北京冬奥会开闭幕式大型高空表演设备系统设计与呈现

于海莉，张海东，王秀会，冯 辽，郑志荣，杨元永，陆 乐

（北京北特圣迪科技发展有限公司，北京 100028）

1 概述

北京冬奥会开幕式于2022年2月4日在国家体育场（鸟巢）盛大举行。奥运的冰雪五环从冰立方中破冰而出冉冉升起，“致敬人民”场景的发光人脚踏大滑板穿越全场的唯美，吊挂的主火炬大雪花，都离不开高空表演设备系统的安全、可靠、准确及零失误运行，使设备与艺术完美融合，达到简约、唯美、浪漫、精彩的呈现效果。

高空表演设备系统用于鸟巢场地上空道具吊挂及切换场，是使用频率最高的上空设备。鸟巢为南北长332 m、东西宽298 m的鞍形建筑，最高处高度69 m。鸟巢屋顶开口南北长182 m、东西宽124 m，鸟巢钢架结构鞍形开口处高度约14 m。高空表演设备系统安装在屋顶钢结构的上弦、下弦及膜夹层中，供电系统及控制系统安装在膜夹层。鸟巢屋顶上弦只安装了承载钢索立柱及辅助系统、承载钢索及稳定系统设备，移动小车安装在鸟巢上空的承载钢索上。这样大大减少了设备对鸟巢外观的影响。见图1、图2。

图1 鸟巢屋顶上弦设备安装部分场景

图2 移动小车及承载钢索

2 设备组成与参数

高空表演设备系统由威亚系统、钢索及固定钢索系统、钢索立柱及辅助支撑、电气及控制系统等组成。设备布置示意见图3。

图3 设备布置示意图

威亚系统由升降驱动卷扬机、牵引驱动卷扬机、移动小车、吊具、导向滑轮组等组成。系统总承载重量约10.4 t，使用各类钢索近16 km，承载钢索最低点高度约为45 m。

场地上空南北方向设有8根直径28 mm承载钢索与2根直径18 mm承载钢索，跨距约200 m。设有三组10套高空表演设备，10套高空表演设备可同时使用。

3 设计的亮点、难点

北京冬奥会开幕式演出的创意复杂多变。从2020年6月导演组提出创意设想，随着导演组创意的不断深化，高空表演系统设计方案迭代优化了十几版，直至2021年4月方案才最终确定下来。开幕式演出对高空表演系统的使用要求非常高，系统负责吊挂道具大雪花、冰雪五环、大滑板、升降网幕等。由于吊挂载荷很大，速度快，同步运行精度高，受鸟巢钢结构单点受力限制，设备自重应尽量轻巧，所以需要全新研制一套高空表演系统。

3.1 空间限位条件下大负载精确呈现及回收控制

第一组高空表演设备吊挂冰雪五环。见图4。当冰立方自舞台面上升至10 m高，冰立方顶部活门打开，吊挂钢索下降至冰立方中与冰雪五环完成连接，在冰立方下降过程中冰雪五环呈现出来。运动员从冰雪五环下方入场，在短片播放环节需要精确回收到地仓，将冰雪五环完全置于冰立方之中。由于冰立方储藏空间四周间隙很小，在下钢索至冰立方、冰立方下降伴随着冰雪五环上升、冰雪五环呈现及冰雪五环回落环节，任一环节一旦控制精度不够，冰雪五环将撞击冰立方。由于两个系统是独立的，任何环节出现故障，其破坏性都将造成巨大影响。

图4 吊挂冰雪五环吊具示意图

设备动作前，需要双方熟悉流程，对接流程口令。在吊具设计过程中采用3组转向滑轮，将吊具整体重心下移，并计算运动过程中的受力情况。同时移动小车中钢丝绳穿过滑轮组的间距与吊具钢丝绳穿过滑轮组的间距是一致的。移动小车的升降滑轮组采用可旋转滑轮，可自动调节钢丝绳的偏摆，实现钢丝绳零偏角，确保移动小车及吊具在带有坡度的柔性钢索上平稳运行，不会出现钢丝绳绞绳现象。控制系统通过调节加速度、速度及标定位置，两个独立的系统互相检测对方信号，确保万无一失，并做好应急措施。

