《偉大征程》威亞設計解析

謝永偉，張 坷

（北京威亞傳邁文化傳播有限公司，北京 101100）

慶祝中國共產黨成立100周年文藝演出《偉大征程》于6月28日在國家體育場（鳥巢）盛大舉行。本次演出的高空威亞設計理念遵循技術服務于藝術的宗旨，將科技與藝術完美融合。演出高空威亞系統的使用規模是鳥巢有史以來最大的一次，采用全新首創的雙索多車威亞索道結構的設計方式，使用鋼絲繩近10萬米。對于威亞團隊而言，這是一次全新的挑戰與突破。本文主要針對威亞系統的亮點及難點、軟硬件等方面展開介紹。

1 威亞系統設計

威亞系統設計主要分為表演方案創意設計、威亞演員培訓、威亞設備及數控系統設計、加工、采購安裝調試、排演保障等全方位的設計與服務。威亞系統模擬見圖1。

圖1 威亞系統模擬

威亞系統采用威亞主索共20組，每組由2條22 mm主索組成。主索固定在鳥巢南北兩側頂棚鋼結構上方。水平驅動索40組，矩陣移動升降吊點100個，升降機械設備100臺，水平驅動設備20臺。威亞平面布局圖見圖2～圖3。

圖2 威亞平面布局圖一

圖3 威亞平面布局圖二

本場演出共使用了兩種類型的威亞設備，功率分別為5 kW和11 kW，均采用兩個獨立的制動器，一個位于電動機轉軸上，另一個位于卷筒轉軸上（圖4）。卷揚機設有防止松繩、亂繩的壓繩裝置，自排繩機構，限位開關，極限位開關等安全功能。其中，水平牽引滿足偏離螺旋槽兩側的角度不應超過2°。

圖4 威亞設備

2 威亞設計的亮點及難點

演出中的高空威亞表演主要體現出兩大亮點，同時也克服了諸多困難。

2.1 威亞設計的亮點

亮點一：第四篇章《新的天地》，空中呈現出象征建黨百年的100面巨型大鼓。每面鼓直徑3 m，每面鼓上站著一位演員。鼓陣在空中隨著音樂多次變化造型，呈現震撼的視覺效果（圖5）。

圖5 《新的天地》演出現場

亮點二：尾聲《領航》，高達16 m的金色黨徽與10面20 m巨型紅旗被威亞緩緩拉起，場面震撼，是整場演出最重要的視覺形象之一，將演出氣氛推向高潮（圖6）。

圖6 《領航》演出現場

2.2 威亞設計的難點及解決方法

2.2.1 鼓的抗風能力

由于100面鼓體積大，所以最怕風。經過測試，鼓的抗風能力只能達到2.5級～3級。風力超過3級后，鼓和演員在空中劇烈搖擺，鼓與鼓互相撞擊，會出現吊掛鋼絲繩纏繞等情況，非常危險。初步結論是風力超過3級，就不能進行表演。但是，總導演下達的指示是，無論任何天氣都要確保演出效果完美呈現，這對于威亞團隊壓力巨大，必須解決這個難題。

經過對鳥巢內外風速的數據分析，鼓必須達到能夠對抗6級大風，才能保障演出安全呈現。由于舞臺搭建了近200 m寬的大屏，改變了鳥巢原有的風學設計。鳥巢外面正常風速時，鳥巢內部表演區每個高度的風速都不一樣，無規律可循。為了實時掌握每個高度風速的數據，在舞臺區域、大屏上方等相關位置安裝多個風速儀，監測每個高度的風速。根據近半個月的數據監控，結合鼓吊掛空中實時測得的準確數據，做出以下調整。

