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【摘要】随着社会经济与科学技术的发展，人民的物质生活需求不断增加，尤其是精神生活追求更丰富多彩。在党和国家提倡加强人民的精神文化建设下，使舞台剧表演与各种形式的演出活动朝着多样化方向发展，戏曲作为精神文化的一种，受到了人们的广泛追捧。而演出活动离不开舞台机械系统，该系统被大量地运用于戏曲艺术表演中，成为整体戏曲表演体系中不可或缺的一部分，让安全性较高的舞台控制系统为演艺人员带来更专注的表演。鉴于此，研究通过介绍中国戏曲学院大剧场主舞台升降台改造的设计理念和技术特点，旨在能提高演出安全性，为表演保驾护航。

【关键词】升降顶升系统；闭环控制系统；冗余网络控制技术；演出安全

一、总体概述

戏曲具有悠久的历史、独特的魅力和深厚的群众基础，是表现和传承中华优秀传统文化的重要载体。国家高度重视中华优秀传统文化的继承弘扬和戏曲艺术的传承发展，为繁荣发展社会主义文艺事业谋篇布局、鼓舞士气。为激发创新创造活力、繁荣发展戏曲艺术作出重要制度设计，为戏曲传承发展营造了一个良好的政策环境。特别是2015年7月11日，国务院办公厅以国办发〔2015〕52号印发《关于支持戏曲传承发展的若干政策》，给予了戏曲传承发展全方位的扶持，它涉及与戏曲相关的各个领域，如组织领导、保护传承、剧本创作、戏曲演出、生产条件、团体发展、人才培养和保障机制、普及宣传等，为戏曲的生存发展创造了一个良好的社会环境和文化空间。戏曲在文化建设中始终占有重要位置，戏曲作为“民族艺术”“传统艺术”“国家艺术”的文化定位更加明确。在政府主导、社会参与、专业引领、多元发展的前进道路上，戏曲以更加明确的文化自信实践着传统保护与现代创造。

随着国家传统戏曲产业的不断发展以及剧场演出剧目日益繁多的演出形式，决定了在舞台硬件设施方面亟待提高，使其以迎合、丰富舞台形式的多样性，同时，越来越多的升降舞台参与了演出过程中的表演，以及布景和人物从负一层安全地运送至舞台面，这对升降台的演出安全提出了更高的要求。在实际应用中大家发现，大部分剧场的主舞台升降台只是在演出前升至指定的位置，在台面上布置固定的布景或LED屏，并没能发挥升降台灵活多变的功能。特别是多个升降舞台的高低组合或多台同步使用对升降台的控制系统的重复任意位置停位精度提出了更高的要求，需要控制台的操控软件具备良好的人机界面，符合国人习惯的中文操控界面，还需要更加直观的操控体验，并且具备在紧急情况下能及时让设备停止运行的功能[1]。大剧场主舞台的升降台改造方案为同行提供了一个可靠的参考和建议。

二、主舞台升降台方案设计

（一）设计说明

根据中国戏曲学院大剧场的建筑情况，主舞台原升降台存在运行噪音较大，机械传动效率较低，各升降台载荷不能满足现有的国家标准，且设备年久失修在运行过程中存在一定的安全隐患[2]。这次改造重点解决以下潜在演出安全问题：

（1）核心的传动机构采用法国进口刚性链顶升系统，极大地提高设备安全性能。

（2）提高设备的动态和静态的载荷，将设备的动载提升至2.5kN/㎡，静载提升至5.0kN/㎡，符合国家新的载荷标准。

（3）在电机尾端加装两个独立的制动器，提升制动性能，每个制动器按所需的两倍制动力矩设计，任何一个制动器出现问题，另一个都能提供安全保障。

（4）采用速度和位置双闭环控制技术，极大地提升设备控制性能和可重复停位精度。同时提升多台设备的同步运行精度。

（5）采用冗余网络控制技术，防止演出过程中出现网络中断问题，即使一根网络出现问题，另一根网络可以毫秒级接管，确保网络始终保持连通状态。

（6）控制系统具备故障报警功能，任何一个问题的发生都及时反馈在控制台的界面上，提醒操控人员掌控设备的实时状态。

（二）设备布局和使用状态介绍

主舞台按左中右方式布置，每台可独立运行，也可以组合同步运行，设备的定位精度达到1mm，设备可降至负一层，方便将演员或布景进行运送至舞台面，设备还可以提升至高出舞台面1.5米处，三台设备可以同步运行。也可以实现阶梯式模式。

