东莞玉兰大剧院灯光网络控制系统概述

本文作者马礼民先生，广州斯全德灯光有限公司总经理，斯全德灯光中国办事处首席执行官；潘云辉高级工程师。

[摘 要] 数字化、网络化、智能化灯光技术的快速发展，舞台空间定位灯光智能化控制与人性化管理已逐渐成为业内专业人员关注的焦点。运用先进、可靠的网络高速传输技术，将整个灯光控制系统构筑成一个可靠、完善的网络智能控制系统，这是业内专业人员共同努力的方向。鉴于目前灯光网络应用技术的国际通用性协议尚未正式出台，各厂家都应用各自的网络控制协议来设计产品，其通用性目前尚属探索阶段，因此近期灯光网络控制系统的设计很注重多控制源的优先级控制。2005年东莞玉兰大剧院的灯光网络控制系统，正是在这一背景下的设计作品。本文阐述其应用方案，与大家共享。

一. 剧场灯光网络系统功能定位
　　采用国际成熟以太网络的舞台灯光信号传输系统，实现管理一体化、有效降低经营成本，并为系统升级和设备未来的更新换代提供实现平台，使其应用功能达到国际一流水平。具体功能如下：
（1） 在大剧院构筑灯光网络，将所有程序化的舞台灯光、观众照明和工作场灯控制系统，包括DMX输入输出信号、反馈信号、手控、遥控、监测信号、视频信号、设定功能、升级功能等均在以太网络上传递。
（2） 布线统一，维护方便。超五类线缆可以同时传输反馈信号、视频信号、DMX等多种数字信号，数据传输容量大、速度快；线缆间采用网络集线器连接，系统升级简便。
（3） 通过网络达到资源共享，主、备灯控台同步实时运行，最大限度地保障演出的顺利进行；利用局域网和互联网可进行数字化的模拟显示及编辑等，节省装台、布光、彩排时间，有效地提高了剧院的使用效率。
（4） 监控系统功能强大。有别于传统的模拟或其它数字检测系统，以太网络可以承受庞大的信息量，所传输的信息不仅速度快，而且类型丰富多样：图像、音乐、数据库等，图文并茂。通过用户多级密码保护功能的配置，可实施不同使用权限的管理人员全方位地异地检测、监视、修改和调控等。 
（5） 灯光控制系统的网络端口分布，极大满足剧场各剧种的应用需要和现代化剧场管理的要求，同时预留未来系统扩容和设备升级的需要。
（6） 满足现在，兼容未来。DMX512设备和网络灯光设备的统一、系统升级只需要更换相应使用软件即可对所有硬件设施实时监控，更加合理地分配设备的利用率，提供硬件设施图纸，远程或离线编辑，完成设计创意，缩短装台时间，提高剧院使用率。

