2月4日北京2022年冬奥会开幕式上，晶莹剔透的“冰雪五环”到浪漫唯美的雪花火炬台，从夺目多变的冰瀑到创意无限的点火仪式，以科技赋能艺术，实现了理念创意创新与科技力量的完美融合，再次惊艳全球！
在备受瞩目的奥运五环标志展示环节，一滴冰蓝色的水墨沿着“冰瀑”从天而降，幻化为黄河之水，以磅礴的气势一泻千里。创意+科技将一个“规定动作”演绎成了一场“黄河之水天上来”的视觉盛宴，令全世界观众为之震撼。“冰瀑”作为开幕式演出的核心设备之一，不仅承担着光影表演特效的展示功能，还要作为运动员及演员的出入口。多样化的应用场景，时而唯美时而震撼的呈现效果，让“冰瀑”在开幕式上颇为吸睛。待到运动员入场环节，“冰瀑”的下部屏幕又迅速升起，形成了宽14米、高7米的通道，瞬间化身“中国门”，迎接四方宾客。每一次文体盛事活动，尤其是奥运会开闭幕式，都是检验我国舞台机械行业发展水平和自主创新能力的重要舞台，也是最新舞台科技与艺术深度融合的展示台和企业实力比拼的竞技场。在这场浪漫、唯美、空灵的开幕式背后，是多家航天机构与优秀舞台工程团队的同心协力、创新奋进。在中国航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院牵头抓总下，北京北特圣迪科技有限公司（以下简称：北特圣迪）负责冰瀑大型表演装置、威亚装置、主火炬姿态调整执行机构等一系列空中控制系统工程项目及部分核心设施设备，发挥了极为重要的作用，用智慧和技术实力为这场国之盛典贡献了力量。今天解密北特圣迪打造的冬奥开幕式一系列复杂的空中舞台设备的是如何在这套“神经中枢”——控制系统的“指挥”下，稳定发挥、完美呈现。同时，这套“无缝衔接、精确到秒”的控制系统，在定位精度、同步精度、平稳性能、场景控制以及安全可靠性等方面又有哪些“独门秘籍”呢？主要系统及控制对象
上空威亚控制系统：主火炬、大滑板、五环，具体包括10套威亚装置系统（升降、行走/主备共34套驱动）以及10根钢索拉力检测系统。主火炬姿态调整执行机构控制系统：主火炬姿态调整，包括提升、旋转、翻转；为主火炬提供生命脐带，包括供电、供气、控制、通讯等。控制系统安全性控制系统是整个舞台设备的指挥中枢。基于可靠、安全的核心理念，北特圣迪在此次冬奥会舞台控制系统的设计、软件编程、调试、彩排等各个环节，都将这一理念贯穿始终。通过冗余双操作台+备用远程手操盒、冗余光纤环网+路由星型网络、冗余电器驱动热备、冗余核心控制器四个方面，确保控制系统的可靠性。
控制系统先进性从奥运五环的“破冰而出”到“中国门”的徐徐敞开，从大滑板的优雅“穿越”到富有创意的点火仪式，舞台机械设备和控制系统的完美配合，使开幕式上的一个个“规定动作”成为唯美震撼的经典瞬间。在此次冬奥会开幕式核心舞台机械控制系统的设计过程中，北特圣迪结合人机工程学理念，融合自适应控制、有限元分析和模糊控制等先进控制技术，结合高速实时现场总线，很好解决了控制过程中的多设备联动耦合复杂、位置空间不确定、轨迹解析过程非线性强等技术难题，用智慧和实力，使导演组的创意得以完美呈现。这些先进的控制系统，包括空中防摇稳定技术、动态位置跟踪技术和钢索柔性处理技术等。
在“致敬人民”场景中，当演员在鸟巢中心场地进行滑雪表演时，大滑板由两套上空威亚小车同步从南侧牵引到北侧，水平移动距离160米，水平移动速度为1.7米/秒，平稳完美地展示弧线运动，应用的是水平稳定技术；在点火环节，直径约15米、重约2.4吨的主火炬“大雪花”边旋转边上升，垂直提升30米，应用的是旋转稳定技术。
关键技术及创新自主研发了新一代非相似冗余主备控制系统，完善了2008北京奥运会开幕式表演设备异类PLC多级冗余控制系统功能，满足了冗余通道物理、功能、过程独立性要求，解决了冗余系统共因、共模失效的技术难题，达到了主备控制系统交替接力表演场景，实现了北京冬奥会开幕式表演设备的完美呈现。自主研发了基于运动插补技术的控制软件，采用异步伺服控制器加减速的动态实时调节，解决了威亚设备可变摆长的水平晃动技术难题，实现了威亚设备平稳可靠运行。首次引入电子凸轮控制技术运用于二维威亚驱动领域，研发了8电机（4个水平，4个升降）凸轮控制软件，解决了多电机特性参数、运动时序匹配问题，基于单一位置控制源，简化了表演场景的编制及更改，为导演节约了宝贵的排练时间。
