新疆大劇院暨秀場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)探討

杜安坤　李由　陳強(qiáng)　劉基順

【摘 要】 以新疆大劇院為例，從舞臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)合舞臺(tái)工藝美術(shù)的角度，闡述秀場(chǎng)類舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、 特點(diǎn)、現(xiàn)狀、展望以及安全要求，探索控制技術(shù)與舞臺(tái)工藝及工藝美術(shù)的融合。

【關(guān)鍵詞】 新疆大劇院；秀場(chǎng)；舞臺(tái)機(jī)械；控制系統(tǒng)；安全要求

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.04.005

Discussion on the Stage Mechanical Control System of Xinjiang Grand Theatre & Show Field

DU An-kun， LI You， CHEN Qiang， LIU Ji-shun

（General Equipment Engineering Design Research Institute， Beijing 100028， China）

【Abstract】Taking Xinjiang grand theatre as an example， from the perspective of the stage control system combining with the stage of arts and crafts， the author introduced the structure， composition， characteristics， current situation， expectation and safety requirements of stage mechanical control system in show field， aimed to explore the integration of control technology， stage technology and the arts and crafts.

【Key Words】xinjiang grand theatre； show field； stage machinery； control system； safety requirements

近十年來，中國(guó)秀場(chǎng)類舞臺(tái)機(jī)械發(fā)展迅速，編導(dǎo)創(chuàng)意、舞美表現(xiàn)及舞臺(tái)機(jī)械工藝標(biāo)新立異，展示手段花樣繁多。由于功能方面的要求，對(duì)應(yīng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的難度日趨加大，新技術(shù)的采用日益增多。原本意義上，劇場(chǎng)的表演區(qū)和觀眾區(qū)有分界，無論什么樣的舞臺(tái)機(jī)械，都是輔助演員表演、給觀眾呈現(xiàn)視覺效果的載體。然而，秀場(chǎng)尤其是開放式舞臺(tái)秀場(chǎng)，其舞臺(tái)機(jī)械與觀眾互動(dòng)，模糊了表演區(qū)和觀眾區(qū)的分界，機(jī)械安全方面的風(fēng)險(xiǎn)陡增。這種情形下，在采取安全防護(hù)和安全聯(lián)鎖措施的同時(shí)，尤其要加強(qiáng)演出監(jiān)管。基于此，以新疆大劇院、秀場(chǎng)為例，用條文歸納的形式，從舞臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)合舞臺(tái)工藝美術(shù)的角度，闡述舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、特點(diǎn)、安全要求以及發(fā)展趨勢(shì)，探索控制技術(shù)與舞臺(tái)工藝及工藝美術(shù)的融合。

1 新疆大劇院舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)概況

新疆大劇院舞臺(tái)上的展示，其定位是效果可媲美世界最具影響力的美國(guó)拉斯維加斯歐秀。新疆大劇院的內(nèi)核是按秀場(chǎng)所需打造的。

（1）控制對(duì)象的任務(wù)是在觀眾身臨其境的立體化空間，讓承載設(shè)備完成空間交互組合運(yùn)動(dòng)，借機(jī)械描繪人仙相會(huì)、飛鳥走獸、山崩地裂等場(chǎng)面。

（2）電機(jī)數(shù)量，即系統(tǒng)的主要控制對(duì)象，441臺(tái)，其中調(diào)速電機(jī)控制占3/4。

（3）單個(gè)編場(chǎng)Q，實(shí)際同時(shí)動(dòng)用電機(jī)數(shù)量最多達(dá)到30臺(tái)。

（4）控制柜數(shù)量，120面，轉(zhuǎn)接箱350多個(gè)。

（5）控制柜布置，按區(qū)域分為12組，后臺(tái)柵頂，主舞臺(tái)區(qū)上、下馬道，主臺(tái)倉上、下回廊，臺(tái)口伸出區(qū)臺(tái)面下的兩側(cè)，伸出區(qū)、觀眾區(qū)柵頂，觀眾區(qū)柵頂隨軌道車吊掛，觀眾區(qū)后方等。

