演出效果呈现集控技术的逻辑协调

丰其云，严华锋

（浙江大丰实业股份有限公司（杭州）舞台设计院，浙江 杭州 315400）

演出效果呈现集控技术的逻辑协调

丰其云，严华锋

（浙江大丰实业股份有限公司（杭州）舞台设计院，浙江 杭州 315400）

介绍演出效果呈现集控技术的逻辑协调模式，并从理论层面探讨该模式的规划过程及细化模型，以求进一步提高集控水平。

集控技术；逻辑协调；解析模型；关联矩阵；效果呈现

1 系统特征概述

演出效果呈现的关键支撑技术之一是集控技术，而集控的主要宏观对象是运动效果呈现（其执行端是机械设备运动控制子系统）、视觉效果呈现（其执行端是灯光控制子系统）、听觉效果呈现（其执行端是扩声及声效控制子系统）等。

1.1 机械设备运动控制子系统

机械设备运动控制子系统由于其设备的多样性及复杂性，至今没有统一的控制模式，除了有大致的系统构架之外，具体控制系统基本都是根据场馆设备的具体配置变通设计的。《舞台机械设备运动分析》一文将常规机械设备的运动规律进行了归纳凝练，建立了上位机控制目标的输入条件，由此，智能控制的程序设计主要针对这些条件进行。然而，文献只是基础性的运动分析，并没有细化到具体输入条件，其具体输入条件是要针对设备配置规格及数量将每种设备的运动进行表述，但这些具体表述都是以文献提供的模型进行。另外，文中提供的控制对象是抽象的，没有具体到执行目标，因而也就难以提出具体的输入条件，这正是阶段性研究的局限性，一项系统工程的研究需要分阶段持续地进行。

一般情况下，运动控制系统的执行部件是电机及其辅助元件，常规舞台机械中一个维度的主运动至少需要一台电机。当然，也有一台电机驱动多个维度的结构的情况，这种情况通过一定的联动机构实现多维度运动；也有一个维度的主运动需要两台以上电机的情况，这种情况通常尽可能考虑机械同步，以免除复杂的同步控制。诚然，电机驱动方式要视具体情况而言，如接力驱动的设备需要多台电机，还有其他情况不得不采用同步控制，尽管其成本高昂，须以保证安全与基本功能为准。为了简化表述，将一个维度的主运动视为一台电机，接力驱动的电机及多台并联驱动的电机同步控制自有系统内部解决，这里只涉及与效果相关的概念驱动，代表其共性的控制对象特性。

如此，细化的控制对象执行元件主要针对电机，通常称为轴电机，控制一台电机就是控制一根轴的运动，故以轴电机表述。假设一个维度的运动依靠一台轴电机驱动，如图1所示，则需要提供的参数包括：运动效果需要的所有参数（速度、行程、载荷、停位等）；电机特性包括的所有参数（功率、转速、扭矩等）；辅助元件包括的所有参数（制动器相关参数、编码器相关参数、限位开关、极限开关、各种安全开关等）。以上这些都是机械设计与电控设计之间需要沟通及共同完成的设计工作，其内容也包括在机械运动控制子系统中，在现有成熟技术的基础上，按总控系统要求的运动效果呈现作进一步的逻辑编排，以适应总控的要求。

总控系统仅将一个维度的运动执行部件视为一个控制对象进行调度，且按照子控系统提供的运动序列控制触发。

1.2 灯光控制子系统

目前，剧场独立的灯光控制系统有比较完善的控制功能可供选择，但是由于剧场形式的多样化以及投资额度的不同，所选择的控制设备也有所不同。总控系统要求的灯光控制子系统应至少有一台电脑灯控制台，或以电脑灯为主的综合控制台。细化的控制对象执行元件理论上包括各种常规灯、电脑灯、LED灯、数字媒体灯等以及各种灯光的辅助设备，具体场馆可根据规模及投资额度酌减其品种及数量配置。系统配置了可编程设计控制过程，并可调用再现执行控制过程；备有网络功能，可传输DMX 512协议通讯及以太网协议通讯。

灯光控制的作用效果是通过各类灯具的开关效应、亮度色彩的变化、投射位置及角度的变化，围绕戏剧主题来营造剧情所需要的空间、时间、时空的转换，突出特定角色的视觉形象、烘托场景气氛、调节情节节奏变化、渲染矛盾冲突等。如此一系列的控制过程都以场景的形式编排设定，总控系统仅将一个灯场景视为一个执行对象进行调度，且按照子控系统提供的场景序列触发。

图1 轴电机及其运动控制辅助元件

1.3 扩声及声效控制子系统

扩声及声效控制子系统有不同的特征，虽然扩声及声控都属于听觉效果呈现子系统，但其控制方式差别较大，需分别表述。

目前，剧场独立的扩声控制系统都有比较完善的控制功能可供选择，总控系统要求的扩声控制子系统应具备现场扩声、舞台监听、效果声、演出监控、音源播放以及公共广播等功能。细化的控制对象执行元件主要是主扩扬声器、观众厅环绕效果扬声器、舞台扬声器、主持传声器、演唱传声器、乐队传声器以及音源播放器等。以前置放大器为主体的专业电声系统，接受多路不同阻抗、不同电平的各种音源信号，对信号进行均衡、效果、混合、分配、编组、声像定位调整等处理，保证最佳信噪比、高质量、高效率的声音信号传输。

