陳 威(

總裝備部工程設(shè)計研究總院舞臺中心，北京 100028 )

從設(shè)計角度談舞臺機械的安全

陳 威(

總裝備部工程設(shè)計研究總院舞臺中心，北京 100028 )

介紹國內(nèi)外安全設(shè)計相關(guān)的標準與規(guī)范，以及常規(guī)劇場臺下、臺上、電氣控制系統(tǒng)及特殊設(shè)備的安全設(shè)計，并用具體案例加以說明。

舞臺機械；安全設(shè)計；安全標準；安全規(guī)范；劇場

1 前言

舞臺機械是以特定的功能需要、特定的建筑環(huán)境為條件配置給劇場的專業(yè)設(shè)備。舞臺機械并非工業(yè)機械在舞臺上的簡單應(yīng)用。它與劇院的自身功能密不可分，它與舞臺的內(nèi)部環(huán)境融為一體。舞臺機械在古老的劇院中用于裝臺和遷換布景，而現(xiàn)代劇院的建筑無論恢宏還是簡約，其舞臺要想具備千變?nèi)f化甚至匪夷所思的變化，或臺前，或幕后，一定需要舞臺機械。今天，舞臺機械已成為現(xiàn)代科技的集成載體，是觀眾、演員、導(dǎo)演等注目的焦點，也是舞美、燈光、音響、視頻、特效、道具各類技術(shù)手段運用聯(lián)系的紐帶。然而，這一切存在的基礎(chǔ)就是：安全！

舞臺機械區(qū)別于工業(yè)機械的特點如下。

（1）人機高度結(jié)合

與現(xiàn)代工業(yè)自動化相反，舞臺機械高度自動化的目的是人機高度結(jié)合。要求設(shè)備系統(tǒng)的可靠性、安全性高。

（2）多樣化：形式多樣、功能多樣、服務(wù)對象多樣

推、拉、升降、轉(zhuǎn)組成多維運動，大體量重載荷結(jié)構(gòu)的動勢能轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異、運動流線交叉，服務(wù)或使用的對象眾多，這些形式、功能、服務(wù)對象的多樣化形成舞臺機械的危險點多且分散的特點，給安全防護增加了難度。

（3）使用時效性強

舞臺機械有效工作時間并不是處于正常工作狀態(tài)的簡單累加，更重要的意義是在規(guī)定的時段內(nèi)使用安全可靠，正所謂養(yǎng)兵千日，用兵一時。

（4）單件差異大，短期全新的設(shè)備多，缺乏試驗驗證。

舞臺機械從誕生之日起，始終與創(chuàng)新相伴同行。與眾不同、標新立異是永不過時的話題。然而，建設(shè)周期緊張，設(shè)計、制作、安裝時間短，同樣給安全可靠增加難度。

2 安全設(shè)計標準與規(guī)范

安全是指人或物在一定環(huán)境中不發(fā)生危險與不受到損害的狀態(tài)，而安全性是表明人或物在一個環(huán)境中對危險的損傷所能承受的最大能力。

保障安全性的有效方法是避免事故發(fā)生的制度，目前中國對產(chǎn)品有“3C”市場準入強制性認證制度；在工業(yè)裝置的自動化系統(tǒng)中設(shè)置安全保護控制系統(tǒng)（簡稱安全系統(tǒng)），并對其與整個生產(chǎn)裝置的安全要求等級進行規(guī)定。ISA（美國儀表學(xué)會）稱安全系統(tǒng)為安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrument System，SIS），對應(yīng)ISA-S84.01 標準，IEC國際電工委員會稱安全要求等級為“安全完整性等級（Safety Integrity Levels, SIL）”，對應(yīng)IEC61508 標準。

那么如何來區(qū)分設(shè)備的安全等級？如何來設(shè)計以達到安全的要求？

2.1 歐洲機器安全標準

根據(jù)歐洲機器安全標準EN 954 -1，首先，在設(shè)計之前，必須進行風險評估。確定這臺機器（或其中某一部分）的危險等級。危險等級分為B、1、2、3、4 五級，危險等級依次增高，等級4為最高的危險等級。危險等級的劃分和確定如圖1所示。

根據(jù)危險等級，確定措施來降低風險。如機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全防護、安全控制電路等。

