分析中国国家大剧院戏剧场舞台灯光设计
一、项目背景：
中国国家大剧院是中国政府面向21世纪投资兴建的大型现代化文化设施，被称为"中国第一艺术殿堂"。总建筑面积约21.75万平方米(包括地下车库近4.66万平方米),其中主体建筑10.5万平方米,地下附属设施6万平方米。地处北京市心脏地带,西长安街沿线,与人民大会堂和天安门广场相邻。
国家大剧院主体建筑由外部围护结构和内部歌剧院、音乐厅、剧场和相应的艺术展廊、表演艺术研究交流部、艺术商店、快餐厅、咖啡厅和地下停车场等配套设施组成。在地面层坐落着三幢建筑：歌剧院、音乐厅和剧场，它们由道路区分开，彼此以悬空走道相连，恍若在水面上的地面建筑是一个巨型壳体，覆盖、庇护、包围和照亮着所有的大厅和通道。建筑物在水面中的倒影构成了大剧院的外部景观。
大剧院内有三个剧场，中间为歌剧院、东侧为音乐厅、西侧为1200座戏剧场。歌剧院主要演出歌剧、芭蕾、舞剧，有观众席2416席；音乐厅主要演出交响乐、民族乐、演唱会，有观众席2017席；戏剧场是国家大剧院最具民族特色的剧场,真丝墙面烘托出亲切、热烈而传统的气氛，营造出颇具中国特色的剧场氛围。主要供戏曲（包括京剧和各种地方戏曲）、话剧及民族歌舞使用。观众厅设有池座一层和楼座三层,共有观众席1035个。
戏剧场拥有世界上最为先进的戏剧舞台，舞台采用由镜框式舞台到伸缩式舞台的可变化形式，设有主舞台、左、右辅台和后舞台。主舞台设置的"鼓筒式"转台，由13个升降块、2个升降台组成，既可整体升降又可分别单独升降，这种形式的鼓筒式转台在世界上是唯一的，可以达到边升降边旋转的舞台效果。独特的伸出式台唇设计非常符合中国传统戏剧表演的特点。
二、舞台灯光控制系统设计指标
设计一个现代化剧场的舞台灯光系统，除考虑剧院的建筑结构形式、功能要求外，还要分析研究该剧场的用途和未来上演的剧目如何编排，要考虑各种最复杂的舞台照明形式。国家大剧院戏剧场在充分吸取已经在这方面取得成功案例的经验的基础上，结合国内外舞台设计实践，选择适宜于本剧场特殊用途的便于国内外表演团体方便使用的舞台灯光系统，其设计指标应满足以下要求：
? 双网络四备份数字灯光控制系统，工作电源于网络线材中游走；
? 主、备调光台完全跟踪备份；
? 网络速度：1GT比特/秒；
? 输出功率：每路最大10千瓦，最小3千瓦，最大输出电压可调节；
? 调光柜抗干扰指标：400us(230V时),在电流负荷加大至100A密度不会改变；
? 触发精度：16比特4000级。
三、舞台灯光控制系统使用功能及管理要求
1、该系统工艺设计和设备配置具有戏剧场的综合使用功能，满足戏曲（包括京剧和各种地方戏曲）、话剧及民族歌舞等大型综艺演出使用要求，短时间内可变换多种不同剧种的灯光操作设计。
2．该系统允许使用全部配置的各种类型灯具和其它补充设备。
3．该系统设计有足够的安全性和存储容量，整个系统在不中断主电力供应的前提下，对主控台与灯光设备进行持续的诊断检查。
4．该系统中的设备完全符合剧场舞台背景噪声的技术要求。
5．该系统的扩展能力是该系统设计之初有意预留的，如电力硅控容量、网络容量，待日后资金更充裕或新技术出现，使本系统不至于因设计不足而大面积修改或更新，满足节省资金和快速适应变化的需求。
四、系统总体技术方案
1、系统设计思想
中国国家大剧院戏剧场舞台灯光系统采用数字化、智能化、网络化调光系统，该系统是新一代高速网络与智能数字调光设备的集成，目前已经在世界许多国家级剧场如巴黎歌剧院、新加坡国家大剧院等使用。该系统采用目前在国际上比较流行也比较成熟的环形网络结构形式，附加网络数字调光形式，即主干网络采用千兆环形网，可以同时从回路的双方传输信号，增加了网络对调光设备的双向管理，使调光设备与整个网络系统设备之间实现互相监督和资源共享，即使其中一路断路也不影响数据传输，这种传输方式既安全又快捷，网络数字调光系统在数字触发方式上与全数字调光传输形式基本相同，因此保持了全数字调光系统优良特性基础上更具有多站点及场备份的功能。尤其适合于设备密切协作之间的扩展与连接的数量，同时具有系统运行状况及重要参数报告的功能，增强了系统的可靠性和监测功能。这种网络连接形式可能随时将多台电脑控制台连成一个局域网，网络系统内部各灯光控制台都是一个站点，均可独立操作也可以根据需要任意设定主操作台和备份台及无线控制的形式等，系统内可以由多人同时在不同控制点控制同一场演出或控制不同场次的演出，极大地提高了灯光系统的使用效率。