（6）控制中心I，西門子400系列PLC控制系統(tǒng)1套，CPU冗余配置，主備手動(dòng)切換，位于舞臺(tái)控制室，配置遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)12個(gè)，監(jiān)控臺(tái)上吊掛設(shè)備和臺(tái)下升降、旋轉(zhuǎn)、行走、翻轉(zhuǎn)類設(shè)備；統(tǒng)屬西門子300系列PLC控制從機(jī)10套，用于旋轉(zhuǎn)8點(diǎn)吊組，水臺(tái)面、跑馬機(jī)、自行車臺(tái)的控制；人機(jī)界面，控制臺(tái)4臺(tái)套，并行工作；實(shí)際編場(chǎng)240 Q/120 min。

（7）控制中心II，西門子D435-2 DP/PN控制單元，規(guī)格SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器核心CPU，8軸聯(lián)動(dòng)；經(jīng)由PROFINET實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)屬飛行機(jī)構(gòu)從站4臺(tái)套，各飛行機(jī)構(gòu)從站主要配置CU320-2PN控制CPU、2組PM340-11kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，及SMC30規(guī)格的增量型和絕對(duì)值編碼器適配器；控制臺(tái)1臺(tái)套；可以編場(chǎng)實(shí)現(xiàn)單飛、雙飛及飛毯3D空間軌跡。

（8）兩控制中心的結(jié)合，信息交換和安全聯(lián)鎖通過以太網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)。

（9）控制咽喉，有線以太網(wǎng)絡(luò)、無線以太網(wǎng)、DP網(wǎng)絡(luò)，PROFINET，其中干線采用光纖傳輸，PROFINET隨動(dòng)網(wǎng)線采用高柔性網(wǎng)線。

（10）網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)數(shù)量330個(gè)，包括有線以太、無線以太、PROFINET、DP等。

（11）安全措施，PILZ急停鏈路，絕對(duì)編碼器、編碼器、限位、電流、電壓檢測(cè)，工藝性和功能性聯(lián)鎖，安全電壓，隔離電源IT供電，絕緣監(jiān)測(cè)，電磁兼容措施、接零接地系統(tǒng)。

（12）路由，強(qiáng)弱電纜分走橋架，無鹵低煙電纜。

（13）自主軟件，組態(tài)、編址、編場(chǎng)、調(diào)度，界面友好，操控靈活。

（14）控制的兩大要素，能量、信息，同時(shí)也是控制的主要工作內(nèi)容。

（15）控制的側(cè)重點(diǎn)，動(dòng)態(tài)特性包含在時(shí)間（或速度）、精度（或準(zhǔn)確）、穩(wěn)定、觀察、魯棒①、可靠、安全七個(gè)性質(zhì)之中，這些性質(zhì)在數(shù)理上均表示概率事件，小于1亦即小于100%，所以要盡量統(tǒng)籌完善。要求有針對(duì)性地找到解決系統(tǒng)中控制問題的方法。

2 秀場(chǎng)創(chuàng)意特點(diǎn)對(duì)舞臺(tái)機(jī)械的要求

（1）秀場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械，從觀眾的角度，是完成舞臺(tái)視覺效果的載體；從演職人員的角度，是助演載體，是可觸及；還可以是演員或觀眾配合互動(dòng)的運(yùn)載工具。

（2）場(chǎng)面表現(xiàn)的意境或風(fēng)情各異，有政治的、戰(zhàn)爭(zhēng)的、和平的、文化的、生產(chǎn)的、生活的，喜怒哀樂、地域的、民族的、民俗的等。

（3）表演區(qū)與觀眾區(qū)分界模糊，機(jī)械防護(hù)、安全聯(lián)鎖與舞臺(tái)監(jiān)管要求高。

（4）圍繞觀眾區(qū)的設(shè)備，特別是觀眾可觸及的設(shè)備應(yīng)具有更高的可靠性要求和安全要求。尤其是面對(duì)好動(dòng)的兒童觀眾，應(yīng)控制這類設(shè)備的運(yùn)行速度，以便有足夠的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間。

（5）舞臺(tái)機(jī)械數(shù)量多、載荷大、關(guān)聯(lián)復(fù)雜、變化多樣，動(dòng)靜結(jié)合，振動(dòng)與柔韌兼具，響應(yīng)要求高。