圖1 危險等級的劃分

圖2 機械安全風險評價的流程

其中安全控制電路的設(shè)計，也必須符合所要求的安全等級。根據(jù)歐洲機器安全標準EN 954-1，對應(yīng)于危險等級的5個等級，控制電路的安全等級也分為B、1、2、3、4 五個等級，安全等級依次增高，等級4為最高的安全等級。舉例來說，一臺機器（或其中某一部分）的危險級別確定為4級，那么相應(yīng)的安全控制電路的安全等級也必須為4級。

2.2 中國現(xiàn)有安全標準

中國規(guī)范對風險評價采取的是實現(xiàn)安全的迭代過程，即對機器壽命周期內(nèi)的各種風險進行評價的過程，如圖2所示。

目前國內(nèi)尚無安全評價標準，僅有石化行業(yè)標準：石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則（SHB-Z06-1999），采用IEC 的SIL 概念，稱之為安全度。其有量化標準，如二級安全度等級（SIL2）定義為每年故障危險的平均概率為0.01～0.001。

2.3 國內(nèi)舞臺行業(yè)安全標準與規(guī)范

中國舞臺機械的快速普及發(fā)展和舞臺人觀念的實質(zhì)轉(zhuǎn)變發(fā)生在2000年之后，隨著國家大劇院的建設(shè)，人們接觸和了解了更多的舞臺理念，逐步把舞臺設(shè)備視為安全等級很高的門類，而國家工業(yè)化水平的迅速提高和控制技術(shù)的日臻成熟，也為實現(xiàn)設(shè)備安全提供了各種手段。2010年前后，文化部等相關(guān)部門陸續(xù)頒布的有關(guān)舞臺設(shè)計安全的一系列規(guī)范標準，成為舞臺設(shè)計領(lǐng)域的指導(dǎo)和綱領(lǐng)性文件。

目前中國舞臺機械行業(yè)的安全規(guī)范與標準主要有：

JGJ 57—2000 劇場建筑設(shè)計規(guī)范；

WH/T 28—2007 舞臺機械 臺上設(shè)備安全；

WH/T 27—2007 舞臺機械 驗收檢測程序；

WH/T 36—2009 舞臺機械 臺下設(shè)備安全要求；

WH/T 37—2009 舞臺機械 操作與維修導(dǎo)則。

另外，與本行業(yè)相關(guān)的安全標準有48 項之多，內(nèi)容涉及廣泛。如：

GB 19517—2004 國家電氣設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范；

GB 16754—1997 機械安全急停設(shè)計原則；

GB/T 16856—1997 機械安全風險評價原則；

GB/T 19666—2005 阻燃和耐火電線電纜通則；

GB 4943—2001 信息技術(shù)設(shè)備的安全；

GB 18209.2-200 機械安全 指示、標志和操作 第 2 部分：標志要求。

2.4 國際舞臺行業(yè)安全標準與規(guī)范

行業(yè)安全標準：

DIN56920 1-7 舞臺機械/總則；

DIN56921-11 舞臺機械/吊物系統(tǒng)裝置安全要求及測試；

DIN56925 舞臺機械/點吊裝置安全要求及測試；

DIN V 19250 測試和控制設(shè)備基本安全條件；

DIN EN 60204 機械安全，機械的電控系統(tǒng)；

DIN EN 50081-2 電磁兼容性；輻射一般標準第二部分：工業(yè)環(huán)境；

DIN EN 50082-2 電磁兼容性；抗擾性一般標準第二部分：工業(yè)環(huán)境；

ONORM M9630-1 舞臺機械/總則；

ONORM M 9630-2 舞臺機械/臺上機械；

ONORM M9630-3 舞臺機械/臺下機械；

ONORM M 9630-4 舞臺機械/防火機械；

ONORM M 9631 舞臺機械/操作與維護導(dǎo)則；

ONORM M 9632 舞臺機械/試驗程序。

行業(yè)安全規(guī)范：

UVV GUV 0.1 一般規(guī)定；

UVV VBG 5 動力傳動的工作方式；

UVV VBG 70 劇場和演播廳防止事故規(guī)范；

GUV 4.5 升降舞臺的事故防范規(guī)定；

UVV GUV 6.15 劇場和演播廳防止事故規(guī)范；

GUV 16.15.3 劇場和演播廳升降臺規(guī)范；

ZH.1/222 舞臺和演播廳安全技術(shù)和機械技術(shù)檢測原則；

……

3 常規(guī)劇場設(shè)備安全設(shè)計

多年來，總裝備部工程設(shè)計研究總院的舞臺設(shè)計嚴格按規(guī)范進行。有些情形下，結(jié)合運行需求，為保證設(shè)備安全，相關(guān)技術(shù)指標甚至高于規(guī)范要求。