每个升降舞台由多根刚性链、电动机、制动器、减速机、万向轴、换向器、联轴器、T型导轨、编码器、行程限位机构、电气控制柜等组成。升降台设计为钢结构并保证足够的硬度，垂直行程在上下两个方向将遵守规定的行程。升降台共有三个固定的预停位置（舞台面、负一层、离舞台面1.5米处）。此外，升降台将能够停留在行程范围的任何位置。

升降台的设计基于以下技术参数：

（1）结构类型：单层型钢结构。

（2）驱动装置：刚性链驱动。

（3）升降台结构，包括主钢结构梁、4根垂直导向

（4）有效载荷：静载：5.0kN/m2，动载：2.5kN/m2

（5）升降高度：负一层至舞台面1.5米

（6）升降速度： 0.01-0.1m/s

（7）最大加速度：最大0.1m/s²

（8）刚性链：全机械化的链条从储存链条的水平方向朝垂直方向驱动，采用多根刚性链对称分布。

（9）导向系统：升降台将沿着整个升降高度，由T型导轨系统引导。导轨由行业标准型钢和导向部件制成。系统将设计成可以承受所有发生的力和扭矩。

（10）安全措施：由于安全原因，升降台将包含安全系统，其包括：

a.上下限位开关

b.上下极限开关

c.两个独立的制动系统

d.零赫兹达到150%启动力矩

e.防剪切装置

（11）安全挡板：整个升降台结构将在四周装有胶合板制成的衬木。如果升降台在上部位置（舞台标高），挡板将足够长，避免任何开口、插槽或缝隙，以及人员在乐池标高的意外危险。胶合板挡板和支撑结构将根据本文中的水平力确定尺寸。挡板上涂黑色亚光漆，并将遵守消防要求。

（12）防剪切装置：设有一种设计可以防止升降台的所有剪切边和周围固定结构，所以将安装带有机械接触保护的防剪切边或防撞条。防剪切边需要安装在所有可能发生剪切危险的地方。为了达到防剪切目的，防剪切边将设计成在触动接触点后的短时间内安全停止升降台。

1.核心驱动机构技术介绍

升降台的驱动机构采用法国SERAPID 品牌LinkLift系列刚性链产品， SERAPID的重载荷垂直升降系列刚性链具有噪音低、载荷大、行程大、速度高、寿命长等特点，符合欧洲安全标准， LinkLift 是一款机电驱动的传动装置，通过刚性链技术实现重负荷的垂直升降，广泛用于剧场舞台机械台下重载设备。刚性链由三个主要部分组成：链条、换向箱和链盒[3]。

1）链条：刚性链 LinkLift 将链条在水平方向储存在链盒中。经过换向箱，在垂直方向完成垂直升降动作。刚性链是由特殊的链节组成的，每个链节都是块状的，且具有方形的截面。刚性链的设计使得重心始终在几何中心。

2）换向箱：换向箱内部有一个垂直的导向，主要作用在于对链节起支撑和导向作用，同时也确保链节的对齐和相互锁定。

3）链盒：标准链盒可以将链条收纳为 2 圈储存；在空间受限的情况下，链条可以收纳为多圈储存在非标的链盒中；当空间足够时，也可以将链条收纳为 1 圈储存。

2.LinkLift刚性链优势

载荷大：单根最大载荷可达 20 吨；

行程大：标准产品最大行程 8 米，利用水平导向最大行程可达 18 米；

速度高：标准产品的常规速度为 0-300mm/s。

噪音低：当升降速度为 50mm/s时，噪音值为 45dBA。LinkLift 的噪音与测试距离、运行速度以及电机的噪音有关。可以通过隔音罩对电机做隔音处理。

维护成本低：如果需要更换链节，只需要更换其中一个链节即可，维护成本低，操作简单、方便。

基坑浅：设备最低高度最大值为 722mm；

定位精度高：采用精细切割技术，定位精度为毫米级别。

LinkLift刚性链动载荷的安全系数为 4，静载荷的安全系数为 3，符合舞台行业安全标准和认证。

3.升降舞台技术方案

1）电机驱动机构位于基坑的底表面，电机驱动设备位于设备在中间，通过双出轴的减速机连接联轴器和换向器，每个换向器连接两根刚性链，通过刚性链的收放带动升降舞台台面升降。

2）这种传动方式很好地解决了系统运行过程中的偏载问题，使整个系统更加安全可靠。

3）台体按加工、运输、安装要求进行分段，现场用高强螺栓连接，保证台体有足够的刚度，能够承受侧台运动及各种垂直载荷。

4）在升降台四周设防剪切安全装置，当触及升降台四周边缘的下部时，切断电路，升降台停止升降，确保演职人员的安全。

（三）PLC控制系统介绍

Smart环形网络控制系统是基于新一代以太网的冗余环形网络控制系统，是一种集实时运动控制、高精度数据采集、逻辑控制以及网络通讯功能于一体的高性能运动控制系统平台[4]。可以一网到底，从上位机到底层的驱动执行机构统一采用一种Profinet通讯方式，不需要进行不同网层间的数据交换，提高通讯效率及通讯速度，并且可以根据不同场合的同步及实时需求进行速率调节，真正实现实时通讯RT（Real Time）和同步实时通讯IRT（Isochronous Real Time）的控制需求，同时能组建的网络站点变得更多（按国际以太网的组网标准，同一网段内的网络站点数为不超过255个），站点间的通讯距离较于Profibus通讯方式也更远。