扩声控制的作用是将舞台上的人声、乐器声和效果声等，通过放大以及艺术加工处理后传送给听众，让听众感受到足够的响度、清晰度和优良的音质，加之声像定位功能，并结合剧情，可产生更高的艺术效果。同时，扩声控制系统还应具备良好的外围设备通讯接口，配置多选择音源播放设备，以增加背景音乐的优化效果。如此一系列的控制过程都以场景的形式编排设定，总控系统仅将一个声场景视为一个执行对象进行调度，且按照子控系统提供的场景序列触发。

一般情况下，在剧场工艺设计阶段已经按照建筑声效设计的要求确定其声场声效，并落实到建筑结构以及装修中，故演出中除上述的电声控制外，再无所谓声效控制。然而，有些场馆为了追求不同演出剧种的最佳效果，设计了通过改变剧场部分结构从而改变声效的装备。这些装备大多是通过机械设备运动来变换，虽然属于听觉效果子系统，但其执行机构却是归类于机械设备控制，因此，需要声控系统来确定变换方案，由机械控制来执行。目前，这些动作仅限于演出前的准备阶段，很少在演出过程实施变换，故本系统暂不列入自动控制，但系统有扩展该功能的可能，在此不做赘述。

上述各项子系统与总控台的信号传输执行本课题开发的以太网为主的专用协议（WTDT001-A集成控制系统数据传输协议）。

2 子项解析模型

舞台编辑将演出节目按时间顺序进行排序，并将参与演出的相关设备运行参数提取给控制系统，由控制系统的演出时间数据处理模块接收，并进行集成分析，生成控制系统执行单元能够识别的指令序列。

《国家科技支撑项目实施的组织管理》一文中界定了各子项的控制范围，确立了子项解析的基本构架，但没有细化子项解析模型。解析子项的关键步骤是建立统一的时间轴坐标，将各个子项都纳入惟一的时间轴坐标中。时间轴坐标的响应源是演出剧目，由于整场演出中的间歇时间难以控制准确，所以时间轴的单元宜以节目划分，在一个节目中设定起始时间为0，则机械运动控制序列、灯光变换控制场景、扩声调节控制场景均在统一的时间轴上设定。

各子项在时间轴坐标上建立控制对象序列坐标和控制参量序列坐标。时间轴坐标的精度至少应该做到毫秒级，控制对象序列按次序纵向依次排列，应将所有受控对象都纳入该序列，同时，纵坐标又作为控制参量序列坐标。对机械运动来说，解析模型就是随时间变化的运动图线；对灯光、扩声系统来说，解析模型就是随时间变化的控制状态（通、断或过渡调节）。

既然时间轴坐标的响应源是演出剧目与演出场景序列，要说明解析子项模型的建立，就需要一套在控制对象序列里可以调动任意对象、在额定范围里可以修改任意运动参量的设备表演剧目。本文案例设定一个设备表演节目，时长约16 min（通常一个节目的时长约在4 min～16 min之间）。

2.1 舞台机械运动控制节点解析模型

设备表演节目的舞台机械运动控制节点解析模型如图2所示。图2中，横坐标为时间轴，总时长为16 min，台上机械的序列触发时间节点以Qai（i=0，01，02……)表示，台下机械的序列触发时间节点以Qbi（i同前）表示。纵坐标为设备运动行程示意（无比例），同时也表示所用设备序列，从下往上依次排列。坐标图中的线条为设备运动图线，表示了各个设备在相应时间节点的序列运动触发点，而运动终止点及运动过程的变速、调节等则由子系统自动控制，这里只显示序列开始的触发点，设为Q节点，各个Q节点与相应的时间一一对应， Qi与Qi+1之间的时长各自不同。部分触发点的运动过程如下：

（1）Qa01触发——大幕升起、灯杆机mx下降、天幕杆机下降；

（2）Qa02触发——大幕下降、吊杆机nu下降；

（3）Qa03触发——大幕打开、吊杆机nz下降；

（4）Qa04～Qa06分别触发，吊杆机ny、nx、nn依次下降；

（5）Qa07触发——吊杆机nn、nx、ny、nz、nu同时上升、单点吊机dx下降；

（6）Qb02触发——侧辅助台2下降；

（7）Qb03触发——主升降台2下降（至侧车台位置）、侧车台2侧行（直至主升降台台面）；

（8）Qb04触发——主升降台2再下降（至下限位置）、侧辅助台2上升、侧补平台2上升；

（9）Qb05触发——主升降台2上升（直至上限位置）；

（10）Qb06触发——主升降台下降（至侧车台位置），侧辅助台2下降；

（11）Qb07触发——侧车台2返回、侧补平台2下降；

（12）Qb08触发——主升降台2上升（至舞台面位置）、侧辅助台2上升。

图2 舞台机械运动控制节点解析模型

图3 视觉、听觉效果控制节点解析模型

2.2 舞台机械运动控制节点解析模型

设备表演节目的视觉、听觉效果控制节点解析模型如图3所示。

图3与图2的横坐标时间轴一致，灯光场景触发时间节点以Qci（i同前）表示，扩声场景触发时间节点以Qdi（i同前）表示。纵坐标为所用设备序列，从下往上依次排列。图中为设备场景触发状态图线，表示了各个设备在相应时间节点的场景触发点，而触发后的调节、过渡等则由子系统自动控制，这里只显示序列开始与终止的触发点，设为Q节点，各个Q节点与相应的时间一一对应，Qi与Qi+1之间的时长根据需要各不相同。部分触发点的运动过程如下：