3.1 升降、平移、旋轉(zhuǎn)類等臺下設(shè)備

（1）結(jié)構(gòu)安全

主體結(jié)構(gòu)在最大承載（靜載）下，其最大變形不超過支點跨度的1/1 000，高于標準要求的1/750。構(gòu)件應(yīng)力（強度指標）不超過100 MPa，安全系數(shù)大于2。比如跨度為18 m的升降臺，計算撓度變形一般控制在15 mm～18 mm，約為跨度的1/1 200～1/1 000，每個項目現(xiàn)場均進行滿載測試驗證。

（2）傳動安全

選擇 S1 工作制電機，功率計算考慮加速度并留有合理裕量。減速機一律按設(shè)備靜載選型，即使設(shè)備配置了插銷，靜載荷由插銷承擔，可直接承受靜載。

采用獨立雙制動器。體型和受力較小的升降臺，有時直接采用雙制動電機；重要的升降設(shè)備，如主升降臺，一般電機設(shè)單制動器，傳動軸末端設(shè)液壓制動器（左右各一臺），每臺制動器都能獨立承受最大靜載。

還有，設(shè)置有導(dǎo)向裝置的升降系統(tǒng)不應(yīng)采用單向驅(qū)動。

聯(lián)軸器、傳動軸安全系數(shù)4 倍以上。

鋼絲繩、傳動鏈條安全系數(shù)10 倍以上。

（3）行程安全

只有2 個行程終點的定速非定位設(shè)備，如升降欄桿、輔助臺、補償臺等除安裝行程開關(guān)外，還設(shè)有超程安全開關(guān)。

在行程內(nèi)具有中間停留位置的設(shè)備，如主升降臺，其位置由編碼器反饋測量確定軟限位控制。在設(shè)備運行的終端，安裝限位開關(guān)和超程開關(guān)。2 套開關(guān)的安全等級不同，一套用于行程控制，另一套為安全保護。所以，主升降臺在行程方面設(shè)有3 道安全措施。

水平運動的設(shè)備，如側(cè)車臺和車載轉(zhuǎn)臺，除軟限位控制位置外，還在行程終點設(shè)置行程開關(guān)，防止軟限累積誤差造成設(shè)備與固定舞臺結(jié)構(gòu)相撞。

（4）其他安全設(shè)施

插銷裝置。盡管按設(shè)備靜載進行減速機選型，但為了保證更加安全，在升降設(shè)備上，通常還設(shè)置插銷裝置。插銷裝置一般在設(shè)備承受較大載荷時（如側(cè)車臺行走）或長期停留的位置（如舞臺面）使用。

防剪切裝置。在有相對運動的設(shè)備邊沿下方，如樂池升降臺周邊和固定臺唇下沿、主升降臺周邊下沿，均安裝防剪切裝置，避免人員與設(shè)備發(fā)生碰撞擠壓。防剪切裝置基體采用軟質(zhì)結(jié)構(gòu)，高度變形根據(jù)不同的設(shè)備速度，能夠補償設(shè)備的停機時間，一般在150 mm～250 mm之間。

防護網(wǎng)。包括固定防護網(wǎng)和活動防護網(wǎng)。固定防護網(wǎng)是指安裝在基坑或孔洞邊沿的固定防護設(shè)施，以阻止人員誤入。如主升降臺配重孔周邊的固定防護網(wǎng)，2.3 m 高，既可以阻止人員進入，又能防止配重塊意外飛出傷人。活動防護網(wǎng)安裝在設(shè)備基坑或升降設(shè)備周邊，展開時寬度1 m ～1.5 m。如主升降臺前后邊緣，沿長度方向安裝2套防護網(wǎng)，平時收攏在升降臺輪廓內(nèi)，當升降臺間形成高差時，防護網(wǎng)可以推出，防止人員跌落受傷。

