降

图5 大滑板保持固定倾斜角仰起上升

5 结语

北京冬奥会上空设备控制系统除了切实保障机械控制安全性能外，在控制理论不断发展的前提下，充分应用了计算机、现场总线方面突破性的新技术，控制系统的应用也越来越向人性化的方向发展，在使用上更注重人的能力和机械的潜力有效地配合，提高了管理和控制效率。北京冬奥会上空设备控制系统就是人、机完美结合的一次成功展现。