（6）對(duì)運(yùn)動(dòng)形式，要求系統(tǒng)操作可靠靈活兼?zhèn)?，?duì)創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)性工藝、布局、時(shí)間與立體空間等應(yīng)具有出人意料的效果。劇目中，圍繞觀眾的飛天、飛毯等飛行機(jī)構(gòu)由鋼絲繩牽引，完成空間軌跡的柔性多維運(yùn)動(dòng)；圍繞演員的剛性機(jī)械的快速運(yùn)動(dòng)，要能給人留下不同凡響的影響。

（7）節(jié)目固定，使用頻度高，相對(duì)程式化而又會(huì)隨機(jī)調(diào)整編場(chǎng)。

（8）伴有其他表現(xiàn)手段，且手段多樣，如電聲電光、LED投影多媒體、水特效、冰特效、冷火焰、煙霧特效、歌舞、雜技、馬術(shù)、吸幕、全息激光，甚至將來的量子態(tài)傳輸?shù)燃夹g(shù)性功能。僅就電氣角度，各專業(yè)各行業(yè)混雜用電，電磁兼容要求高。

（9）控制系統(tǒng)則要能實(shí)現(xiàn)量化的恢宏場(chǎng)面、愜意視覺、互動(dòng)開放、情景并茂的控制目標(biāo)。

（10）節(jié)目因創(chuàng)作靈感會(huì)產(chǎn)生突然性運(yùn)行調(diào)整要求。

（11）因突然性的運(yùn)行調(diào)整會(huì)讓演員及觀眾面臨安全的風(fēng)險(xiǎn)性。

（12）安全對(duì)機(jī)電運(yùn)動(dòng)約束，既要對(duì)能量進(jìn)行限制，又要約束信息邊界。

（13）控制系統(tǒng)的要素和性質(zhì)是明確的，但任務(wù)及其完成任務(wù)的技術(shù)方法、措施手段又是各有千秋，各顯其能。

（14）機(jī)電設(shè)備越多，電氣回路數(shù)量也越多，系統(tǒng)整體可靠性就會(huì)降低。一般一臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)電氣回路大約30條～40條，至少每條首尾兩端，就有70個(gè)左右的連接點(diǎn)，如經(jīng)中間轉(zhuǎn)接，連接點(diǎn)成倍增加，由此帶來的可靠性也就成倍降低。質(zhì)量控制必須慎之又慎，初始即嚴(yán)，一嚴(yán)到底。

（15）控制系統(tǒng)的瓶頸問題，獲得高可靠性，需要對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、施工質(zhì)量嚴(yán)格要求。

（16）水和電共處，按防水與絕緣、隔離供電要求實(shí)施。

（17）防火要求，從設(shè)備貫穿到電氣線路敷設(shè)路由。

（18）設(shè)備使用環(huán)境，自安裝之日起，溫度、濕度、塵霧就應(yīng)該嚴(yán)格控制。設(shè)備越多，系統(tǒng)越大，如果對(duì)熱（通風(fēng)）、濕、塵控制不嚴(yán)，會(huì)造成霉變、絕緣降低甚至電氣短路。

（19）無線信號(hào)，多專業(yè)在同一個(gè)空間分布，協(xié)調(diào)統(tǒng)籌安排頻段。

總之，秀場(chǎng)是有著鮮明特色的多功能劇場(chǎng)。所以，其舞臺(tái)機(jī)械相應(yīng)地具有鮮明個(gè)性的可感知的視覺和觸覺載體，控制系統(tǒng)的表現(xiàn)既要具有非凡而靈活的多樣性，又要具備高度的安全性。

3 秀場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

（1）必須站在哲學(xué)和政治的高度來考慮文化和藝術(shù)。《延安文藝座談會(huì)的講話》為黨的文藝事業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，依然是中國(guó)今后的文化和藝術(shù)方針，是傳播、呈現(xiàn)、解釋劇目中舞美內(nèi)容和舞臺(tái)機(jī)械形式的結(jié)合點(diǎn)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

