2008年8月，北京奥运使中国瞬间令全球震撼，尤其在奥运开幕式上，中国展示了中华民族穿越历史隧道，奔向世界颠峰的雄心。华美影像流淌的巨大卷轴，人类漫步的蔚蓝星球，巨大火炬燃烧起的熊熊圣火……背后是一群航天人在进行严密掌控；147m徐徐展开的画轴，19m地下升起的24m地球，66套空中威亚，9部碗边小车，统领奥运舞台控制，力保演出万无一失，是航天人承载了中国科技奥运的雄心。
2001年，北京以压倒性的胜利获得2008奥运主办权，中国能够借此向全世界展示超凡的实力。定焦2008年8月，北京在这次大规模的国际性盛会上兑现了“科技奥运”的承诺，承载了中国百年奥运梦想，实现中国科技奥运雄心的正是一群航天人——来自总装备部工程设计研究总院的工程师们。
回想奥运开幕式每一个令人振奋的精彩瞬间：象征全世界手拉手的五环在夜幕中闪闪发亮，音符般的巨大主火炬燃烧起熊熊烈火，华表的影像流淌在徐徐展开的巨大卷轴上，人类在冉冉升起的蔚蓝色星球上漫步。支撑起这些世人赞叹的壮美演出的是强大的自动化系统和操控这些设备的尖端智慧头脑。仅仅地面升降舞台系统就由总重1200余吨的300多套设备组成，装配近2000瓦的电机，100多个专用控制柜、电源柜，它无疑是国内最庞大、最复杂的舞台控制系统。整个奥运场馆舞台控制的繁复程度可想而知。
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图1：总装备部工程设计研究总院田广军主任（左一）向领导介绍项目进展
承建北京奥运会、残奥会开闭幕式主要设施的总装备部工程设计研究总院，出色的完成了国家体育场地面舞台、上空设备等的设计研制和技术支持工作。回想奋斗在鸟巢的日日夜夜，工程设计研究总院田广军主任介绍说：“奥运会演出的导演创作团队提出整体的构思和创意，工程技术方面则交由我们这支团队来执行和保障。在奥运会、残奥会开闭幕式四场演出和仪式中，从鸟巢地下到鸟巢上空都有我们的工程师们。由于各层各类平台交叉运行，既要实现速度同步、位移同步、转矩同步，又要确保安全可靠，控制系统设计难度很大，责任和压力也是异常巨大的。”奥运舞台是一项惊人的设计，但要使它成真谈何容易，他们需要汇聚最顶尖的工程师。遥想当初，度过了最初的磨合期之后，当团队开始着手进行实施时，每个人都能感受到承接巨大工作量的兴奋感……
在历届奥运会的开幕式上，每个国家都煞费苦心的翻新点燃圣火的方式。一个好的开幕式，意味着奥运会已经成功了一半；一个构思精妙的点火仪式，意味着开幕式已经成功了一半。首先，来看看总装工程设计研究总院如何助力李宁完成这成就经典的“一点”。
碗边小车搭载李宁点燃国人奥运梦想
本届奥运的点火过程，综合运用了鸟巢的独特结构和人类不断进取的精神。火炬手李宁绕场一周，长画卷的影像铺满全场，继而来到北京奥运会主火炬下，在空中缓缓完成了点燃圣火的动作，火焰沿着导线徐徐向上，顺着红色圣火台螺旋上升，北京奥运会的圣火熊熊燃起。相比2000年悉尼奥运会浪漫绚丽的水中点火，和2004年雅典奥运会古典质朴的火炬倾倒点火，本届奥运的点火仪式更动态，也更震撼。为了完美实现火炬手点亮鸟巢，点沸全世界的那一刻，总装备部工程设计研究总院的工程师们煞费苦心。
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图2：搭载火炬手绕场行驶的碗边小车
设计人员习惯把在鸟巢顶部巨碗边缘，搭载火炬手绕场行驶的吊车，形象的称作“碗边小车”。小车的轨道长度是429.5m，需要在3分钟内绕场一周，将火炬手送到点火位置。在彩排过程中，碗边小车遇到的头号难题就是鸟巢东西高，南北低的造型。鸟巢马鞍形上弦，高低落差10多米，它使得碗边小车匀速前进变得十分困难，传统电机驱动无法实现。负责鸟巢上空控制系统的总装备部工程设计研究总院自动控制室刘基顺工程师回忆，通过测试和分段的计时，基本上小车的第一个上坡和第一个下坡也许会准时，但是到了第二个上坡，无论从人的体力还是设备的状态来讲都是无法完成的，同时速度很难保持匀速，所以不可能完全靠人力实现。经过反复测试和论证，工程师团队采用了电机驱动小车的方式，第二部小车助推第一部小车前进。并且在第二部小车上面安装了特殊弹簧装置，防止小车之间的碰撞造成速度不均的问题。
