劇院劇場舞臺燈光機械設計與應用
1 燈光控制技術智能化
近年來，燈光控制系統(tǒng)的涵蓋范圍和處理對象越來越廣，控制方式和信息處理越來越復雜，燈光控制系統(tǒng)結合了AI、自適應、云、5G通信等先進技術，功能愈加強大。系統(tǒng)中的燈光控制臺、控制柜，甚至控制模塊都已經(jīng)成為具備獨立功能的自控系統(tǒng)。底層技術的進步不僅使系統(tǒng)功能提升，子系統(tǒng)獨立自適應控制與模塊化設計下的集中控制相得益彰，也極大增強了系統(tǒng)安全冗余。
智能燈光控制柜是燈光控制系統(tǒng)的核心設備之一。近年來，多種不同的燈光控制信號并行成為常態(tài)，遠程控制和遠程通信技術廣泛應用，安全標準逐漸提高。多種不同光源類型燈具經(jīng)常混合使用，負載性質變化頻繁，使用環(huán)境和工作需求的變化促使燈光控制柜不斷發(fā)展新功能。與此同時，燈光控制臺、控制柜、周邊分布式設備以及云平臺的結合，共同打造了高安全等級的智能化燈光控制系統(tǒng)。
RGB和方達的新型燈光控制柜均可通過無人干預自動識別控制回路的負載性質，并自動切換至相應的工作模式。該技術可提高工作效率及系統(tǒng)安全性，杜絕了因輸出方式與負載不匹配造成的安全隱患。
RGB雙口網(wǎng)絡解碼控制系統(tǒng)模塊整合了自動識別雙網(wǎng)口網(wǎng)絡解碼器，可同時輸入/輸出ArtNet和ACN等協(xié)議，自動識別切換，可以逆向傳輸，有效解決了多網(wǎng)絡信號并行控制及反饋問題。斯全德RDM-8 DMX信號放大器通過自動DMX512信號輸入修正功能，解決了不同收發(fā)速率的設備在同一控制系統(tǒng)中混合使用時造成的數(shù)據(jù)失真的問題，提高了遠距離傳輸?shù)腄MX-512信號的穩(wěn)定性和適應性。
RGB智能調光柜（見圖1）采用了繼電器接觸瞬間高壓補償技術，使近900 V高壓降低到350 V，保護了繼電器及終端負載；調光模式下抗干擾上升時間大于500 us，減少了浪涌電流的電磁干擾，有效提高了控制柜及終端設備的使用壽命和穩(wěn)定性。
方達燈光控制柜（見圖2）可直接在柜體設置各通道的信號地址、亮度、調光曲線模式、工作模式及調光柜其他參數(shù)；RGB燈光控制柜每一回路抽屜面板可單獨顯示對應工作模式。友好的人機交互界面為系統(tǒng)運維帶來更大便利。
在狀態(tài)監(jiān)控和反饋功能方面，方達和斯全德的新型控制柜（見圖3）具備智能識別模塊地址和工作模式，以及電流、負載、信號、運行溫度、開路、短路、負載記錄功能和報告系統(tǒng)。在安全備份方面，方達物聯(lián)網(wǎng)調光柜配備多個主副控制系統(tǒng)互為自動熱備份；RGB和斯全德控制柜每個模塊配備了獨立處理器，各模塊互不干涉、互為備份。新型控制柜均已支持熱插拔、熱互換，可在不中斷演出的情況下方便快速處理故障點。
隨著信息技術的進步以及遠程離線編輯和控制需求的增加，燈光控制臺的系統(tǒng)功能進一步延伸，人機對話手段更加豐富，安全性更加進步。彩熠TEKMAND G3第三代燈光控制系統(tǒng)，包括TEKMAND G3控制臺（見圖4）、TEKMAND G3 DPU分布式處理單元、TEKMAND NODE處理節(jié)點、TEKMAND云、TEKMAND APP等。除鍵盤和觸屏外，系統(tǒng)還具有手勢識別、人臉識別、視線跟隨、語音控制以及紅外感應等AI對話技術。系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)或5G模塊可實現(xiàn)遠程編程和技術支持，隨時隨地備份數(shù)據(jù)在云端和本地，有效保障數(shù)據(jù)安全。
通信技術的進步不僅促進了燈光控制技術提升，也加快了企業(yè)信息管理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。燈光智能控制系統(tǒng)及管理系統(tǒng)的云平臺應用更加深入廣泛。
燈具設備管理系統(tǒng)功能更加強大，各類基于物聯(lián)網(wǎng)和5G技術打造的云管理平臺不斷進步迭代，為用戶提供了更加豐富便捷的設備管理手段。針對設備的云平臺管理，不僅支持用戶方便獲取設備的技術信息、位置信息、狀態(tài)信息、歷史記錄，還可通過云端大數(shù)據(jù)的記錄和分析，對設備的使用和經(jīng)營提供決策依據(jù)。諸多企業(yè)的設備云平臺均已具備自動監(jiān)測信息、診斷故障、自動記錄，并自動提醒用戶保養(yǎng)或通報維修單位的功能。