安全門。安全門一般安裝在主升降臺臺下兩側(cè)入口處，屬單向門，只能外開。平時處于關(guān)閉狀態(tài)，防止人員跌入或與設(shè)備發(fā)生碰撞。安全門上一般安裝有信號開關(guān)以與設(shè)備運行實現(xiàn)連鎖。

安全欄桿。安全欄桿安裝在基坑固定臺板邊沿，將基坑圍攏起來，同樣為了防止人員跌入。如升降樂池臺唇下方演奏位置安裝有插拔欄桿，樂池與舞臺面或觀眾席平齊時，如果有人進入臺下，欄桿能夠防止跌入樂池基坑內(nèi)等等。

安全柱。在主升降臺基坑內(nèi)，正對升降臺兩側(cè)結(jié)構(gòu)下弦，一般還裝有一定高度的安全柱，它的作用是當升降臺意外失控下落時，能夠牢固托舉，既防止了升降臺下落到底砸壞傳動機構(gòu)等設(shè)施，又能為工作人員提供一定高度的避險空間。

設(shè)備互鎖保護。在同一空間運行的舞臺設(shè)備在運動時有相互次序要求，為保證安全，控制上設(shè)置了一系列的互鎖邏輯關(guān)系。如側(cè)車臺運行時，主升降臺必須先行下降一定高度，否則側(cè)車臺被鎖定不能運行；車臺運行時主升降臺是被鎖定的，不能升降等等。特別指出，在互鎖環(huán)節(jié)中，提供解鎖信號的開關(guān)應(yīng)是常開常閉獨立雙路的。

3.2 臺上吊掛類設(shè)備

同臺下設(shè)備一樣，臺上設(shè)備根據(jù)自身的工藝和運動屬性需配置一系列的安全設(shè)施。

（1）結(jié)構(gòu)安全

桿體結(jié)構(gòu)無論按規(guī)定均勻加載或集中加載，其變形量均在標準范圍內(nèi)（不超過吊點跨度的1/200）。

（2）傳動安全

選擇 S1 工作制電機，功率計算考慮加速度并留有合理裕量。

采用獨立雙制動器。每臺制動器的額定力矩不小于電機額定扭矩的1.25 倍。

鋼絲繩的安全系數(shù)均控制在10倍以上，單點吊機和調(diào)速設(shè)備，更是達到或超過12倍。

卷揚機設(shè)松繩（疊繩、亂繩）檢測。

（3）載荷安全

卷揚機依靠電流檢測載荷是否超載或安裝物理傳感器實時測定載荷大小。現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試階段，一律進行125%的載荷試驗。

（4）行程安全

除軟限位外，還安裝1個限位開關(guān)和1個超程開關(guān)，并使用上限位開關(guān)作為零點開關(guān)對吊桿的位置進行校準。

3.3 實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)安全的措施

為了預(yù)防錯誤，對于所有安全相關(guān)的、帶有風險評估的危險識別職能，應(yīng)根據(jù)機械安全的風險評價原則來確定舞臺機械控制系統(tǒng)必要的安全度級別（SIL），再根據(jù)相關(guān)安全規(guī)范確定技術(shù)要求、選擇合適的安全措施。

舞臺機械電氣控制安全措施包括電氣設(shè)備防護、電磁兼容防護、軟件編程、安全電路與安全電器、標志、安裝施工、用戶管理等方面，最終落實在緊急停機與安全聯(lián)鎖上。

3.3.1 電氣設(shè)備防護

（1）接地故障/殘余電流保護；

（2）相序及缺相保護；

（3）短路引起的過流保護；

（4）過載電流保護；

（5）不正常溫度保護；

（6）供電中斷或電壓降落隨后復(fù)原的保護；

（7）電動機失速、超速保護；

（8）閃電或開關(guān)浪涌引起的過電壓；

（9）控制電源采用IT 供電方式。

3.3.2 電磁兼容（EMC）防護

電磁兼容防護就是使設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾，包括兩方面：一是設(shè)備或系統(tǒng)對外部的輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾；二是對外部設(shè)備或系統(tǒng)的輻射抗擾度、傳導(dǎo)抗擾度。劇場調(diào)光、音頻功率放大器、電機調(diào)速裝置等可控硅設(shè)備工作中產(chǎn)生大量的高次諧波，如果在系統(tǒng)設(shè)計和安裝時，沒有充分考慮電磁兼容的問題，小則造成設(shè)備不能穩(wěn)定運行，大則造成設(shè)備的損壞。目前EMC 已經(jīng)成為系統(tǒng)故障的主要原因。其防護措施有：

