北京冬奥会开幕式于2022年2月4日在国家体育场（鸟巢）盛大举行。奥运的冰雪五环从冰立方中破冰而出冉冉升起，“致敬人民”场景的发光人脚踏大滑板穿越全场的唯美，吊挂的主火炬大雪花，都离不开高空表演设备系统的安全、可靠、准确及零失误运行，使设备与艺术完美融合，达到简约、唯美、浪漫、精彩的呈现效果。

高空表演设备系统用于鸟巢场地上空道具吊挂及切换场，是使用频率最高的上空设备。鸟巢为南北长332 m、东西宽298 m的鞍形建筑，最高处高度69 m。鸟巢屋顶开口南北长182 m、东西宽124 m，鸟巢钢架结构鞍形开口处高度约14 m。高空表演设备系统安装在屋顶钢结构的上弦、下弦及膜夹层中，供电系统及控制系统安装在膜夹层。鸟巢屋顶上弦只安装了承载钢索立柱及辅助系统、承载钢索及稳定系统设备，移动小车安装在鸟巢上空的承载钢索上。这样大大减少了设备对鸟巢外观的影响。见图1、图2。

图1 鸟巢屋顶上弦设备安装部分场景 

图2 移动小车及承载钢索

高空表演设备系统由威亚系统、钢索及固定钢索系统、钢索立柱及辅助支撑、电气及控制系统等组成。设备布置示意见图3。

威亚系统由升降驱动卷扬机、牵引驱动卷扬机、移动小车、吊具、导向滑轮组等组成。系统总承载重量约10.4 t，使用各类钢索近16 km，承载钢索最低点高度约为45 m。

场地上空南北方向设有8根直径28mm承载钢索与2根直径18 mm承载钢索，跨距约200 m。设有三组10套高空表演设备，10套高空表演设备可同时使用。

北京冬奥会开幕式演出的创意复杂多变。从2020年6月导演组提出创意设想，随着导演组创意的不断深化，高空表演系统设计方案迭代优化了十几版，直至2021年4月方案才最终确定下来。开幕式演出对高空表演系统的使用要求非常高，系统负责吊挂道具大雪花、冰雪五环、大滑板、升降网幕等。由于吊挂载荷很大，速度快，同步运行精度高，受鸟巢钢结构单点受力限制，设备自重应尽量轻巧，所以需要全新研制一套高空表演系统。

第一组高空表演设备吊挂冰雪五环。见图4。当冰立方自舞台面上升至10 m高，冰立方顶部活门打开，吊挂钢索下降至冰立方中与冰雪五环完成连接，在冰立方下降过程中冰雪五环呈现出来。运动员从冰雪五环下方入场，在短片播放环节需要精确回收到地仓，将冰雪五环完全置于冰立方之中。由于冰立方储藏空间四周间隙很小，在下钢索至冰立方、冰立方下降伴随着冰雪五环上升、冰雪五环呈现及冰雪五环回落环节，任一环节一旦控制精度不够，冰雪五环将撞击冰立方。由于两个系统是独立的，任何环节出现故障，其破坏性都将造成巨大影响。

第二组高空表演设备吊挂大滑板。需要2套高空表演设备同步运行，在规定时间内从场地南侧到北侧沿特定抛物线完成运动轨迹，达到唯美、浪漫的演出效果。在运行过程中，移动小车的滑轮组具有摆动的功能。由于钢索有柔性，移动小车行走时钢索下挠，因此，2套移动小车在主索下坡段的速度不一致，一旦发生设备间运动干涉，会造成设备的严重损坏、钢丝绳缠绕，影响演出的正常运行。

 移动小车设计采用双索4组滑轮，4组滑轮同步运行在双主索上。2套移动小车在主索下坡段的速度不一致，每套移动小车端部设置防撞组件和抗震装置，一旦控制限位装置出现故障，可通过机械限位保护，防止运行中出现碰撞。见图5。柔性主索带有坡度，需在移动小车设置支撑轮组件，确保钢丝绳一直在滑轮组上，防止钢丝绳与移动小车发生干涉，磨损钢丝绳。

图5 第二组多车防撞示意图

第三组高空表演设备吊挂火炬执行机构及火炬。执行机构需在规定时间内从屋顶开口北侧运行到舞台上空中央，完成姿态调整并同步运行平稳。当执行机构运行到舞台上空中央时，移动小车承载执行机构吊挂大雪花完成升降、翻转、旋转等复杂的动作。移动小车的尺寸为3.7 m×3.7 m，承载重量约6 400 kg。受鸟巢钢结构单点受力限制，固定钢索支撑需采用四索式，固定钢索系统设置了载荷传感器，通过调整钢索的高度确保4索受力一致，并可实时监测钢索的拉力。移动小车的吊挂滑轮采用4吊点对称方式布置，吊具采用单滑轮的设计，确保移动小车在复杂钢索上的运行过程中滑轮所受摩擦力一致、实时受力均匀、同步运行。移动小车牵引钢丝绳的固定端采用2套压板的方式固定，确保安全可靠。见图6。通过分析，确定牵引钢丝绳间距及滑轮之间间距，确保设备运行时不会出现钢丝绳缠绕现象。

