水立方LED建筑物景觀(guān)照明及控制系統

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

１、突出“水”的主題“水立方”的建筑設計以及景觀(guān)、裝飾、結構、環(huán)境等設計均是以“水”為主題。其建筑物景觀(guān)照明設計同樣也是以“水”為主題。其最基本的照明效果要求呈現藍色，體現水的純凈感和整體感，通過(guò)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(huì )的主要場(chǎng)館之一，其建筑物景觀(guān)照明的基本構思是使燈光的圖案、場(chǎng)景、模式與館內的比賽、發(fā)獎及鳥(niǎo)巢的開(kāi)幕式、閉幕式等奧林匹克比賽活動(dòng)有機地聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)光與色、照明場(chǎng)景的變幻，突出“團結、友誼、進(jìn)步、和諧”，“同一個(gè)世界，同一個(gè)夢(mèng)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(jìn)世界和諧。

３、與鳥(niǎo)巢交相輝映“水立方”與“鳥(niǎo)巢”相鄰，“鳥(niǎo)巢”陽(yáng)剛、激勵、興奮、外露;“水立方”寧靜、嬌柔、祥和、內斂;兩個(gè)建筑的風(fēng)格迥異，又相互協(xié)調,相互陪襯。在景觀(guān)照明設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(huì )的主辦國和主辦城市，其建筑物景觀(guān)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氣枕構成外圍護結構。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，內外氣枕靠近中間空腔的一層ETFE膜，按著(zhù)建筑熱工的要求鍍有銀色斑點(diǎn)，鍍點(diǎn)面積分別為10%、20%、30%、50%、65%，氣枕共24種規格。內外氣枕中間是鋼結構骨架。由于這種外圍護結構決定了“水立方”不適合采用“外透光”的建筑物景觀(guān)照明方式，因為沒(méi)有良好的反射面；也不適合采用“一般內透光”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“空腔內透光”的照明方式。在固定外層氣枕的金屬框架后面布燈，側面投射，這樣便于隱藏燈具，容易做到見(jiàn)光不見(jiàn)燈。為了節能、環(huán)保以及便于形成更多的照明場(chǎng)景，我們選擇了LED光源。

三、亮度指標和功率指標

(1)亮度指標

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

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

L=E/（1） E=UP　?。?） P=　?。?）

·式中-ETFE膜的透射率；
·U-利用系數；
·-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

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

(4)利用系數U的估算

假定利用系數U在0.2-0.3之間。

(5)每瓦LED-光通量
　　以藍光為例，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(guò)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

控制系統是景觀(guān)照明系統的核心組成部分。通過(guò)比較，我們提出了如下的設計方案：采用基于IPv6的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的組網(wǎng)方案。以FPGA為硬件載體，在單一芯片上實(shí)現控制節點(diǎn)的所有功能。

（1）采用IPv6實(shí)時(shí)以太網(wǎng)

①以太網(wǎng)是目前應用最廣、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)是一種標準的開(kāi)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(jià)格低廉。通信速率高。目前以太網(wǎng)的通信速率比現場(chǎng)總線(xiàn)快得多，以太網(wǎng)可以滿(mǎn)足對帶寬的更高要求。③可持續發(fā)展潛力大。由于以太網(wǎng)的廣泛應用，使它吸引大量的技術(shù)投入。④IPv6采用128位地址長(cháng)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(gè)光源具有一個(gè)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)規模、遠程控制，系統維護等諸多方面都得到質(zhì)的提高。⑤傳統以太網(wǎng)應用于控制時(shí)，最主要就是確保實(shí)時(shí)性問(wèn)題。傳統的以太網(wǎng)采用CSMA/CD的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制機制，具有排隊延遲不確定和通信響應不確定的問(wèn)題。在犧牲一些復雜功能的前提下，對以太網(wǎng)的協(xié)議進(jìn)行一定程度的修改和精簡(jiǎn)，使以太網(wǎng)具備實(shí)時(shí)性，以太網(wǎng)將能滿(mǎn)足照明控制系統要求。

（2）采用FPGA現場(chǎng)可編程的邏輯芯片

網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò )的基本組成和主要的硬件載體，應具有如下特點(diǎn)和功能：

①自主性：系統上各節點(diǎn)過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)的，各節點(diǎn)獨立自主地完成自己的任務(wù)，且節點(diǎn)的容量可擴充，配套軟件隨時(shí)可組態(tài)加載，是一個(gè)能獨立運行的高可靠性子系統。 ②協(xié)調性：通過(guò)實(shí)時(shí)高可靠的控制局部網(wǎng)絡(luò )使傳輸數據實(shí)現共享，節點(diǎn)之間從總體功能及優(yōu)化處理方面具有充分的協(xié)調性。 ③在線(xiàn)性與實(shí)時(shí)性：通過(guò)大量I/O接口，對控制對象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和檢測，同時(shí)可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )路由、組態(tài)回路的在線(xiàn)修改、局部故障的在線(xiàn)維修。 ④可靠性：從結構上采用容錯設計，使得在任一個(gè)節點(diǎn)失效的情況下，仍然保持系統的完整性；即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。從硬件上包括節點(diǎn)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計，積木式結構，采用程序卷回或指令復執的容錯設計。 保證系統的高可靠性。⑤適應性、靈活性和可擴充性：硬件和軟件采用開(kāi)放式，標準化設計，系統積木式結構，具有靈活的配置可適應不同的需要。⑥處理能力：控制節點(diǎn)需在單一芯片上實(shí)現控制LED光源、運行IPv6協(xié)議棧、對數據流解壓縮、對圖像實(shí)時(shí)處理、自動(dòng)預存顯示內容、故障報告與處理等功能⑦友好性：控制節點(diǎn)能及時(shí)的報告自身狀態(tài)，便于故障的及時(shí)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(mǎn)足。

（3）智能照明控制在國內外均是一個(gè)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(jìn)性與實(shí)用性緊密結合的研究策略。具體的實(shí)現方法如下：基于硬件/軟件協(xié)同設計方法，開(kāi)發(fā)用于網(wǎng)絡(luò )控制節點(diǎn)的SOPC（可編程片上系統）。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(kāi)發(fā)，并通過(guò)WISHBONE總線(xiàn)互聯(lián)，該SOPC最終在FPGA芯片上實(shí)現。

2008年奧運會(huì )開(kāi)幕時(shí)，國家游泳中心LED建筑物景觀(guān)照明將以千變萬(wàn)化的色彩和豐富多彩的場(chǎng)景呈現給世界人民。我國半導體照明產(chǎn)業(yè)也必將以嶄新的面貌展現在世界人民的面前。我們期待這一天的到來(lái)。