照明工程学报,一种基于分散控制的大型声光表演控制系统

一种基于分散控制的大型声光表演控制系统韩兴连林景栋覃曾锋（重庆大学自动化学院，重庆400044）摘要：介绍了应用于重庆市“朝天扬帆”大型音乐灯光表演工程的一种基于分散控制的智能灯光控制系统。具体阐述了该系统的结构以及特点。该系统因实现简单，控制灵活可靠，可应用于各种户外大型音乐灯光表演工程。关键词：分散控制；无线DMX网络；声光同步；自主表演TheControlSystemusedtoSound&LightPerformanceBasedonDistributedControlHanXinglianLinJingdongQinZengfeng(AutomationInstituteofChongqingUniversity,Chongqing400044)AbstractInthisarticle,aintelligentlightingcontrolsystemwasintroducedwhichisbasedonthedistributedcontrolandisusedinthe“ChaoTianYangFan”lightingperformanceprojectinChongQing,andplacetheemphasisonthecharacterandconstructionofthesystem.Duetoitssimplicityofrealizationanditsflexibilityandreliabilityincontrolling,thecontrolnetworkcanbewidelyusedinoutdoorlightingperformanceproject.Keywords:distributedcontrol;wirelessDMXnetwork;sound&lightsynchronization;autonomousperformance引言随着现代科技的发展，演出灯光控制经历了模拟时代、数字时代，现在正进入网络时代。演艺设备和控制方式逐渐发生着质的变化，由传统的DMX单向灯光控制系统向全网络灯光控制系统以及无线DMX网络信号传输系统发展。目前应用较多的数字调光控制系统主要有两种：一种是传统的支持DMX512协议的系统；另一种是近年来兴起的支持TCP/IP协议的以太网控制系统。传统的DMX512协议虽然有结构简单、成本低、容易理解等优点。但是，支持该协议的系统在一些大型活动中，暴露出了DMX系统的传输速率慢、控制设备规模小、信息复用性差等缺点。由于DMX512协议的局限性以及高科技灯光网络技术的发展，出现了以“以太网”为架构和TCP／IP平台为核心的各种全网络灯光控制系统，如SHOWNET、ETC2NET、COMPUNET、ARTNET等。1工程背景户外大型声光表演中，随着演出场地和规模的不断扩大，所使用的灯具和灯具类型也是越来越多。如果采用有线方式，虽然控制简单，连接上就可以操控，但存在传输距离较短，DMX512信号衰减较大，布线比较麻烦的情况。特别是在地理条件比较复杂的地方如高山、河流、湖泊、海岸等场所的灯光布线尤为不便。因此很多工程项目首选无线网络作为DMX512信号的传输方式。无线DMX网络信号传输系统中使用了DMX512无线收发调制解调器，该设备以无线的方式传输DMX512协议标准的数据，彻底去掉了双绞线。无线DMX网络信号传输系统能够大大减轻灯光师在大型演出活动中铺设DMX信号电缆、信号放大器和分配器等繁重工作，使表演前期准备时间大大减少。而且传输无时延，系统实时性较好。但无线DMX网络信号传输系统在使用中也存在譬如易受外界干扰，传输距离不远的情况。尤其是当参与表演的灯具很多且很分散时，控制中心所需的电脑灯控台就会成倍增加，显然无法满足现场要求。在重庆市重点夜景工程—“朝天扬帆”大型动感音乐灯光表演一期工程项目中，由于现场是跨越长江进行表演，所以选择无线DMX-512信号传输系统。