二. 网络控制系统设置 
　　设置原则：按需分配的设备配置，以满足大剧院演出功能为前提，做到科学、先进、实用、安全、注重与国际接轨又符合中国国情，方便使用，关键设备达到国际一级水平，并符合CE标准；管线选型与配套施工符合国际和国家相关行业标准和规范，确保控制系统安全可靠；各灯光网络控制系统均具有双重备份多级保护系统，控制信号具备严格有效的实时完全跟踪备份，确保万无一失。
（1）灯光网络系统设计原则 
①剧院的灯光网络控制系统，是新一代高速网络与智能数字控制设备的集成。采用了以太网与DMX512网并存的设计，这种双信号并存系统，即满足了当前的使用要求，又为将来的系统升级、换代和新技术发展留有充分的余地。
② 双信号并存网络，为大剧院提供了信息交流平台，它覆盖了大剧场、多功能剧场以及剧院行政管理部门等场所。系统包括两个场所的局域网络，各场所网络既相对独立，又可整体控制，方便地以互联网连通。
③ 以太网络结构建设标准化、模块化，具备多层次，多级别在线保护功能，网络备份全自动化；线路设计具有前瞻性、兼容性，充分满足未来线路延伸、节点增加等系统扩容升级需求、可简易执行未来的ACN协议； 
④ 各场所内的网络主干线缆采用多模光纤敷设，大剧场共设置四套灯光网络交换机组成环型拓扑结构，为大剧场网络提供了高可靠的信息交流传输平台。 
⑤ 设备选型可靠性、先进性、实用性与经济性俱佳。
⑥ 控制台选用国际技术成熟、性能优越可靠的控制台，具备网络学习功能，支持完全跟踪备份；控制节点分布与系统设计具备先进性、合理性和前瞻性，充分考虑到节目的不同要求，适应国内外灯光设计师和操作人员的使用习惯。
⑦ 接插件和线材符合国际标准，做到安全、可靠、耐用。传输介质的选用力求合理，综合考虑了各介质的性能参数与实际施工及今后实际的需要。 
（2）灯光网络系统设计目标 
① 信息的互通性：
灯光网络设备均符合国际标准的网络传输协议TCP/IP协议和灯光控制协议DMX512 （1990），彻底解决了网络数据的互通性问题。
② 信息的互用性：
设计的灯光网络设备均为Strand公司生产的灯光网络控制台和网络节点以及国际著名公司生产的符合国际标准的网路设备，彻底解决了网络数据的互用性问题，真正实现信息共享。
③ 信息的可靠性：
设计选用的设备，性能可靠，技术成熟。Strand灯光网络设备均具有防错纠错功能，使其传输数据更安全可靠，保证系统的安全、稳定运行。ShowNET是一套技术先进，功能完整的灯光网络系统。它拥有一套灯光网络系统管理体系和运行有效的方案措施，预防各种网络冲突问题，有效增强了网络的实用性和稳定性。通过预测与信息反馈，及时检测设备的故障，并迅速采取措施将故障修复，以减少或消除网络中断和设备故障。采取关键设备在线备份的措施，即使出现故障，便可立即由备份设备来接替工作，不会出现间断和影响工作的正常进行。提高网络的运行质量，运用新技术，采用合理、有效、可靠的传输介质和网络运行设备。终端设备保证数据传输的准确性和快速高效性，提高网络的资源利用率，通过充分了解舞台灯光需要的信号点位，合理的进行线路布置，充分提高网络信号的最大利用率。
④ 系统控制全面性：
灯光网络系统能承载几乎所有灯光设备，包括舞台常规灯、数字机械化灯、电脑灯、换色器、效果器以及场灯在内的照明控制系统。
⑤ 系统控制多样性：
通过网络系统实现照明灯光的直控、遥控、监控、多人控制与多点控制。系统的可扩展性：ShowNET随时可简易升级和扩容方便远程诊断与设备维护，兼容未来的灯光网络协议（ACN协议）。