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图3：总装备部工程设计研究总院自动控制室刘基顺工程师正在进行现场调试
由于奥运点火方式是重中之重，点火这个环节是最关键、最不容有失的环节。碗边小车还需要克服另外一个棘手问题，绕场过程中绝对不能出现瞬间的停顿，Profibus受到了前所未有的严峻考验，田主任深信工程师们已将风险降至最低。考虑到碗边小车的运行距离长达400余米，工程师们选用了先进的滑触线供电技术。利用滑触线进行Profibus通讯的方式是一个比较特殊和困难的课题，因为通讯线路的滑触线和供电线路的滑触线之间距离很近，加之滑动过程中接触的效果受到工艺条件的限制，很难保证接触稳定，诸多因素使得系统对Profibus总线的通讯成功率和稳定性要求极高，而且绝对不能影响数据传输的速率。
同时，滑触线的选用也提升了系统对I/O设备的压力，ET 200M必须能够支持包括滑触线、双绞线、光纤在内的多介质通讯。刘工程师提到：“鸟巢上空的控制系统，其任务的艰巨性绝不亚于航天发射。所有的设备和系统的配置都基于我们多年的成功经验。比如控制系统中采用的西门子PLC，我们已经有了超过10年的使用经验，并且大范围采用了冗余设计。我们还对开闭幕式进行了风险评估，建立了一套完善的预案处置体系。同时操作员也实行了双备份，每个岗位都配备主操作员和应急操作员，多重保障力保演出顺畅连贯。”通过整合Profibus滑触线通信及高端PLC控制技术，工程师们实现了上空高速设备备份控制。485米长距离滑触线通信技术更是创造了滑触线工控的世界奇迹。
24m地球藏身19m地下
在开幕式上，另一个亮点是地下浮出的蔚蓝色地球，人类在其上漫步，刘欢和莎拉·布莱曼在颠顶纵情歌唱，24米高的地球和巨大的鸟巢完美融合，震撼的场面令观众目瞪口呆。据负责舞台控制系统的陆乐工程师介绍，所有舞台设备均藏身于体育场中央的巨大“地坑”中，直径达18米的地球也事先被压缩在地下，适时从地坑中升起。
对于建设过世界之窗、国家大剧院、欢乐谷金面王朝等舞台的工程师们而言，奥运舞台是一次与众不同的经历，需要绝对服从导演的创意和艺术效果，必须把这个24m高的“大家伙”塞进地坑。难上加难的是，由于上面还有几层活动舞台，下面还要安装顶升和控制设备，留给地球的空间，实际上还不足6米。想要解决这一问题，首先球体结构必须是柔性的，技术人员采用高科技的铝合金感光材料，才让地球真正做到了能屈能伸。地球其实是由用特制钢丝连接成的9个钢环组成，环与环之间用细网状的特质钢丝相连。
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图4：从地坑中逐渐浮出的九环地球
九环地球的制造其实并不是瓶颈，困扰工程师们的仍是那道难题，如何把它塞进狭小的地坑。工程师们最终通过采用三级顶升的方式，由升降母台、液压子台、机械中心子台三套组合驱动实现。利用高速双驱动转矩同步控制技术，两台132KW同轴相连的电机通过力矩跟随分配技术实现同步驱动，液压子台通过双拉线编码器的主备双闭环切换控制技术实现高可靠性。
接下来需要应对的是，升降启动时由于球是柔性叠加在一起，顶升点在地球的最高点，球上有60多名高空技巧演员和两位著名歌唱家，必须保证演艺职员的人身安全。控制系统需要确保地球上升的同时运行平稳，也就是当整个系统以每秒0.5米的速度，让球体从地坑里升起的同时，实现机械子台和液压子台驱动的平稳接力过度，并且必须在1分钟内上升到位，这对PLC的运算速度、控制精度、可靠性均提出了较高要求。“为了力求万无一失，设计人员还采用了三级冗余的装置，实现了管理级、过程级、现场级，三CPU（上位机CPU、PLC-CPU、变频器CPU）实时在线并行运行、监视，快速（秒级）自动切换的控制系统。此项控制新技术在工控领域处于世界领先水平，即使出现问题，也能迅速的做出响应，处理和解决问题。”田主任讲述。辅以西门子专利的事件驱动的同步功能，两个冗余的PLC CPU之间能够自动的进行同步，一改以往的以特定时间周期进行同步的方式，系统数据毫无丢失，为工程师们在运行过程中可能进行的冗余切换，提供了强劲的支持。整套三级冗余机制使得系统彻底实现了无扰切换，切换过程中没有丝毫波动，出现意外情况的概率几乎为零。
