解密冬奥会开幕式的台前幕后 (一) 五环破冰及技术保障

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发表时间:2022-02-12 20:10来源:演艺科技传媒

2月4日,北京2022年冬奥会开幕式在国家体育场“鸟巢”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。


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