舞台机械控制系统中互锁功能的应用与发展——从传统到智能AI的演进

摘" 要：舞台机械控制系统是保障各类演出顺利进行的重要支撑。在演出过程中，设备安全至关重要，而互锁功能正是保护设备安全的关键手段。该文旨在深入探讨传统互锁形式与现代智能AI互锁形式在舞台机械控制系统中的应用与发展，并以一些实际项目中的应用为例进行阐述，以期为读者提供关于这一领域的全面认识。

关键词：舞台机械；传统互锁；智能互锁；互锁功能；智能AI

中图分类号：TP391.9""""" 文献标志码：A""""""""" 文章编号：2095-2945（2025）04-0185-04

Abstract： The stage machinery control system is an important support to ensure the smooth progress of various performances. During the performance， equipment safety is crucial， and the interlock function is a key means to protect equipment safety. This paper aims to deeply discuss the application and development of traditional interlocking forms and modern intelligent AI interlocking forms in stage machinery control systems， and take the application on some practical projects as examples to illustrate， in order to provide readers with a comprehensive understanding of this field.

Keywords： stage machinery; traditional interlock; intelligent interlock; interlock function; intelligent AI

传统互锁形式主要基于电路、机械结构的设计和控制逻辑，实现对设备操作顺序的控制和误操作的防止。在舞台机械控制系统中，传统互锁形式发挥了重要作用。

1" 传统互锁形式在舞台机械控制系统中的应用

1.1" 互锁电路的应用

互锁电路通过2个或多个回路的相互锁定，确保一个动作进行时，其他相关动作无法同时进行。这种设计可以有效防止因误操作导致的设备损坏或人员伤害。例如，在舞台升降台的控制系统中，当辅助驱动投入使用时，会自动切断主驱动的控制回路，防止主、辅驱动同时运行，以确保升降台的安全运行。

1.2" 机械互锁结构的设计

除了电路互锁外，机械互锁结构也是传统互锁形式的重要组成部分。通过在关键部位设置互锁机构，限制设备在不符合安全条件时的操作。例如，摩擦轮驱动的车台，在开到升降台上的时候，需要通过机械锁定机构将其锁定固定后，升降台才能升降操作，以避免升降台在升降过程中，车台出现滑动与固定台发生碰撞。

1.3" 控制逻辑的互锁形式

在传统品字型舞台里主要的设备布局如图1—图2所示。

控制逻辑互锁包括以下方面。

1.3.1" 大幕对开与大幕提升

大幕在演出位及维修位时，大幕才允许打开，其他位置不允许打开。大幕只有在闭合时，大幕提升才允许升降，确保大幕提升时，各吊点受力均匀。

1.3.2" 乐池栏杆和乐池升降台

乐池升降台低于乐池位时，乐池栏杆不允许下降，防止人员掉落。

乐池栏杆不在高位时，乐池升降台不能下降到乐池位以下，防止人员掉落。

1.3.3" 主升降台与侧台车台

侧车台完全在升降台上或完全离开升降台后，主升降台才允许升降。

主升降在0位或车台位，侧车台才允许往升降台上开。

1.3.4" 侧辅台、侧补台与侧台车台

侧辅台与侧补台同时在最高位或最低位时，侧台车台才允许前进或后退。

侧台车台只有完全在侧补台上时，侧补台才允许上升或下降。

侧台车台只有完全离开侧辅台时，侧辅台才允许上升或下降。

1.3.5" 后辅台、后补台、侧辅台、主升降台与后车台

后辅台在最低位，侧辅台在最高位，主升降台要低于后车台底部（一般是-2 500 mm），后车台才允许前进和后退，且前进的距离受对应的主升降台和侧辅台限制。

后车台只有完全离开后辅台时，后辅台才允许上升或下降。

后车台只有完全离开后补台时，后补台才允许上升或下降。

后车台只有完全离开对应的主升降台时，对应的主升降台才允许上升或下降。

1.3.6" 主升降台与升降台锁定机构

只有4个锁定机构都解锁到位后，升降台才允许上升或下降。

主升降台停在锁穴位置，升降台锁定机构才允许上锁和解锁。

1.3.7" 主升降台与剪切边

当主升降台本体的剪切被触发时，主升降台不允许下降，相邻的升降台需看具体的剪切位置，如果是左前剪切了，则前面的升降台不允许上升；如果是右后剪切了，则后面的升降台不允许上升。当剪切动作发生后，需通过反向运行来解除剪切动作。

1.3.8" 主升降台与安全网

主升降台本体的安全网，及相邻主升降台的前、后安全网都在收拢的状态下，主升降台才允许升降。

主升降台分别高于前或后主升降台（一般是1 500 mm），主升降台本体上的前或后安全网允许打开。

2" 智能AI互锁形式在舞台机械控制系统中的发展

随着人工智能技术的不断发展，智能AI互锁形式逐渐成为舞台机械控制系统的新趋势。与传统互锁形式相比，智能AI互锁具有更高的智能化和自适应能力，其很好地弥补了传统互锁无法满足越来越复杂的秀场使用需求。

