[摘 要]

　　本文簡要介紹中國國家大劇院戲劇場舞臺燈光設計、設備配置、系統集成及新技術運用

　　[關健詞] 網絡游走、系統存儲、容量擴展、雙向管理、閉環光纖、雙網傳輸、 冗余追蹤 、 SST 正弦波、虛擬設計、 離線編輯

　　一、項目背景：

　　中國國家大劇院是中國政府面向 21 世紀投資興建的大型現代化文化設施，

　　被稱為 “ 中國第一藝術殿堂 ” 。總建筑面積約 21.75 萬平方米 ( 包括地下車庫近 4.66 萬平方米 ), 其中主體建筑 10. 5 萬平方米 , 地下附屬設施 6 萬平方米 。地處北京市心臟地帶 , 西長安街沿線 , 與人民大會堂和天安門廣場相鄰。

　　國家大劇院主體建筑由外部圍護結構和內部歌劇院、音樂廳、劇場和相應的藝術展廊、表演藝術研究交流部、藝術商店、快餐廳、咖啡廳和地下停車場等配套設施組成。在地面層坐落著三幢建筑：歌劇院、音樂廳和劇場，它們由道路區分開，彼此以懸空走道相連，恍若在水面上的地面建筑是一個巨型殼體，覆蓋、庇護、包圍和照亮著所有的大廳和通道。建筑物在水面中的倒影構成了大劇院的外部景觀。

　　大劇院內有三個劇場，中間為歌劇院、東側為音樂廳、西側為 1200 座戲劇場。歌劇院主要演出歌劇、 芭蕾 、 舞劇 ，有觀眾席 2416 席;音樂廳主要演出 交響樂 、民族樂、演唱會，有觀眾席 2017 席;戲劇場是國家大劇院最具民族特色的劇場 , 真絲墻面烘托出親切、熱烈而傳統的氣氛，營造出頗具中國特色的劇場氛圍。主要供 戲曲 (包括京劇和各種地方戲曲)、話劇及民族歌舞使用。觀眾廳設有池座一層和樓座三層 , 共有觀眾席 1035 個。

　　戲劇場擁有世界上最為先進的戲劇舞臺，舞臺采用由鏡框式舞臺到伸縮式舞臺的可變化形式，設有主舞臺、左、右輔臺和后舞臺。主舞臺設置的“鼓筒式”轉臺，由 13 個升降塊、 2 個升降臺組成，既可整體升降又可分別單獨升降，這種形式的鼓筒式轉臺在世界上是唯一的，可以達到邊升降邊旋轉的舞臺效果。獨特的伸出式臺唇設計非常符合中國傳統戲劇表演的特點。

　　本文主要介紹戲劇場舞臺燈光控制系統。

　　二、舞臺燈光控制系統設計指標

　　設計一個現代化劇場的舞臺燈光系統，除考慮劇院的建筑結構形式、功能要求外，還要分析研究該劇場的用途和未來上演的劇目如何編排，要考慮各種最復雜的舞臺照明形式。國家大劇院戲劇場在充分吸取已經在這方面取得成功案例的經驗的基礎上，結合國內外舞臺設計實踐，選擇適宜于本劇場特殊用途的便于國內外表演團體方便使用的舞臺燈光系統，其設計指標應滿足以下要求：

　　雙網絡四備份數字燈光控制系統，工作電源于網絡線材中游走;

　　主、備調光臺完全跟蹤備份;

　　網絡速度： 1GT 比特 / 秒;

　　輸出功率：每路最大 10 千瓦，最小 3 千瓦，最大輸出電壓可調節;

　　調光柜抗干擾指標： 400us(230V 時 ), 在電流負荷加大至 100A 密度不會改變;

　　觸發精度： 16 比特 4000 級。

　　三、舞臺燈光 控制 系統使用功能及管理要求

　　1 、該系統工藝設計和設備配置具有戲劇場的綜合使用功能，滿足 戲曲 (包括京劇和各種地方戲曲)、話劇及民族歌舞等 大型綜藝演出使用要求，短時間內可變換多種不同劇種的燈光操作設計。