（1）Qc01触发——一道面光、二道面光、二层耳光、一道顶光、天幕光均打开；

（2）Qc02触发——二道面光、二层耳光关闭，一层耳光、一道逆光打开；

（3）Qc03触发——二道顶光打开；

（4）Qd01触发——音源播放、主持传声器、乐队传声器、主扩声扬声器、舞台扬声器、观众厅环绕扬声器均打开；

（5）Qd02触发——音源播放关闭、主持传声器关闭，乐队传声器打开；

（6）Qd03触发——音源播放、演唱传声器均打开。

机械、灯光、扩声等子系统按照统一的节目时间段区间编排好各自的Q序列，分别将该序列发往总控系统。各子系统的Q时间节点有可能相重，也有可能不相重，相重的就是同时动作节点。本案例为了简化表述，绝大数设为相重，只有少量不相重，实际则不然。

3 集成逻辑协调

总控系统收到各子系统的Q序列表之后，要进行识别、分析，然后进行逻辑运算，按照时间顺序即

Qi∈(Qai∪Qbi∪Qci∪Qdi)

则Qi∈Qai且Qi∈Qbi且Qi∈Qci且Qi∈Qdi

（公式1）

如此，时间坐标轴将相重和不相重的时间节点都重新进行了大排序，并将图2与图3的纵坐标统一取最大值，将各子系统的触发系列分别写成关联矩阵如下：（公式2）

关联矩阵中，列为时间序列，即大排序后的Qi；行为设备序列，仍按图2、图3的次序从下往上排列。A为台上机械运动关联矩阵；B为台下机械运动关联矩阵；C为灯光控制关联矩阵；D为扩声控制关联矩阵。然后进行矩阵相加运算，得

A+B+C+D=Z （公式3）（公式4）

Z为总控台集成后的场景触发关联矩阵，其中，列为一个节目的全部时间场景节点序列，同一Q点上凡有触发信号的不同设备都同时触发。总控系统按照矩阵Z的控制节点生成可执行的指令序列，在演出的过程中，总控台可根据演出的进度在设定的时间节点向各个控制系统发送相关的指令。如演出要求中需要对时间序列改动，通过人工干预等方式对时间序列进行重新编排。

另外，为了防止指令数据出错而造成的运动设备错误动作，演出时间数据处理模块还增加了数据容错处理模块，其容错处理方法是：执行单元接收到指令数据，如有错误即时产生反馈信号，并发送到演出时间数据处理模块，演出时间数据处理模块收到反馈信息之后，在一个扫描周期（100 ms）之内把出错的数据补发，保证运动设备的及时运行。数据至指令传输途径如图4所示。

图4 数据-指令传输途径

4 小结

综上，通过系统特征分析，建立子项解析模型，直到集成逻辑协调。逐步形成了演出效果呈现集控技术的逻辑协调模式，从宏观及理论的层面探讨了这种模式的规划过程及细化模型，可完整地达到进一步提高集控水平的目标。

注：本文得到国家科技支撑计划“演出效果呈现关键支撑技术研究与应用示范”项目，“舞台效果装备控制集成系统”课题（课题编号：2012BAH38F01）的资助。

参加本文内容研究的有：魏发孔、谢海歧、田海弘、孙涛、盛敏、黄学通、刘榛、吴立锋、张磊、蒋松波等。

［1］刁在筠，刘桂珍，宿洁，马建华. 运筹学[M]. 北京：高等教育出版社，2007（第三版）.

［2］姜启源，谢金星，叶俊，等. 数学模型[M]. 北京：高等教育出版社，2003（第三版）.

［3］丰其云，严华锋. 舞台机械设备运动分析[J]. 演艺科技，2014（8）.

［4］丰其云. 国家科技支撑项目实施的组织管理[J]. 演艺科技，2014（9）.

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［6］Rardin R.L. Optimization in operations research[M]. New York Printice Hall，1998.

（编辑 薛云霞）

The Logical Coordinate of Centralized Control Technology about Performance Effects Presentation

FENG Qi-yun, YAN Hua-feng
(Zhejiang Dafeng Industrial Co., Ltd.(Hangzhou) Stage Design Institute, Hangzhou Zhejiang 315400, China)

This article describes the logical coordinate mode of performance effects presentation, and discusses the planning process and detailed model of the model from the theoretical level, in order to improve the level of centralized control further.

centralized control technology; logical coordination; analytical model; incidence matrix; effects presentation

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.02.008