奥运五环标志的展示，是历届冬奥会开幕式最重要的一个仪式环节。在第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称：北京冬奥会）开幕式上，晶莹剔透的“冰雪五环”从冰立方当中雕刻出来，这一幕惊艳了无数观众。

冰雪五环面积达143 m2，重3.2 t。开幕式冰雪五环位于冰立方内部，长19 m、高8.75 m，厚度仅有35 cm，在冰立方升降机械系统下降并呈现碎冰特效的同时，冰雪五环由冰立方托举转换为威亚悬吊并逐步展示，展示时长约90 min。

冰雪五环方案论证之初，为契合北京冬奥会开幕式整体艺术氛围，导演组提出要求：冰雪五环必须晶莹剔透，要有冰雪的感觉，并且尺寸要符合国际奥组委关于五环比例的设计要求。通过多轮方案讨论和试验，决定采用铝合金桁架结合LED屏幕的方案，通过视频播控的手段，实现五环的冰雪效果。

冰雪五环的研制设计和火箭的研制异曲同工，研制人员参照航天结构设计方法，让冰雪五环像火箭的箭体一样，在保证坚固的同时质量又轻，而且可以抵御6级的强风；面对双吊点、大跨距吊装的不利受力工况，冰雪五环经过多轮优化减重，综合采用非均布铝合金桁架结构、1 mm超薄大镂空PCB基板、2 mm超薄PC扩散面板等先进技术，成功将冰雪五环总重控制在3.2 t以内，克服了威亚有限承载能力限制的困难。

为保障冰雪五环长时间悬吊展示的用电需求，且使供电线路不影响运动员入场流线（运动员从五环正下方走过），冰雪五环采用内部蓄电池供电，供电时长可达4 h。冰雪五环是一套完整的LED播放系统，360°无死角覆盖LED屏幕，然后通过无线传输，可以随时切换播放视频，创作的空间更大，是一台名副其实的“大彩电”。为保证五环的升起过程万无一失，研制人员将航天器制造的“冗余备份”理念应用于五环设计中，采用A/B双屏冗余的异形拼接LED可编程显示装置。五环的任何一个灯珠熄灭，都有备份可以实现零秒切换。五环整体生产2套，一主一备，确保在排练过程中出现极端损坏情况下能够及时更换，保障排练进度和演出需求。2021年6月，在北京大兴航天基地，进行了五环单环效果试验，其技术现实得到了开幕式总导演的认可。7月~8月，开展桁架结构设计、复核复算、供电试验和播控试验等。9月下旬完成五环生产和采购，并运抵国家体育场。10月底，完成第1套五环总装调试，并参与排练；11月底，完成第2套五环总装调试，替换第1套五环。2021年12月~2022年1月，冰雪五环完成与视频、音响、冰立方等系统的技术合成，并于2022年2月4日，最终呈现在全世界观众面前，圆满完成了演出任务。

冰雪五环由桁架结构、PC扩散板、LED屏幕及播控系统、蓄电池供电系统组成。冰雪五环自内到外分为三层，内层为铝合金桁架结构，中间层为LED显示屏，外层为扩散板。

桁架结构为分段铝合金桁架，通过螺栓预紧连接形成五环结构；采用ANSYS workbench软件对五环刚度、强度进行计算，选用梁单元进行计算。5H网格划分，单元总数为141 826，节点总数为219 585。

（1）载荷情况

1）在五环圆环主梁施加竖直向下（ - Y ）的载荷34 551 N。

2）在五环蓄电池安装位置施加竖直向下（-Y）的载荷5 390 N。

3）重力加速度为9.8 m/s2。

4）起吊加速度1.3 g。

（2）约束条件

对威亚吊点其中一个点施加固定约束，对另一吊点施加竖直方向（Y）的约束，重力方向：竖直向下（-Y），如图1所示。

（3）计算结果

如图2、图3所示，桁架最大应力为57 MPa，最大变形量为16 mm，桁架应力和变形量均满足使用要求。

PC扩散板正面、反面与外环粘结在一起形成U形外罩，通过M4白色尼龙螺钉与内部铝合金桁架固定，内环通过M4螺钉单独与铝合金桁架固定，U形外罩与内环连接的拼缝处做成凸起结构防止雨水进入。