详见网络设备配置和网络集线器图。
2、灯光控制网络结构
国家大剧院戏剧场灯光网络控制系统采用以光纤为主干道网络进行远距离网络传输，无线、以太网及DMX网作为辅助网络传输。整个控制系统采用以太网/DMX网络双网控制，严格遵循TCP/IP通讯协议及USITTDMX512/1990。此网络连接的特点是:
①、传输速度快,可以双向高速传输信息;
②、系统容量无限制,传输距离远;
③、抗干扰性能好,线路双端隔离好;
④、通用性好,其软硬性及设备更标准化,技术更加普及;其中主干道网络负责各灯光网络工作站之间的数据传输及系统连接，设备主要由网络服务器、网络交换机、集线器及各种终端设备构成。其中网络应用/管理服务器、网络交换机或集线器等都属于标准的以太网网络设备，与以太网控制系统相关的终端设备有电脑终端、网络编/解码器、网络调光台（含电脑调光台、电脑灯控制台、环境照明控制器等）、网络调光硅柜、监控设备及负载（常规照明灯具、电脑灯、场灯/工作灯等），灯光控制系统成星型分布，信号集中于可控硅室，通过集线器分布以太网节点，数据传输介质采用五类以太网信号线；DMX信号由网络中的众多SN110网络节点提供。每个SN110上有LCD液晶显示来提供信息指示及两个DMX接口。所有SN110的工作电源直接由网线从网络中提供(国际标准IEEE802.3af)。所有手提型的网络单元均可直接利用插件与墙面的网络接口连接并通电工作。通过StrandSN110NODE（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。网络中具备以太网控制、DMX控制、无线遥控，并能接入场灯控制系统以及环境照明控制系统。
在戏剧场舞台灯光设计中采用世界最早开发并日趋成熟、目前处于世界领先地位的StrandShowNET技术。该技术从一开始就成功地将以太网络技术和传统的灯光控制技术相结合，并对灯光控制技术进行了系统地整合与扩充。国家大剧院戏剧场所有舞台灯光数字控制系统设备都由该系统统一地进行控制，没有任何的信号兼容问题。
StrandShowNETConfiguration网络配置编辑软件，通过人性化的接口使系统实现任意放置资料，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、多点传送组和分支网络信息到每个网点。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，使得灯光网络控制更加简便易行。
为了保障系统运行的可靠性和稳定性，在每个灯光中心控制室均使用不间断电源UPS。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、电网突波或瞬间尖波、电源线上杂波干扰、电力供应中断或瞬间断电等，从而保证仪器设备的正常运行，防止计算机及数据处理系统内的资料丢失。
3、调光回路设计
戏剧场设置3KW调光421路（含正弦波控制30路），5KW调光451路，10KW调光21路，共计893调光硅路（含正弦波30路），163直通回路，分布在各个灯位连接处。考虑要满足各种世界级大型演出，在舞台的任意需要位置都有安装灯具的可能性，因此在舞台的主要位置都大量预留以太网络接点、DMX接点和各种规格形式的照明电源。调光回路具有大功率、多回路，多种规格、多种形式的特点。
五、对系统集成、设备选择的考虑
1、系统设备集成
国家大剧院戏剧场灯光控制系统设备的集成选用信誉良好、具有高可靠性的世界知名品牌。控制部分大量选用了斯全德灯光公司(STRAND)的产品,所选用的产品均获CE、UL或CUL认证,并获ISO9001国际认证。
设备名称 数量
Strand550i电脑调光台2台
Strand520i电脑调光台 2台
HIGHENDWHOLEHOGIII电脑灯控制台 2台
HIGHENDWHOLEHOGiPC电脑灯控制台 1台
StrandEC21调光硅柜（含正弦波、直通柜）11台
Strand网络中继柜 4台
Strand无线电子手提连络接收器及天线PDA2套
StrandSN110网络节点 43台
WYSIWYG图像式反馈系统1套
2、设备选型及功能说明
(1)调光控制台
