舞臺機械技術、工藝、應用系列談
——舞臺機械技術

智 浩，高松松，蔡朝陽，曹福祥

（北京金東高科科技有限公司，北京 100000）

近幾年，伴隨經(jīng)濟和文化的發(fā)展，各類型劇場建設方興未艾，需求旺盛。舞臺機械作為劇場建設中設備配置的主要專業(yè)之一，受到劇場規(guī)劃、建設、使用方越來越多的重視和依賴。但由于舞臺機械專業(yè)性強，門檻較高，從業(yè)人員相對其他專業(yè)較少，業(yè)內對舞臺機械的關注點也比較分散，造成對舞臺機械的認識理解比較模糊，在劇場建設的技術支持中成為薄弱環(huán)節(jié)。鑒于此，筆者結合近年來的工作經(jīng)驗，相對系統(tǒng)地整理了舞臺機械方面的知識和工程經(jīng)驗，希望對上述問題有所幫助。具體內容僅一家之言，不妥之處請不吝賜教，批評指正。

技術是解決問題的方法及原理，舞臺機械技術主要是利用機械及控制技術解決舞臺設備運動及演出場景轉換問題。早期舞臺機械技術主要以手動和助力機構為主，是簡易的機械設備，用于劇場舞臺的輔助動作或表演效果。劇場功能和演出形式不斷演化、需求復雜多樣，對舞臺機械的要求也逐步提高，舞臺機械技術也隨著機械技術的發(fā)展不斷進步。

常見的舞臺機械技術主要是升降、平移、旋轉以及組合動作的機械設備技術，從技術手段和方法來說，大多是在其他場合已經(jīng)應用成熟的技術，或是類似設備在劇場中的應用。根據(jù)劇場建設與表演的實際要求，現(xiàn)有的技術手段已經(jīng)基本可以滿足常規(guī)劇場設備和演出的需求，所以到目前還沒有專門的舞臺機械專業(yè)來研究分析相關內容。

但隨著科技水平與演藝形式的快速發(fā)展，對舞臺形式、表演效果都有了新的或特殊的要求，對舞臺機械設備和實現(xiàn)方法也提出了更高的要求，常規(guī)的技術手段已不能滿足高水平藝術創(chuàng)意的需要，舞臺機械技術的系統(tǒng)化、規(guī)范化成為亟待解決的問題。

1 舞臺機械技術概念及功用

1.1 舞臺機械技術的定義與范圍

舞臺機械技術是在滿足舞臺功能需求的前提下，充分考慮了建筑、結構、設備、藝術創(chuàng)意等多種影響因素，系統(tǒng)分析了舞臺機械設備系統(tǒng)集成、協(xié)同、安全等多方面耦合關系，以機械與控制技術為核心的舞臺機械工程的總體技術，是機械設計、鋼結構、自動控制等多專業(yè)一體化集成技術。其相關性如圖1所示，要求實現(xiàn)舞臺機械精確動作的多種組合、運動速度與位置的快速響應、人機結合可靠的安全措施以及運營操控的實用便捷。

1.2 技術思路與目標

舞臺機械技術的應用需遵循舞臺機械的使用規(guī)律，積極借鑒國內外先進和成熟的技術理念，同時根據(jù)舞臺機械不同應用場合的特點及藝術創(chuàng)意，尋求其內部共性與規(guī)律，識別出關鍵技術與難點，開展技術攻關，以具體項目和技術設備研發(fā)為突破點，以特種機械設備工程技術成果為依托，以安全、可靠、創(chuàng)新、適用為根本，針對性、系統(tǒng)性地建立舞臺機械的系統(tǒng)方案，通過工程實施轉化技術方案，最終實現(xiàn)設備間的協(xié)同，以及與精彩表演的完美結合。

