水立方LED建筑物景觀照明及控制系統(tǒng)

　　國家游泳中心建筑物景觀照明充分利用LED色彩豐富的特點，利用光色的藝術(shù)語言和表現(xiàn)力，充分展現(xiàn)、描繪和重塑“水立方”在夜間的優(yōu)美形象，并賦予廣泛、深刻的文化內(nèi)涵。體現(xiàn)“人文、科技、綠色”奧運的三大理念。

１、突出“水”的主題“水立方”的建筑設(shè)計以及景觀、裝飾、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等設(shè)計均是以“水”為主題。其建筑物景觀照明設(shè)計同樣也是以“水”為主題。其最基本的照明效果要求呈現(xiàn)藍(lán)色，體現(xiàn)水的純凈感和整體感，通過光與色的變幻，使“水”形象化和藝術(shù)化。

２、突出奧林匹克精神“水立方”是2008年奧運會的主要場館之一，其建筑物景觀照明的基本構(gòu)思是使燈光的圖案、場景、模式與館內(nèi)的比賽、發(fā)獎及鳥巢的開幕式、閉幕式等奧林匹克比賽活動有機地聯(lián)系起來。通過光與色、照明場景的變幻，突出“團結(jié)、友誼、進步、和諧”，“同一個世界，同一個夢想”，“更快、更高、更強”的奧林匹克精神，增強世界人民之間的友誼，促進世界和諧。

３、與鳥巢交相輝映“水立方”與“鳥巢”相鄰，“鳥巢”陽剛、激勵、興奮、外露;“水立方”寧靜、嬌柔、祥和、內(nèi)斂;兩個建筑的風(fēng)格迥異，又相互協(xié)調(diào),相互陪襯。在景觀照明設(shè)計上也必須交相輝映、相得益彰。

４、融入中國、北京的文化特色

中國、北京作為2008年奧運會的主辦國和主辦城市，其建筑物景觀照明一定要融入中國、北京的文化特色。

二、照光方式、布燈方式及光源的選擇

　　國家游泳中心采用ETFE氣枕構(gòu)成外圍護結(jié)構(gòu)。氣枕是由3-4層ETFE膜固定在金屬框架上，每二層ETFE之間充有空氣，內(nèi)外氣枕靠近中間空腔的一層ETFE膜，按著建筑熱工的要求鍍有銀色斑點，鍍點面積分別為10%、20%、30%、50%、65%，氣枕共24種規(guī)格。內(nèi)外氣枕中間是鋼結(jié)構(gòu)骨架。由于這種外圍護結(jié)構(gòu)決定了“水立方”不適合采用“外透光”的建筑物景觀照明方式，因為沒有良好的反射面；也不適合采用“一般內(nèi)透光”的照明方式，因為光要透光6層膜，光的損失太大；也不適合采用輪廓照明方式，因為“水立方”氣枕外立面雖有弧度，但非常平整，不適合外掛燈具。我們采用“空腔內(nèi)透光”的照明方式。在固定外層氣枕的金屬框架后面布燈，側(cè)面投射，這樣便于隱藏?zé)艟?，容易做到見光不見燈。為了?jié)能、環(huán)保以及便于形成更多的照明場景，我們選擇了LED光源。

三、亮度指標(biāo)和功率指標(biāo)

(1)亮度指標(biāo)

關(guān)于建筑物立面照明的亮度，國際照明委員會CIE規(guī)定：城市繁華地區(qū)為12cd/ m2,一般地區(qū)為6cd/ m2；北京市關(guān)于奧運公園中心區(qū)建筑物立面照明亮度規(guī)定為不高于6cd/ m2。根據(jù)上述規(guī)定，我們確定了國家游泳中心建筑物景觀照明四個立面亮度不高于6cd/ m2，屋頂為不高于3cd/ m2。

(2)功率指標(biāo)的估算
根據(jù)公式（1）、公式（2），可以推出估算公式了（3）。

L=E/（1） E=UP　　（2） P=　?。?）

·式中-ETFE膜的透射率；
·U-利用系數(shù)；
·-每瓦LED所發(fā)光通量，Lm；
·L-亮度，cd/ m2；
·P-每平米ETFE氣枕表面所需LED功率，W。

(3)ETFE膜和氣枕的透射率的估算

由于藍(lán)光LED光效最低，而且人眼對藍(lán)光最不敏感，所以計算中以藍(lán)光為依據(jù)。ETFE氣枕的透視率可以認(rèn)為三層ETFE膜的透視率的乘積。約為0.6。