2021年文化和旅游部颁布了文化行业标准WH∕T 78.7-2021《演出安全 第7部分：舞台威亚安全》。此次设计全部按照该标准的要求，高空表演设备系统的驱动系统均采用双减速电机、双变频器、控制系统、软件系统等冗余设计。

驱动系统采用双减速电机结构，一主一备减速电机同轴驱动卷扬机，双电机上的制动器均设有制动器检测装置、电机过热保护开关、增量值和绝对值编码器。卷扬机上有防乱绳松绳保护开关、限位开关、极限位开关、卷筒超行程保护开关、链条张紧开关、载荷传感器等安全装置。软件设有最大位置和最小位置。同时设置机械结构限位，实现设备多级安全保护措施。当主电机出现故障，控制系统快速、准确切换，确保排练演出过程中设备正常运行。

高空表演设备控制系统采用2套完全独立互为备份且异构的冗余设计。由于高空表演设备使用频率高，主控制系统采用热冗余设计，采用2台控制台可实现无扰切换，确保演出呈现唯美、精彩的效果。同时，备用控制系统采用异构冗余设计——首次引入电子凸轮控制技术，解决了多电机特性参数、运动时序匹配问题，达到了主备控制系统交替接力表演场景。

图7 第一组吊挂冰雪五环示意图

工艺技术参数：水平速度0.67 m/s，水平行程90 m，升降速度1 m/s，升降行程50 m，总承载载荷3 200 kg。

吊挂的冰雪五环，由于速度快、行程大、安装空间等限制，驱动系统采用可行走的自排绳卷扬机。机械结构的中间固定平衡结构由固定座、升降固定结构、水平转向滑轮、旋转轴等组成，需固定在钢索中心。见图8。固定平衡结构将钢索分成两部分，同时限定了行程，在空间上设置升降装置固定压板和水平装置导向滑轮，导向滑轮带旋转轴，使钢丝绳在柔性钢索上实现零偏角。在吊具组件两侧均匀布置配重组件，可实现空载设备正常运行，缩短了道具与场景的切换时间。控制系统采用同步编组设置，将2套设备同步绑定，运行相对误差约0.1 mm。同时设置多段曲线编程，通过调整设备的加速度、速度、位置，确保冰雪五环精准呈现，在空间上不会出现晃动，并可迅速回收到开口狭小的冰立方内。

图8 第一组平衡结构示意图

吊挂大滑板的设备系统由固定钢索系统、4套升降驱动卷扬机、牵引驱动卷扬机、移动小车、吊具、导向滑轮组等组成，各分布在南北两侧。见图9。大滑板呈现时，需要2套升降动作的设备、水平动作的设备共同运行，从场地南侧沿抛物线轨迹运行到北侧。通过每套设备的上升速度调整大滑板的姿态，运行到舞台上空中央时，设备处于水平平稳悬停状态并迅速上升。升降动作和行走动作可单独调速运行，也可以同时运行。

图9 第二组吊挂大滑板的设备系统示意图

工艺技术参数：水平速度2 m/s，水平行程180 m，升降速度2 m/s，升降行程50 m，总承载载荷1 000 kg。

由于行程大、运行速度快，驱动系统采用导向滑轮行走的自排绳卷扬机，并设计排绳组件及链条组件，确保钢丝绳从卷筒到转向滑轮组的偏角几乎为零。控制系统设置了设备间互锁，通过编码器控制设备的速度和设备间距，确保设备间距离安全可靠。在柔性钢索上设置可变摆长防晃装置，相比传统的通过调节加减速实现防晃的安全稳定性大大提高，视觉效果非常具有冲击力。

吊挂执行机构及火炬的设备系统由固定钢索系统、4套升降驱动卷扬机、1套牵引驱动卷扬机、移动小车、吊具、导向滑轮组等组成，各分布在南北两侧。见图10。火炬呈现环节，需4套升降动作的设备、1套水平动作的设备共同运行，从场地北侧运行到舞台上空中央，并调整执行机构的姿态。升降动作和行走动作可单独调速运行，也可以同时运行。

工艺技术参数：水平速度1.7 m/s，水平行程90 m，升降速度0.8 m/s，升降行程50 m，总承载载荷6 400 kg。

由于行程大、承载重、运行速度快，在钢索上运行务必平稳。为实现整体同步运行，驱动系统采用4吊点自排绳卷扬机，并设计排绳组件及链条组件，通过吊装执行机构重量、吊点的协调合理布置以及吊点钢索偏角旋转特性分析技术，水平运行每侧4根牵引绳，并两两备份，实现机械同步平稳运行。火炬的供电系统采用上供电方式，供电电缆及光纤通过电缆支撑安装在电缆钢索上。电缆支撑的结构设计采用小车滚轮组配设导向和滚动承载的技术、小车滚轮平行四边形结构和满足小折弯半径结构支撑技术，可实现电缆支撑在柔性钢索运行时姿态自动调节，供电系统随移动小车同步运行。

选自 《演艺科技》2022年第三期 于海莉，张海东，王秀会，冯 辽，郑志荣，杨元永，陆 乐《北京冬奥会开闭幕式大型高空表演设备系统设计与呈现》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。

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