三. 网络系统设备配置
（1）灯光网络结构 
灯光网络由大剧场主干网络和灯光控制系统网络两大部分组成，主干网络负责各灯光网络工作站之间的数据传输，系统连接、共享。主要采用先进、稳定、高速的千兆光纤以太网技术，将灯光控制系统等资源共享变得科学合理又简便易行。网络系统设计，包括主干网络设计及单个系统的网络设计，采用光纤连接。其三大优点是：一、有效抑制电磁干扰；二、可远距离传输信号而不产生衰减；三、可同时从回路的双方向传输信号，以保证整体主系统运行的稳定性。主干灯光网络设备选用符合国际标准TCP/IP通讯传输协议和性能可靠的设备；网络多级备份，确保数据传输高速可靠并具有共享性。 
大剧场灯光网络交换机位于大剧场中心控制室、调光器室、舞台设备层、舞台上场门4处，连接大剧场整个灯光网络系统，并与多功能剧场灯光网络交换机连接。
大剧场整体灯光网络系统的主干线，在设计中采用以双环型局域网的形式连接4套中枢灯光网络设备。控制室主灯光网络设备与每套灯光网络设备既可独立工作和相互冗余备份。网络交换机设有三层结构，光纤收发接口实现堆叠功能和网络管理功能，支持国际最新标准IEEE 802.3 af。
大剧场以太网络节点的具体位置包括：大剧场灯控室、舞台右边桥、舞台左边桥、舞台侧台、乐池、耳光室、调光器室、舞台设备层、面光桥等。本次设计大剧场网络节点共有138个分布点。
① 定点控制
布光、编辑工作，通过控制室、乐池旁、观众厅内的灯光控制站点，连接到电脑控制台上，完成灯光调度。控制室主要用于演出调光。乐池旁、观众厅内的灯光控制站点，既用来制作和编辑新的演出照明方式，也可供导演和灯光师编排节目时现场使用。
② 多点控制
全数字网络调光系统的优良特性是具有多点控制及场备份的功能，根据需要设置多点控制接口以备灯光师随时调用。
③多人控制
可设定功能增创第二、甚至第三或第四个控制输入至系统中作为主控台角色的一个分支。在遥控模式下，每个控制台有其自己独立的输入命令和显示，并可把控制回路的资料进行"Partitioned"(分割)并加以记录。这种功能容许一个控制台独立记录控制回路于主CUE场上，而与此同时，其它灯光师可利用他们的回路分割并执行在同一个CUE场上。带着独自的显示及唯一的回路列表，每个控制台的回路分割可为整个系统的任意一部份，从而去满足节目表演中的各种需求。
④无线遥控
依据传输线路可以连接便携式无线控制器（如：PDA调光）的特点，达到遥控整个系统。便携式无线遥控器（PDA）可以将主控台上的多种功能调用出来，节省了对光时间，提高整个系统操作的实用性和灵活性。
（2） 主干光纤网络
设计的主干网络是指大剧场各个网络交换机，如大剧场灯控制室、调光器室、设备层等的控制联系网络。主干网络由于线路长、传输数据多，特采用单模光纤的千兆以太网络系统。 
目前，很多的网络系统设计概念已相当完整，各自都具备计算机网络系统，系统之间的主干连接，考虑传输距离和信号质量以及系统今后的扩展，通过光纤收发器，将信号源转换为光信号进行传输，由于采用了基于多模光纤的千兆以太网技术，整体网络的扩展和连接相对比较简单。主干光纤网络，能完全兼容大剧场的网络系统。这样一来，既节省了投资又使资源得到合理利用，使整个系统功能十分完善，只要将光纤信号直接接入大剧场的网络光纤收发机，便可以利用计算机网络资源，实现大剧场内网络资源共享，灯光系统、音响系统、视频系统、计算机系统都可实现文件的共享，同时通过计算机网络实现与国际互联网INTERNET的连接，方便系统在网上简易实现系统升级和设备的远程诊断维护。 
（3） 灯光网络控制
系统以太网/DMX灯光网络，灯光网络控制系统，是指用网络传输和监测灯光控制信息的系统。整个控制系统，严格遵循TCP/IP通讯协议和USITT DMX512/1990 。灯光控制系统成星型分布，各信号集中于各自的灯光网络交换机，通过集线器分布以太网节点，数据传输介质采用超5类以太网信号线，DMX信号由连接网络交换机中的SN110网络节点提供，每个SN110上有LCD液晶显示，用来提供信息指示及两个DMX接口，每个接口能利用网络配接软件或浏览器加以设置。可从大剧场的中央计算机或任何无线场景遥控器上，完成所有SN110的设置工序，电源直接由网线从网络中提供 (国际最新标准IEEE 802.3af) 。 所有手提型的网络单元，均可直接利用插件的网络接口连接并通电工作，通过Strand SN1XX NODE网络节点，实现以太网控制信号与DMX信号的相互转换并合理分布于大剧场各DMX信号节点。灯光网络配置具备专用的网络配置软件，能对网络中各个信息节点，统一配置、修改，网络中具备以太网DMX控制、无线遥控、有线遥控并能接入场灯控制系统以及环境照明控制系统。 