（2）2015年5月5日，國(guó)務(wù)院辦公廳正式轉(zhuǎn)發(fā)文化部、財(cái)政部、新聞出版廣電總局、體育總局起草的《關(guān)于做好政府向社會(huì)力量購買公共文化服務(wù)工作的意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》），對(duì)建立健全政府向社會(huì)力量購買公共文化服務(wù)機(jī)制，完善公共文化服務(wù)供給體系，提高公共文化服務(wù)效能作出了重要部署。

（3）中國(guó)文化市場(chǎng)，毋庸置疑，劇目即文化商品，演藝團(tuán)隊(duì)猶如產(chǎn)品生產(chǎn)者、文化團(tuán)體就是文化商品的供應(yīng)商。

（4）文化的解釋能力，這個(gè)概念最早見于克利福德·格爾茨著的《文化的解釋》，從《意見》的指導(dǎo)性目錄不難看出，中國(guó)的文化解釋能力還需要不斷完善提高，舞美手段用到了極致，為舞臺(tái)機(jī)械及其控制系統(tǒng)提供了施展空間。

（5）創(chuàng)意途徑、動(dòng)態(tài)舞美、舞臺(tái)機(jī)械作為演藝裝備與工藝美術(shù)或舞美的結(jié)合，力求時(shí)間與空間、形式與內(nèi)容、方法與措施、多專業(yè)設(shè)備之間的協(xié)調(diào)、功能與安全等方面達(dá)到技術(shù)與舞臺(tái)美術(shù)的和諧統(tǒng)一。

（6）演藝技術(shù)，用演藝裝備做什么，怎么做；設(shè)備技術(shù)與藝術(shù)創(chuàng)意的結(jié)合點(diǎn)是什么，怎么結(jié)合，是做好表演設(shè)備及其控制系統(tǒng)的一個(gè)個(gè)癥結(jié)，可以探討研究的空間很大，但仍不出舞臺(tái)機(jī)械技術(shù)與舞臺(tái)工藝美術(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的范圍。

（7）通過舞臺(tái)工藝將技術(shù)手段與工藝美術(shù)結(jié)合。

（8）設(shè)備布局，甚或舞臺(tái)工藝，設(shè)備群組的組態(tài)、時(shí)空關(guān)系，作為個(gè)案的系統(tǒng)如何保證安全可靠等因素有必要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。

（9）由演藝設(shè)備的可復(fù)制性及重復(fù)性帶來的審美疲勞，需要?jiǎng)?chuàng)新破局。但標(biāo)新立異的藝術(shù)表現(xiàn)不等于就要采用標(biāo)新立異的控制技術(shù)，創(chuàng)新方面必須考慮控制系統(tǒng)的成熟度與合規(guī)性。

（10）舞臺(tái)中的舞臺(tái)，舞臺(tái)機(jī)械本身既助演也直接參與表演，舞臺(tái)機(jī)械的嵌套技術(shù)措施多彩多樣，舞臺(tái)演藝設(shè)備的制造處在一個(gè)施展大眾公共藝術(shù)的時(shí)代。

（11）高新技術(shù)的引入與貫徹標(biāo)準(zhǔn)的矛盾，如何協(xié)調(diào)統(tǒng)一。不能因標(biāo)準(zhǔn)推出的滯后而不去采用新技術(shù)新工藝，這樣就談不上進(jìn)一步的發(fā)展提高；同時(shí)，也要積極準(zhǔn)備和實(shí)施制定新標(biāo)準(zhǔn)、修訂現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，如同生產(chǎn)力需要相應(yīng)的生產(chǎn)關(guān)系及上層建筑一樣。

（12）控制系統(tǒng)的完整性，現(xiàn)代控制系統(tǒng)雖然具備靈活的可擴(kuò)展性，但作為集成了的成套設(shè)備及其路由并不具有任意的柔性，因?yàn)槲枧_(tái)機(jī)械的控制設(shè)備還做不到即插即拔。所以應(yīng)該在項(xiàng)目初始階段明確把握舞臺(tái)工藝的總體，以便于規(guī)劃用電點(diǎn)、用電量、設(shè)備布置及其線纜路由空間。否則，會(huì)使電氣控制陷于剪切縫補(bǔ)的尷尬境地。