3.2 柔性双索多车防撞设计

第二组高空表演设备吊挂大滑板。需要2套高空表演设备同步运行，在规定时间内从场地南侧到北侧沿特定抛物线完成运动轨迹，达到唯美、浪漫的演出效果。在运行过程中，移动小车的滑轮组具有摆动的功能。由于钢索有柔性，移动小车行走时钢索下挠，因此，2套移动小车在主索下坡段的速度不一致，一旦发生设备间运动干涉，会造成设备的严重损坏、钢丝绳缠绕，影响演出的正常运行。

移动小车设计采用双索4组滑轮，4组滑轮同步运行在双主索上。2套移动小车在主索下坡段的速度不一致，每套移动小车端部设置防撞组件和抗震装置，一旦控制限位装置出现故障，可通过机械限位保护，防止运行中出现碰撞。见图5。柔性主索带有坡度，需在移动小车设置支撑轮组件，确保钢丝绳一直在滑轮组上，防止钢丝绳与移动小车发生干涉，磨损钢丝绳。

图5 第二组多车防撞示意图

3.3 大负载条件下姿态精确控制

第三组高空表演设备吊挂火炬执行机构及火炬。执行机构需在规定时间内从屋顶开口北侧运行到舞台上空中央，完成姿态调整并同步运行平稳。当执行机构运行到舞台上空中央时，移动小车承载执行机构吊挂大雪花完成升降、翻转、旋转等复杂的动作。移动小车的尺寸为3.7 m×3.7 m，承载重量约6 400 kg。受鸟巢钢结构单点受力限制，固定钢索支撑需采用四索式，固定钢索系统设置了载荷传感器，通过调整钢索的高度确保4索受力一致，并可实时监测钢索的拉力。移动小车的吊挂滑轮采用4吊点对称方式布置，吊具采用单滑轮的设计，确保移动小车在复杂钢索上的运行过程中滑轮所受摩擦力一致、实时受力均匀、同步运行。移动小车牵引钢丝绳的固定端采用2套压板的方式固定，确保安全可靠。见图6。通过分析，确定牵引钢丝绳间距及滑轮之间间距，确保设备运行时不会出现钢丝绳缠绕现象。

图6 第三组移动小车示意图

3.4 驱动系统与控制系统的冗余设计

2021年文化和旅游部颁布了文化行业标准WH∕T 78.7-2021 《演出安全 第7部分：舞台威亚安全》。此次设计全部按照该标准的要求，高空表演设备系统的驱动系统均采用双减速电机、双变频器、控制系统、软件系统等冗余设计。

驱动系统采用双减速电机结构，一主一备减速电机同轴驱动卷扬机，双电机上的制动器均设有制动器检测装置、电机过热保护开关、增量值和绝对值编码器。卷扬机上有防乱绳松绳保护开关、限位开关、极限位开关、卷筒超行程保护开关、链条张紧开关、载荷传感器等安全装置。软件设有最大位置和最小位置。同时设置机械结构限位，实现设备多级安全保护措施。当主电机出现故障，控制系统快速、准确切换，确保排练演出过程中设备正常运行。

高空表演设备控制系统采用2套完全独立互为备份且异构的冗余设计。由于高空表演设备使用频率高，主控制系统采用热冗余设计，采用2台控制台可实现无扰切换，确保演出呈现唯美、精彩的效果。同时，备用控制系统采用异构冗余设计——首次引入电子凸轮控制技术，解决了多电机特性参数、运动时序匹配问题，达到了主备控制系统交替接力表演场景。

4 设计与呈现

4.1 吊挂冰雪五环的设备系统

吊挂冰雪五环的设备系统由固定钢索系统、中间固定平衡结构、2套升降驱动卷扬机、牵引驱动卷扬机、移动小车、吊具、导向滑轮组等组成，各分布在南北两侧。见图7。冰雪五环呈现时，先需要水平动作的设备同步行进到舞台上空中央，随后升降动作设备同步下降并提升冰雪五环。升降动作和行走动作可单独调速运行，也可以同时运行。