（1）接地與屏蔽保護；

（2）電磁解耦與濾波；

（3）消除靜電；

（4）軟啟動；

（5）電機和電磁執(zhí)行部件電纜應(yīng)獨立于其他電纜走線；

（6）確保驅(qū)動控制柜中的接觸器有滅弧功能；

（7）設(shè)計控制柜體時要注意EMC 分區(qū)安置處理。

3.3.3 軟件編程

（1）一般安裝和環(huán)境需考慮的問題；

（2）用戶控制目標對象和被測量；

（3）系統(tǒng)總響應(yīng)時間；

（4）故障診斷：故障鑒別、報警記錄、報警處理；

（5）聯(lián)鎖：物理要求、系統(tǒng)類型、手動優(yōu)先、存取控制認可和口令；

（6）停機方式：系統(tǒng)斷電、系統(tǒng)后備、正常停機、應(yīng)急停機；

（7）啟動方式：再啟動、冷啟動、熱啟動；

（8）操作員接口：電鍵鎖、軟件鎖，需要時包括對操作者介入的存取控制和安全方案等。

3.3.4 緊急停機

緊急停機（緊急情況下停止工作），依據(jù)GB5226.1-2002 第9.2.5.4.2 條，機械設(shè)備必須設(shè)置緊急停機功能，用于停止驅(qū)動裝置。緊急狀態(tài)下的停止必須達到0類停機或者1類停機。在設(shè)備正常運行狀態(tài)下，對于具有碰撞剪切等安全防護功能的獨立運行設(shè)備，急停時可采取減速延時停機。

3.3.5 安全聯(lián)鎖

安全聯(lián)鎖是用于監(jiān)視急停按鈕、機械防護、電氣防護等裝置（或獨立單元）的操作，如果過程超出安全操作范圍，可以使過程進入安全狀態(tài)，確保裝置具有足夠的安全度。

設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

（1）急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)原則上獨立設(shè)置；

（2）檢測元件及執(zhí)行機構(gòu)原則上獨立設(shè)置；

（3）中間環(huán)節(jié)最少；

（4）采用冗余或容錯結(jié)構(gòu)；

（5）系統(tǒng)是故障安全型。

3.3.6 成熟的控制安全技術(shù)

（1）可靠的設(shè)備運行安全技術(shù)

①PLC軟件冗余、網(wǎng)絡(luò)完全冗余、異類冗余等不同的冗余方法；

②基于系統(tǒng)冗余、數(shù)據(jù)實時備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)等技術(shù)的控制系統(tǒng)；

③開發(fā)的編組同步PID技術(shù)，保證了多設(shè)備的位置、速度安全聯(lián)動；

④多種安全反饋技術(shù)，保證了劇場演出人員及設(shè)備的安全；

⑤一鍵式恢復(fù)功能，解決了計算機出現(xiàn)故障造成的演出中斷問題；

⑥專用VPN遠程網(wǎng)絡(luò)訪問設(shè)備，可快速進行故障的分析、定位和排查。

（2）人機結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備管理安全技術(shù)

①提出“靜態(tài)搶權(quán)后次有效、動態(tài)讓權(quán)運行有效”的多設(shè)備優(yōu)化管理原則；

②在任何情況下設(shè)備選擇調(diào)速驅(qū)動單元的唯一性。

4 特殊設(shè)備安全設(shè)計及案例

4.1 功能需求

有一些演藝劇場突破常規(guī)劇院的觀演模式，要求觀眾席在演出過程中隨情節(jié)變化而動作，其目的在于：

實現(xiàn)觀演模式或角度的變化；

實現(xiàn)觀眾與演員互動；

實現(xiàn)觀眾動感體驗。

觀眾席上空的設(shè)備以及活動觀眾席或座椅臺的安全，因為與普通觀眾緊密相關(guān)，所以其安全性高于普通舞臺設(shè)備。

4.2 安全設(shè)計

（1）設(shè)計準則：確保全工況下的安全疏散，安全故障型

①臺面布局參考標準

GB50016—2006《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中5.3 民用建筑的安全疏散；