（1）對飛行高度、飛行軌跡、表演形式等進行調整修改，根據不同風速設置不同的表演程序。

（2）將威亞小車吊具長度增加，從而增加扭矩，防止吊具旋轉，可以將鼓的抗風能力從3級提升至4級。

（3）增加備用表演程序，將鼓進行分組軟連接，鼓的抗風能力從3級提升至6級，并增加相應的軟件保護。

（4）對演員進行搖擺控制培訓。在空中有風且鼓搖擺的情況下，威亞演員可以在做表演動作的同時，給予一些外力來控制搖擺。

經過威亞團隊不懈的努力，多重安全措施得到提升，并提高了安全等級，保證演出完美呈現（圖7）。

圖7 《新的天地》排練現場

2.2.2 1分鐘之內100面鼓備場吊掛完畢

在舞臺兩側屏幕之間狹小的空間內，鼓要在一分鐘之內到位，并且掛鉤完畢升起，否則會影響其他節目演員上下場，使演出無法順利進行。為了在如此短時間內完成吊掛，將鼓重量控制在55 kg，兩個演員可以抬起，按照規定路線、規定時間到達指定位置，在鼓搬運過程中，由于鼓的直徑3 m，受風面較大，行進過程中極易被風吹倒。為了杜絕安全隱患，在鼓中間站一名演員維持鼓的穩定。300名演員抬鼓，100人站在鼓上表演，進行長達一個月的訓練，確保在規定的時間內安全完成所有吊掛（圖8）。

圖8 威亞演員訓練現場

2.2.3 10面巨型國旗抗風能力及造型呈現

高20 m、長30 m的巨型國旗在鳥巢使用的最大問題就是抗風能力。國旗受風面大，演出期間有2級～3級風，難以控制。為解決此問題，將多年來在鳥巢演出積累的數據、以及現場實測風速數據進行分析，避開風速穿過位置，將國旗位置進行調整和避讓，并且在旗幟底部增加一個可移動的底座，將旗幟載荷傳遞至底座上，地面安排輔助人員進行固定，威亞吊掛采用移動升降同步配合進行提升，應用多重措施保障國旗完美呈現（圖9）。

圖9 國旗吊掛實驗現場

2.2.4 威亞索道結構

威亞系統首次使用一索道10套移動小車設計結構，水平鋼絲繩的補償系統，保證水平牽引鋼絲繩在主索上運行時，不會與主索纏繞在一起，也避免運行小車在主索運行時的鋼絲繩松弛現象（圖10）。主索上的10個吊點采用具有自適應功能穿繩方法和滑輪組，確保多條鋼絲繩在高速運行時不纏繞，避免鋼絲繩通過滑輪時，不會因吊繩的偏角而加劇滑輪磨損，提高滑輪的使用壽命。

圖10 索道安裝圖

3 威亞控制系統

3.1 概述

本項目需要控制的設備共120臺，分南北兩側各60臺。控制系統核心采用基于倍福PC控制技術的高性能處理器，將PLC、可視化、運行控制等集成在同一個控制平臺。威亞控制系統由兩套獨立的子系統組成，即專門的安全主控單元來處理安全邏輯，其他邏輯交由傳統PLC來執行。

（1）運動控制系統（Motion Control System）：采用CX6920作為控制系統核心，系統由控制器、120套伺服系統、遠程IO、上位機軟件組成，并采用分層設計（圖11），分別是管理層、控制層和執行層。

圖11 系統結構圖

（2）安全聯鎖系統（Safety Interlocking System，簡稱SIS）：由安全完整性等級為SIL3的安全PLC和安全I/O模塊組成。

通過這兩套獨立運行的子系統，安全穩定地實現所有單軸點位運行、多軸聯動運行和復雜邏輯運算等功能，將數字科技與整場演出精準銜接、完美融合。

同時，項目在南北兩個區域各設置兩套威亞控臺，既可以分別控制，也可以同時控制南北兩側的設備。

3.2 系統穩定性

為了保證系統穩定性和容錯能力，采用一套成熟的硬件系統，控制器采用硬冗余（Redundancy）設計，當主控制器出現故障時，備用控制器立即接管系統控制權，成為主控制器，保證設備的正常運行。同時，現場總線也采用網絡冗余結構，通過實時以太網端口倍增器，實現環網的拓撲結構，防止由于某個設備的網線損壞或脫落導致的通信故障，從而提高整個系統的穩定性。

