［英］馬克·艾格

（英國(guó)Stage Technoloies公司）

本文介紹英國(guó)Stage Technologies公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ST公司）在參與相當(dāng)多的娛樂(lè)演出場(chǎng)所建設(shè)后，設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ST控制系統(tǒng)）。ST公司不僅與歌劇院（如倫敦皇家歌劇院）有過(guò)合作，還參與過(guò)其他演出場(chǎng)所的舞臺(tái)以及演唱會(huì)現(xiàn)場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械等工程項(xiàng)目；同時(shí)，還為許多大型演出項(xiàng)目，如拉斯維加斯太陽(yáng)馬戲團(tuán)的《Ka》、《Love》、《Elvis》、《Zumanity》以及澳門(mén)新濠天地的大型水景演出《水舞間》等提供控制系統(tǒng)。因此，ST公司了解這些類(lèi)型的表演項(xiàng)目在舞臺(tái)控制上有特別的需求，并在控制系統(tǒng)中加入了相應(yīng)的新內(nèi)容。

1 舞臺(tái)新要求及新控制系統(tǒng)特征

在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，因?yàn)橥槐硌輹?huì)在固定的劇院內(nèi)重復(fù)演出多年，這對(duì)布景的吊掛設(shè)備并沒(méi)有很高的要求。但隨著舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜程度的提高，表演期間場(chǎng)景與演員間的互動(dòng)大為增加。

這種復(fù)雜性表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）演出中軸的運(yùn)動(dòng)次數(shù)增加。以前安裝在歌劇院中的軸只在很小范圍內(nèi)移動(dòng)（通常少于20%），如今，這些軸在演出中通常會(huì)百分之百地移動(dòng)，而且次數(shù)是以前的3倍。而一場(chǎng)演出中的舞臺(tái)機(jī)械動(dòng)作指令是以前的100～200倍。

（2）軸或者布景與表演者的互動(dòng)次數(shù)遠(yuǎn)高于演員停留在一個(gè)固定位置的情況。如果裝有表演飛行系統(tǒng)，這種互動(dòng)會(huì)更加重要。運(yùn)動(dòng)的方式也變得更為復(fù)雜，二維或三維運(yùn)動(dòng)已很平常。布景可以向任意方向運(yùn)動(dòng)，如上下運(yùn)動(dòng)或適用于傳統(tǒng)歌劇院的左右移動(dòng)。不同元素間的互動(dòng)日漸復(fù)雜，多軸間運(yùn)動(dòng)的同步則更為復(fù)雜。

（3）軸運(yùn)動(dòng)的速度通常較快，而且觀眾看得見(jiàn)。無(wú)論在戲劇院還是歌劇院，很多場(chǎng)景在幕間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；在一些大型表演中，觀眾看得到這些轉(zhuǎn)換。由于劇院面積有限，吊桿的運(yùn)動(dòng)速度一般為2 m/s或者稍微再快一點(diǎn)，而飛行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度則在4 m/s～5 m/s。

（4）舞臺(tái)上要操作的設(shè)備越來(lái)越龐大，包括從小功率電動(dòng)機(jī)到大型液壓機(jī)、電動(dòng)式升降機(jī)及飛行表演用的卷?yè)P(yáng)機(jī)等。表演時(shí)，這些設(shè)備還會(huì)與其他系統(tǒng)連接，將位置狀態(tài)信息傳遞給自動(dòng)控制系統(tǒng)，以保證燈光及視頻能隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)同步運(yùn)行。

為滿(mǎn)足以上這些需求，ST公司研發(fā)出一套控制系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。這套系統(tǒng)有以下特征：

（1）操作者需要在可見(jiàn)正在上演節(jié)目的地方進(jìn)行操作。這表示在某些情況下一些控制的位置需要改變以保證有最佳的視角。特別是當(dāng)演員與機(jī)械設(shè)備有連接時(shí)、執(zhí)行高速CUE時(shí)，或者對(duì)問(wèn)題做出反應(yīng)時(shí)，必須拉近操作者與節(jié)目間的距離。

（2）隨著表演變得越來(lái)越復(fù)雜，操作者需要同時(shí)操控一個(gè)舞臺(tái)機(jī)械運(yùn)動(dòng)指令的多項(xiàng)內(nèi)容。這要求控制系統(tǒng)既要保證能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作順序，同時(shí)，也能對(duì)舞臺(tái)上的問(wèn)題及時(shí)做出反應(yīng)；為了與演員形成互動(dòng)，還要有改變CUE運(yùn)行速度的能力。在一些復(fù)雜的場(chǎng)景轉(zhuǎn)換中，需要多個(gè)操作人員合作，每個(gè)軸/CUE要由幾個(gè)不同的操作人員/位置來(lái)完成控制。

