2022年2月4日~20日，举世瞩目的第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称：北京冬奥会）在北京圆满举行。北京冬奥会开幕式通过科技赋能艺术，实现了艺术理念与科技力量的完美融合，为全世界观众献上了一场简约、浪漫、唯美、空灵的视听盛宴，再次惊艳全球。

作为实现艺术创意的重要载体，地面舞台机械系统为导演组创意的完美呈现提供了坚实的保障。可以说，北京冬奥会开幕式既是检验我国舞台机械行业发展水平和自主创新能力的试金石，也是最新舞台科技的展台和企业比拼实力的竞技场。

北京长征天民高科技有限公司（以下简称：长征天民）作为此次北京冬奥会地面舞台机械项目总承包单位，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，包揽了地面舞台系统、空中设施设备工程、冰瀑大型表演装置、主火炬姿态调整执行机构等工程项目及核心设施设备，凭借自身强大的技术储备，用智慧和实力为这场国之盛典贡献了力量。

北京冬奥会工作领导小组全体会议上，有关领导提出要求突出“简约、安全、精彩”，确保北京冬奥会如期顺利举办。导演组负责“简约”、“精彩”，长征天民坚持以“安全”为最高指导思想，在设计中将航天领域的机电安全理念与舞台领域的经验与要求相结合，确立了“万无一失、一失万无”的设计宗旨，确保整个系统安全有效地运行。

按照航天工程安全性的要求，长征天民组织成立了包括院所两级领导与专家、项目组成员、分包商技术专家、国家舞台机械检测机构代表在内的专题小组（以下简称：专题小组），多次召开项目安全设计分析讨论会，多层次、多角度地对项目的安全风险因素进行识别（见图1）。

风险识别是指对照航天领域存在的14种事故类别、109种安全故障模式，结合地面舞台机械系统的实际情况，从任务输入、边界条件、使用环境、模拟仿真、产品确认、生产试验、使用维护等方面考虑安全风险因素，包括产品方案、设计、生产、试验、使用、报废等全寿命周期的各个环节。

专题小组结合项目的特点采用运行期间危险因素识别表的方式进行风险识别。根据演出流程，舞台需配合完成相应的动作演出，专题小组针对各流程阶段舞台的工作特点，对危险因素进行识别，对项目进行了较为全面的安全性风险分析。对照航天领域14种事故类别、109种安全故障模式，专题小组认为本项目存在以下安全风险：

（1）舞台控制产品中的中央升降台、装置B在上升试验过程中，存在升降台体失控下降造成高空坠物、人员进入非作业区引起伤害、安全防护距离不够导致伤人、误解锁滑落砸伤等安全隐患，可能会造成物体打击事故；