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图5：鸟巢地面舞台的总体布置情况
整体而言，这个舞台的搭建和航天发射场地有异曲同工之妙，两者都需要很高的安全性、精密度和可靠性。总装备部工程设计研究总院经过几十年磨砺，造就了严谨务实的工作作风，培养了航天人精密准确的一贯风尚。在奥运会任务的完成过程中，感人事迹层出不穷，全国同胞都会铭记工作人员的点滴奉献，田主任如数家珍的说：“地坑中的全体工作人员，包含几位女博士，每天在不通风的环境中进行训练，只为把一场完美的表演呈现给全世界观众。他们肩负着国家的荣耀，他们知道我们没机会表演两次，只有一次机会，而且要一次就做好。虽然他们没有出现在任何镜头里面，他们的毅力感染了每一个人，令能够参与到这项任务中的同仁倍感骄傲和自豪。”
LED画轴抒写壮美诗篇
一张纸，书写历史，寄望未来。一副画轴，寓意中华，打开精彩。开幕式上源自高科技的LED画轴，让国人天才的创意变为现实。这副寓意中国悠久绚烂文化的山水画卷，当观众惊叹于辉煌的艺术效果时，一定不会想到画轴展开这个简单的动作操作起来却十分复杂。
惊艳的画轴徐徐打开，给观众强大的视觉冲击力，实际上画轴并不转动，只是向两侧平移，是地面LED大屏上的图像配合画轴的移动逐渐展开，才打造出了奇特的效果。画轴直径2m、长22m，从台仓送到台面，挂上驱动，打开至147m。画轴的运行要和视频图像紧密配合，挑战着系统的控制速度和定位精度，工程师们在控制系统方面进行了很大的调整。
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图6：LED画轴详细说明
画轴两端用于表现造型，由祥云图案演变，犹如盛开的花朵，中间为圆筒结构，里面藏着配套设备。由于画轴很长，单个画轴要展开70余米，液晶电源和显示控制采用了随轴近供的方式。画轴里藏着锂电池，演出时工作人员就在里面操作液晶显示。为了力求美观、完整，画轴的驱动采用了钢丝牵引方式。为此，轴两端的台面专门开了两道槽，里面藏着钢丝、滑轮等设施。画轴的驱动小车藏在两层活动舞台之间。从台仓上升到地面后，要先把画轴挂到小车上，再牵引行走，至此才有了百米长卷的潇洒亮相。据陆乐工程师总结，这一经典场景采用了世界首创的长距离柔性钢丝绳收放同步控制及视屏跟随技术。控制器对电机进行速度闭环控制，保证单一画轴的电机速率同步，通过对钢丝绳张力数据的实时检测，利用数学建模和程序控制，实时智能调节加减速斜坡特性，实现画轴与视屏播放的无缝连接。控制器在肩负着整个驱动器组精确运行的任务之外，还负责执行其它的附加功能，例如，驱动器相关I/O信号的逻辑运算，定位功能等等。在控制单元上还集成了Profibus接口，以方便连接上位控制系统。最终，系统达到147米行程重复定位精度2mm，收放同步控制偏差小于0.1mm，均处于世界先进水平。
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图7：开幕式表演中的高科技LED画轴