系統可以由多個控制終端（控臺）同時控制，若出現控臺故障或者其他緊急情況，可由其他控制終端（控臺）直接控制，無需進行任何硬件或軟件的切換，保證演出順利進行，也是提高系統穩定性的保障。

3.3 系統安全性

系統安全性是保障人身安全和設備安全的前提，是系統設計中最重要的環節。

（1）為避免雷電感應的高壓竄入，造成設備損壞而引起安全事故，項目所用的配電柜、PLC柜、驅動柜都設置了浪涌保護器，SPD采用相線/中性線對地保護模式。

（2）每臺威亞設備上安裝多個檢測開關，主要包括上極限位開關、下極限位開關、上限位開關、下限位開關、鏈條檢測開關、排繩檢測開關。這些檢測開關和上位機設置的軟限位構成了三層保護。

第一層保護：控制器檢測到運行位置處于軟限位，將停止該設備運行；當控制器讀取伺服驅動器內部的扭矩值，通過對扭矩值和扭矩值增量的斜率實時跟蹤判斷，如果超過設定峰值，可能存在機械故障或者鋼絲繩出現纏繞等危險情況，系統將立即停止伺服驅動器，同時，上位機軟件將給出相應的故障提示信息和報警，方便故障排查。

第二層保護：上限位開關、下限位開關、鏈條檢測開關、排繩檢測開關接入安全I/O模塊中，通過獨立的安全控制邏輯，如果觸發了開關，將禁止對應的驅動器運行，并關閉抱閘。

第三層保護：當設備運行觸碰到上、下極限開關時，系統通過電路直接斷掉該設備的供電。

（3）系統的安全聯鎖功能，主要運用在設備編組運行中，安全PLC通過判斷接入安全模塊的伺服報警信號、限位開關信號、檢測開關信號狀態，決定是否觸發安全邏輯。比如，在一組編組設備中，一個設備發生故障，那么，這個設備所在的編組中所有設備將全部聯鎖停止運行。該功能主要在《新的天地》100面巨型大鼓備用表演程序，將鼓進行分組軟連接中使用。

（4）系統急停功能按照GB16754-2008《機械安全急停設計原則》進行設計，分為0類停機和1類停機。0類停機安裝在控臺上和設備區域兩側，通過立即切斷設備的供電（動力源）進行急停；1類急停安裝在控臺上，通過安全扭矩關斷、關閉抱閘、終止運行程序進行緊急停車。

3.4 系統操作性

系統的操作性是否良好、是否能快速響應導演要求，體現了上位機軟件的核心功能。

（1）操作界面簡潔清晰（圖12），主要分為系統配置、節目管理、設備監控三個區域。

圖12 上位機軟件

（2）基于時間軸-位置可視化編程方式，能夠更直觀地反映軌跡數據。

（3）造型插入功能。能夠快速編輯一個場景。

（4）節目數據導入功能。可以在編排好的1∶1視頻效果中，按照一定格式輸出所需數據的文件，導入本系統即可直接使用，無需進行繁瑣的編節目環節。大大提高效率，更準確地實現節目舞臺效果。

（5）應急操作功能。在節目運行過程中，若出現突發情況，可在應急操作界面中停止單個或多個設備，并可以單獨對其進行手動操作，不影響其他設備的場次運行。

4 結語

在本次演出中，威亞團隊通過規范的管理、安全穩定的技術，保障訓練、排練和演出順利進行，無任何故障出現。一是威亞演員在高空訓練、培訓彩排以及演出中，未出現任何安全問題。二是數百次排練、彩排、演出，未出現一次故障；三是威亞系統所有環節均嚴格按照制定方案實施，采用標準化設計理念，整個系統安全穩定運行。