（2）舞台控制产品中的中央升降台在动作过程中，存在演员不可控，进入非作业区引起伤害的安全隐患，可能造成物体打击事故；

（3）舞台产品中的中央升降台、倾斜板所使用的卷扬机构在运行过程中存在松绳、乱绳引起的重物坠落伤害风险，可能造成起重伤害；

（4）舞台产品中的供配电系统在工作过程中，因存在接地系统设计缺陷、绝缘下降、接地不良等问题而达不到安全用电标准，可能会造成操作人员的触电伤害；

（5）舞台控制产品中，PLC产品在试验过程中存在设备失效导致系统失控的安全隐患，可能会造成人员设备事故；

（6）舞台控制产品中的中央升降台、装置B在下降过程中，制动电阻回收动能产生大量热能，存在因发热部位防护不到位造成人员接触性烫伤的灼伤伤害风险；

（7）舞台控制产品中所使用的材料、控制间配件、配电室配件等材料存在内饰材料不阻燃、填充材料不阻燃、基体材料不阻燃、静电防护不到位引起着火风险，可能造成火灾伤害；

（8）舞台控制产品中的中央升降台、倾斜板、补偿台动作过程中对演员及相关人员存在机械挤压、剪切风险，可能造成物体打击事故；

（9）舞台控制产品中的控制间、配电室均在密闭的地下空间，惰性气体在有限空间积聚，人员在有限空间作业时存在中毒或窒息等风险，可能对人员造成中毒或窒息伤害。

除以上根据14种事故类别、109种安全故障模式所识别出的相关风险外，本项目还具有显著的舞台行业特征及项目特色，存在一定的特殊安全风险模式。具体风险总结如下：

（1）演员未能及时进入安全区与演出流程冲突，安全警示、防护不足。

（2）倾斜板下降极限位急停时，再生能量导致系统不能立即检测到故障状态，从而进行抱闸动作，导致系统失速坠落。

（3）供电线路因磨损或环境导致绝缘不足；

（4）装置B升降异常中断，威亚上升无法停止，导致产品损坏；

（5）操作人员紧急操作不能目视设备，造成设备损坏或人员损伤；

（6）变频器断电后，目前电压还将持续约5分钟，此后才能降到安全电压范围；

（7）车台单侧限位开关存在车台停止不一致导致车台扭曲变形的风险，这将导致设备损坏，且易发生触电危险；

（8）舞台演出时，经常在现场调整演出流程，可能设备动作未做测试就直接上人员，存在一定的风险。

针对上述事故风险，专题小组梳理排查了现有预防措施，发现还不能完全避免上述风险发生的可能，于是决定将其列为专题工作，开展隐患消除或者实施控制措施，以降低事故风险。

针对上述风险及隐患，并结合本次舞台项目高可靠性、高安全性的特点，专题小组经过梳理与专题讨论，从技术和管理两方面出发，制定了安全措施。在技术方面，主要从控制系统框架保护设计、软件保护设计、电磁屏蔽设计、系统接地设计、增加相关安全检查手段等方面对系统进行安全性设计。在管理方面，采取了制定相关安全检查规程、配备相关安全岗人员、增加相关安全警示标牌等措施，从而消除隐患，降低事故风险，提升系统安全性。

舞台控制产品中的中央升降台、装置B在上升试验过程中存在高空坠物、安全防护距离不够、误解锁滑落砸伤等安全隐患，可能会造成物体打击事故。

主要措施：

（1）设备动作前，专人转岗进行点检，检查相关多余物与运行是否受阻碍。

（2）设备运动区域的安全距离外增加安全门开关，若设备动作时有人员进入，安全门开关即断开，则会触发设备急停，保证人员不受伤害。

（3）设备动作过程中，程序增加互锁机制，在舞台运动控制系统中有一部分设备的运行空间是相互重叠的，必须进行互锁设置来保护设备的安全。设备运行前要判断互锁条件是否满足，若不满足，设备将不被允许运行；在运行过程中，当两设备之间的距离小于安全距离时，设备必须马上停止运行。

（4）设备增设安全型急停控制单元（回路图见图2）。

该单元由急停按钮、急停安全模块（见图3）、安全PLC、复位按钮、配套元器件组成。在出现意外情况时，只要按下急停按钮就能迅速停止舞台设备的运行，来保证人员和设备的安全。

与传统急停控制单元相比，安全型急停控制单元最大的特点在于：急停按钮的复位不会引起任何设备运动，在按照正常操作程序重新复位急停系统之前，所有设备都将保持停机状态，这样可防止危险情况的再现。

在遇到紧急停机时，安全型急停控制单元可削弱制动器的滑行现象，通过1类急停转0类急停，使整个制动过程在可控范围内，确保人身和设备的安全；这同时也延长了制动器的使用寿命，保证设备能在更长时间内正常使用。

在安全PLC检测到安全传感器的信号时，能够及时控制变频器做断电处理，从而让整体设备停止运行。此外，为了保证演出的顺利进行，在经过人为确认后，如若相关信号为误报或传感器失灵，则通过旁路开关或软件程序忽略故障继续执行相关动作。

（5）通过以下措施防止升降设备坠落造成的高空坠物伤害。

一是参数设限。首先由控制系统在上位机对输入参数设置限值并辨识判断，如果超出输入范围则输入操作不被响应，避免因误输入导致设备动作而发生安全事故。

二是增加限位、极限位开关（见图4）。在舞台运动控制系统中，对所有设备都配有限位机构。当设备运行时，软件自身的软限位不起作用时，限位机构可防止设备运行到非安全区域，以保护设备和人员的安全。升降机构中有上极限位开关、上限位开关、下限位开关、下极限位开关四组开关，把限位开关信号接到变频器中，实现对设备的限位保护。

当设备不受控运行时，首先触发限位开关（见图5），触发信号通过ET200远程IO站传输至PLC中，PLC控制变频器进行停车动作，从而保证在变频器程序跑飞时可有效控制变频器停止动作。当变频器及PLC均失效后，限位开关无法实现停车动作，此时便会触发极限位开关，极限位开关通过触发信号直接中断变频器动力供电，制动抱闸掉电闭合，通过硬线控制设备停车。

通过以上三重保障措施，确保设备不会出现不受控或自由跌落等情况，提升了设备运行的安全性。

中央升降台在动作过程中，存在演员等其他人员不可控进入非作业区引发伤害的风险，可能造成物体打击事故。

主要措施：

（1）在设备运动区域的安全距离外增加安全门传感器，若设备动作时有人员进入，安全门传感器开关断开，则会触发设备急停，保证人员不受伤害。

（2）对于地面舞台区域，根据报备名单严格控制人员进出，保证只有专业人员可进入。

（3）现场增加急停按钮，并配置安全观察人员，当出现紧急情况时，观察员可通过急停按钮实现设备的急停，保障现场运行安全。

（4）增设维修开关。当设备出现故障需要维修或者定期点检时，为防止设备意外启动而给现场维修人员造成伤害，在维修前要将维修开关断开，使得现场相关装置的电源被断开，变频器无使能信号从而无法启动，确保其他人员在维修时无法控制设备。