1.3 舞臺機械技術的功用

舞臺機械技術涉及傳統(tǒng)標準劇場演出以及各類流動演出、旅游演出等領域。標準劇場的舞臺機械設備主要實現(xiàn)室內不同尺度、不同載荷、不同速度和不同位置設備的升降、平移、旋轉、傾斜等功能及其組合功能。流動演出、旅游演出等要實現(xiàn)不規(guī)則形狀舞臺的升降、平移、旋轉和傾斜，同時要求相對惡劣的環(huán)境運行條件，如室外、高空、水下等，往往具有超大的重量、尺寸和苛刻的使用限制條件，需要各種先進技術手段實現(xiàn)。舞臺機械技術是多種專業(yè)交叉、多類系統(tǒng)集成的復雜技術組合，要解決以下幾類問題：

圖1 舞臺機械技術體系與相關專業(yè)的關系

（1）設備的功能與建筑、舞美等相關專業(yè)的配合；

（2）設備的技術參數(shù)指標與實際使用要求；

（3）設備的定位精度和平穩(wěn)、噪聲控制；

（4）設備的空間占用和劇院演出空間的使用；

（5）設備的安全可靠和操控簡單；

（6）設備的經(jīng)濟合理和維護便捷。

這些問題既是舞臺機械設備自身具有的特點，也是研究開發(fā)舞臺機械設備的難點。這些問題與常規(guī)機械設備系統(tǒng)的研究開發(fā)有相似之處，又有研發(fā)過程制約條件較多、限制因素復雜的自身特性，如何科學、合理、均衡、有效地解決好以上問題，是舞臺機械設備系統(tǒng)技術研究的關鍵。

1.4 舞臺機械技術的內容

舞臺機械技術主要是以常規(guī)機械傳動和控制技術為基礎，實現(xiàn)設備的不同功能，滿足安全可靠、平穩(wěn)準確、快速便捷的要求，其研究開發(fā)可分為工藝方案、模型試驗、設備研發(fā)、系統(tǒng)集成四個階段。采用的技術主要有以下幾種。

吊掛技術：主要針對空中吊掛類設備的升降功能。升降技術：主要實現(xiàn)地面和地下升降臺類設備的升降及傾斜功能。

平移技術：主要實現(xiàn)設備的水平移動功能，包括上空設備的滑移和地面車臺類的平移。

旋轉技術：主要實現(xiàn)車臺或升降臺類設備的水平旋轉和其他設備的空間翻轉功能。

特種需求技術：主要實現(xiàn)演出過程的特殊功能要求，如空間移動、舞臺伸縮、水中設備等。

控制技術：采用機電一體化技術實現(xiàn)舞臺機械系統(tǒng)的控制。

組合技術：對上述各類型技術的組合應用，是機械、結構、控制一體化技術的體現(xiàn)。

舞臺機械技術是多專業(yè)技術的集成，是一個系統(tǒng)工程，其內容不僅要包含機械、控制和計算機仿真等技術，還涉及建筑、結構、設備、燈光、音響、視頻、水景、舞美、藝術創(chuàng)意等相關專業(yè)技術。舞臺機械系統(tǒng)是劇場建設和藝術創(chuàng)意的重要組成部分，可以作為舞臺設備工程的總體工藝和牽頭專業(yè)，為其他相關專業(yè)提供總體工藝要求和條件，最終實現(xiàn)劇場舞臺建設和舞美創(chuàng)意。

2 升降推拉轉的實現(xiàn)及采用的技術

2.1 失速安全保護、同步控制卷揚機系統(tǒng)

（1）上空設備的失速安全保護

設置獨立的失速保護檢測電路，防止設備失控而引發(fā)的自由下落（見圖2）。采用多種安全保護，如硬件上下限位、硬件上下極限位及軟件上下限位。硬件上下限位獨立于軟件系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在安全范圍內運行；同時，軟限位可以與硬件上下限位互校，保證及時發(fā)現(xiàn)偏差。硬件上下極限位保證了上下限位失效時的安全保護；同時，應根據(jù)不同要求，進行亂繩、超重（靜態(tài)）、超速、超載（動態(tài)）的檢測與保護；采用電路安全設計，從電路原理上確保系統(tǒng)安全。