　　2 .該系統允許使用全部配置的各種類型燈具和其它補充設備。

　　3 .該系統設計有足夠的安全性和存儲容量，整個系統在不中斷主電力供應的前提下，對主控臺與燈光設備進行持續的診斷檢查。

　　4 .該系統中的設備完全符合劇場舞臺背景噪聲的技術要求。

　　5 .該系統的擴展能力是該系統設計之初有意預留的，如電力硅控容量、網絡容量，待日后資金更充裕或新技術出現，使本系統不至于因設計不足而大面積修改或更新，滿足節省資金和快速適應變化的需求。

　　四、系統總體技術方案

　　1 、燈光系統設計思想

　　中國國家大劇院戲劇場舞臺燈光系統采用數字化 、智能化、 網絡化調光系統，該系統是新一代高速網絡與智能數字調光設備的集成，目前已經在世界許多國家級劇場如巴黎歌劇院、新加坡國家大劇院等使用。該系統采用目前在國際上比較流行也比較成熟的環形網絡結構形式，附加網絡數字調光形式，即主干網絡采用千兆環形網，可以同時從回路的雙方傳輸信號，增加了網絡對調光設備的雙向管理，使調光設備與整個網絡系統設備之間實現互相監督和資源共享，即使其中一路斷路也不影響數據傳輸，這種傳輸方式既安全又快捷，網絡數字調光系統在數字觸發方式上與全數字調光傳輸形式基本相同，因此保持了全數字調光系統優良特性基礎上更具有多站點及場備份的功能。尤其適合于設備密切協作之間的擴展與連接的數量，同時具有系統運行狀況及重要參數報告的功能，增強了系統的可靠性和監測功能。這種網絡連接形式可能隨時將多臺電腦控制臺連成一個局域網，網絡系統內部各燈光控制臺都是一個站點，均可獨立操作也可以根據需要任意設定主操作臺和備份臺及無線控制的形式等，系統內可以由多人同時在不同控制點控制同一場演出或控制不同場次的演出，極大地提高了燈光系統的使用效率。

　　詳見 網絡設備配置和網絡集線器圖 。

　　2 、燈光控制網絡結構

　　國家大劇院戲劇場燈光網絡控制系統采用以光纖為主干道網絡進行遠距離網絡傳輸，無線、以太網及 DMX 網作為輔助網絡傳輸。整個控制系統采用以太網 /DMX 網絡雙網控制，嚴格遵循 TCP/IP 通訊協議及 USITT DMX512/1990 。此網絡連接的特點是 : 一、傳輸速度快 , 可以雙向高速傳輸信息 ; 二、系統容量無限制 , 傳輸距離遠 ; 三、抗干擾性能好 , 線路雙端隔離好 ; 四、通用性好 , 其軟硬性及設備更標準化 , 技術更加普及 ; 其中主干道網絡負責各燈光網絡工作站之間的數據傳輸及系統連接，設備主要由網絡服務器、網絡交換機、集線器及各種終端設備構成。其中網絡應用 / 管理服務器、網絡交換機或集線器等都屬于標準的以太網網絡設備，與以太網控制系統相關的終端設備有電腦終端、網絡編 / 解碼器、網絡調光臺(含電腦調光臺、電腦燈控制臺、環境照明控制器等)、網絡調光硅柜、監控設備及負載(常規照明燈具、電腦燈、場燈 / 工作燈等)，燈光控制系統成星型分布，信號集中于可控硅室，通過集線器分布以太網節點，數據傳輸介質采用五類以太網信號線; DMX 信號由網絡中的眾多 SN110 網絡節點提供。每個 SN110 上有 LCD 液晶顯示來提供信息指示及兩個 DMX 接口。所有 SN110 的工作電源直接由網線從網絡中提供 ( 國際標準 IEEE 802.3af) 。所有手提型的網絡單元均可直接利用插件與墻面的網絡接口連接并通電工作。通過 Strand SN110 NODE (網絡節點)實現以太網控制信號與 DMX 信號的相互轉換，并合理分布于劇場各 DMX 信號節點。燈光網絡配置具備專用的網絡配置軟件，能對網絡中各個信息節點統一配置、修改。網絡中具備以太網控制、 DMX 控制、無線遙控，并能接入場燈控制系統以及環境照明控制系統。