右图为Strand550i电脑调光台,戏剧场主、副控各选1台,主控台和副控台之间通过网络,可作冗余追踪,一旦主控台出现故障,副控台可在瞬间自动由该点切入,自动执行之前SHOW,接着输出演出信息,保证演出过程不间断,另配置两台Strand520i电脑调光台作为舞台监督、编程和观众席调光用。
该系统选用的STRAND550i和520i调光台，均采用目前国际最先进的奔腾处理器，最大6000光路，2000个换色器或电脑灯属性，最大18000个控制回路，2000个场、1000个组、2000个宏、600×99步灯光效果、99个灯具数据库、3000个SMPTE事件、9个远距离视频。并可把控制回路的资料进行"Partitioned"(分割)并加以记录。为灯光师提供了一个完善的方便创作的工作平台，极大的满足了灯光师的创作欲望；5条可编调光曲线可设置于整个系统中的任何可控硅回路或硅回路群,曲线以超过100个置点作调光,最大满足了舞台高精确度灯光创作的需求。完全可以满足用户未来扩容及技术升级的需求，可保持5年以上的技术领先性。
(2)调光硅柜
左图为STRANDEC21智能型大型调光立柜外型图，该硅柜主体本身就是一个完整的网络；可接手提式遥控；具有128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；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；磁环抗干扰能力也为国际同行中最强(可达635uS/230V),具有双电子器跟踪备份功能，即有两个可以独立工作的触发系统，两者之间相互学习、相互备份，保持调光立柜不间断工作，确保演出正常进行；硅柜具备全负载报告功能，所有模块（包括直通模块与正弦波模块）都有负载状态报告，并有状态显示器提供瞬时信息，任何硅柜错误信息都可直接显示在每个硅柜和任何一款控制台上。灯光操作人员可以在灯光控制室直接通过调光台显示器，随时了解灯光系统的工作状态,从而及时对灯光系统实施监控、干预及纠错。
EC21系列硅柜分单50A、单100A、双15A和双20A输出；使用电压90-277V、50/60Hz，国际标准漏电保护装置（RCD），零中心线可提供断开功能以作绝缘测试；光隅隔离双DMX512输入；风机从关闭到最高速（无段变速）完全受控于硅柜使用情况，获CE、UL、cUL和TUV安全认证。
(3)电脑灯台
飞猪系列电脑灯控制台特有的效果引擎可提供强大的个性化效果；无极定时控制可分别设置每台灯具延迟、淡变时间以及淡变的路径；WHOLEHOGⅢ内置500HzG4PowerPC处理器，可运行LinuxOS程序，256M内存，20G硬盘，650/700M可读写光驱，可连接PS2接口的键盘和鼠标。内置电源保护可避免突然断电造成的数据丢失；可同时使用8192种灯型，而无需考虑灯具的生产商与型号是否相同，甚至可以在已经编好程序后更换灯具型号。
飞猪Ⅲ同时配有两台高对比度、高亮度12.1"TFT彩色触屏显示器，可调节视觉角度。支持65539种Cue，Cuelists，场景和页命令；数量不限的同步交叉变淡和效果，同步执行数量不限的Cue，Cuelists命令；支持盲编辑制式，也可现场编辑；编程可直接存储在控台内部的硬盘上。
整个系统可使用100Base-TX高速ETHERNET/以太网，通过网络升级系统软件；同时配有其他网络扩展装置供选择：DMX处理器、MIDI/TIMECODE（时码）处理器、放映控制处理器。
(4)设计软件
WYSIWYG图像式反馈系统是一种灯光虚拟设计工具，它不是一种发出控制DMX信号的调光器，而是一种在显示屏上可以获得舞台预期虚拟效果的模拟台，可以帮助灯光设计师在完全没有设备和环境的条件下、或者根据现有的环境结构图与设备清单，利用计算机虚拟技术，在彩显上组合每场演出所需的舞台大小、尺寸、形状，再配合上吊挂、各类型灯具，经过配接，加上回路、色彩，以达到真正演出时的一切效果。在这个组建的设计库里，可以经软件内部转换而做出灯光回路配接表、器材清单、DMX属性表、灯位图、效果图等灯光设计与配置上所必须具备的图表，从而简化整个灯光的组合布光过程和程序，使其更具有系统性和细节性。当设计库设置完毕后，可以利用WYSIWYG软件所配置的硬件，输入调光台转出DMX信号，直接在调光台上输出真正的灯光控制程序。
(5)网络分配柜