圖2 吊桿失速保護裝置

（2）同步控制

上空設備除了保證單獨運行的精度，還應滿足在載荷容許的情況下任意組合使用，并做到多套設備精確同步運行（見圖3）。通過保證加工安裝精度、設置增量及絕對值編碼器，運行定位精度可達到±2 mm，同步精度可達到±3 mm。采用分散控制定位技術，由變頻器或軸控制器進行直接定位控制，可編程序控制器或計算機進行集中管理，有效解決電機的精確定位。同時，采用軟件同步調節(jié)算法，實現(xiàn)多設備間的同步協(xié)調運行。

圖3 吊桿定位及同步試驗

2.2 空間立體舞臺的旋轉升降

旅游類劇場通常希望打破常規(guī)劇場的框架，實現(xiàn)大進深、寬視角、新穎獨特的多層次立體觀演舞臺。該類舞臺需要克服大規(guī)模大載荷舞臺設備帶來的結構、動力、傳動、軌跡、控制、集成和協(xié)同等一系列相關技術問題。如深圳世界之窗的空間立體舞臺旋轉升降技術應用。其舞臺建筑造型是橢圓球體， “地球”造型根據(jù)表演的需要，通過一系列開合、旋轉、升降及伸縮等60多種運動形式的關聯(lián)、協(xié)同和互鎖，向觀眾展示出現(xiàn)代化舞臺的理想表演空間，同時也創(chuàng)造出了一個從封閉的公園主題到敞開的廣場式露天藝術劇院。

2.3 大型結構二維空間平移開合

為了實現(xiàn)舞臺大空間與環(huán)境轉換，需要有大型結構和設備的運動變換，其平移開合不同的劇場有不同的要求。如無錫靈山梵宮劇場的大型結構二維空間平移開合技術，其劇場的圓形墻體是環(huán)形舞臺和圓形觀眾區(qū)的分界，墻體通過機電控制可實現(xiàn)沿圓弧軌道旋轉展開并沿水平方向前后移動。當8扇墻體圍合成封閉圓時，劇場形成供游客參觀的大殿。整個過程涉及到升降、平移與弧形運動、插銷定位等21個動作，綜合采用鏈條、齒條、摩擦等多種傳動技術，實現(xiàn)水平移動與弧形運動的無縫轉換。機械墻體可展開270°，將圓形殿堂轉換為270°視角的圓形舞臺，如圖4所示。

圖4 移動墻體動作示意

2.4 超大旋轉升降組合

圖5 穹頂翻轉

室外表演或實景演出往往需要超大的舞臺設備，提供與演出環(huán)境相適應的大型表演舞臺，并根據(jù)演出內容進行實時轉換。常規(guī)的平移、升降已無法滿足需求，需要平移、旋轉、傾斜、升降等運動形式的組合，實現(xiàn)大型舞臺場景的變化。如云南“希夷之大理”的旋轉升降組合穹頂翻轉技術的應用。其主舞臺由旋轉相切的圓形組成，天棚穹頂是舞臺整體眼睛創(chuàng)意的眼珠，翻轉升起后可以作為投影幕使用。其中，五瓣穹頂既要相互分離，還要互相支持依靠，保證輕薄球面結構的整體穩(wěn)定和變形控制，采用主次骨架結構、同軸旋轉、液壓頂推、滾動支撐、分離掛鉤等方法，實現(xiàn)穹頂翻轉，如圖5所示。采用同心軌道、多點浮動鏈輪驅動、虛擬圓心定位、電纜滑車供電、液壓系統(tǒng)隨動等方式，實現(xiàn)大型圓弧轉臺的360°旋轉；采用自主液壓同步控制軟件，有效解決了不同液壓驅動設備的同步問題，穩(wěn)態(tài)同步控制精度小于5 mm。