(4)利用系數(shù)U的估算

假定利用系數(shù)U在0.2-0.3之間。

(5)每瓦LED-光通量
　　以藍(lán)光為例，取單位功率（每瓦）10-15Lm.(6)ETFE氣枕每平米表面所需功率約為6-15W，取6W。
經(jīng)過試驗，對于大面積的ETFE氣枕外立面的亮度控制在2-4 cd/ m2為宜。

四、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是景觀照明系統(tǒng)的核心組成部分。通過比較，我們提出了如下的設(shè)計方案：采用基于IPv6的實時以太網(wǎng)的組網(wǎng)方案。以FPGA為硬件載體，在單一芯片上實現(xiàn)控制節(jié)點的所有功能。

（1）采用IPv6實時以太網(wǎng)

①以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的計算機網(wǎng)絡(luò)，兼容性好?；赥CP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，一直都是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流。②具有豐富的軟硬件資源，價格低廉。通信速率高。目前以太網(wǎng)的通信速率比現(xiàn)場總線快得多，以太網(wǎng)可以滿足對帶寬的更高要求。③可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它吸引大量的技術(shù)投入。④IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址，把IPv6引入照明控制網(wǎng)，使每個光源具有一個獨立的IP地址，這將使照明控制網(wǎng)的功能變得特別強大，在傳輸速率、組網(wǎng)規(guī)模、遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)維護等諸多方面都得到質(zhì)的提高。⑤傳統(tǒng)以太網(wǎng)應(yīng)用于控制時，最主要就是確保實時性問題。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制機制，具有排隊延遲不確定和通信響應(yīng)不確定的問題。在犧牲一些復(fù)雜功能的前提下，對以太網(wǎng)的協(xié)議進行一定程度的修改和精簡，使以太網(wǎng)具備實時性，以太網(wǎng)將能滿足照明控制系統(tǒng)要求。

（2）采用FPGA現(xiàn)場可編程的邏輯芯片

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)的基本組成和主要的硬件載體，應(yīng)具有如下特點和功能：

①自主性：系統(tǒng)上各節(jié)點過網(wǎng)絡(luò)連接起來的，各節(jié)點獨立自主地完成自己的任務(wù)，且節(jié)點的容量可擴充，配套軟件隨時可組態(tài)加載，是一個能獨立運行的高可靠性子系統(tǒng)。 ②協(xié)調(diào)性：通過實時高可靠的控制局部網(wǎng)絡(luò)使傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享，節(jié)點之間從總體功能及優(yōu)化處理方面具有充分的協(xié)調(diào)性。 ③在線性與實時性：通過大量I/O接口，對控制對象進行實時控制和檢測，同時可進行網(wǎng)絡(luò)路由、組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維修。 ④可靠性：從結(jié)構(gòu)上采用容錯設(shè)計，使得在任一個節(jié)點失效的情況下，仍然保持系統(tǒng)的完整性；即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。從硬件上包括節(jié)點主要功能模塊、通訊鏈路都采用多重化配置和備份。從軟件上采用分段與模塊化設(shè)計，積木式結(jié)構(gòu)，采用程序卷回或指令復(fù)執(zhí)的容錯設(shè)計。 保證系統(tǒng)的高可靠性。⑤適應(yīng)性、靈活性和可擴充性：硬件和軟件采用開放式，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，系統(tǒng)積木式結(jié)構(gòu)，具有靈活的配置可適應(yīng)不同的需要。⑥處理能力：控制節(jié)點需在單一芯片上實現(xiàn)控制LED光源、運行IPv6協(xié)議棧、對數(shù)據(jù)流解壓縮、對圖像實時處理、自動預(yù)存顯示內(nèi)容、故障報告與處理等功能⑦友好性：控制節(jié)點能及時的報告自身狀態(tài)，便于故障的及時定位，方便維護。

采用FPGA，在處理能力、可靠性、體積、成本等方面都能得到很好的滿足。

（3）智能照明控制在國內(nèi)外均是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，所以要力求創(chuàng)新。在技術(shù)上堅持先進性與實用性緊密結(jié)合的研究策略。具體的實現(xiàn)方法如下：基于硬件/軟件協(xié)同設(shè)計方法，開發(fā)用于網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點的SOPC（可編程片上系統(tǒng)）。該SOPC包括LED光源控制模塊、圖像處理功能模塊、網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制模塊、存儲器接口模塊等，所有模塊以IP Core的形式開發(fā)，并通過WISHBONE總線互聯(lián)，該SOPC最終在FPGA芯片上實現(xiàn)。

2008年奧運會開幕時，國家游泳中心LED建筑物景觀照明將以千變?nèi)f化的色彩和豐富多彩的場景呈現(xiàn)給世界人民。我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)也必將以嶄新的面貌展現(xiàn)在世界人民的面前。我們期待這一天的到來。