系统功能及亮点先重点解密伫立在鸟巢场内正东侧、贵宾席正对面的大型表演装置——“冰瀑”的幕后玄机。看看这个用钢量超过700吨、相当于20层楼高的“巨无霸”，如何仅靠基座在鸟巢场内岿然屹立，又是怎样依靠丰富的使用场景成为不折不扣的“多面手”。同时，这个在开幕式上靠实力抢镜的明星设备，在设计上又有哪些亮点和难点呢？冰瀑大型表演装置由固定显示装置、升降显示装置、固定斜坡道、后部通道等部分组成。按照专业划分，则包括主体结构、非标机械设备、LED表演装置、设备控制系统、LED控制系统等。固定显示装置由主体结构+LED格栅屏组成。其中，主体结构采用钢结构搭建，地面设置承力平台，通过承力平台将主体上的载荷传递至体育场地面，并保证主体结构安全稳定。主体结构下段约44m为垂直布置，上段14米向碗口方向倾斜（与垂直面夹角约20度），正立面吊挂LED格栅屏。升降显示装置安装于主体结构内，包含升降屏体及升降驱动装置，由升降驱动装置驱动屏体上升和下降，实现通道门的开启和关闭功能。升降显示装置显示面与固定显示装置显示面错位安装，升降显示装置位于固定显示装置后部约300mm。固定斜坡道采用钢结构搭建，坡道表面满足人员正常通行，并根据效果铺装LED地屏。斜坡道起点为体育场跑道内边缘，坡度比为1:10，终点与体育场观众席相接。后部通道结构位于主体结构后部，为斜坡道上段提供一个封闭空间，可为各国运动员出场等待期间提供相对封闭的环境，用于视线分隔，也可防止雨雪进入，造成坡道地屏湿滑。后部通道从冰瀑主体后侧延伸至一层观众席后沿，形成运动员等入场的封闭通道，通道内宽14m、外宽20m，前端顶部下沿与冰瀑通道门顶部齐平。冰瀑大型表演装置通过升降显示装置的升降实现相关创意场景切换。冬奥会开幕式场景呈现时序如下所示：呈现过程：升降显示装置的提升屏处于落下状态，与固定显示装置的固定屏及固定斜坡道的地屏在视觉上形成一道整体屏幕，展现导演的创意视频或画面。入场呈现：运动员入场前时，提升屏升起，形成入场通道。呈现过程：升降显示装置向上方运行，升至最高位置状态后，固定显示装置中间形成宽度14m、高度7m的通道口，地面固定坡道完整呈现，形成入场通道。呈现过程：升降显示装置下降至最低位置，与固定斜坡道地屏连接成整体屏幕，恢复场景一。- 冰瀑的方案经过反复论证，升降网幕、网幕+斜坡道方案、网幕+多段翻板方案、固定固定格栅屏+提升门方案（最终），多种方案论证历时一年，结合试验效果、使用环境、呈现内容等因素，最终确定了目前的呈现方案。
- 场地地面条件受限，仅为“建党百年活动”遗留的混凝土筏板，对整体59米高的结构受力限制较大，反复论证计算荷载。
- 体育场内风场环境不明确，碗口处存在极高值24.9米/秒。体育场跑道地面载荷有限，须考虑安装和拆除的体量，限制了结构不能笨重，在设计过程中难度极大。
- 冰瀑项目施工周期极短，从设备进场到全部安装完成仅40天时间。现场场地狭小，主体结构和LED都存在大量的高空施工作业，对施工安全要求极高，北特圣迪项目团队精心组织，确保了冰瀑装置如期交付排练使用。
- 因装置的使用场合重大，又是参赛运动员入场的唯一通道，安全可靠性要求极高，系统设置两套独立的升降驱动装置，对应配置两套独立设备控制系统；LED供电系统、控制系统均采用一主一备同时在线状态；播控系统设计四路信号进行备份。
控制对象为10套威亚装置系统以及10根钢索拉力检测系统。该控制系统通过上空威亚的升降水平移动，控制五环、大滑板、主火炬的动作，实现相关创意场景。整个系统主要用于威亚单体设备的控制、威亚设备联锁、设备状态监视、设定运动参数、编组运行、场景记忆、主备切换、故障诊断、系统维护、互联网远程诊断，以及钢索拉力的显示和报警等。整个被控对象由旋转装置、提升装置、吊点移动、电缆卷筒组成，共11台电机驱动。控制系统通过这些装置实现对主火炬的姿态调整，包括提升、旋转、翻转。同时，为主火炬“大雪花”提供供电、供气、控制、通讯等“生命脐带”。高可靠性设计：主、备独立控制系统；冗余环网拓扑结构；主备系统热冗余技术，实时切换。
控制系统均按照-20℃低温环境下设计，雨、雪、风均不受影响。
高空、低温、长距离动态供电、光纤收放折叠工艺，并满足高可靠性要求。
新增应急系统：在主、备系统的基础上，增加应急控制系统，可在主、备通讯中断的情况下在控制台上可靠完成设定动作。
航天标准。
系统高容错性。
控制系统均按照-20℃低温环境下设计，雨、雪、风均不受影响。
航天标准：针对冬奥高可靠性要求，运用故障树分析技术，按照航天标准进行可靠性分析，发现存在的薄弱环节，并以此为依据完成控制系统设计。
提高控制系统容错性。采用容错技术完成控制系统设计，在传感器、执行器或元器件故障时，系统仍可保持稳定运行。同时，可自动、实时监测并诊断系统故障，采用相应的故障控制或处理策略。
多电机、任意组合同步驱动控制技术。
主备控制系统，备用系统可直接控制执行单元，完成设定动作。
（图文素材来源于北特圣迪资讯、冬奥视效团队、央视频等网络）（本文仅用于行业交流学习，并不用于商业用途。文中观点为作者独立观点。如不慎侵涉第三方权益，请与我们联络，我们将第一时间删除处理。）
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