舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中互鎖功能的應(yīng)用與發(fā)展——從傳統(tǒng)到智能AI的演進(jìn)

摘" 要：舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)是保障各類演出順利進(jìn)行的重要支撐。在演出過程中，設(shè)備安全至關(guān)重要，而互鎖功能正是保護(hù)設(shè)備安全的關(guān)鍵手段。該文旨在深入探討傳統(tǒng)互鎖形式與現(xiàn)代智能AI互鎖形式在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展，并以一些實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用為例進(jìn)行闡述，以期為讀者提供關(guān)于這一領(lǐng)域的全面認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：舞臺(tái)機(jī)械；傳統(tǒng)互鎖；智能互鎖；互鎖功能；智能AI

中圖分類號(hào)：TP391.9""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""" 文章編號(hào)：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

傳統(tǒng)互鎖形式主要基于電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備操作順序的控制和誤操作的防止。在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)互鎖形式發(fā)揮了重要作用。

1" 傳統(tǒng)互鎖形式在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1" 互鎖電路的應(yīng)用

互鎖電路通過2個(gè)或多個(gè)回路的相互鎖定，確保一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行時(shí)，其他相關(guān)動(dòng)作無法同時(shí)進(jìn)行。這種設(shè)計(jì)可以有效防止因誤操作導(dǎo)致的設(shè)備損壞或人員傷害。例如，在舞臺(tái)升降臺(tái)的控制系統(tǒng)中，當(dāng)輔助驅(qū)動(dòng)投入使用時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷主驅(qū)動(dòng)的控制回路，防止主、輔驅(qū)動(dòng)同時(shí)運(yùn)行，以確保升降臺(tái)的安全運(yùn)行。

1.2" 機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

除了電路互鎖外，機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)也是傳統(tǒng)互鎖形式的重要組成部分。通過在關(guān)鍵部位設(shè)置互鎖機(jī)構(gòu)，限制設(shè)備在不符合安全條件時(shí)的操作。例如，摩擦輪驅(qū)動(dòng)的車臺(tái)，在開到升降臺(tái)上的時(shí)候，需要通過機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)將其鎖定固定后，升降臺(tái)才能升降操作，以避免升降臺(tái)在升降過程中，車臺(tái)出現(xiàn)滑動(dòng)與固定臺(tái)發(fā)生碰撞。

1.3" 控制邏輯的互鎖形式

在傳統(tǒng)品字型舞臺(tái)里主要的設(shè)備布局如圖1—圖2所示。

控制邏輯互鎖包括以下方面。

1.3.1" 大幕對(duì)開與大幕提升

大幕在演出位及維修位時(shí)，大幕才允許打開，其他位置不允許打開。大幕只有在閉合時(shí)，大幕提升才允許升降，確保大幕提升時(shí)，各吊點(diǎn)受力均勻。

1.3.2" 樂池欄桿和樂池升降臺(tái)

樂池升降臺(tái)低于樂池位時(shí)，樂池欄桿不允許下降，防止人員掉落。

樂池欄桿不在高位時(shí)，樂池升降臺(tái)不能下降到樂池位以下，防止人員掉落。

1.3.3" 主升降臺(tái)與側(cè)臺(tái)車臺(tái)

側(cè)車臺(tái)完全在升降臺(tái)上或完全離開升降臺(tái)后，主升降臺(tái)才允許升降。

主升降在0位或車臺(tái)位，側(cè)車臺(tái)才允許往升降臺(tái)上開。

1.3.4" 側(cè)輔臺(tái)、側(cè)補(bǔ)臺(tái)與側(cè)臺(tái)車臺(tái)

側(cè)輔臺(tái)與側(cè)補(bǔ)臺(tái)同時(shí)在最高位或最低位時(shí)，側(cè)臺(tái)車臺(tái)才允許前進(jìn)或后退。

側(cè)臺(tái)車臺(tái)只有完全在側(cè)補(bǔ)臺(tái)上時(shí)，側(cè)補(bǔ)臺(tái)才允許上升或下降。

側(cè)臺(tái)車臺(tái)只有完全離開側(cè)輔臺(tái)時(shí)，側(cè)輔臺(tái)才允許上升或下降。

1.3.5" 后輔臺(tái)、后補(bǔ)臺(tái)、側(cè)輔臺(tái)、主升降臺(tái)與后車臺(tái)

后輔臺(tái)在最低位，側(cè)輔臺(tái)在最高位，主升降臺(tái)要低于后車臺(tái)底部（一般是-2 500 mm），后車臺(tái)才允許前進(jìn)和后退，且前進(jìn)的距離受對(duì)應(yīng)的主升降臺(tái)和側(cè)輔臺(tái)限制。