此次设计所采用的技术，全面引进了由斯全德公司--最早开发又不断完善，目前处于世界领先地位之一的Strand ShowNET技术。包括了最新的无线网络系统，最新发表的工作电源于网络线材中游走等，来提供控制系统的灵活性，它将灯光控制系统完全溶入了网络系统，并进行了无缝整合，对灯光控制技术进行了系统地整合和扩充，使得灯光网络控制更加简便易行，应用ShowNET TCP/IP协议和软件给灯光控制带来了技术革新的最新成果 。
大剧场中的灯光网络控制设备，均可由该系统统一进行控制，没有任何信号的兼容问题，应用了强大的Strand ShowNET Configuration网络配置编辑软件，通过人性化的界面使系统实现任意放置，数据还能从任一特定的区域更新，SN1XX 节点避免了从一个网点运行到另一个网点去更新系统的繁琐。该软件能通过设定来分配指派所有的以太网选址、信息、IP、网关、多点传送、组合、分支网络信息到每个网点。可以说Strand ShowNET是对传统的DMX512的重大的技术革新，是灯光控制系统的一次质的飞跃，它彻底解决了上千回路大型剧院或多功能剧场，回路分布和多调光台控制同一组调光柜与数控设备等一系列、单一应用DMX512网络所无法实现的技术难题 。
为了保障系统运行的可靠性和稳定性，在每个中心控制室使用不间断电源（UPS电源），这里使用的是美国APC公司的UPS电源产品，这种UPS电源属在线式（ON-LINE）系统，它可以为负载提供稳频、稳压、不间断高质量纯正弦波交流电，该系统能有效地克服由外电网直接供电所引起的常见电源质量问题，如电压过高、过低、电压突变或瞬间尖波、电源线上杂波干扰、电力供应中断或瞬间断电等，从而保证网络设备的正常运行，防止电脑及数据处理系统内的数据丢失。UPS不间断电源是特别为各种微电脑网络，小型电脑工作站和精密电子仪器设计的，运行极为可靠，还可增加电池组延长后备供电时间，以满足在断电情况下，仍获得长时间供电的特殊需要 。
（4）网络布线 
此次设计对于网络布线、接线以及接线盒的工艺处理方面都要求非常细致，在所有网络中，使用了美国AMP公司系列带锁接插件，所有网络设备的生产和架设都符合国际工业标准。其中的外购部份更是选用业界领先的产品，如"IMC"、"3M"、"3Com"等有效增强系统的高水平及稳定性，接线盒中包括了各个回路的强电输出部分和信号传输，弱电接口部分由于采用了国际先进的生产工艺，消除了其它信号的干扰问题，线材接插件均符合国际电气认证，线材均经阻燃处理，线与接插件的连接均要求使用焊接技术处理，彻底杜绝接插件中的打火现象。总体布线根据大剧场的建筑结构以及线路的布置标准，合理布局，统一规划充分显示出大剧场现代化、自动化灯光控制系统的先进性灵活性和稳定性。 
大剧场灯光网络控制遵循TCP/IP网络协议及USITT DMX512/1990，整体控制采用以太网系统，采用超五类双绞线传输TCP/IP、DMX512等数字信号，每个以太网接口均采用金属接线头保护。
（5）系统硬件与软件 
调光台为整个系统的枢纽中心，此次设计使用的是Strand 550i电脑调光台, 定义的模式可为主控台、备份台及遥控台三种。主控台为整个网络之首，连接了斯全德"SHOWNETTM"以太网网络和SN系列网站后，2048路DMX输出可以增加到8192路（16个DMX单元）；以控制整个系统备份台，以网络架构与主控台连接,并利用完全跟踪备份(Full Tracking Backup)模式，对主控台进行学习，即主备调光台并行处理，在任一台调光台上按键，则另一调光台马上学习，演出时同步输出信号。这种完全跟踪、备份与传统的双机热备份操作（即先在主机上编程再通过磁盘纪录后再考贝到备份台中, 一旦演出中途故障，便需要从备份台中紧急操作调出程序）的模式相比较，具有更大的时效性与安全性。备控台也可以为主控台的分控台，在大型演出中往往可通过分工来处理, 如主控台为传统灯控制，备控台为换色器等控制，也可设定功能扩展等。 

