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- 解密冬奥会开幕式的台前幕后硬技术
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2022-02-11
2022年2月4日晚，全球瞩目的北京冬季奥运会开幕式成功举办。时隔十四年，再次惊艳全球！
晶莹剔透的“冰雪五环”到浪漫唯美的雪花火炬台，从夺目多变的冰瀑到创意无限的点火仪式，以科技赋能艺术，实现了理念创意创新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。
汇聚航天与舞台人 匠人匠心
2021年1月20日，在北京2022年冬奥会和冬残奥会筹办工作汇报会上，习近平总书记明确提出，要突出“简约、安全、精彩”的办赛要求。与2008年奥运会繁花似锦的热烈气氛不同的是，本届冬奥会要用科技和新的观念去表达冬季带给人空灵的浪漫感。
每一次文体盛事活动，尤其是奥运会开闭幕式，都是检验我国舞台机械行业发展水平和自主创新能力的重要舞台，也是最新舞台科技与艺术深度融合的展示台和企业实力比拼的竞技场。
地面舞台系统作为开闭幕式的核心设备，是落实办赛要求、实现导演创意，将艺术创意化为现实的重要载体，其表现也成为决定此次开幕式成功与否的关键一环。
中国运载火箭技术研究院作为中国航天科技集团有限公司冬奥专项工程的抓总单位，承担了冬奥会和冬残奥会开闭幕式舞台、空中设施、地面显示系统等多个项目的技术保障任务。
火箭院所属北京航天发射技术研究所的全资公司北京长征天民高科技有限公司（以下简称“长征天民”）总承地面舞台系统，携手北京北特圣迪科技发展有限公司、北京金东高科科技有限公司、北京锋尚世纪文化传媒股份有限公司、利亚德光电集团等舞台机械与视效优秀工程团队，齐心协力完成冰立方、破冰而出的五环以及火炬展示、视频播放等最重要的仪式性表演，满足不同场景使用需求。
奥运五环破冰而出的背后科技力量
奥运五环标志的展示，是奥运会开幕式一个重要的仪式环节。在2022年北京冬奥会开幕式上，银河般的瀑布从天而降凝结成冰，近3层楼高的冰立方在43秒内拔地而起，它“肚子”里还内有乾坤，藏着奥运标志五环。绚丽的激光打在冰立方上，雕刻出一个晶莹剔透的冰雪五环，在音乐烘托下五环于碎冰中徐徐升起，宛如夜空中璀璨恒星，点燃了全场观众的热情。
奥运五环的出场和展示更是让人印象深刻，这是科技与艺术的完美融合。
跟火箭一样既坚又轻
设计人员介绍说，五环的结构特点是异形、大跨距、低刚度，它的设计和火箭研制异曲同工，对重量和精度要求都非常苛刻。
我们参照了航天结构设计的一些方法，为五环研制了骨骼——铝合金桁架结构，衣服——LED显示屏，外套——扩散板，让五环也跟火箭的箭体一样，既坚又轻。
为保证五环登场精度，五环要在整个地面系统的最大升降装置——冰立方中升起，每一个过程都要配合的严丝合缝。研制团队在场地受限等情况下，通过精确控制315KW电机，驱动16条链条、16条钢丝绳组成的4套同步传动单元，让升降精度控制在毫米级。
跟火箭一样抗风
我国新一代运载火箭都具备很强的抗风能力，设计人员将这种能力也赋予给了五环，使悬吊高度为13米的奥运标志，在仪式中即便遇到6级强风，也定力十足。
五环长19米，高8.75米，重量约3吨，厚度仅35厘米，如此超薄的大尺寸装置在高空迅速地升降，在强风面前如同一张纸，很容易发生起竖和侧翻等现象。
为了让五环安全地吊起来，核心是调控好产品形状，其次是确定吊点。为了实现最美的视觉效果，导演要求只能使用两个吊点。
项目团队通过大量计算和试验，精准确定吊点，实现了高空威亚平稳吊起五环并升到预定高度，与五星红旗交相辉映的演出效果。
堪比火箭的可靠性设计
航天系统工程研制中，可靠性设计是重中之重，常常提到“冗余”，这个词意味着有备份！更可靠！
长征二号F火箭在2021年承担的载人航天工程任务中，准备了备箭站岗，而五环设计中，也有“备件”。
怎样实现五环的万无一失？