与传统组网方式相比，新推出的基于以太网的冗余环形网络控制系统采用冗余的双网络结构，该控制系统的稳定性能及安全性能更高，如果其中一个网络出现损坏，另一个网络可以实现毫秒级的接管，从而保证控制任务的顺利完成，为演出安全提供更可靠的网络通讯保障。

主控制台：

冗余控制台

人体工程学设计

采用Ethernet工业以太网通讯协议

支持在没有预先关机的情况下关闭电源，不会造成数据丢失

两台工业计算机冗余设计，具备双重可靠性、稳定性和抗干扰能力

两台19寸工业触摸屏双备份操控，两台可以同时操控，亦可独立操控

两个独立调速摇杆，速度随调速操作摇杆任意变换

调速摇杆带有安全操作功能，以防误操作

紧急停止按钮

具备强大的场景编辑和操控功能

摇杆对称设计在触摸屏两侧，分别适合习惯右手和左手的人员使用

（四）安全性设计关键技术介绍

中国戏曲学院大剧场主升降舞台的任务在戏曲演出中满足人们对精神生活的追求，因而需在对主升降舞台改造与升级舞台控制系统设计时，需综合考虑其所具有的安全性问题，以此来确舞台的顺利进行，保证演艺人员的人身安全。

1.可靠的互锁设计

大剧场主升降舞台系统运行中，通常需设计可靠联锁关系，如，紧急停车和确认运行为系统必要的连锁条件[5]。只有在工作时将这些互锁关系引入到中国戏曲学院大剧场的主升降舞台控制系统中，方能在设备运动时不会出现干涉情况，进一步确保系统的安全性。

2.完善的检测技术

大剧场主升降舞台在进行运动时，会涉及到对升降台速度、位置的检测，因而需要选用安装检测和反馈作用的速度与位置的传感器，即增量式编码器、绝对值编码器。以此来准确地进行检查与反馈，让升降舞台能具有精准的定位，杜绝产生间隙情况，也能有效避免相互碰撞事件的产生。

3.限位保护措施

大剧场主升降舞台系统涉及的所有设备，皆需要在安全行程的范围中进行运行，因而需要在设计的过程中，提前设置对应的硬件限位开关，并且在控制程序的设定中，还需要充分考虑设置科学合理的软限位，以此来确保升降舞台在任何情况下，皆不会出现安全行程问题，更好地保证演出设备与人员的安全。

4.精准地同步控制

对大剧场主升降舞台的同步控制，为戏曲表演中较为经典的场景。一旦在升降舞台的同步运动中，出现同步误差的现象，轻则会导致演员出现磕碰、道具损害等现象，重则会对演出人员造成严重的伤害。因而，需要高度重视大剧场主升降舞台的同步控制工作，此为确保演出安全的重要保障。

5.系统的故障诊断与容错控制

大剧场主升降舞台作为复杂的控制系统，一旦系统运行时，不可避免地会出现难以预估的故障局面，倘若能在系统设计中，对可能出现的故障问题进行及时的检测并记录运行数据，就能在出现故障时达到及时报警，达到容错控制的效果，能避免舞台演出中断局面，从而减少不必要的经济损失。

三、结束语

综上所述，中国戏曲学院大剧场主舞台升降舞台完工后，已进行了多场演出，取得了较好的舞台效果，达到了设计要求。为剧场升降舞台改造开创了新的高度，树立了行业新的标杆，能为戏曲行业的可持续发展带来良好的助力，为戏曲行业踏上全新发展的方向。

参考文献：

[1]张术永. 矩阵式自控机械升降舞台的方案解析[J]. 机电信息，2020（18）：122-125，127.

[2]王斌. 舞台机械控制系统设计的基本原则[J]. 甘肃科技，2016，32（17）：21-22，127.

[3]朱国良. 舞台机械控制系统设计的原则研究[J]. 科学与信息化，2019（24）：29.

[4]蔡建清. 江苏大剧院歌剧厅舞台机械控制系统[J]. 演艺科技，2019（2）：39-44，55.

[5]朱国良. 舞台机械控制系统故障与排除技术分析[J]. 科学与信息化，2019（23）：41.