（13）創(chuàng)新與求實(shí)，創(chuàng)新是亮點(diǎn)，在保證安全的前提下，適度應(yīng)用成果，成熟可靠的技術(shù)應(yīng)用同樣可以拓展空間。

（14）關(guān)于制造戰(zhàn)略，中國(guó)制造戰(zhàn)略第一個(gè)十年的綱領(lǐng)性文件《中國(guó)制造2025》，對(duì)接德國(guó)的“工業(yè)4.0”和美國(guó)的“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”。舞臺(tái)機(jī)械作為制造行業(yè)的一部分，其控制系統(tǒng)更要圍繞創(chuàng)新、智能、強(qiáng)基、綠色、高端五大工程要求，推動(dòng)質(zhì)量和安全建設(shè)責(zé)無旁貸。

4 安全及合規(guī)性要求

（1）2007年～2010年之間，文化部所頒發(fā)的舞臺(tái)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)，其適應(yīng)范圍已經(jīng)不能涵蓋目前諸多秀場(chǎng)類舞臺(tái)機(jī)械的研制與使用。這點(diǎn)要求從業(yè)者應(yīng)有對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備整體上的把握。

（2）鑒于國(guó)內(nèi)尚無系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)于IEC61511在國(guó)內(nèi)的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 21109《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》系列標(biāo)準(zhǔn)，遇到類似問題必須展開機(jī)械安全、電氣安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，是否借助SIL安全度量化標(biāo)準(zhǔn)劃分評(píng)價(jià)，也是個(gè)問題，關(guān)鍵在于GB/T 21109劃定了儀表系統(tǒng)這一縮小了的適應(yīng)范圍。

（3）歐美的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以借鑒，問題在于如何在秀場(chǎng)類舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備中使用，有待權(quán)威部門的認(rèn)可。

（4）對(duì)于各專業(yè)偏遠(yuǎn)散的設(shè)備的用電，土建施工往往忽略了其對(duì)工作地和等電位公共接地建設(shè)，而工業(yè)電子、可控硅零部件的大量使用，對(duì)電網(wǎng)供電要求、用電對(duì)電網(wǎng)影響都有嚴(yán)格的規(guī)定。

（5）因場(chǎng)地受限造成設(shè)備布置或運(yùn)行的干涉，仍然是技術(shù)人員與舞臺(tái)工藝美術(shù)在項(xiàng)目前期要引起足夠重視、多加溝通協(xié)調(diào)的工作。

（6）載人設(shè)備多樣化，不僅應(yīng)有對(duì)應(yīng)的安全措施，還應(yīng)有確保對(duì)所承載演職人員的救護(hù)措施，這與設(shè)備所承載人員的耐受力直接相關(guān)，尤其是空中被吊掛的演員。

（7）舞臺(tái)系統(tǒng)使用監(jiān)管，由于檢測(cè)受限，安全聯(lián)鎖難以做到全面、實(shí)時(shí)，演出時(shí)的看護(hù)和監(jiān)管應(yīng)該是制度性的。劇院的管理也是一門科學(xué)，從設(shè)備管理到行人引導(dǎo)，都應(yīng)健全對(duì)應(yīng)的規(guī)程、崗位制度等。

5 結(jié)語

秀場(chǎng)類舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的任務(wù)，是完成多種多樣舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的調(diào)度監(jiān)控，應(yīng)從舞臺(tái)機(jī)械工藝與舞臺(tái)工藝美術(shù)結(jié)合著手，把握系統(tǒng)設(shè)備的整體布局，克服關(guān)鍵技術(shù)，采用先進(jìn)、優(yōu)秀、合規(guī)的方法及有效措施，使集成配套的電氣、電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等組件協(xié)調(diào)統(tǒng)一，發(fā)揮實(shí)現(xiàn)舞美創(chuàng)意的核心作用。

注釋：

①魯棒，解決復(fù)雜的工業(yè)過程控制大系統(tǒng)乃至復(fù)雜巨系統(tǒng)的系統(tǒng)模型的不確定性的控制。魯棒性質(zhì)可通俗理解為多變量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，插上或拔去一只鼠標(biāo)后計(jì)算機(jī)仍可以穩(wěn)定地工作。