五环采用了大量LED屏幕，如果某一个单元的灯珠临时“生病”怎么办？研制团队采用了双屏冗余的异形拼接LED可编程显示装置，任何一个灯珠熄灭都有备份，可以实现零秒“上岗”。还有双播控系统……当一个系统出现故障时，备份系统可以无延时切换。
为确保五环展示环节的成功，专项工程团队按照航天系统工程模式，对标航天质量控制、风险控制、设计优化等要求，进行了上千次的虚拟仿真试验。
正是科技为艺术提供了更多的表现手段和实现的可能性，二者彼此给予又相互融合，最终呈现了不一样的五环。
航天与国家检测团队 安全双保障
安全是一切精彩表演的前提。告别“人海式演绎”（参演人数仅为2008年奥运会时的20%），利用科技使舞台更饱满是本届冬奥会开幕式的最大特点之一。这就使得舞台哪怕出现细微的差错，都将被放大凸显出来。为了确保万无一失，首次将产业项目运用航天系统工程模式进行管理和实施，这是对产业领域管理创新的重要探索。
舞台机械控制系统的设计，加入了航天系统产品研发中采用的数字化仿真软硬件设备，开展控制算法的优化设计，并全面进行半实物仿真测试试验，把冬奥项目与航天人熟悉的质量管理体系进行了创造性结合，从而在设计阶段识别并规避重大失误，提高整个系统的可靠性和安全性。
相对一般火箭飞行试验前需要进行近百项地面试验，冬奥会舞台系统则进行了近千项地面测试。通过各种分系统与综合性试验，排除一切不可靠因素，做到现场表演“零失误”。
中国艺术科技研究所国家舞台设备质量检验检测中心的冬奥会开幕式项目技术保障团队，对开幕式的特殊技术装置，包括地面舞台项目、BP项目、冰立方项目、LED显示系统、上空威亚系统、主火炬地面装置、主火炬执行机构等，开展相关舞台设备的图纸审查、监督检验和排演技术保障，以及一系列复检复查工作，为活动成功举办提供安全保障。
“节俭办奥运” - 体现简约
为响应“节俭办奥运”的号召，专项团队充分发挥了航天系统工程管理模式上“降本增效”的看家本领，配合张艺谋总导演主创团队完成了20多轮创意方案的持续性调整及优化，节约成本近千万元：
降低实物投产成本——利用三维虚拟设计、演出视觉效果渲染对比等方式，进行机械设计方案论证；通过半实物仿真技术，提前识别逻辑风险，进行控制系统虚拟试验。
采取航天特有的测试覆盖措施，通过样机对舞台系统进行逐级、逐次、重复测试，找出风险点、薄弱点，制定相应的改进措施，确保设备在现场安装调试一次成功。
通过系统总体统筹，冰立方与中央舞台区控制系统共用一套总体架构设备，大幅度缩减冰立方系统配套成本。
导演负责精彩，舞台技术工程工作者负责安全、可靠，为艺术家提供坚实的基础，为艺术创作提供了技术保障。
视频播放
在北京冬奥会开幕式这场梦幻般的视觉盛宴中，观众一定对“黄河之水天上来”，再瞬间凝结成巨大冰立方的场景印象深刻。
“冰立方”位于国家体育场正中偏东侧，正对主席台，是冬奥会五环展现的主体。其作为开幕式五环展示的表演设备、核心装置，充分体现了导演团队无与伦比的艺术创意。
一滴中国水墨从天而降晕染开，幻化成黄河之水天上来，铺满全场、浩浩荡荡，奔腾不息，将“山水画”与“黄河水”的观念相结合，展现了一幅兼具传统美学与现代科技的新时代图景
以激光在“冰立方”上描绘出运动人形及冬奥会历届举办国及举办城市名，这是奥运历史上首次以水墨动画风格呈现冬季运动，以中国书画传统笔墨精神再现冬奥历史。
“冰立方”有多大
这些创意的实现绝非易事。冰本身是一种概念，这块“冰”用LED组成，面积很大，达到了三万平方米。LED本身的科技含量并不高，但如果让它淋漓尽致刻画出大家感觉上和心目中真正的冰，实际难度很大。
晶莹剔透、流光溢彩的巨大“冰立方”，总重量约400吨，升降重量达约200吨，升降载荷超过一般剧院大型升降台的8倍，是整个开闭幕式中功率最大的驱动设备。
“冰立方”升起来有10米，那就意味着下深度地舱至少11米。这个庞大设备在地面上看起来觉得很干净，其实“冰”的底下放满了多种机械机构，是以数控手段，包括5G信号的传输、复杂程序控制的高科技特殊机械装置。
▲冰立方机械系统设备组成图
▲冰立方横剖图