图7 第一组吊挂冰雪五环示意图

工艺技术参数：水平速度0.67 m/s，水平行程90 m，升降速度1 m/s，升降行程50 m，总承载载荷3 200 kg。

吊挂的冰雪五环，由于速度快、行程大、安装空间等限制，驱动系统采用可行走的自排绳卷扬机。机械结构的中间固定平衡结构由固定座、升降固定结构、水平转向滑轮、旋转轴等组成，需固定在钢索中心。见图8。固定平衡结构将钢索分成两部分，同时限定了行程，在空间上设置升降装置固定压板和水平装置导向滑轮，导向滑轮带旋转轴，使钢丝绳在柔性钢索上实现零偏角。在吊具组件两侧均匀布置配重组件，可实现空载设备正常运行，缩短了道具与场景的切换时间。控制系统采用同步编组设置，将2套设备同步绑定，运行相对误差约0.1 mm。同时设置多段曲线编程，通过调整设备的加速度、速度、位置，确保冰雪五环精准呈现，在空间上不会出现晃动，并可迅速回收到开口狭小的冰立方内。

图8 第一组平衡结构示意图

4.2 吊挂大滑板的设备系统

吊挂大滑板的设备系统由固定钢索系统、4套升降驱动卷扬机、牵引驱动卷扬机、移动小车、吊具、导向滑轮组等组成，各分布在南北两侧。见图9。大滑板呈现时，需要2套升降动作的设备、水平动作的设备共同运行，从场地南侧沿抛物线轨迹运行到北侧。通过每套设备的上升速度调整大滑板的姿态，运行到舞台上空中央时，设备处于水平平稳悬停状态并迅速上升。升降动作和行走动作可单独调速运行，也可以同时运行。

图9 第二组吊挂大滑板的设备系统示意图

工艺技术参数：水平速度2 m/s，水平行程180 m，升降速度2 m/s，升降行程50 m，总承载载荷1 000 kg。

由于行程大、运行速度快，驱动系统采用导向滑轮行走的自排绳卷扬机，并设计排绳组件及链条组件，确保钢丝绳从卷筒到转向滑轮组的偏角几乎为零。控制系统设置了设备间互锁，通过编码器控制设备的速度和设备间距，确保设备间距离安全可靠。在柔性钢索上设置可变摆长防晃装置，相比传统的通过调节加减速实现防晃的安全稳定性大大提高，视觉效果非常具有冲击力。

4.3 吊挂执行机构及火炬的设备系统

吊挂执行机构及火炬的设备系统由固定钢索系统、4套升降驱动卷扬机、1套牵引驱动卷扬机、移动小车、吊具、导向滑轮组等组成，各分布在南北两侧。见图10。火炬呈现环节，需4套升降动作的设备、1套水平动作的设备共同运行，从场地北侧运行到舞台上空中央，并调整执行机构的姿态。升降动作和行走动作可单独调速运行，也可以同时运行。

工艺技术参数：水平速度1.7 m/s，水平行程90 m，升降速度0.8 m/s，升降行程50 m，总承载载荷6 400 kg。

由于行程大、承载重、运行速度快，在钢索上运行务必平稳。为实现整体同步运行，驱动系统采用4吊点自排绳卷扬机，并设计排绳组件及链条组件，通过吊装执行机构重量、吊点的协调合理布置以及吊点钢索偏角旋转特性分析技术，水平运行每侧4根牵引绳，并两两备份，实现机械同步平稳运行。火炬的供电系统采用上供电方式，供电电缆及光纤通过电缆支撑安装在电缆钢索上。电缆支撑的结构设计采用小车滚轮组配设导向和滚动承载的技术、小车滚轮平行四边形结构和满足小折弯半径结构支撑技术，可实现电缆支撑在柔性钢索运行时姿态自动调节，供电系统随移动小车同步运行。

5 结语

高空表演设备系统通过对流程动作分析、接口匹配性和协调性检查、环境适应性分析、试验充分性分析等技术风险分析及试验，关键关节冗余设计，解决了柔性钢索的运行控制难题，技术状态受控，在排练与正式演出期间动作顺畅，最终以“零失误、零误差、零故障”的完美表现为北京冬奥会开幕式演出盛宴再添华彩，整场演出更加灵活、浪漫、唯美，促进了技术与艺术完美融合。