　　在戲劇場舞臺燈光設計中采用世界最早開發并日趨成熟、目前處于世界領先地位的 Strand ShowNET 技術。該技術從一開始就成功地將以太網絡技術和傳統的燈光控制技術相結合，并對燈光控制技術進行了系統地整合與擴充。國家大劇院戲劇場所有舞臺燈光數字控制系統設備都由該系統統一地進行控制，沒有任何的信號兼容問題。 Strand ShowNET Configuration 網絡配置編輯軟件，通過人性化的接口使系統實現任意放置資料，避免了從一個網點運行到另一個網點去更新系統的繁瑣。該軟件能通過設定來分配指派所有的以太網選址信息、 IP 、網關、多點傳送組和分支網絡信息到每個網點。它將燈光控制系統完全溶入了網絡系統，并進行了無縫整合，使得燈光網絡控制更加簡便易行。

　　為了保障系統運行的可靠性和穩定性，在每個燈光中心控制室均使用不間斷電源 UPS 。為負載提供穩頻、穩壓、不間斷高質量純正弦波交流電。該系統能有效地克服由外電網直接供電所引起的常見電源質量問題，如電壓過高、過低、電網突波或瞬間尖波、電源線上雜波干擾、電力供應中斷或瞬間斷電等，從而保證儀器設備的正常運行，防止計算機及數據處理系統內的資料丟失。

　　3 、調光回路設計

　　戲劇場設置 3KW 調光 421 路(含正弦波控制 30 路)， 5KW 調光 451 路， 10KW 調光 21 路，共計 893 調光硅路(含正弦波 30 路)， 163 直通回路，分布在各個燈位連接處。考慮要滿足各種世界級大型演出，在舞臺的任意需要位置都有安裝燈具的可能性，因此在舞臺的主要位置都大量預留以太網絡接點、 DMX 接點和各種規格形式的照明電源。調光回路具有大功率、多回路，多種規格、多種形式的特點。

　　五、對系統集成、設備選擇的考慮

　　1 、 燈光系統設備集成

　　國家大劇院戲劇場燈光控制系統設備的集成選用信譽良好 、具有高可靠性的世界知名品牌 。 控制部分 大量選用了斯全德燈光公司 (STRAND) 的產品 , 所選用的產品均獲 CE 、 UL 或 CUL 認證 , 并獲 ISO9001 國際認證 。

　　2 、設備選型及功能說明

　　(1) 調光控制臺

　　上圖為 Strand 550i 電腦調光臺 , 戲劇場主、副控各選 1 臺 , 主控臺和副控臺之間通過網絡 , 可作冗余追蹤 , 一旦主控臺出現故障 , 副控臺可在瞬間自動由該點切入 , 自動執行之前 SHOW, 接著輸出演出信息 , 保證演出過程不間斷 , 另配置兩臺 Strand 520i 電腦調光臺作為舞臺監督、編程和觀眾席調光用。

　　該系統選用的 STRAND 550i 和 520i 調光臺，均采用目前國際最先進的奔騰處理器，最大 6000 光路， 2000 個換色器或電腦燈屬性，最大 18000 個控制回路， 2000 個場、 1000 個組、 2000 個宏、 600 × 99 步燈光效果、 99 個燈具數據庫、 3000 個 SMPTE 事件、 9 個遠距離視頻。并可把控制回路的資料進行 ”Partitioned”( 分割 ) 并加以記錄。為燈光師提供了一個完善的方便創作的工作平臺，極大的滿足了燈光師的創作欲望; 5 條可編調光曲線可設置于整個系統中的任何可控硅回路或硅回路群 , 曲線以超過 100 個置點作調光 , 最大滿足了舞臺高精確度燈光創作的需求。完全可以滿足用戶未來擴容及技術升級的需求，可保持 5 年以上的技術領先性。

　　(2) 調光硅柜

　　左圖為 STRAND EC21 智能型大型調光立柜外型圖，該硅柜主體本身就是一個完整的網絡;可接手提式遙控;具有 128 個后備場;其最大特點是能自動對電網的諧波作出分析以調節最佳的觸發角位置，保證輸人電壓 90-240V 范圍內，輸出電壓誤差小于 1V ，解決了演出中電壓不穩而產生的調光不均及燈光閃爍現象;控制反應時間快達 16 毫秒;可允許三相交叉配接和三相輸入修正;具有 DMX 優先配置功能，可實現 DMX 完全配接;觸發精度 16 比特 4000 級;標準耐沖值高達 100 ， 000AIC ;磁環抗干擾能力也為國際同行中最強 ( 可達 635uS/230V), 具有雙電子器跟蹤備份功能，即有兩個可以獨立工作的觸發系統，兩者之間相互學習、相互備份，保持調光立柜不間斷工作，確保演出正常進行;硅柜具備全負載報告功能，所有模塊(包括直通模塊與正弦波模塊)都有負載狀態報告，并有狀態顯示器提供瞬時信息，任何硅柜錯誤信息都可直接顯示在每個硅柜和任何一款控制臺上。燈光操作人員可以在燈光控制室直接通過調光臺顯示器，隨時了解燈光系統的工作狀態 , 從而及時對燈光系統實施監控、干預及糾錯。