“冰立方”机械装置由中国航天科技集团总负责，北京金东高科科技有限公司（以下简称“金东高科”）设计研发并制造的。其机械系统的设计方案从初步确立到最终成型，经过了十数次修改才得以确定。
冰立方位置与要求
1.温度：夏季使用不超过+40℃；冬季使用不低于-20℃。
2.风速：地面平均风速不超过6m/s，瞬时最大风速不超过10m/s。
3.使用环境：露天。
4.冰立方位于体育场正中偏东侧，升起后为长方体结构，南北长22m，东西宽7m，高14.25m。
5.冰立方内部能够储存五环，储存静空间19m × 0.5m × 10m。
6.台面设置下翻活门，活门尺寸20m × 1m ，需要时，可以打开，平时闭合用作台面。
▲冰立方三维外形图
设计难点及重点
冰立方设备地仓深度为10.716m，要求升起14.25m，不同于传统意义上的升降台，而是升起后形成一个由上表面LED、四周立面LED围成的长方体。其设计的难点和重点如下：
1.体量大
冰立方是此次表演设备体量最大的设备，长22m，宽7m，高14.25m，平面尺寸是普通演艺升降台的3倍，体积达到2195立方米。
2.载荷重
冰立方总重量约400吨，动载荷达到近200吨。
3.速度高
设备升降最大速度为0.45m/s，对传动机构和结构设计带来巨大挑战。
4.地仓浅，行程大
受地仓深度限制，10.716m深的地仓需要升起14.25m的设备，必须采取多级伸缩的形式，且应平稳自如。
5.受力结构不连续
设备中间位置需给五环留出20m × 1m × 10m的净空间，几乎把设备从中间分成两半，无法形成完整的桁架结构，受力状态不佳，结构上需要特殊处理。
6.露天，有风载荷
国家体育场内存在风载荷影响，根据气象局连续3个月测量的结果，场内平均风速为6m/s，最大瞬时风速达到10m/s。
7.LED整体性
设备升起后，四周立面的LED需要14.25m高的整体，这么高的LED也需要储存在10.716m深的地仓内，所以四周立面LED也需进行机械伸缩。
设备运动、场景实现
场景实现动作顺序
初始位置（位置一）位于地仓内，上表面与舞台面平齐，此时所有下部LED平移机构处于推出状态，与主升降机构上的LED前后伸缩收纳。
第一阶段：主升降机构开始升起，所有下部LED平移机构不动，升起到+5m时，到达位置二，此时主升降机构托起下部LED平移机构；
第二阶段：主升降机构继续上升，此时所有下部LED平移机构开始平移往内动作，平移0.57m后，到达位置三，给出到位信号；
第三阶段：主升降机构继续上升到达+14.25m高度，完成升起动作；所有活门打开，到达位置四；
第四阶段：主升降机构下降，内部五环逐渐露出；
第五阶段：主升降机构下降到6m时，即所有下部LED平移机构均进入地仓内，下部LED平移机构开始平移往外动作；
第六阶段：主升降机构继续下降到2.5m，所有下部LED平移机构平移动作完成；
第七阶段：主升降机构继续下降到舞台面，主升降机构停止动作，所有活门关闭，所有动作完成。
计算及仿真
在方案设计中，充分考虑了各种工况（冲击、偏载、侧风、横风、雪载、自振、风振等），并进行了大量的仿真计算、选型计算、运动加速惯量计算、刚强度计算、支反力均布优化、模态分析等，并根据计算结果进行了多轮优化。
调试及试验
1 速度、电流、转矩试验
2 静载试验
▲现场施工图
验收
在自检合格后，由奥组委委托第三方（中国艺术科技研究所国家舞台设备质量监督检验中心）进行了全面的检测，顺利通过验收。
考虑到开幕式全场表演设备的协调一致性和时间节奏要求，冰立方最后呈现在大家面前的是比原研发设计精简了很多功能的，比如升降行程由14.25m变为了10m、取消了整体水平移动等等，有一点点遗憾，即使这样，金东高科依然凭借自身的技术实力，完美的实现了导演的创意，给大家展示了滴水化冰的冰立方。
▲点击播放视频（视频来源：看看新闻knews）
（图文素材来源于中国运载火箭技术研究院、长征天民、北特圣迪资讯、中国艺术科技所网、金东高科、东奥视效团队、新华网、央视频、看看新闻knews等网络）
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