彩熠云管理平臺V2.0版本（見圖5）將燈具接入云端，通過“一朵云、兩個端、多業(yè)務”的IoX-Solution管理系統(tǒng)，打通企業(yè)客戶關系管理系統(tǒng)和企業(yè)資源數(shù)據(jù)庫，將云、企業(yè)信息管理系統(tǒng)、燈具三者聯(lián)為一體，可自動獲取CRM系統(tǒng)客戶/訂單信息，向用戶發(fā)送設備保養(yǎng)提醒、故障診斷、軟件升級提示等服務信息，并可為燈具設置電子圍欄，實現(xiàn)全自動出入倉邏輯，同時為后續(xù)開展LBS①服務提供基礎數(shù)據(jù)。
ACME的AIoT豐云人工智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（見圖6）已衍生出租賃版和工程版兩個系列，分別側重設備出入庫及倉儲數(shù)量位置等管理和演出工程中的設備使用管理，針對不同的用戶需求提供精細化服務。系統(tǒng)可實時監(jiān)測燈具設備定位信息、運行狀態(tài)及歷史運行記錄、燈泡運行時長、信號強度等；異常信息可通過燈具上的自動傳感功能直接上傳，并自動派單給本地技術人員。
方達舞臺燈光智慧管理平臺系統(tǒng)（見圖7）基于移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算技術，通過終端傳感器將演出現(xiàn)場的電氣安全數(shù)據(jù)實時傳輸至云服務器，為用戶提供不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤、統(tǒng)計分析和安全監(jiān)管。用戶能夠監(jiān)控每臺調光設備的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警日志和統(tǒng)計信息。系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)采集、存儲、分析，實時發(fā)送海量數(shù)據(jù)至云端存儲，并在云端對這些數(shù)據(jù)進行分析，以制定相應的安全方案。
燈光云平臺技術有效促進了燈光設備、工程和控制系統(tǒng)實現(xiàn)精細化管理、優(yōu)化服務、提高了系統(tǒng)運行效率和安全性，問世不久即迅猛發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)的應用場景進一步擴展，在各前沿企業(yè)的技術研發(fā)和應用實踐推動下，未來成長空間極大。
在日漸豐富的硬件設備支持下，演藝項目及舞臺綜藝節(jié)目設計越來越突破傳統(tǒng)。首先，需要在空中懸掛的早已不止燈光設備，大屏幕和各種實體道具等均需要升降吊掛；其次，燈具和其他吊掛設備通過運動參與演出需求越來越多；第三，在固定演播室或劇場里，傳統(tǒng)單一功能和一維運動的吊桿早已不能滿足日新月異的使用需求，高精度多維吊掛系統(tǒng)應運而生。
3.1 吊掛設備的功能拓展與新技術應用
隨著舞臺設計追求豐富的變化，承擔空中懸掛及運動功能的傳統(tǒng)燈光吊掛系統(tǒng)被賦予新使命，除吊掛燈具外，還承擔了布景、道具、大屏幕等靜態(tài)吊掛以及動態(tài)參與演出功能。
大豐、華晨、江蘇建聲等企業(yè)的吊掛設備（見圖8～圖10），不僅滿足吊掛燈光設備的需求，還針對布景、道具和大屏幕等特殊設備做了專門設計。通過數(shù)控調速、變頻調速、雷達防碰撞、激光測距校準、運動速度反饋自控、運動參數(shù)預設記憶等技術手段，有效實現(xiàn)了多功能吊桿的升降、平移、旋轉等多維度動作的精準控制，并在運行精度、靜音和安全性等方面達到了動態(tài)參與演出的水平，在諸多重要演出中通過吊掛設備使燈具、道具和大屏幕等設備多維運動融入演出環(huán)節(jié)，為節(jié)目增加了重要的表現(xiàn)手段。
隨著綜合吊桿功能的拓展，各企業(yè)吊掛控制系統(tǒng)的自動化程度、兼容性、可擴展性及易用性等方面，吊掛控制系統(tǒng)的操作方式、信息反饋、系統(tǒng)安全措施等方面更加完善。江蘇建聲、華晨和大豐的吊掛控制系統(tǒng)可通過控制記憶單元及多種傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)全方位實時監(jiān)控，自動顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、位置數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)及抱閘的邏輯狀態(tài)等，有的還可按預先設定的程序一鍵式布光布景。華晨和江蘇建聲的吊掛控制系統(tǒng)的手動應急功能，為應對控制中樞崩潰等極端情況提供了底層應急手段。