此设计方案运用STRAND 550i电脑调光台作为主调光台和另一台STRAND 550i电脑调光台作为辅助调光台，两台调光台互为联网后在互为备份的同时，还可选用另一台STRAND 550i或300电脑调光台作为完全跟踪、备份台。在两台550i控制台之间提供备份工作，当备份550i电脑调光台自动确认"主机"身份的控制台失效时，备份550i或300电脑调光台会自动确认接管，直至另一控制台上线并"Login" 设置成为另一"主机" 或"遥控" 的角色，此时一个全功能的控制平台已准备就绪，网络的接替和控制权的转换为全自动化。另外550i控制台当然也可以设置成备份角色，为其它控台服务。调光台与调光台之间互为学习，互为完全跟踪备份，确保信号输出稳定畅通 。

通过网络节点可在大剧场观众席建立灯光控制站点和监控界面，完全实现大剧场灯光的多点控制、多人控制、遥控和监控。这种具有国际先进水平的高度灵活性灯光控制系统，充分体现了大剧场舞台灯光现代化管理理念与新式灯光操作管理模式，大大节省装台与布光所用的时间，也给节目编排时，导演与灯光师在现场的声音和视觉交流，带来变革性的便利。 DMX/以太网络调光系统是新一代高速网络与智能数字调光设备的集成，是目前最为理想的舞台灯光控制系统，它既可以传输DMX512信号，也可以传输以太网络信号，并综合了两者的优点。以太网（Ethernet）具有1GT比特/秒数据传输速率，较低误码率、数据传输的质量高、资源共享提供强大的通信手段、远程信息访问、易于建立维护和扩展等技术特点。 
在功率输出、电网防污染等方面，提供了STRAND新近研发成果 EC21智能型大型立柜，它是在全球性广泛应用的CD80SV硅柜基础上开发的更为先进的智能型调光立柜。该立柜主体本身就是一个完整的网络；可接手提式遥控；具有99个后备场；其最大特点是能自动对电网的谐波作出分析以调节最佳的触发角位置，保证输人电压90-240V范围内，输出电压误差小于1V，解决了演出中电压不稳而产生的调光不均及灯光闪烁现象；具备目前国际最先进的SST正弦波技术，不仅直通/调光回路可互换，正弦波/调光回路也可互换；控制反应时间快达16毫秒；可允许三相交叉配接和三相输入修正；具有DMX优先配置功能，可实现DMX完全配接；触发精度16比特4000级；标准耐冲值高达100，000AIC；全负载状态报告；磁环抗干扰能力也为国际同行中最强(可达635uS/230V)。
在灯光网络数字调光系统中，应用的软件是目前在斯全德调光台上广为使用的软件有Genius Pro Tracker、 Communique、 NetworkerReporter 、Server 、ShowNET、 Configuration等不同的软件，在整个网络系统中的功能各异 。
① Genius Pro为整个系统或单机的操作系统(O/S),所有其他的功能也都围绕它而存在，这套软件能处理6000光路（Channe）、l8192硅路(Dimmer)、2000场(Cue) 、1000组(Group) 、2000宏(Macros)、 600×99效果步30效果演出3000时间码(SMPTE)等功能除了在调光台中应用外,还可装进PC机运用以作为脱机编辑或PC机备份。 
② Tracker为换色器或电脑灯控制之用，广义上说是为控制所有接收DMX讯号而起动的器材，由于利用全新的属性观念来操作，使得在操作过程中更为直观，这是目前世界上其它同类产品所无法比拟的。 
③ Communique为调光台对外界讯号连接的界面，如模拟输入触发SMPTEMidi及宏触发等 。
④ Networker为单机对网络间沟通的桥梁，目前以1GT比特/秒的速度稳定运行，居国际较高水平。 
⑤ Server为所有控制台内编程的集中地，即每个控制台，可通过Server而达到资源共享的目的
⑥ ShowNET 、Configuration担负全系统DMX地址码的分配工作，其强大的功能可把一段通用的(Univeres)512回路里的任何回路，跟其他段的任何回路合并组成另一新段。这是其他厂商DMX分配手段力所不能及的。
⑦ ShowNET的最新版本ShowNET Pro更把原来的处理能力从16段提升到32段，即32×512=16384个DMX地址码，这32段隐藏于我们叫"NETslot"的网络配接带上，每一路可以自由搭配或定义成输出/输入，以任何一个SN110网络节点工作站中的任何一个接口中体现。
⑧ ShowNET 、Configuration软件为斯全德灯光公司全球最早开发应用，采用国际通用TCP/IP通信协议，符合将来灯光网络协议（ACN协议）的国际标准，支持USITT DMX512/1990协议。可利用PC视窗人机介面，而遥控设定所有SN110网络节点工作站的输入/输出，状态及监控。这种国际同行中独有的监测/控制可以同时进行的功能，给灯光监控管理带来国际领先的技术手段 。
⑨ Reporter Pro软件用来检查调光柜系统图画界面，在Windows XP界面运行监控调光柜每路工作状态、设计登陆密码,防止被盗用、通过密码限制使用权限、直接控制每一路可控硅、可以配置调光柜的配置、地址、线性等同时它还可以报告以下内容：短路状态、是否超温、超负载、负载(瓦特数-W)、记录负载偏离情况、无负载/断电器断开、闸流器失效、硅模组错误，真正有效监控网络信息。