舞台产品中的中央升降台、倾斜板所使用的卷扬机构在运行过程中存在松绳、乱绳引起的重物坠落伤害风险，可能造成起重伤害。

主要措施：

卷扬系统增加松绳、乱绳传感器（见图6）。

本系统在钢丝绳卷扬部分增加松绳与乱绳传感器，当系统出现以上故障时，触发相关传感器信号，系统做出一类急停响应，防止发生二次灾害。

舞台产品中的供配电系统在工作过程中，因存在接地系统设计缺陷、绝缘下降、接地不良等问题而达不到安全用电标准，可能会造成操作人员的触电伤害。

主要措施：

（1）开展专项讨论会议，邀请相关专家对舞台接地系统进行探讨，绘制相关接地图纸，制定接地工艺要求。

1）保护接地。例如：设备金属外壳的接地、防雷接地、PE接地等。

2）工作接地。例如：变压器的中性点，有信号交换的设备之间的“等电位连接”。

3）屏蔽接地。例如：电缆屏蔽层的接地、电气柜内安装背板的接地、柜门的接地等。

从电气安全和电磁兼容考虑，对地面舞台大功率电机变频驱动系统进行接地设计（见图7）。

通过互相分隔干扰源和干扰汇点进行安装，能简单经济地实现设备或控制柜内部的抗干扰措施（见图8、图9）。干扰源有变频器、制动模块、开关网络部件、接触器线圈等。易受干扰的部件有编码器和传感器等电子设备。

1)控制单元与功率驱动单元分柜放置。

2)控制电缆与功率电缆分开布置，间距不小于20 cm，且分槽布置。

3)在大功率变频器功率输入端的连接处增加电抗器，小功率变频器使用内置集成进线滤波器。

4)所有连接到控制柜外部的通讯电缆和信号电缆都必须经过屏蔽。

5)控制柜布设位置需要远离变频器柜，降低变频器大功率电磁所带来的影响。

6)220 V控制用电采用变压器隔离，接入控制系统。

7)PE完整、连续，不中断。

8)控制线缆使用90%编织密度的屏蔽线缆，且线缆在长距离传输时需要外加金属桥架进行屏蔽电磁，双端接地。

9)电机电缆的屏蔽层编织密度不低于85%，并且双端接地。

10)屏蔽电缆的屏蔽层采用钢箍与柜体连接，不要用“猪尾巴”连接，避免产生天线效应。

（3）开展接地工艺讨论会，制定系统接地工艺原则。

舞台系统接地分为工作地、保护地、防雷地以及等电位。

1) 工作地。主要指直流电源模块、变频器控制模块、信号采集模块的直流供电电源地，系统采用浮地方式。

2) 安全保护地（见图 1 0 、图 1 1 、表 1 ）。供电系统采用TN-S系统，PE地和零线分开设置，在电气柜设有PE接地排，各电气设备PE接地点通过电缆与PE排连接。控制柜壳体通过电缆与鸟巢的等电位接地点连接。

3)防雷地。舞台固定钢结构通过电缆与鸟巢防雷接地点连接。

4)等电位。通过所有金属部件互相大面积连接至尽可能多的位置，如控制柜壁，控制柜横梁上可以实现控制柜内部的等电位连接。柜门应由尽可能短的铜编织带与柜体横梁或侧壁连接。在机柜单元中安装的设备外壳和组件（如变频器、电源滤波器、控制单元、端子模块、传感器模块等）通过导电性良好的（镀锌的）装配板大面积互相连接，连接至PE端子。此外，将各个柜体外壳通过电缆与土建提供的等电位接地点进行连接。