2.5 水中平移、升降設備技術

水中設備主要解決驅動布置、密封防護、浮力應用、液壓和水壓的選用、供電保護等問題。水中無法直接使用電動裝置，水平或垂直的直線運動適合采用鋼絲繩牽引到遠處水面上設備機房，由卷揚機驅動，但如果設備運行軌跡不是一維運動，或設備之間存在復雜的相互運動關系，就無法只靠鋼絲繩牽引來實現(xiàn)。液壓缸是比較好的水下驅動源，但油壓系統(tǒng)存在漏油可能，在水環(huán)境下有很大制約；采用水壓傳動，由于技術和設備還不完全成熟，且推力較小，難以滿足實際需要；選擇合適浮力材料，借助浮力做動力或減輕自重，是利用水壓設備實現(xiàn)水中舞臺功能的重要方法。所以，水下設備要綜合考慮以上因素，根據(jù)具體情況，采用一種或幾種技術組合，實現(xiàn)水下和水中設備的功能要求。如北京歡樂谷劇場是根據(jù)演出內容量身定制的，其典型場景大洪水是當時最早在水中應用平移、升降設備技術。設置在水池正中的升降臺，要求由水中升起的同時，要有演員在上面表演，采用了密封蓋、行走小車、升降子臺等分體聯(lián)動等組合技術加以實現(xiàn)。

3 舞臺機械的控制技術

舞臺機械對于安全、便捷、精確的實現(xiàn)，除了機械系統(tǒng)設計時要考慮合理的驅動傳動運動方式，保證設備機械系統(tǒng)本身的安全精確，更主要是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)就是舞臺機械設備的神經(jīng)和大腦，主宰著設備的運動，所以，控制技術也是舞臺機械不可或缺的重要組成部分，應當引起相關單位的足夠重視。

圖6 北京歡樂谷劇場實景演出和水中升降臺示意

3.1 控制技術要求

在舞臺機械中采用的控制技術及其功能主要有以下幾種。

（1）多控制臺場景運行處理技術

利用多控制臺管理設備原則，解決多控制臺控制設備優(yōu)先級的問題；應急場景控制的設備切入、切出功能，可加強舞臺實景演出設備人工操控的能力，達到理想演出效果。

（2）多種類系統(tǒng)冗余配置技術

針對整體控制方案和控制設備規(guī)模，開發(fā)軟件冗余、網(wǎng)絡完全冗余、異類冗余等不同的冗余方式，以滿足不同用戶的需求，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)從重要局部到全局操控的總體把握，保證舞臺機械的集中管理和分散控制，且所有冗余控制方式對于用戶都是自動切換。

（3）多類型設備綁定同步技術

用于控制速度、距離等參數(shù)組合復雜的設備組的運行，避免操作失誤導致場景及設備碰撞或損壞等危險情況。這種綁定要求有較大的隨意性，同步的設備包括同類型或不同類型設備，設備速度及功率可能差別很大，同步位置要求可能相同或保持某一固定偏差，同步設定要求靈活，可以按要求設置同步組合，也可以解除同步狀態(tài)，恢復單體運行。

（4）多方位設備保護技術

獨立的失速保護檢測電路，通過失速檢測實現(xiàn)因設備失控而引發(fā)自由下落的安全防護功能；空間設備的互鎖、解鎖技術，避免設備運行時發(fā)生相互碰撞的危險，保證劇場演出人員及設備的安全；利用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡監(jiān)控及加強技術，可對網(wǎng)絡通信故障引發(fā)的設備控制運行失效進行有效、準確排查；采用多種安全反饋，保證設備可靠運行。

（5）矩陣切換冗余技術

冗余控制矩陣切換技術針對臺上變頻調速設備,每一個設備受多個變頻器選通控制。出現(xiàn)問題的變頻器可由網(wǎng)絡掛接的其余變頻器接替工作，從而達到熱備效果。