JGJ57—2000/J67—2001《劇場建筑設(shè)計規(guī)范》中8.2疏散。

②動作區(qū)域與固定結(jié)構(gòu)之間留有足夠安全距離的參考標準

GB8408—2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》。

③臺體結(jié)構(gòu)參考標準

GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》；

GB/T3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》；

WH/T36—2009《舞臺機械 臺下設(shè)備安全要求》。

④驅(qū)動與傳動系統(tǒng)隔離防護

驅(qū)動傳動系統(tǒng)應(yīng)與觀眾通道隔離，必要時設(shè)有防護罩。

⑤緊急停止

緊急情況下采用0 類停止功能停車，制動器為失電制動形式，參考標準：

GB5226.1—2008《機械電氣安全 機械電氣設(shè)備 第1部分：通用技術(shù)條件》；

GB16754—2008《機械安全 急停 設(shè)計原則》。

（2）安全分析、安全評估和安全控制

設(shè)計時應(yīng)進行安全分析，即對可能出現(xiàn)的危險進行判斷，并對危險可能引起的風險進行評估。安全分析的目的是識別所有可能出現(xiàn)的與相關(guān)人員有關(guān)的一些情況，而這些情況可能對乘人和設(shè)施造成傷害。一旦發(fā)現(xiàn)在某個環(huán)節(jié)存在危險，應(yīng)對其產(chǎn)生的后果，特別是乘人造成的風險程度進行評估。

安全評估的內(nèi)容包括危險發(fā)生的可能性及導(dǎo)致傷害的嚴重程度（受傷的概率、涉及的人員數(shù)量、傷害的嚴重程度、頻率等）。評估危險源范圍包括：機械、電氣、振動、噪聲、熱、材料有害物質(zhì)、加速度、輻射及其對環(huán)境引起的危險等。

對安全分析、安全評估的結(jié)果，必須提出有針對性的應(yīng)采取的相應(yīng)措施，以使風險消除或最小化，使風險處于可控狀態(tài)。

4.3 成功案例

4.3.1 新疆大劇院高空（觀眾席上空）3D飛行裝置

（1）機械安全保護措施

①常規(guī)的亂繩、軟、極限位、載荷、速度、電流等檢測控制；

②升降系統(tǒng)絕對值、相對值雙編碼器位移檢測，水平系統(tǒng)碼帶位置檢測；

③觀眾席上空設(shè)備間的運行狀態(tài)互鎖；

④單向雙繩冗余備份，牽引繩強度安全系數(shù)10倍。

（2）控制系統(tǒng)安全策略

在設(shè)計中選用西門子SIMOTION D 系列運動控制器作為核心控制器件，通過DRIVE-CLIQ 內(nèi)部高速網(wǎng)及Sinamics S120 多軸伺服驅(qū)動器，完成對3D飛行機構(gòu)運動控制。

①可選運行模式

自由模式：適用于設(shè)備調(diào)試和單體運行情況。對單體設(shè)備設(shè)置軟、硬限位，極限位。

組合模式：對設(shè)備組合吊掛（飛毯等）限定動態(tài)運行空間，該空間根據(jù)劇場內(nèi)部空間和其他舞臺機械設(shè)備運動情況為不規(guī)則的動態(tài)變化空間。同時該模式也受自由模式中的單體限位約束。

②偏差保護

在虛軸與實軸之間設(shè)置偏差保護閾值，即通過設(shè)置閾值限定實際運行軌跡與目標運行軌跡之間的偏差。

③閉環(huán)控制

增量編碼器完成速度閉環(huán)控制。

絕對值條碼測距傳感器完成位置閉環(huán)控制，保證設(shè)備快速、精確的定位。

④急停處理

由于設(shè)備運行速度過快，且經(jīng)常是組合運動，采用1類停車模式，即控制系統(tǒng)收到急停信號后發(fā)停車命令，使得各設(shè)備同步停車，硬件系統(tǒng)延時強制斷電。

4.3.2 武漢萬達漢秀劇院活動觀眾席

（1）基本情況

活動觀眾席由一套1 170座的升降座椅臺和左右對稱兩套415 座的旋轉(zhuǎn)座椅臺組成，有兩種狀態(tài)，一是打開狀態(tài)，如圖3所示；二是合攏狀態(tài)，如圖4所示。座椅臺的正前方是中心水池。