戏剧场灯光网络设备全部选用STRAND灯光原厂设备，网络分配柜严格遵循标准TCP/IP通讯协议，具有双千兆位以太网上行链路，任何一个以太网点均能反馈调光柜返错信息，系统再生时间小于9秒，具有信号中断的最后场景保护功能，支持动态IP地址分配，通过灯光网络上任何终端能连接专业灯光设计软件，具有调光信息的图像式直观显示功能，实时监测灯光网络中所有与安全用电相关的设备状态报告（REPORTING）信息，实时对所有网络灯光设备进行在线远程监控，实时监测网络中所有的灯光网络设备，可实现集中控制功能，具有DMX路由和优先级设置，具有完备的网络控制冲突的解决方案，具有用于设置灯光控制网络的专业管理软件，所有节点及网络信息的配置、修改均可由其完成，无需对每个节点进行再设置，任意设定DMX512和遥控为输入或输出，能有效编辑以太网灯光控制地址，自动分配和指派所有的以太网选址信息、IP、网关、多点传送组和分支网络信息到每个信息点，可随时更新网络中的DMX收发节点和视频节点，支持在线和离线编辑。
六、方案采取的一些新技术特点
概括国家大剧院戏剧场舞台灯光控制系统，可以从以下几个方面阐述总结：新设计、新技术、新设备：
（1）新设计：
灯光控制网络系统采用双网四备份传输，以太网和DMX网络，整个控制系统严格遵循TCP/IP通讯协议及USITTDMX512/1990。满足未来ACN协议。数据传输介质采用光纤及超五类以太网信号线；DMX信号由网络中的众多SN110网络节点提供。所有SN110的工作电源直接由网线从网络中提供。所有手提型的网络单元均可直接利用插件与墙面的网络接口连接并通电工作。通过StrandSN110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。网络中具备以太网控制、DMX控制、无线遥控，并能接入场灯控制系统以及环境照明控制系统。
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。舞台灯光系统设计了四个网络分配机柜，与光纤组成一个全封闭的闭环网络。
（2）新技术：
SST正弦波调光器以高频工作，它在设计之初时的标准状态为一个模组变量的容积空间来实施每回路3KW的SST调光,在增大容量一倍后再把里面功率元件IGBT的散热片表面积加大至标准模组的2.5倍，充分令功率元件的热量释出。再配合智能风机的牵引把这些热能带到机柜以外与空气对流。SST模组的热量检测，在48模组全部置于3KW满载的情况下，以调光20%（此为产生热量最大的调光点）室温25℃，检测发现零件表面温度为58℃（零件可接受最高工作温度为125℃），这种实验一直维持了24小时，其间并没有温升，足以证明调光器是工作于热量非饱和区域；在同样的配置条件下，把调光点设在100%（亮度最大），功率元件表面温度降为49℃。证明在"满负载"这种最苛刻的应用条件下，加上在实际应用情况下，热量的产生会按负载功率的减少而下降。
正弦波调光具有更完善,更加智能化和人性化的特点,不再产生高次谐波,不再需要各种隔离、屏蔽等措施,节约了建设费用和维护费用;不再干扰其音、视频设备,不产生过载现象。
（3）新设备：
选用技术先进、节能、环保的系统设备，其中调光硅柜采用世界知名品牌STRAND的EC21。该硅柜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。其最大应用特点是能自动对电网的谐波分析以作出最佳的触发角位置，解决了演出中因为电压不稳或干扰而产生的调光不匀及灯光闪烁现象；磁环抗干扰能力最高达635uS（230V时），触发精度16比特4000级。
七、项目的应用情况
领导重视、策划精心、设计专业、选型合理和施工规范，给国家大剧院戏剧场调光工程建设注入了勃勃生机。2007年9月30日，戏剧场迎来她代表国家大剧院的首场演出——经典话剧《茶馆》。虽然这是一部已经上演了半个多世纪足有500多场的老戏，但几乎每一位观众情绪都很兴奋，仿佛进入艺术的天堂，半年多来，戏剧场共接待来访的国内外同行、剧场建设者上千人次，国内外演出数十场，普遍肯定了该项工程系统性能稳定、数据传输准确、操作方便直观、并对剧场的现代化灯光控制系统、大规模高档次设备配备、规范化施工管理和工程质量给予了高度评价。
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