幕后观察迪斯尼首项利用以太网行驶控制网络的游乐项目
近来，传统的游乐场游戏通过华特迪斯尼的幻想工程计划得到了高科技的花样翻新。迪斯尼“玩具总动员疯狂游乐场”项目（Toy Story Midway Mania）分别在迪斯尼加州冒险乐园与迪斯尼世界开幕，该游乐项目创新了射击和投掷类游戏，这些游戏仍然可以在全国各地举行的嘉年华和游走娱乐场中为你赢取毛绒动物玩具。
“玩具总动员疯狂游乐场”是迪斯尼最新的游乐项目之一，它把传统的骑乘机制与复杂的3-D游戏系统结合在一起，创新了嘉年华游乐场游戏的表现和感觉。
但是，创新后的游戏不再是出现在嘉年华的场地上，而是出现在由华特迪斯尼幻想工程师们在Pixar Automation Studios公司帮助下所设计的3-D游戏环境中。在Midway Ma
nia（疯狂游乐场）的游戏中，没有了对准目标需要投掷或发射的实际物品，没有套圈，没有飞镖，也没有气枪来瞄准金属片做成的鸭子。
相反，游戏参与者首先要从一个动画电子人物土豆头先生身边经过，他是游乐场的招揽员，其声音和滑稽特点均来自与演员Don Rickles。然后，他们要带上一副3
一旦停在个人的游戏面前，游戏参与者就要用手中的拉弦射击枪对准大屏幕上的抛射物进行射击。游戏会通过他们所射击的目标物点值对所有参与者进行计分，甚至还会奖励虚拟毛绒玩具，把奖励的玩具显示在所在车辆的电脑屏幕上。
虽然游戏已经是三维形式，但是幻想工程师们还为游戏增加了另一维。该游乐游戏具有特殊效果，能让游戏动作产生现实效果。比如，如果向虚拟气球投掷一个虚拟飞镖，气球爆掉后，你的脸上就会被吹来一阵风或者是喷上一股水。该游乐项目高级制片人兼导演Chrissie Allen说，这些效果为骑乘游戏增加了第四维体验。“游戏世界彻底把你给包围了。”她说。
整个的这种浸入式游戏对游玩者来说可能就是一次狂欢，有时候差不多真是这样。而Midway Mania则具有使这些乐趣和游戏得以实现的严谨一面。据华特迪斯尼幻想工程计划负责表演和行驶控制的执行导演Jody Gerstner说，该游乐项目依靠的是迪斯尼迄今为止最为先进的自动化系统。该系统主要是利用了公司合作伙伴之一 Siemens （西门子）Energy & Automation公司提供的元件，这也是迪斯尼首次在行驶控制应用中使用工业以太网。“我们以前也在以太网上进行过表演控制，但那时没有让游戏者到处移动。”Gerstner说。
该自动化系统在其他方面也有新突破。一个是其规模突破。“这是我们所做过的最大系统，最大不是指地理面积，而是指控制区域的数量，”Gerstner说。另一个是必须进行用于把游乐项目中独特游戏、行驶和表演元件编织成一种自然流畅的用户体验的集成工作量。并且，该游乐项目是如何在运动控制系统中聪明地利用定位传感器和软件来占据一些机械空闲的精彩实例。
与Gerstner或者Allen等幻想工程师们交谈一下，你就能很快发现，他们非常困扰于自己所创造的行驶控制的娱乐价值。从这个意义上来说，幻想工程与工业机械工程并没有太大的不同。毕竟，何时会有人必须去设计娱乐形式的充填封口机呢？
但是，像所有工程师一样，幻想工程师还需要实现与安全、生产能力、运行时间和安装成本有关的硬性工程目标。并且，要在该项目中实现所有这些目标需要一种吸引工厂机械设计者而非主题公园设计者的控制技术。
以太网带来的乐趣
Midway Mania游戏体验的关键要素之一是每辆骑乘车上的拉弦操作射击枪。
多种定位数据流和软件算法在不间断地确定与游戏屏幕相关的射击枪的实际位置。
Midway Mania游乐场中起决定作用的控制系统实际上包含了三个子系统，分别用于骑乘车辆、游戏和表演元件。而以太网是把所有这些东西连接在一起的共用线索。
用来控制骑乘车辆在游乐场中移动的行驶控制系统采用了两种工业控制器。中央路边控制器，也就是一个Siemens 319 PLC，用来管理车辆在游乐游戏中的流动。Gerstner说：“路边控制器就是交通警察，每辆车上还有一个车载控制器，也就是一个Siemens 315 PLC，用来处理程控速度参数、来自传感器的定位数据、安全措施和故障诊断。”
对于在游乐游戏中游走的车辆来说，车载控制器通过ProfiNet RT与路边的中央控制器进行定位数据无线通讯。然后，由中央控制器生成信号，通过一个具有自主知识产权的硬线网络传送到车辆钢轨上的397个汇流排区。该信号随后就会通过一个连接到汇流排上的电刷极靴传回到单独的行 驶车辆上。Gerstner把这种控制称之为“走停PWM信号”。它会告诉每辆车是否被允许以设定的速度前进、是否应该停下或者是否应该减速前进。
游戏控制也同样具有中央控制元件和车载元件。一个基于PC的中央游戏控制器会把来自每辆骑乘车的游戏数据传送到运行所有游戏软件的一组计算机上。Midway Mania的大规模计算机机房总共容纳了150多台计算机，其中包括分别针对游乐项目中56个游戏显示屏的56台惠普Windows XP PC。每个车载控制器用来处理各自的游戏信息，比如射击枪的位置信息和车载得分显示等。
就像行驶控制一样，中央游戏系统与车载游戏系统会通过无线以太网进行通讯，与行驶控