　　EC21 系列硅柜分單 50A 、單 100A 、雙 15A 和雙 20A 輸出;使用電壓 90-277V 、 50/60Hz ，國際標準漏電保護裝置( RCD )，零中心線可提供斷開功能以作絕緣測試;光隅隔離雙 DMX512 信號輸入;風機從關閉到最高速(無段變速)完全受控于硅柜使用情況，獲 CE 、 UL 、 cUL 和 TUV 安全認證。

　　(3) 電腦燈控制臺

　　飛豬系列電腦燈控制臺特有的效果引擎可提供強大的個性化效果;無極定時控制可分別設置每臺燈具延遲、淡變時間以及淡變的路徑; WHOLEHOG Ⅲ內置 500Hz G4 Power PC 處理器，可運行 Linux OS 程序， 256M 內存， 20G 硬盤， 650/ 700M 可讀寫光驅，可連接 PS2 接口的鍵盤和鼠標。內置電源保護可避免突然斷電造成的數據丟失;可同時使用 8192 種燈型，而無需考慮燈具的生產商與型號是否相同，甚至可以在已經編好程序后更換燈具型號。

　　飛豬Ⅲ同時配有兩臺高對比度、高亮度 12.1 ” TFT 彩色觸屏顯示器，可調節視覺角度。支持 65539 種 Cue ， Cuelists ，場景和頁命令;數量不限的同步交叉變淡和效果，同步執行數量不限的 Cue ， Cuelists 命令;支持盲編輯制式，也可現場編輯;編程可直接存儲在控臺內部的硬盤上。

　　整個系統可使用 100Base-TX 高速 ETHERNET/ 以太網，通過網絡升級系統軟件;同時配有其他網絡擴展裝置供選擇： DMX 處理器、 MIDI/TIME CODE (時碼)處理器、放映控制處理器。

　　(4) 燈光設計軟件

　　WYSIWYG 圖像式反饋系統是一種燈光虛擬設計工具，它不是一種發出控制 DMX 信號的調光器，而是一種在顯示屏上可以獲得舞臺預期虛擬效果的模擬臺，可以幫助燈光設計師在完全沒有設備和環境的條件下、或者根據現有的環境結構圖與設備清單，利用計算機虛擬技術，在彩顯上組合每場演出所需的舞臺大小、尺寸、形狀，再配合上吊掛、各類型燈具，經過配接，加上回路、色彩，以達到真正演出時的一切效果。在這個組建的設計庫里，可以經軟件內部轉換而做出燈光回路配接表、器材清單、 DMX 屬性表、燈位圖、效果圖等燈光設計與配置上所必須具備的圖表，從而簡化整個燈光的組合布光過程和程序，使其更具有系統性和細節性。當設計庫設置完畢后，可以利用 WYSIWYG 軟件所配置的硬件，輸入調光臺轉出 DMX 信號，直接在調光臺上輸出真正的燈光控制程序。

　　(5) 網絡分配柜

　　戲劇場燈光網絡設備全部選用 STRAND 燈光原廠設備，網絡分配柜嚴格遵循標準 TCP/IP 通訊協議，具有雙千兆位以太網上行鏈路， 任何一個以太網點 均 能反饋調光柜返錯信息 ，系統再生時間小于 9 秒，具有信號中斷的最后場景保護功能，支持動態 IP 地址分配，通過燈光網絡上任何終端能連接專業燈光設計軟件，具有調光信息的圖像式直觀顯示功能，實時監測燈光網絡中所有與安全用電相關的設備狀態報告( REPORTING )信息，實時對所有網絡燈光設備進行在線遠程監控，實時監測網絡中所有的燈光網絡設備，可實現集中控制功能，具有 DMX 路由和優先級設置，具有完備的網絡控制沖突的解決方案，具有用于設置燈光控制網絡的專業管理軟件，所有節點及網絡信息的配置、修改均可由其完成，無需對每個節點進行再設置，任意設定 DMX512 和遙控為輸入或輸出，能有效編輯以太網燈光控制地址，自動分配和指派所有的以太網選址信息、 IP 、網關、多點傳送組和分支網絡信息到每個信息點，可隨時更新網絡中的 DMX 收發節點和視頻節點，支持在線和離線編輯。