此外，作为LED画轴演出之前的铺垫，补台控制成为演出成败与否的关键。补台降下为车台打开提供物理空间，补台升起为表演提供演出空间，因此两侧共60块补台的安全可靠性成为整个奥运会开幕式的关键；任意一块补台出现故障降不到位，将导致车台盖板无法完全打开，升降台无法升起，画轴无法表演，整个开幕式将彻底失败，后果无法想象。在不懈努力之下，工程师们研发出了补台三整流块及制动延时控制技术，陆乐工程师说：“我们设计团队面对困难没有退缩，反复研究探索，经过上百次模拟试验，最终采用双电机同轴无离合驱动备份技术，针对薄弱环节电机制动器（抱闸）整流块，采用柜装代替机装，实现主备整流块的切换功能。除此之外，为了应对传感器信号故障导致控制失效等极端情况，在双备整流块基础上又设计了手动加载电源，强制打开制动器，确保补台下降动作的第三套备份手段，三种控制手段在调试过程中不断演练，应急处置的时间由开始的20秒缩短至2秒，深受导演和技术制作组的赞赏。”
航天人操控奥运舞台中枢
至此我们一起回顾了奥运开幕式中，空间顺序由上至下的主要尖端科技。开幕式总共用了几十项高新技术，涉及多个领域，其中的核心技术全部是拥有自主知识产权的创新技术。田主任说：“在雅典和悉尼的奥运会开幕式上，控制系统都不同程度的出现了失误，而我们的这次开幕式，可以说完成的相当完美，没有任何失误。我们技术人员的应变能力很强，使用的设备非常可靠，并且综合考虑了各种因素。可以说是前期积累的控制技术和大量航天发射的实战经验，才是上千套设备和数万个零件正常工作的有力保障。”“冗余”是项目中工程师们提及最多的一个词汇，演出设备借鉴了航天发射的经验，大范围采用冗余设计，核心控制器、操作系统、网络传输系统等，全部实行了双备份。当一个系统出现故障的时候，备份系统可以无延时切换。
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表：文中讲述的拥有自主知识产权的创新技术汇总
奥运舞台项目还具有缺乏已有方案借鉴和设计创意频繁调整的特性。总装备部工程设计研究总院起步于连舞台区域、大小、形式都是未知数的阶段，克服万难拿出了舞台搭建方案，并为各场演出需要的装置与运行要求进行了预留设计。由于导演创意不断调整，工程研究设计迟迟不能定型。有时看似很简单的调整却要求对结构体系、电机设置、运行方式以及控制系统进行全套修改。为了应对不断变化的设计和可能出现的问题，设计人员还专门开展了设备故障快速诊断课题研究，实现了舞台机械控制系统可视化信息系统及故障诊断系统。采用了以集成智能故障诊断预测为核心，具有故障自动发现、辅助诊断、容错控制、趋势预测、辅助维修决策等功能的非线性信息融合智能技术，为庞大复杂的控制系统提供实时、智能和高效的可视化信息及故障诊断系统。
提及奥运会开幕式中使用的控制系统时，田主任谈到：“奥运舞台中广泛采用的是西门子的S7-300和S7-400控制系统，配合西门子的HMI和I/O产品使用。系统的稳定性在这次奥运会设备的实施中显得尤为重要，考虑到西门子是工业自动化前沿产品和高端产品的代表，西门子的产品也的确经受住了奥运会的极端考验。同时西门子完整的产品线，以及完善的核心产品功能，使得我们的项目实施得以事半功倍。”基于TIA全集成自动化，西门子公司是唯一能够提供适用所有行业的全面解决方案的供应商。产品维护简单、平台统一、兼容性好，具有高度的灵活性和可组性。TIA概念中的Profibus标准现场总线，可以确保自动化系统解决方案中各组件之间的强大、快速的通讯，更可以和其它厂家的产品进行无缝的集成。历数我国各大剧场舞台：国家大剧院、中央民族歌舞大剧院、深圳世界之窗、中国京剧院大剧院、中央电视台大剧院、北京电视台大剧院、上海大舞台……这些异彩纷呈的舞景设施，无不构建在西门子TIA全集成自动化牢固的基础之上。
最后，让我们转换角度，看看国外媒体如何评论奥运开幕式。英国BBC电台：全世界从未见过这么宏伟和充满人类智慧的开幕式，2008年的奥运会开幕式如此令人难以忘记。路透社：完美的倒计时，精彩的开幕式，充分展示了世界上最古老的文明。俄罗斯REN电视台：从专业角度看，奥运会开幕式非常优秀，结合了现代科技和中国传统艺术，让人回味无穷。《洛杉矶时报》：开幕式充分显示了中国人的自信，中国——这个文明古国正昂首行进在21世纪，13亿人重新迈出成为亚洲支柱的第一步。