但由于地理环境较复杂，有大量的现场观众，并且有多种类型的设备，如电话机、无线电视信号、对讲机等使得无线通讯易受干扰。另外，该夜景工程表演的节点多而且彼此相距都很远，采用无线DMX-512信号传输系统后，表演中常出现灯光表演延迟于音乐的现象，未达到理想的表演效果，有时甚至出现通讯暂时中断的现象。针对以上问题，我们在该项目的二期工程中提出了一种全新的大型户外声光表演控制思想，利用分散控制的方式将表演设备划分为主站（控制中心）与分站（表演节点），使每一个表演节点均能做到自主表演，控制中心与各表演节点之间避免了表演过程中大量DMX512信号的传输，只传送流量很小的若干控制信号，从而使表演更加方便和可靠。2系统设计原理为提升重庆主城区夜景档次，突出独具特色的山城、江城夜间景观，提升城市形象，以夜景带动旅游、餐饮等相关产业发展，推动重庆市物质文明和精神文明建设。2007年3月，重庆市委市政府决定实施“朝天扬帆”大型动感音乐灯光表演工程建设。该工程由53盏7000W空中大炮灯，30盏7000W空中利剑灯，56盏城市之光灯，9盏闪电灯，6盏多彩灯，3台高功率激光灯，1盏空中玫瑰以及两组无线音响组成。这些灯具分布在南滨路，朝天门广场，以及海客瀛洲、基良广场、朝天门大酒店、东和湾、南国丽景等5栋大楼。在一期工程中采用了无线DMX网络信号传输系统，系统结构图如图1所示。图1无线DMX网络信号传输系统原理图该工程由于灯具在地理上分布很分散，系统发射DMX512信号有长江、嘉陵江的阻隔，现场环境复杂，干扰源多，所以表演效果不太理想，时常发生数据丢失，误码率较高的情况。另外，由于表演数据由电脑灯控制台输出，音乐播放由另一台PC机输出，造成了音乐和灯光表演的不同步现象。而且此套系统对于非专业灯光师来说操作比较复杂。针对以上的问题，在二期工程中我们提出一种全新的适合于户外的基于分散控制的音乐灯光表演控制系统，并开发了此种控制方式下专用的软件。在此方式下表演系统对无线传输系统的依赖程度大大降低，每个表演节点均能自主表演，隔江发送的不再是多回路的DMX512信号，取而代之的是流量很小的控制信号。2.1系统设计分散控制将控制功能分散，显示和操作集中，兼顾了分而自治和综合协调的设计原则。因此，从系统可靠性以及操作的便利性出发，尝试将分散控制引入到本工程项目中。基于分散控制的思想，该系统采取总站、分站的形式，不再利用电脑灯控制台发送DMX512信号。总站存储有表演方案库及各种灯具的信息，分站存有表演数据库。表演时，总站发送控制信号给各个分站，分站收到信号则自行读取本地表演库，将库中数据以DMX信号方式有线发送给表演灯具。原理如图2所示。图2“朝天扬帆”表演控制系统原理图2.2各子系统设计思路该声光控制系统由若干子系统组成。包括表演控制系统、检修控制系统、定时表演系统、站点通信管理系统、表演方案辅助设计系统以及三个数据库：方案数据库、用户数据库、灯具数据库。如图3所示。朝天扬帆控制系统表演控制检修控制定时表演表演方案辅助设计方案数据库灯具数据库站点通信管理用户数据库图3“朝天扬帆”控制系统功能框图(1)表演控制系统总站的方案数据库用无线数传电台提前传送到分站数据库中。操作时只需在总站操作界面上点击一个按钮，即可以启动各分站进行表演。表演过程中再无需工作人员的干预，全部由该系统自动完成整个表演过程。每个分站都有本地定时器，根据定时器的时间从方案数据库中提取表演数据输出至DMX512协议转换器（USB协议转DMX512协议），再由该设备送至表演灯具。总站在表演过程中负责播放表演音乐，同时给各分站发送同步时间信号，以保证各分站的表演均与总站所播放的音乐同步。(2)检修控制系统由于该系统完全摒弃了传统的灯光控制台，因此在对具体表演灯具进行操作时只能在总站操作软件上进行处理。采用了灯具数据库的形式，当在总站对某一个灯具操作时，从库中查找该灯具所属的分站号以及灯具的型号，得到调光回路数以及该灯具首个调光回路的DMX512地址。