（4）制定系统状态监控措施，每半月或异常天气（雨、雪、雾）后对系统接地电阻进行测量，将测量数据记录在表中，发现异常后及时上报，禁止设备上电（见表2）。

（5）制定管控规章，除本系统设计人员外，其余人员进入配电间均需持有电工证，并配备绝缘服等。

舞台控制产品中，PLC产品在试验过程中存在设备失效导致系统失控的安全隐患，可能会造成人员设备事故。

主要措施：

（1）系统采用热备份冗余的PLC设备。

（2）设备初始上电对两台PLC的状态进行确认，确保状态良好。

（3）工作过程中，建立定时检查机制，保证时刻PLC均正常。

（4）在上位机上建立监控状态，对两台PLC在线状态进行实时监控，及时发现问题，及时处理。

舞台控制产品中的中央升降台、装置B在下降过程中，制动电阻回收动能产生大量热能，存在因发热部位防护不到位造成人员接触性烫伤的灼伤伤害风险。

主要措施：

（1）计算台体下降所产生的热能，对制动电阻的选型进行裕度设计，保证在高密度动作时，制动电阻能都顺利消耗相关能量（见图12）。

（2）对制动电阻柜增设大功率、大风量散热设施（见图13）。

（3）在柜内设置温度传感器（见图14），当温度过高时，传感器触发系统报警，提示控制人员降低台体的使用频率。

（4）柜门张贴相关警告（见图15）；并规定，除现场操作人员外，在舞台动作期间禁止其他人员出入设备间。

舞台控制产品中所使用的材料以及控制间配件、配电室配件等材料，存在内饰材料不阻燃、填充材料不阻燃、基体材料不阻燃、静电防护不到位引起着火的风险，可能造成火灾伤害。

主要措施：

（1）控制柜、配电柜柜内所有线缆采用阻燃且低烟无卤型线缆。

（2）柜内通过阻燃泥进行封堵（见图16）。

（3）进入控制间前，需通过静电球消除人体静电。

（4）控制间内禁止携带易燃易爆物品。

舞台控制产品中的中央升降台、倾斜板、补偿台动作过程中对演员及相关人员存在机械挤压、剪切风险，可能造成物体打击事故。

主要措施：

在移动设备时易出现挤压处增设固定及移动防剪切传感器（见图17）。当设备运行时，人员或其余物体被夹，出现受剪风险时，防剪切传感器触发，此时触发信号通过PLC安全模块触发SS1急停，在设备或人员受到损伤前，将设备及时停车，以保障人员与设备的安全性。

舞台控制产品中的控制间、配电室均在密闭的地下空间，惰性气体在有限空间积聚，人员在有限空间作业时存在中毒或窒息等风险，可能对人员造成中毒或窒息伤害。

主要措施：

（1）地仓增设通风设备，保证24小时通风。

（2）在地仓配电室、控制间增加空气监测设备（见图18），并定时记录相关数据，当含氧量低于国家标准19.5%时，设备自动报警，人员及时撤离现场，保证人身安全。

演员未能及时进入安全区与演出流程冲突，安全警示、防护不足。

主要措施：

（1）地面及地下配置观察岗，确保设备动作时无人员干涉。

（2）控制间增设视频监控，二次确认台体上方人员情况。

供电线路因磨损或环境导致绝缘不足。

主要措施：

（1）设立绝缘检查的标准。

（2）建立绝缘性能月检制度。

（3）明确中机为检查责任主体。

（4）配备相应的绝缘测试设备。

（5）建立技术总体测试结果复查制度。

在舞台动作时，因多个独立系统之间动作需要配合，在五环展示环节，装置B升降异常中断与威亚上升不停止，导致产品损坏。

主要措施：

（1）编制书面的口令配合指导文件。

（2）组织相关方进行口令交流与演练。

（3）动作前确认其余设备所处状态。

（4）增加视频监控措施，地面舞台控制间和威亚控制间互相监视彼此设备状态信息，通过影像信息二次确认设备状态。

（5）地面舞台将本系统的状态监测信息通过光纤同步至威亚控制室，实时向其反馈精准的设备动作信息。

变频器断电后，目前电压还将持续约5分钟，此后才能降到安全电压范围，易造成人员触电风险。

主要措施：

（1）变频器柜体内部增设亚克力防护板，防止人员直接接触设备。

（2）设备动作过程中，严禁人员接近。

（3）要求变频器检修前必须对目前电压进行测试，电压回落到安全范围内方可操作。

（4）要求操作人员必须具备电工证，并完成设备相关培训。

车台单侧限位开关存在车台停止不一致导致车台扭曲变形的风险，这将导致设备损坏，且易发生触电危险。

主要措施：

（1）增设双侧限位开关，保证信号触发可靠。

（2）双侧限位开关串行连接。

（3）限位信号同时引入两侧变频器中。

舞台演出中，经常在现场调整演出流程，可能设备动作未做测试就上人员，存在一定的风险。

主要措施：

（1）建立现场流程变动测试流程。

（2）控制台观察岗对配置参数进行再确认。

（3）利用半实物仿真系统进行预先模拟测试。

（4）利用实物进行无人员操作测试。

（5）测试无误后再交付导演使用。

选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》 张向文，王子涵，杨卫杰《北京冬奥会开幕式地面舞台机械系统安全设计》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技  冬奥特刊》。

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