四. 线缆选择方式
大剧场演出灯光数据分配系统设计多个灯光网络交换机，分别座落在灯光控制室、调光硅室、舞台上场门及设备层方便监控维护及操作。各个地点以灯光控制室网络交换机为中心以双环型接法向其它几个地点网络交换机连接，连接材料特选用8心(四对)125uM光纤电缆及超五类线缆。使大剧场中心机房到其它网络接点的距离，都能很好地控制在100米左右的范围，符合超五类线缆以太网络接点间的传输要求。
此次设计的灯光控制采用以太网承载DMX网络的形式，既安全、高效、满足需求，又为将来大剧场灯光网络系统升级、换代、扩容与新技术发展打下良好的基础。

五. 接点标签
所有接点均应配有标签，其内容应明确如下：
（1） 字体清晰可读，字体颜色、大小一致。
（2） 标签为永久固定形式。
（3） DMX 接点注明是为DMX512系统专用的。
（4） 标签上注明同网络集线器配接的编号。
（5） 标签注明接点可连接的网络线的最长距离。

六. 网络设备机柜配置
（1）机柜配置
﹡ 大剧场内DMX512接点在设备柜内的对应接口；
﹡ 大剧场内以太网络RJ45接点在设备柜内的对应接口；
﹡ 光纤集线器；
﹡ 以太网络集线器；
﹡ DMX512信号隔离分配放大器；
﹡ 以太网络/DMX512信号转换工作器；
﹡ UPS--不间断电源。
﹡ 机柜结构要求
﹡ 标准的19英寸机柜，前、后门带锁，高度是U的倍数；
﹡ DMX、以太网和电源等不同的设备均有隔离层；
﹡ 机柜具有良好的通风、散热设施；
﹡ 机柜安放位置在其前面保留1米距离作为工作空间，后面保留有0.9米距离作为工作空间；
﹡ 对内置设备应配备标签，内容简练、准确、易懂。
（2）网络机柜功能
﹡ 以太网络/DMX512信号转换工作器，工作电压应为220V；DMX512信号隔离分配放大器应符合DMX512/1990标准；每台设有8个输出接口，输出各自隔离；为日后升级，数量上考虑了20%左右的富余量；跳线考虑了25%左右的富余量。
﹡ 光纤集线器采用19英寸机架式安装；输出接口在机柜前方。以太网络集线器同样采取19英寸机架式安装，RJ45接口在机柜前方；10/100Mbps自动切换；
﹡ 集线器输出接口的数量，为实际输出接点数量并留有25%左右的富余量；
﹡ 每柜内配备一个处在工作状态下的备用网络集线器；
﹡ 所有回到集线器的线缆均有标签，明确注明线缆所连接的具体位置。 
﹡ 机柜电源及不间断电源
﹡ 机柜电源配备一个总开关（交流220V）；
﹡ 电源功率已考虑为机柜总负载至少一倍的富余量；
﹡ 电源输出接口已考虑50%的富余量；
﹡ 输出接口线缆均明确注明线缆所连接的具体位置；
﹡ 每个机柜配备独立UPS-不间断电源，19英寸机架式安装。
﹡ 不间断电源保证断电后，至少可以维持机柜内所有设备的电源正常运转3小时，同时考虑了50%左右的富余量。