（3）有強(qiáng)大的故障診斷系統(tǒng)及時(shí)識(shí)別問(wèn)題并作出修正。裝置的大小意味著設(shè)計(jì)那些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的編程需要一段較長(zhǎng)的時(shí)間。這需要利用各種可能的輔助手段來(lái)進(jìn)行協(xié)助，如使用離線模擬編輯，它可以不受地域限制，預(yù)演那些已完成設(shè)計(jì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)指令，在劇目上演前演示設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)效果。

（4）控制系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性也很重要。沒(méi)有控制系統(tǒng)，演出便不可能進(jìn)行。因此，這套控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的可操作性，而且便于長(zhǎng)期維護(hù)保養(yǎng)。

2 ST控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

基于西門(mén)子Simotion系統(tǒng)的ST控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），結(jié)合了可編程控制器（Programmable Logic Controller，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）和運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)。

自定義運(yùn)動(dòng)控制器是為更有效地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)而設(shè)計(jì)的，它反應(yīng)快且優(yōu)化了運(yùn)動(dòng)控制所需的輸入/輸出類(lèi)型（如編碼器、模擬計(jì)算值等）?？刂凭幋a是優(yōu)化的，能“實(shí)時(shí)”運(yùn)行特別的編碼以完成一些更復(fù)雜的任務(wù)。但運(yùn)動(dòng)控制器往往是小批量生產(chǎn)，而且其軟件由規(guī)模較小的工程師隊(duì)伍編寫(xiě)，隨之而來(lái)會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的維護(hù)問(wèn)題，尤其是在自投入使用之日起的5年內(nèi)。

傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點(diǎn)是它們通常由大型公司批量生產(chǎn)，與運(yùn)動(dòng)控制器相比，有著更好的連通性，因?yàn)橹髁鱌LC的制造廠商會(huì)提供全方位的配套產(chǎn)品如各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及連接工具，以便其應(yīng)用在很多不同的領(lǐng)域中。

西門(mén)子的Simotion運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合了上述兩種控制器的優(yōu)點(diǎn)。它是工業(yè)用控制器，能優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，而且能勝任一些復(fù)雜的“實(shí)時(shí)”運(yùn)動(dòng)任務(wù)；另外，它由世界知名的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品企業(yè)生產(chǎn)，因此，會(huì)有相對(duì)應(yīng)的配套產(chǎn)品供應(yīng)，現(xiàn)在和未來(lái)都能得到良好的支持。這些產(chǎn)品完全可以使用20年以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器5年的壽命。而且，擁有大量經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的可處理系統(tǒng)故障的工程師，進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的使用壽命。此外，它可以與西門(mén)子一系列相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)連結(jié)驅(qū)動(dòng)器如Sinamics控制器等更好地配合，允許系統(tǒng)進(jìn)一步去實(shí)施“緩解”工作。

圖3 ST

圖4 ST控制系統(tǒng)布局圖

3 硬軟件結(jié)構(gòu)

圖2為ST控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用Simotion處理器。系統(tǒng)的核心是D4×5處理器系列，這些功能強(qiáng)大的單元提供了所有被業(yè)界所要求的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)中的標(biāo)準(zhǔn)處理程序。

處理器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)連接到ST的控制臺(tái)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器及液壓控制系統(tǒng)通過(guò)自定義的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接，一個(gè)大的I/O模組可以應(yīng)付任意接口任務(wù)。

圖3是ST控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。使用這個(gè)系統(tǒng)的好處之一，是在Simotion處理器中預(yù)置了所有標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制指令，不只有簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)，也有精密的同步指令，以完成一些復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用這一系統(tǒng)，直流、交流、伺服器及液壓軸都能無(wú)縫合作。除了標(biāo)準(zhǔn)的西門(mén)子軟件，ST控制系統(tǒng)加入了軸控制代碼，使處理器能與ST公司的一系列控制臺(tái)通訊；也可以添加自定義軸模塊以提供更強(qiáng)大的功能，如實(shí)現(xiàn)二維和三維空間移動(dòng)、扭矩控制及防搖移動(dòng)。

4 布局和控制臺(tái)

多個(gè)D4×5處理器連接起來(lái)可組成更大的控制系統(tǒng)，可將這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用于200組以上轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)控制。

圖4為ST控制系統(tǒng)的布局圖。除了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口、驅(qū)動(dòng)器接口及軸控制，還有僅在D4×5處理器間連接用的同步網(wǎng)絡(luò)，這使位移及其他信息能通過(guò)處理器網(wǎng)絡(luò)分享而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的同步操作。整個(gè)系統(tǒng)能與互聯(lián)網(wǎng)連接，可進(jìn)行遠(yuǎn)程登陸和診斷，所有用戶(hù)條目如運(yùn)行、停止、速度、編程指令以及系統(tǒng)錯(cuò)誤等被記錄，并可通過(guò)界面查看。此外，從輸入電壓到發(fā)動(dòng)機(jī)電流I/O狀態(tài)等，西門(mén)子軟件都能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面診斷。