图4 A/B 屏像素排列示意图

LED屏幕及播控系统采用P10分辨率A/B屏双系统双供电设计，产品采用户外像素点间距10 mm的P10（A/B屏）全彩LED镂空模块进行环形拼接而成，如图4所示。其屏幕总分辨率为4 056点×1 200点，支持HDR及BT.2020色域显示，支持HDR及SDR视频同屏显示；具备灵活多变的拼接显示组合功能，可根据不同的播放模式要求进行显示窗口编辑设计，选择整屏显示、任意组合显示、图像漫游、图像叠加等功能。屏幕画面清晰流畅，色彩极其鲜艳逼真，无锯齿和马赛克现象，实时动态拼接画面清晰亮丽。显示系统整体效果美观、持重、风格鲜明，图像层次丰富，色彩均匀。该系统采用先进的数字视频处理技术，保障图像还原质量，屏幕的视觉效果既可以实现动态信息的显示与更新，也可以满足高速摄像机拍摄等要求，充分保证了图像的清晰稳定。LED系统设备和供电蓄电池均内藏于环内铝桁架内部空间，外部通信依靠无线组网方式或有线组网方式，LED系统受控于总控平台或无线手持移动终端。影像文件通过网络加载在环内播控设备SSD内，显示屏接收到总控平台或无线手持移动终端发出的控制指令后，开始播放或停止播放视频影像。LED屏幕及播控系统结构图如图5所示。

图5 LED屏幕及播控系统结构

远程播控设备操作链路原理如下：播控间播控操作台发出播控指令→-7米控制室内的主备两台控制主机同时发出命令→经交换机同时传给串口服务器A、B→串口服务器将指令转换成RS485信号→电台接到RS485信号经加密处理后发送命令到空中→五环内主备两电台接到信号后对地址、频率信道及网络ID进行比较→正确后再进行解密处理，同时转换成RS485信号发出→串口服务器收到RS485信号后转换成TCP/IP信号并发送给总控主机→总控主机对指令进行判断，指令完全正确则发送指令正确返回码（返回码通过原信道传回播控操作台主机），同时发送LED显示屏播放指令→LED显示屏点亮，播控操作台主机收到返回码后判断是否正确→返回码正确则播放按钮变成绿色→否则，播放按钮保持红色并重复多次发出播控指令。见图6。

图6 远程播控设备操作链路原理图

LED 显示屏采用铝桁架内置DC 48 V蓄电池方式进行供电，蓄电池总容量为30 kW，分成A/B双路进行供电。桁架内布置DC 48 V转4.2 V电源模块，其中A屏、B屏各使用相同数量的DC 48 V转4.2 V电源模块，组成双路供电回路，任何一路发生故障，不会影响另外一路供电。如图7所示。

图7 蓄电池供电系统图

2021年年初，根据导演组创意要求，研制团队开展了冰雪五环小样的设计及生产，如图8所示；经过内部多轮讨论，并积极参与导演团队创意讨论会，决定生产一个五环单环样机，供导演组进行效果测试，检验方案是否满足艺术效果和演出需求。6月，在北京大兴航天基地，经过紧张的生产、组装和视频合成工作，邀请总导演到现场，进行了五环单环效果确认。如图9所示。

待总导演现场确认完单环效果试验后，进入冰雪五环总体设计、试验及生产阶段。由于五环生产周期紧张且涉及系统多、接口复杂，为保证五环总装顺利完成，在五环设计之初，研制团队就同步开展了三模设计、电气设备模装工作，如图10所示，成功保障了后续总装工作“接口不出错、生产不返工、节点不后延”；同时，开展五环蓄电池供电方案试验平台搭建和试验，验证了供电的可靠性。

冰雪五环进行单环效果试验、系统设计以及供电试验后，桁架、扩散板等投产，

2022年2月4日，在北京冬奥会开幕式上，冰雪五环破冰而出，呈现在世界观众面前，如图16所示。

关于冰雪五环的成功研制和呈现，笔者有以下几点经验和体会：

（1）首先，整合舞台行业优质资源，寻找合适的厂家，制定最佳方案；同时，依托航天管理体系，进行供应商全级次管理，保证产品质量，确保万无一失。

（2）研制阶段，结合舞台演出行业特色，借鉴航天产品研制的成功经验，开展五环小样、五环单环效果试验，在确保演出效果的同时，对蓄电池供电原理、蓄电池低温环境适应性开展航天特色试验，进行效果和产品现实性的反复测试，保证了技术方案可行性和产品落地。

（3）现场使用和保障阶段，应用航天系统工程设计思路，开展基于时序的五环风险分析，梳理演出日的各项工作，编写人员《岗位职责表》《五环操作手册》《五环应急手册》等文件，确保演出流畅性和任务可靠性。

（4）冰雪五环是航天系统思维和舞台行业传统方法相结合的一次成功实践，是航天人“严慎细实”的艺术性表达，是舞美艺术和航天技术有机融合的产物，其充分诠释了“简约、安全、精彩”的办赛要求，表达了中国式的浪漫，为人类奥运历史上的五环展示留下了美轮美奂的精彩画面。  

选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》赵劲彪，田 凯，何冠杰，曹 岭，林维前，林春海《北京冬奥会开幕式“冰雪五环”的技术实现》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技  冬奥特刊》。

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