（6）場景數(shù)據(jù)冗余備份和快速恢復技術

一鍵式設備位置恢復功能，備份設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，當舞臺控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時進行數(shù)據(jù)恢復；具備場景運行控制模式，實現(xiàn)在沒有場景編程計算機參與時，獨立控制舞臺機械設備場景運行。

（7）便捷、高效的遠程維護和故障診斷技術

通過遠程聯(lián)網(wǎng)地址和現(xiàn)場舞臺控制系統(tǒng)網(wǎng)絡跨接，實現(xiàn)設備在線瀏覽；遠程維護和故障診斷技術采用包括遠程數(shù)據(jù)記錄及分析系統(tǒng)進行遠程終端控制軟件維護。通過舞臺遠程服務軟件，實現(xiàn)舞臺廠家技術人員和現(xiàn)場用戶之間的遠程協(xié)作功能。同時還應具有專業(yè)的管理功能，可對遠程服務數(shù)據(jù)進行有效的管理和分析。

（8）人機交互的三維虛擬劇場系統(tǒng)

隨著技術發(fā)展，逐步具備應用計算機技術生成逼真的劇場三維視覺效果的能力，可將編導或設計者“投射”到劇場中某個環(huán)境中，并操作、控制劇場設備，實現(xiàn)在對虛擬劇院空間中進行設備控制的體驗和交互。

3.2 PLC控制技術與軸控制器技術[4]

PLC控制技術一般采用主流自動化廠家研發(fā)的中大型PLC系統(tǒng)為主，如西門子、施耐德、AB、貝加萊等，基于PLC的方案多采用主控CPU加擴展模塊的方式來完成，一個系統(tǒng)中通常只采用一到兩個主站來作為主控。PLC更多通過集中控制系統(tǒng)架構實現(xiàn)對設備的控制。

由于PLC可以結合伺服或變頻系統(tǒng)的運動控制功能，大大減輕了PLC的運算負擔，并且現(xiàn)在的PLC具備很大的I/O映射區(qū)，因此，PLC可以控制上千臺的運動設備。對于大型舞臺系統(tǒng)，這種PLC的方式非常適合。

舞臺機械的軸控制器技術主要為一些專業(yè)做舞臺設備的公司所研發(fā)，如瓦格納、SBS、BBH等。一個軸控制器通常可控制1～4個設備，一個完整的系統(tǒng)中有幾十上百個軸控制器，并通過高速總線進行互聯(lián)。軸控制器一般采用分散控制的系統(tǒng)架構。

軸控制器有著較高精度、高動態(tài)性能的運動控制能力，在多軸插補的情況時尤為明顯，這是其非常大的一個優(yōu)勢。在高速總線的配合下，軸控制器的控制通過使用主控單元和擴展單元的方式可控制運動設備的數(shù)量在上百臺的數(shù)量級，因此，占用實時總線系統(tǒng)的資源也相對較多。

目前國內廠家以PLC控制為主，國外廠家主推軸控制器技術。兩者是控制理念和系統(tǒng)架構的區(qū)別，在穩(wěn)定性、可維護性、安全可靠性、定位精度、同步精度、適應性等方面各有特點，對解決和處理舞臺機械的控制問題，兩種控制系統(tǒng)均能滿足舞臺機械使用、安全、精度需求，并不存在技術上的優(yōu)劣或差異。

隨著技術的發(fā)展，兩者會取長補短，功能特點逐漸融合接近。未來軸控制器技術主要向設備端擴展，對單體設備實施進一步精細化控制；PLC也可自帶軸控定位功能，完成單獨軸控器的定位及控制功能，實現(xiàn)通用性基礎上的專業(yè)性。