其他西門(mén)子處理器也可因應(yīng)不同的需求而整合到這個(gè)架構(gòu)中。如在一個(gè)大型系統(tǒng)中，安全處理器可被整合進(jìn)緊急停止信號(hào)中，一個(gè)監(jiān)察處理器能使系統(tǒng)達(dá)至SIL3的安全水平。也可以添加其他任何不同部件，比如無(wú)線電連接軸等。

ST控制系統(tǒng)可以連接一個(gè)或多個(gè)控制臺(tái)，后者可在ST公司的控制臺(tái)中自由選配。所有控制臺(tái)都運(yùn)行一個(gè)共同的通用軟件平臺(tái)——變色龍（eChameleon）表演控制系統(tǒng)，用戶(hù)能登入指定的帳號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。單個(gè)軸或者同一編組的軸可以在各個(gè)控制位置之間方便且無(wú)縫地傳遞。

Acrobat控制臺(tái)為大型表演提供復(fù)雜的編程和錄放功能；Nomad控制臺(tái)除有著與Acrobat相似的功能外，還便于攜帶，使操作員能在最佳位置對(duì)特定表演效果進(jìn)行觀察。此外，還有體積更為輕巧的Solo手提控制器及其他一系列為小型表演場(chǎng)地而設(shè)的控制臺(tái)。

變色龍表演控制系統(tǒng)為復(fù)雜的表演提供所需的全套功能。多位操作者能同時(shí)登入系統(tǒng)操作并進(jìn)行互動(dòng)，分配給一個(gè)操作者的機(jī)械運(yùn)動(dòng)指令可以被其他操作者取消，還可以給操作者分配編程權(quán)限，以限制對(duì)某些軸或功能的使用（如錄制節(jié)目等）。

機(jī)械的運(yùn)動(dòng)模式從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)（設(shè)定速度，加速度和減速）到多目標(biāo)移動(dòng)，甚至更復(fù)雜的移動(dòng)路徑都可以被編程。

圖5 在Acrobat控制臺(tái)上錄放CUE運(yùn)行

圖6 變色龍系統(tǒng)資料顯示模式范例

圖7 三維空間移動(dòng)示例

圖8 與其他系統(tǒng)的連接

所有控制臺(tái)的一個(gè)主要功能，就是能夠在不同的錄放上啟用機(jī)械運(yùn)動(dòng)指令中的多個(gè)組成部分。這對(duì)歌劇院及其他劇場(chǎng)的演出非常適用，在大型表演中也必不可少。每一個(gè)CUE都能控制任何數(shù)目的電動(dòng)機(jī)，可以獨(dú)立于其他的錄放去單獨(dú)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)、啟動(dòng)和停止指令，甚至可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)演出需要進(jìn)行加速或減速。在控制臺(tái)上，不同的錄放都會(huì)以不同的顏色（紅、藍(lán)、綠等）來(lái)標(biāo)示，如圖5所示。用戶(hù)可以自行選擇系統(tǒng)信息和CUE表信息在界面上的顯示方式，包括從任意一個(gè)方向看上去的劇場(chǎng)3D視圖，如圖6所示。

控制臺(tái)能對(duì)整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行全面精細(xì)的診斷，從單個(gè)軸的狀態(tài)、緊急停止到安全連鎖狀態(tài)等。用戶(hù)可自行設(shè)定診斷的內(nèi)容，用以監(jiān)察系統(tǒng)的主要組成部分。

5 運(yùn)用實(shí)例

大型演出中經(jīng)常有復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，例如三維空間飛行。飛行表演者被數(shù)臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)吊起，并借著調(diào)校卷?yè)P(yáng)機(jī)上鋼索的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)三維空間的飛行效果。鋼索長(zhǎng)度的計(jì)算取決于X、Y、Z這三個(gè)位置，這可通過(guò)一個(gè)連接控制臺(tái)的三軸控制桿或3DS軟件獲得（或同時(shí)使用控制桿及3DS軟件，該軟件能根據(jù)控制桿的記錄對(duì)運(yùn)動(dòng)作進(jìn)一步編輯）。操作者能實(shí)時(shí)了解鋼索的長(zhǎng)度并與飛行表演者進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，只需修改傳遞函數(shù)（?），就能因應(yīng)表演的需要而做出各種各樣的飛行表演效果。如圖7所示。

6 與其他系統(tǒng)互聯(lián)

ST控制系統(tǒng)需與劇院內(nèi)其他系統(tǒng)相互溝通，主要是提供視頻和燈光系統(tǒng)的位置或狀態(tài)等信息。

圖8展示了系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的連線狀況（以視頻系統(tǒng)為例，其他類(lèi)似）。Simotion處理器將實(shí)時(shí)計(jì)算的X、Y、Z的位置數(shù)據(jù)傳輸給視頻處理器，視頻系統(tǒng)使用這些信息追蹤該移動(dòng)目標(biāo)的視頻。只要選用ST公司研發(fā)的F:Light產(chǎn)品，便能把相同的功能應(yīng)用到燈光追蹤系統(tǒng)。