制系统分享使用车载无线设施。游戏计算机之间的物理连接是通过标准100 Mbit/s以太网络来实现的，只有主游戏控制器中的数据交换是通过1个G的主干网来完成的。
行驶控制系统和游戏控制系统都是使用无线连接来从车辆上获取数据。在车辆上，与车辆外SCALENCE W 接入点模组通过沿轨道的漏泄同轴电缆连接在一起的Siemens SCALENCE W接入点模组被分享使用。Siemens公司为Midway M
除了行驶控制和游戏控制以外，该系统还有其他的PC机用于表演控制，包括实施游戏特殊效果的几台电脑。这些电脑也是处在标准以太网络上一些节点。
协同工作
拆开来说，Midway Mania的每一个控制系统都非常简单，但它们的协同工作才是确定游戏成功与否的关键。“当时该项目最困难的部分是定义游戏、行驶和表演控制之间的软件接口，”Gerstner说，三个系统都必须紧密协作才能形成自然顺畅的用户体验。
比如说，游戏控制系统和行驶控制系统从始至终都在协同工作。在正常的运行中，游戏控制器需要知道行驶控制把与游戏相关的车辆停在了什么地方。这项任务实际上比听上去要复杂。据Gerstner介绍，驱动车辆的电动机、直角齿轮箱和夹送滚轮都在其中起了一定作用，还有把车辆停在屏幕前的机械制动器。“我们必须找到对机械系统中内在偏差进行补偿的方法，”他说。
游戏控制和行驶控制也都安装了一个针对滞留或延迟的协同响应装置，滞留或延迟可能是因为有人触动了游乐设施的其中一个基于压力的安全装置甚或是在车辆加载过程中出现减速而引起的。Gerstner说：“我们知道有滞留出现，但系统即使在每个条件都不完美的情况下也能做正确的事情。”所说的正确事情包括控制游戏顺序，比如当游戏者在一个屏幕前呆得太久时来增加一个额外的练习轮次；还包括更多的戏剧化回应，比如由《玩具总动员》中的角色给出声音提示等。
这是机电一体化人物土豆头先生，其配音来自于演员Don Rickles，他的工作是游乐场招揽员。
其机器臂和自定义控制系统能够让他揪掉自己的耳朵。
许多这类协同工作需要行驶和游戏控制利用来自两种补充跟踪方法的定位数据。第一种方法是使用Pepperl+ Fuchs公司的二进制近距离传感器获取一系列分布在轨道各战略方位上的绝对位置标记，每个骑乘车辆下面都安装了4个这样的传感器。这些传感器能够告诉我们每个车辆在室内所处的位置，“Gerstner说。
虽然近距离传感器追踪对生成“走停信号”和控制多车辆的流动来说至关重要，但它缺乏车辆对应游戏屏幕所需要的分辨力。所以，幻想工程师们又增加了一个可以在一英寸内确定车辆位置的追踪系统。它利用Banner公司出品的激光传感器，同样是安装在车辆底下，来读取为每个游戏设置的地面上停车位附近的刻度条。这种精微定位系统能够帮助补偿机械系统所有的内在偏差。“游戏并不在乎车辆是否每次都停在同一位置。它只需要知道每辆车实际所停的位置就可以了，并且它可以进行补整。”Gerstner说。
在确定与游戏相关的射击枪位置时，定位数据也起到非常重要的作用。游戏软件中的一种算法会利用来自射击枪上三个编码器以及在骑乘车辆转塔上测定转动量的另一个编码器的数据来确定位置。“转塔转环被安装在射击枪的旋转轴上，”Gerstner说。射击枪定位算法也同样考虑了车辆的实际所停位置。Gerstner把这种定位算法描述成“非常复杂”，但他又补充说，尽管如此该算法仍然要比使用独立的传感系统要合理。“利用已有数据，我们有足够的数学精确度来确定射击枪的位置，”他说。
一种新方法
Midway Mania游乐游戏的控制系统体现出与迪斯尼传统设计大型控制系统方法的几个重要不同点。Gerstner指出，过去迪斯尼的大型游乐项目一般使用的是点对点的I/ O。这一设计方法可以从为I/O隔间所保留的区域面积上清楚地看出，该区域被设在了与Midway Mania大型计算机房相邻的房间中。
然而，控制室的大部分仍然空着，因为行驶控制只占了两个隔间。Gerstner把控制系统对空间的节省大多归功于西门子的分布式I/O和把所有控制系统连接在一起的以太网主干网。“以太网简化了布线工作，节省了所
有相关的接触人力，”他说。“说实话，如果利用传统架构，我不知道我们是否能够完成这一项目。那将会使用大量的铜线。”
对迪斯尼来说，另一个不同点是，在这种规模的游乐项目中对中央控制器的使用。在以前使用类似分隔区域汇流排的行驶控制中，比如说Rocket Rod（火箭杆），迪斯尼不得不把控制器散布在行驶控制周围。Gerstner说：“因为处理困难，我们不能设中央控制器，不能向所有区域传送所允许的信号，而西门子的319 PLC控制器具有克服这一问题的速度和能力。这真是一个了不起的东西。”
实际上，中央PLC控制器和ProfiNet RT控制网络具有超出本应用需要的处理能力和速度。Scheel说，中央PLC控制器能够在32 毫秒内扫描并执行所有397个汇流区
游戏系统中使用的PC机和以太网也是这样。Gerstner认为，带宽是很富余的，任何时间段交换机对带宽的使用都只在10%左右。“带宽的事情就是这样，一个项目开始时，你永远不会知道你需要多少带宽。所以多点总比少点要好。”他说。