3.3 變頻控制與伺服控制技術

變頻驅動控制是通過電力半導體器件的通斷作用將工頻電源頻率換成另一頻率的電機控制裝置，一般用交直交方式實現(xiàn)。伺服驅動控制是通過閉環(huán)檢測實現(xiàn)對速度、位置、力矩等的精確控制，使被控物體的位置、方式、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）任意變化，伺服控制可以用來精確跟蹤或復現(xiàn)某個過程反饋系統(tǒng)，又稱隨動控制。

其中，變頻器主要充當調節(jié)變頻電機、普通交流電機轉速的角色，實現(xiàn)對交流異步電機的軟啟動和變頻調速，提高運轉精度、改變功率因素等。伺服驅動器是按指令要求，對功率進行放大、變換與調控等處理，利用位移、速度、電流三環(huán)閉環(huán)控制，使驅動裝置輸出的力矩、速度、位置控制非常靈活方便。

變頻控制的核心元件變頻器，通常由整流單元、高容量電容、逆變器、控制器等組成。伺服控制的核心元件是閉環(huán)反饋元件、伺服驅動器、運動控制卡等。

變頻控制與伺服控制的過載能力不同，伺服過載可達3倍，變頻約1.5倍；兩者控制精度不同，根據(jù)編碼器精度決定，伺服理論上可達1 μm，但與機械系統(tǒng)精度有關，變頻控制精度可達0.01 mm，與脈沖頻率和電機控制數(shù)量有關；變頻控制屬于傳動控制領域，一般用于常規(guī)工業(yè)應用，伺服控制屬于運動控制領域，用于高精度、高響應、高性能場合；根據(jù)電機轉動慣量不同，伺服加減速性能在空載0～2 000轉時，所需時間一般＜20 ms；變頻控制一般用于三相異步交流電機，伺服控制一般用于同步交流伺服電機。

3.4 SIL概念

所有電子/電氣/可編程（E/E/PE）設備，包括一些最精密的設備/系統(tǒng)都可能由各種原因產(chǎn)生故障。用來評定故障及其后果的方法，就是根據(jù)故障概率得出的安全完整性等級SIL（Safety Integrity Level），共分4個等級，SIL1至SIL4，SIL4為最高等級。對于舞臺機械設備，目前希望達到的安全完整性等級為SIL3[5]。

安全完整性等級(SIL)是一種評估、驗證和認證，主要涉及安全設備開發(fā)流程的文檔管理(FSM)評估，硬件可靠性計算和評估、軟件評估、環(huán)境試驗、EMC電磁兼容性測試等內容。

需要指出的是，具有SIL認證的設備與設備使用過程的安全并不是直接劃等號的，即對于具備SIL3認證的舞臺機械設備，只能說明設備本身具備與SIL3規(guī)定相對應的安全可靠性，由于劇場環(huán)境、使用人員等不確定因素造成的復雜性，舞臺機械的設備安全還有其使用過程諸多因素的考慮。

4 舞臺機械技術的發(fā)展趨勢

舞臺機械技術作為“藝術創(chuàng)意的技術實現(xiàn)”，為藝術家提供隨心所欲的創(chuàng)意舞臺；作為現(xiàn)代舞臺設備的骨架和基礎，現(xiàn)有的舞臺機械技術必然需要進一步發(fā)展，如已有應用的虛擬仿真樣機技術，利用三維設計、動態(tài)仿真、動力學計算、運動學分析相結合的方法，為大型復雜機械設備或裝置的研發(fā)提供了技術支持；還有可即時安裝即插即用的可移動吊掛設備及控制系統(tǒng)，舞美特效與舞臺機械設備相結合的大型組合機械設備或裝置，智能化虛擬劇場及AI控制舞臺設備，聲光電機水等多專業(yè)集成的表演創(chuàng)意應用，舞臺機械智能化主動安全性能監(jiān)測等，都將是舞臺技術發(fā)展的重要方向。

致謝：原總裝設計院和金東高科同仁為文章撰寫提供了相關素材，并提出了寶貴意見，衷心感謝。