系統(tǒng)規(guī)模和綜合性提高后，系統(tǒng)控制指令和反饋信息逐漸增加。吊掛控制系統(tǒng)的人機對話界面變得更加友好實用，很多吊掛控制系統(tǒng)已實現(xiàn)了圖形化操作場景界面和信息反饋界面，可實時操作單控集控，動態(tài)顯示系統(tǒng)各環(huán)節(jié)狀態(tài)、位置和運動數(shù)據(jù)，并開始出現(xiàn)全中文的操作界面。
近年來演出系統(tǒng)的綜合化和多場景化，對吊掛控制系統(tǒng)的融合性和可擴展性提出了更高要求。包括系統(tǒng)的擴展擴容、不同吊掛系統(tǒng)的兼容以及吊掛系統(tǒng)與燈光、視頻等控制系統(tǒng)的融合等。
大豐的DAFENG STACON控制系統(tǒng)達到SIL3國際安全標準，做到了吊掛設備、舞臺動作、視頻、音頻及演員表演等各種要素在同一時間點有效協(xié)調融合。
匯焰開發(fā)的一體式機械智能吊掛控制系統(tǒng)（見圖11），實現(xiàn)了傳統(tǒng)PLC控制吊桿和數(shù)控葫蘆系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。系統(tǒng)通過數(shù)控葫蘆吊掛桁架作為固定吊桿的補充，原有吊桿與桁架可通過該系統(tǒng)實現(xiàn)一體式控制。系統(tǒng)根據(jù)需要組合擴展或臨時變更，通過對數(shù)控葫蘆編程控制，可實現(xiàn)桁架各種高度和角度的升降、偏轉。該系統(tǒng)也具有實時監(jiān)測承重載荷、舞臺機械位置和運動狀態(tài)、遠程控制時間碼同步、可視化對話界面等功能。
3.3 吊掛系統(tǒng)安全預警新手段
匯焰的吊掛安全管理系統(tǒng)（見圖12）具備完善的預警監(jiān)測功能，除了稱重超載報警監(jiān)測功能，還具有硬件限位、軟件限位、自動組停、SIL2安全防護等級安全急停，以及電機溫度監(jiān)控等功能，為大型混合吊掛系統(tǒng)提供了多角度自適應的安全保障能力。其中一個亮點是匯焰稱重式卸扣，能實時監(jiān)測載荷重量，具有超載預警功能，可方便組網(wǎng)使用。
江蘇建聲的吊掛系統(tǒng)具備完備的動態(tài)安全系統(tǒng)，各部動作和位置的實時反饋與變頻器、PLC實現(xiàn)閉環(huán)自適應控制。吊桿的平移距離、垂直升降高度、水平旋轉角度、提升速度、運行狀況、載荷情況等，可由系統(tǒng)設定并全程監(jiān)控，在超載等意外情況發(fā)生時，變頻器可向控制臺發(fā)出報警。同時系統(tǒng)升降裝置配備了載、限位、沖頂保護等底層安全保護措施。
4 可視化燈光網(wǎng)絡與系統(tǒng)安全
燈光網(wǎng)絡的安全主要基于采樣監(jiān)測與人機對話兩方面。綜合系統(tǒng)逐漸智能化，提升了系統(tǒng)功能，擴大了系統(tǒng)外延，也催生了更加直觀簡潔的交互界面，界面操作和系統(tǒng)信息反饋越來越簡潔、高效、人性化。智能化系統(tǒng)全天候自動監(jiān)測和預警，并直觀迅速地為運維人員提供系統(tǒng)狀態(tài)信息、操作依據(jù)及應急方案，使系統(tǒng)安全性得到有效提升。
5.2 舞臺控制系統(tǒng)的擴展
除了大型全媒體系統(tǒng)的功能融合日益完善和強大，一些以傳統(tǒng)舞臺機械操控為核心的綜合控制系統(tǒng)也融合了多種新技術新手段，有效解決了舞臺機械系統(tǒng)與燈光音響等非機械設備的同步演出問題。
北特圣迪SZCS-6000舞臺控制系統(tǒng)（見圖17）在原舞臺操控系統(tǒng)的基礎上，融合自適應控制、魯棒控制和模糊控制等先進控制技術，采用模塊化編程，可實現(xiàn)多控制臺平行管理、等時授權、實時設備監(jiān)控和報警分級管控等安全技術措施。通過內(nèi)部支持的多場景、時間軸、數(shù)據(jù)流等功能，成功實現(xiàn)舞臺各專業(yè)的綜合協(xié)同控制。
6 設計生產(chǎn)端仿真技術及產(chǎn)品應用
隨著先進技術的不斷應用以及模塊化設計的普及，在越來越絢麗的人機界面背后，用戶對于設備的底層結構、生產(chǎn)工藝、技術流程以及操作系統(tǒng)的了解機會越來越少。為此，調研組深入企業(yè)生產(chǎn)一線，有機會以不同于用戶的視角，從生產(chǎn)研發(fā)端探究產(chǎn)品的設計思路和新技術應用，更深入理解產(chǎn)品應用層面背后的設計及實現(xiàn)過程。
國內(nèi)舞臺設備控制系統(tǒng)的研發(fā)、設計、生產(chǎn)技術已經(jīng)與當今最先進科技同步，金東高科和北特圣迪等企業(yè)基于軍工和太空探測技術建立的仿真技術平臺為產(chǎn)品研發(fā)和用戶應用提供了有效工具。
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