后車臺(tái)只有完全離開后輔臺(tái)時(shí)，后輔臺(tái)才允許上升或下降。

后車臺(tái)只有完全離開后補(bǔ)臺(tái)時(shí)，后補(bǔ)臺(tái)才允許上升或下降。

后車臺(tái)只有完全離開對(duì)應(yīng)的主升降臺(tái)時(shí)，對(duì)應(yīng)的主升降臺(tái)才允許上升或下降。

1.3.6" 主升降臺(tái)與升降臺(tái)鎖定機(jī)構(gòu)

只有4個(gè)鎖定機(jī)構(gòu)都解鎖到位后，升降臺(tái)才允許上升或下降。

主升降臺(tái)停在鎖穴位置，升降臺(tái)鎖定機(jī)構(gòu)才允許上鎖和解鎖。

1.3.7" 主升降臺(tái)與剪切邊

當(dāng)主升降臺(tái)本體的剪切被觸發(fā)時(shí)，主升降臺(tái)不允許下降，相鄰的升降臺(tái)需看具體的剪切位置，如果是左前剪切了，則前面的升降臺(tái)不允許上升；如果是右后剪切了，則后面的升降臺(tái)不允許上升。當(dāng)剪切動(dòng)作發(fā)生后，需通過反向運(yùn)行來解除剪切動(dòng)作。

1.3.8" 主升降臺(tái)與安全網(wǎng)

主升降臺(tái)本體的安全網(wǎng)，及相鄰主升降臺(tái)的前、后安全網(wǎng)都在收攏的狀態(tài)下，主升降臺(tái)才允許升降。

主升降臺(tái)分別高于前或后主升降臺(tái)（一般是1 500 mm），主升降臺(tái)本體上的前或后安全網(wǎng)允許打開。

2" 智能AI互鎖形式在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中的發(fā)展

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能AI互鎖形式逐漸成為舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的新趨勢(shì)。與傳統(tǒng)互鎖形式相比，智能AI互鎖具有更高的智能化和自適應(yīng)能力，其很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)互鎖無法滿足越來越復(fù)雜的秀場(chǎng)使用需求。

2.1" 基于多傳感器融合的智能互鎖

多傳感器融合技術(shù)是指將來自不同傳感器的信息進(jìn)行有效整合，以提高信息處理的準(zhǔn)確性和可靠性，是智能AI互鎖的一種常用形式。在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中，多傳感器融合技術(shù)可以綜合利用各種傳感器數(shù)據(jù)，包括位置、速度、角度、激光、紅外線、攝像頭和條碼等多種傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)機(jī)械狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境的全方位監(jiān)測(cè)和控制，提高設(shè)備的安全性和可靠性。

珠海長隆劇院是一個(gè)6 700座的大型秀場(chǎng)，擁有270°全景式環(huán)形舞臺(tái)、三大環(huán)繞水道、超過250 m長的360°高空吊掛環(huán)形軌道。

其中環(huán)形軌道上的10臺(tái)巡游小車就采用了多傳感器融合技術(shù)。在巡游的小車平移機(jī)構(gòu)上有速度編碼器、條碼、紅外、限位傳感器等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

速度編碼器：用于速度閉環(huán)，確保小車平運(yùn)行穩(wěn)定。

紅外條碼：用于位置控制，安裝方式如圖4所示，其精度可到0.1 mm，最高讀取速度可到10 m/s，可確保小車在高速運(yùn)行時(shí)，位置準(zhǔn)確且能精準(zhǔn)定位，并可以用于判斷小車之間的距離，防止小車發(fā)生碰撞。當(dāng)前后小車的位置接近設(shè)定值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速，距離變大時(shí)，可自動(dòng)加速到設(shè)定速度，相當(dāng)于汽車高階自駕里的全速自適應(yīng)巡航功能。

紅外防撞傳感器：用于檢測(cè)小車運(yùn)行的前方是否有障礙物，檢測(cè)范圍是270°，檢測(cè)距離是0.05～4 m，工作區(qū)域圖表如圖5所示。且可以根據(jù)實(shí)際情況，劃分出不同的工作區(qū)域如圖6所示，結(jié)合小車的運(yùn)行位置，選擇激活不同工作區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)智能的避障。

2.2" 基于OBB碰撞檢測(cè)的智能互鎖

OBB碰撞檢測(cè)技術(shù)是一種基于軸對(duì)齊包圍盒（Oriented Bounding Box， OBB）的碰撞檢測(cè)算法。其核心原理是根據(jù)物體的形態(tài)和朝向自動(dòng)調(diào)整包圍盒的大小和形狀，從而精確地檢測(cè)物體間的碰撞。在三維空間中，OBB可以表示為一個(gè)長方體，其邊可以與坐標(biāo)軸不完全對(duì)齊，以適應(yīng)不同形態(tài)和朝向的物體。與AABB（Axis-Aligned Bounding Box）相比，OBB能夠更緊密地貼合目標(biāo)對(duì)象的形狀，從而提高碰撞檢測(cè)的準(zhǔn)確性。兩者的包圍盒示意如圖7所示。