这样就得到了站点号、DMX512调光回路首地址、调光回路数及每个调光回路的数值。总站将这些相关信息打包以广播的形式发送至分站，各分站通过检查数据包的地址来判断是否为本站数据，是则接受。通过这种方式完全达到了直接用电脑灯控台输出DMX512数据控制电脑灯的效果。另外，当总站只是改变某个调光回路数值时，则总站只发送对应调光回路的数值。这样尽可能地减少了无线的数据传输量。(3)定时表演系统为了增强系统的可靠性，在系统设计中考虑了最差的通讯效果，即通讯完全失效的情况。在这种情况下如果有重大表演，若采用无线DMX网络系统则根本无法解决这个问题。因此在该表演系统的基础上增加了定时表演功能。具体实现方法是在各个站点中加入定时表演数据库，其内容包括定时时间和表演方案号。在各分站系统时间运行到预定时间时，若主站还没有发送“表演开始”信号，则各分站就按预置的表演方案自主进行表演。(4)站点通信管理系统分散控制的要点就是实现操作和显示集中，将控制功能分散,从而使风险降低。本系统对分站的管理包括通信测试、站点重启、站点关机、系统较时等功能。在主站程序中把这些操作管理任务集中到一个页面上，通过相关的操作可以很容易地判别每个分站的工作状态。还可以检测无线数传电台通讯的质量，以决定是否执行定时表演。(5)表演方案辅助设计系统由于取消了电脑灯控台的应用，该系统在设计表演方案时提供了一个表演方案辅助设计平台，利用该平台就能轻松地生成与音乐相对应的表演方案。表演方案设计平台首先设计出仿控台的灯光设计平台，可以在此平台上设计出任何灯光效果。针对灯具不同的性能特点，不同的布灯位置，对不同层次的灯利用设计平台设计出多种效果的灯光效果并存入灯光动作专家库中。再通过提取音乐的基本特征，为各个不同特征匹配相应的音乐灯光动作从而轻松地生成音乐灯光表演方案。3系统功能实现在“朝天扬帆”大型声光表演控制系统中，系统构成与传统舞台灯光表演以及户外无线DMX网络完全不同，因此在诸如声光同步、表演节目的编排上均有很大的不同。3.1同步性的实现在系统方案设计中取消了电脑灯控制台的使用，因此要保证总站的音乐和分站的表演同步就必须由软件来实现。实现的具体方法如下：在表演阶段，总站隔段时间以广播方式发送同步信号（同步信号由当前音乐播放时间构成，精确到ms）。分站接收到此同步信号后，以该时间为基准去查询表演库，找到对应此时间的记录输出。同时，用此时间更新本地定时器时间。由于表演库内容较多，为了缩短数据查询时间，用同步时间与本地表演定时器时间差值计算出前查或后查的记录数。这样既保证了查询的快速性，又保证了准确性。3.2可靠性的实现在灯光表演过程中，前期的无线DMX网络信号传输系统当某个局部接收天线故障时，则该天线所控制的灯具就无法参加表演。而本系统则能够做到如果分站出故障或需要重新起动，在处理完故障重新起动后，仍然可以参加表演，并且可以直接插入到当前表演过程。实现方法是：总站伴随同步信号发送的还有一个当前表演节目方案号和开始信号，这样不管分站什么时候起动，一旦起动完成接收到这几个信号后，迅速地查询当前节目方案号对应的表演库，依靠同步时间信号找到目前正在表演的数据，插入当前的表演。3.3可扩充性的实现传统灯光表演系统中当更换或者添加了个别灯具时，由于灯具的调光回路数可能不同，就会造成采用电脑灯控台编辑的灯光表演程序无法进行表演，需要重新进行编排，而且耗时比较长。在本系统中，只需在主站表演方案管理模块中对表演方案相关的调光回路进行修改，再重新生成表演数据库即可。整个过程几分钟之内就可以完成，完全不影响正常的表演。当需要增加表演方案时，由主站将增加的方案发送至分站表演数据库中进行存储。这样，分站中存有多套表演方案，表演时由主站发送要进行表演的任意方案号，分站自动将方案调入内存进行表演。4结束语重庆市“朝天扬帆”大型音乐灯光工程以灿烂而绚丽、缤纷而多彩的灯光，伴随音乐的旋律，有声有色，如诗如画地表现重庆城市感天动地的人文精神和三千万巴渝儿女的壮志豪情，表现重庆拥抱世界的开放之姿。该声光表演控