圖3 伸出式舞臺形式

圖4 盡端式舞臺形式

（2）安全裝置設(shè)計

2 000 位觀眾在活動觀眾席上觀看一個多小時的節(jié)目，安全問題是重中之重。為此， 座椅臺上應(yīng)用了多項安全裝置。

①帶牙嵌套筒的液壓驅(qū)動系統(tǒng)

升降座椅臺的每只升降油缸均安裝在帶牙嵌的套筒中，外面都有兩套常閉式的牙嵌機構(gòu)用于停機保護，可實現(xiàn)任意位置的安全鎖定，見圖5。

②隨動疏散樓梯

一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致升降座椅臺停在樓層之間時，允許觀眾通過座椅臺后部的兩部疏散樓梯安全撤離。疏散樓梯可通過本地的電動或手動進行操控，保證座椅臺始終能與建筑通道保持連接，見圖6。

③全范圍異物檢測

升降座椅臺下方安裝有3套激光掃描儀，時刻監(jiān)視人員進入。

④升降欄桿防護裝置

旋轉(zhuǎn)座椅臺合攏時，臺體處于大懸臂狀態(tài)，在環(huán)形梁的末端設(shè)置了配重塊，防止臺體傾翻。在軌道末端設(shè)置有機械擋塊，確保臺體運行不超程。

在兩套旋轉(zhuǎn)座椅臺合攏狀態(tài)的分界處，各設(shè)置有一套電動升降欄桿及手動分區(qū)門，用于安全防護和將兩個座椅臺區(qū)域分隔開，防止人或物墜落到水池中，見圖7。

圖 5 升降油缸與牙嵌機構(gòu)

在每套旋轉(zhuǎn)座椅臺的外環(huán)處設(shè)置有一套出口廊道軌道墻，使臺體運行過程中形成不同進深的通道，并防止旋轉(zhuǎn)座椅臺上的人員墜落。

座椅臺的下部均采用絕緣性能優(yōu)良的聚丙烯板封閉，最大限度保證用電安全。

⑤電氣控制系統(tǒng)

靠近水池部分的驅(qū)動一律采用24 V安全供電。

通過設(shè)置升降座椅臺和旋轉(zhuǎn)座椅臺之間以及內(nèi)部設(shè)備的互鎖，確保設(shè)備安全運行。

圖6 疏散樓梯的兩個極限位置

圖7 電動升降欄桿

由于控制點非常多，電氣控制系統(tǒng)的安全可靠要求極高。采用歐洲最高標準設(shè)計，嚴格按EN61508 SIL3 標準執(zhí)行。配置了多級限位開關(guān)保護（有些另加軟件限位開關(guān)）。為保證系統(tǒng)長期可靠穩(wěn)定運行，主要控制部件均采用進口品牌產(chǎn)品，采用西門子的運動控制器來處理快速和穩(wěn)定的運行。

4.3.3 九寨千古情大劇院振動觀眾席

（1）背景與要求

8 套模擬地震觀眾席（分別命名為A1/A2/B1/B2/C1/C2/D/E，左右對稱，局部見圖8），每套臺面面積163 mm2～199 mm2，承載觀眾約400名，具有豎直振動和水平滑移兩個功能，配合演出場景使全場觀眾切身感受到地震時的驚心動魄。

圖8 模擬地震觀眾席布局（圖中灰色區(qū)域為固定走道）

每套觀眾席分成下層振動臺和上層滑移臺，上下層之間是符合視線分析要求的斜面。初始臺面在后上位置，觀眾席的臺階與固定走道的臺階對齊。振動臺可沿豎直導(dǎo)軌上下運動，緩慢上升，快速下落；滑移臺可沿傾斜導(dǎo)軌前后運動，緩慢向后滑動，快速向前滑動。在國內(nèi)外的劇場中，還沒有類似的先例。

（2）技術(shù)實現(xiàn)