在OBB碰撞檢測(cè)中，通常采用分離軸理論來判斷2個(gè)OBB是否相交。具體來說，如果2個(gè)OBB在一條軸線上的投影不重疊，則這條軸稱為分離軸。若存在分離軸，則可以判定這2個(gè)OBB不相交，如圖8所示。通過測(cè)試多個(gè)可能的分離軸，可以高效地判斷2個(gè)OBB是否發(fā)生碰撞。

在圖8中，在分離軸2上線段a和線段b投影相交了，則分離軸2不是A、B的分離軸，不能判定A、B是否相交。在分離軸1上線段c和線段d投影不相交，則分離軸1是A、B的分離軸，可以判定A、B不相交。

在舞臺(tái)機(jī)械控制領(lǐng)域，OBB碰撞檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在有平移和旋轉(zhuǎn)等的多維度運(yùn)動(dòng)設(shè)備。在2024年的龍年央視春晚中，增設(shè)了10套大型智能平移旋轉(zhuǎn)屏，每套屏幕都呈長方體結(jié)構(gòu)，尺寸為高12 m、寬3 m、厚0.75 m，且每個(gè)設(shè)備之間的有效間距不足10 cm，為了達(dá)到完美的演出效果，智能平移旋轉(zhuǎn)屏需要與臺(tái)下158塊“會(huì)跳舞的舞臺(tái)”進(jìn)行精妙的配合?？刂葡到y(tǒng)需保證設(shè)備間的安全，又要讓設(shè)置間有盡量多的貼合互動(dòng)，所以需要精準(zhǔn)的位置互鎖判斷。

在龍年央視春晚的舞臺(tái)上，OBB碰撞檢測(cè)技術(shù)得到了很好的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)過程主要包括以下幾個(gè)步驟。

①建立全局世界坐標(biāo)系：將臺(tái)下158塊升降臺(tái)和10個(gè)智能平移旋轉(zhuǎn)屏的中心點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中表達(dá)出來，如圖9所示。②包圍盒構(gòu)建：根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的形狀和大小，構(gòu)建合適的有向包圍盒。將每個(gè)升降臺(tái)和每個(gè)旋轉(zhuǎn)屏當(dāng)成一個(gè)有向包圍盒。③包圍盒更新：根據(jù)平移旋轉(zhuǎn)屏在舞臺(tái)上移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)更新旋轉(zhuǎn)屏的包圍盒在世界坐標(biāo)系中的位置和朝向。④碰撞檢測(cè)：實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)包圍盒之間是否發(fā)生重疊，以判斷目標(biāo)對(duì)象之間是否發(fā)生碰撞。

3" 結(jié)束語

傳統(tǒng)互鎖形式和智能AI互鎖形式在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中各自發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的日益復(fù)雜化，未來舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)將更加注重智能化和自適應(yīng)能力的提升。因此，需要繼續(xù)深入研究智能AI互鎖技術(shù)，探索更多應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)化方案，為演出提供更加安全、高效和智能化的支持。同時(shí)，也需要注意到，智能AI互鎖技術(shù)的發(fā)展也帶來了新的挑戰(zhàn)和問題。例如，多傳感器融合技術(shù)，需要更多的傳感器，使用成本較高。OBB碰撞檢測(cè)技術(shù)，需要實(shí)時(shí)更新和檢測(cè)多個(gè)包圍盒之間的位置關(guān)系，因此計(jì)算復(fù)雜度較高，對(duì)硬件性能有一定要求。在復(fù)雜的舞臺(tái)場(chǎng)景中，機(jī)械裝置之間的相互作用可能更加復(fù)雜，這會(huì)對(duì)碰撞檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性提出更高的要求。這些問題需要不斷思考和探索解決方案?？傊枧_(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中互鎖功能的應(yīng)用與發(fā)展是一個(gè)值得深入研究的課題。我們相信，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用實(shí)踐，能夠?yàn)檠莩鎏峁└影踩?、高效和智能化的設(shè)備支持，為觀眾帶來更加精彩的舞臺(tái)表演。

參考文獻(xiàn)：

[1] 屈鐵軍，趙禹洲，劉廣東.智能舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2009（4）：148.

[2] 鄭勁松，徐世章，張放，等.四川大劇院主劇場(chǎng)的舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)[J].演藝科技，2019（10）：51-54.

[3] 馮立穎.碰撞檢測(cè)技術(shù)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2014（8）：7-10.

[4] 于文斐.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的碰撞檢測(cè)算法綜述[J].民航學(xué)報(bào)，2019，3（4）：85-87，96.