2.1" 基于多传感器融合的智能互锁

多传感器融合技术是指将来自不同传感器的信息进行有效整合，以提高信息处理的准确性和可靠性，是智能AI互锁的一种常用形式。在舞台机械控制系统中，多传感器融合技术可以综合利用各种传感器数据，包括位置、速度、角度、激光、红外线、摄像头和条码等多种传感器技术，实现对舞台机械状态及运行环境的全方位监测和控制，提高设备的安全性和可靠性。

珠海长隆剧院是一个6 700座的大型秀场，拥有270°全景式环形舞台、三大环绕水道、超过250 m长的360°高空吊挂环形轨道。

其中环形轨道上的10台巡游小车就采用了多传感器融合技术。在巡游的小车平移机构上有速度编码器、条码、红外、限位传感器等，结构如图3所示。

速度编码器：用于速度闭环，确保小车平运行稳定。

红外条码：用于位置控制，安装方式如图4所示，其精度可到0.1 mm，最高读取速度可到10 m/s，可确保小车在高速运行时，位置准确且能精准定位，并可以用于判断小车之间的距离，防止小车发生碰撞。当前后小车的位置接近设定值时，可实现自动减速，距离变大时，可自动加速到设定速度，相当于汽车高阶自驾里的全速自适应巡航功能。

红外防撞传感器：用于检测小车运行的前方是否有障碍物，检测范围是270°，检测距离是0.05～4 m，工作区域图表如图5所示。且可以根据实际情况，划分出不同的工作区域如图6所示，结合小车的运行位置，选择激活不同工作区域，可实现智能的避障。

2.2" 基于OBB碰撞检测的智能互锁

OBB碰撞检测技术是一种基于轴对齐包围盒（Oriented Bounding Box， OBB）的碰撞检测算法。其核心原理是根据物体的形态和朝向自动调整包围盒的大小和形状，从而精确地检测物体间的碰撞。在三维空间中，OBB可以表示为一个长方体，其边可以与坐标轴不完全对齐，以适应不同形态和朝向的物体。与AABB（Axis-Aligned Bounding Box）相比，OBB能够更紧密地贴合目标对象的形状，从而提高碰撞检测的准确性。两者的包围盒示意如图7所示。

在OBB碰撞检测中，通常采用分离轴理论来判断2个OBB是否相交。具体来说，如果2个OBB在一条轴线上的投影不重叠，则这条轴称为分离轴。若存在分离轴，则可以判定这2个OBB不相交，如图8所示。通过测试多个可能的分离轴，可以高效地判断2个OBB是否发生碰撞。

在图8中，在分离轴2上线段a和线段b投影相交了，则分离轴2不是A、B的分离轴，不能判定A、B是否相交。在分离轴1上线段c和线段d投影不相交，则分离轴1是A、B的分离轴，可以判定A、B不相交。

在舞台机械控制领域，OBB碰撞检测技术的应用主要体现在有平移和旋转等的多维度运动设备。在2024年的龙年央视春晚中，增设了10套大型智能平移旋转屏，每套屏幕都呈长方体结构，尺寸为高12 m、宽3 m、厚0.75 m，且每个设备之间的有效间距不足10 cm，为了达到完美的演出效果，智能平移旋转屏需要与台下158块“会跳舞的舞台”进行精妙的配合。控制系统需保证设备间的安全，又要让设置间有尽量多的贴合互动，所以需要精准的位置互锁判断。

在龙年央视春晚的舞台上，OBB碰撞检测技术得到了很好的应用，其实现过程主要包括以下几个步骤。

①建立全局世界坐标系：将台下158块升降台和10个智能平移旋转屏的中心点在世界坐标系中表达出来，如图9所示。②包围盒构建：根据目标对象的形状和大小，构建合适的有向包围盒。将每个升降台和每个旋转屏当成一个有向包围盒。③包围盒更新：根据平移旋转屏在舞台上移动和旋转，实时更新旋转屏的包围盒在世界坐标系中的位置和朝向。④碰撞检测：实时检测各个包围盒之间是否发生重叠，以判断目标对象之间是否发生碰撞。

3" 结束语

传统互锁形式和智能AI互锁形式在舞台机械控制系统中各自发挥着重要作用。随着技术的不断进步和应用场景的日益复杂化，未来舞台机械控制系统将更加注重智能化和自适应能力的提升。因此，需要继续深入研究智能AI互锁技术，探索更多应用场景和优化方案，为演出提供更加安全、高效和智能化的支持。同时，也需要注意到，智能AI互锁技术的发展也带来了新的挑战和问题。例如，多传感器融合技术，需要更多的传感器，使用成本较高。OBB碰撞检测技术，需要实时更新和检测多个包围盒之间的位置关系，因此计算复杂度较高，对硬件性能有一定要求。在复杂的舞台场景中，机械装置之间的相互作用可能更加复杂，这会对碰撞检测技术的准确性和实时性提出更高的要求。这些问题需要不断思考和探索解决方案。总之，舞台机械控制系统中互锁功能的应用与发展是一个值得深入研究的课题。我们相信，通过不断的技术创新和应用实践，能够为演出提供更加安全、高效和智能化的设备支持，为观众带来更加精彩的舞台表演。

参考文献：

[1] 屈铁军，赵禹洲，刘广东.智能舞台机械系统设计[J].机械工程师，2009（4）：148.

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