從初始位置先向下振動60 mm，再向前滑移170 mm，簡單模擬地震效果；然后在觀眾不知不覺中緩慢復(fù)位。

采用螺旋升降機緩慢復(fù)位后利用機構(gòu)的死點鎖定設(shè)備位置。

振動和滑移時，電動推桿使鎖定機構(gòu)脫離死點，機構(gòu)失去支撐作用，臺體依靠自重自由落體或滑移，撞在橡膠緩沖器或彈簧上形成短時振蕩。

（3）安全參數(shù)測試

為了解地震臺的沖擊載荷，獲取觀眾感受和設(shè)備基礎(chǔ)沖擊的量化數(shù)據(jù)，對地震臺進行沖擊載荷的現(xiàn)場實測。垂直和水平傳感器安裝見圖9和圖10，一部分測試曲線見圖11。

圖9 垂直傳感器安裝圖

圖10 水平傳感器安裝圖

經(jīng)換算，豎直振動的最大加速度為1.75 G，水平滑移的最大加速度為4.46 G。觀眾現(xiàn)場體驗效果非常好。

4.3.4 新疆大劇院水車臺安全隔離供電

由于水車臺與升降臺、冰車臺等設(shè)備組合使用。要求演員在水中表演，如果使用傳統(tǒng)的TN-S 供電系統(tǒng)，某些故障可能引發(fā)人體受電擊之類的危險，必須采用適當?shù)陌踩╇姺椒?。除了對電機進行絕緣隔離以外，通過保護分隔方法，使用安全隔離變壓器將一、二次回路予以電氣回路上的分隔。隔離變壓器提供IT 供電系統(tǒng)，IT 供電系統(tǒng)具有當發(fā)生單相接地故障時不構(gòu)成對人體的危害，同時加裝了絕緣監(jiān)測裝置，能夠進行預(yù)報警，并且在出現(xiàn)接地故障時迅速切斷電源。

5 問題與建議

5.1 安全技術(shù)問題

（1）人機結(jié)合多樣性與標準依據(jù)；

圖11 垂直1#和水平1#傳感器的測試曲線

（2）防水、防潮與防觸電；

（3）道具參數(shù)的不確定性與載荷預(yù)測機制；

（4）檢測的受限與經(jīng)營管理體系的重要性；

（5）電磁兼容的困難，與其他專業(yè)尤其是調(diào)光、可控硅與高次諧波。

5.2 安全規(guī)范與標準的完善

（1）推薦與強制相結(jié)合；（2）安全等級概念推廣。

5.3 安全規(guī)范執(zhí)行的配套機制

（1）安全規(guī)范與標準執(zhí)行的監(jiān)督機制；

（2）安全規(guī)范落實的措施保證；

（3）市場經(jīng)濟模式認可與轉(zhuǎn)化。

設(shè)計安全指標的落實需要技術(shù)、設(shè)備、材料以及時間周期等多方面的投入，這些因素可在市場條件下體現(xiàn)出價值。技術(shù)落后、材料低劣的設(shè)備談不上安全。安全的等級應(yīng)該與市場價值等級相對應(yīng)。

舞臺機械安全的討論是長期課題，是從使用的角度關(guān)注科技與藝術(shù)的結(jié)合；但從實施的角度更關(guān)心功能與安全的度的把握。演藝行業(yè)因“標新立異”、“審美疲勞”會不斷發(fā)出挑戰(zhàn)，但安全的紅線始終相伴，這好比“鳥之雙翼，車之兩輪”，只有小心駕馭，謹慎處理，才能健康、有序、穩(wěn)步發(fā)展！

陳威，總裝備部工程設(shè)計研究總院舞臺設(shè)備研發(fā)中心副主任，高級工程師。多年從事劇院舞臺工藝設(shè)計與咨詢、劇院舞臺機械設(shè)備研究設(shè)計工作，先后參與完成國家大劇院、廣州歌劇院、北京保利劇院、寧波大劇院、東莞玉蘭大劇院、珠海大劇院、沈陽文化藝術(shù)中心、哈爾濱大劇院、新疆大劇院、大連國際會議中心等數(shù)十項大型劇院舞臺工藝設(shè)計；曾擔任北京奧組委開閉幕式運營中心地面設(shè)備工作室主任，北京奧運會開閉幕式地面舞臺工程項目負責人，2010年上海世博會開幕式工程、中國浙江館演藝設(shè)備系統(tǒng)項目負責人。先后獲國家科技進步獎、北京市科學(xué)技術(shù)獎，以及部委級科技進步獎、優(yōu)秀工程勘察設(shè)計獎等；發(fā)表相關(guān)論文十余篇，獲國家發(fā)明專利5項。

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.09.011