　　六、方案采取的一些新技術特點

　　概括國家大劇院戲劇場舞臺燈光控制系統，可以從以下幾個方面闡述總結：新設計、新技術、新設備：

　　( 1 )新設計：

　　燈光控制網絡系統采用雙網四備份傳輸，以太網和 DMX 網絡， 整個控制系統嚴格遵循 TCP/IP 通訊協議及 USITT DMX512/1990 。滿足未來 ACN 協議。數據傳輸介質采用光纖及超五類以太網信號線; DMX 信號由網絡中的眾多 SN110 網絡節點提供。所有 SN110 的工作電源直接由網線從網絡中提供。所有手提型的網絡單元均可直接利用插件與墻面的網絡接口連接并通電工作。通過 Strand SN110 網絡節點實現以太網控制信號與 DMX 信號的相互轉換，并合理分布于劇場各 DMX 信號節點。燈光網絡配置具備專用的網絡配置軟件，能對網絡中各個信息節點統一配置、修改。網絡中具備以太網控制、 DMX 控制、無線遙控，并能接入場燈控制系統以及環境照明控制系統。

　　控制信號具備嚴格有效的實時完全跟蹤備份，確保萬無一失。舞臺燈光系統設計了四個網絡分配機柜，與光纖組成一個全封閉的閉環網絡。

　　( 2 )新技術：

　　SST 正弦波調光器以高頻工作，它在設計之初時的標準狀態為一個模組變量的容積空間來實施每回路 3KW 的 SST 調光 , 在增大容量一倍后再把里面功率元件 IGBT 的散熱片表面積加大至標準模組的 2.5 倍，充分令功率元件的熱量釋出。再配合智能風機的牽引把這些熱能帶到機柜以外與空氣對流。SST 模組的熱量檢測，在 48 模組全部置于 3KW 滿載的情況下，以調光 20% (此為產生熱量最大的調光點)室溫 25 ℃ ，檢測發現零件表面溫度為 58 ℃ (零件可接受最高工作溫度為 125 ℃ )，這種實驗一直維持了 24 小時，其間并沒有溫升，足以證明調光器是工作于熱量非飽和區域;在同樣的配置條件下，把調光點設在 100% (亮度最大)，功率元件表面溫度降為 49 ℃ 。證明在“滿負載”這種最苛刻的應用條件下，加上在實際應用情況下，熱量的產生會按負載功率的減少而下降。

　　正弦波調光具有更完善 , 更加智能化和人性化的特點 , 不再產生高次諧波 , 不再需要各種隔離、屏蔽等措施 , 節約了建設費用和維護費用 ; 不再干擾其音、視頻設備 , 不產生過載現象。

　　( 3 )新設備：

　　選用技術先進、節能、環保的系統設備，其中調光硅柜采用世界知名品牌 STRAND 的 EC21 。該硅柜是在全球性廣泛應用的 CD80 SV 硅柜基礎上開發的更為先進的智能型調光立柜。其 最大應用特點是能自動對電網的諧波分析以作出最佳的觸發角位置，解決了演出中因為電壓不穩或干擾而產生的調光不勻及燈光閃爍現象;磁環抗干擾能力最高達 635uS ( 230V 時)，觸發精度 16 比特 4000 級。

　　八、項目的應用情況

　　領導重視、策劃精心、設計專業、選型合理和施工規范，給國家大劇院戲劇場調光工程建設注入了勃勃生機。 2007 年 9 月 30 日 ，戲劇場迎來她代表國家大劇院的首場演出——經典話劇《茶館》。雖然這是一部已經上演了半個多世紀足有 500 多場的老戲，但幾乎每一位觀眾情緒都很興奮，仿佛進入藝術的天堂，半年多來，戲劇場共接待來訪的國內外同行、劇場建設者上千人次，國內外演出數十場，普遍肯定了該項工程系統性能穩定、數據傳輸準確、操作方便直觀、并對劇場的現代化燈光控制系統、大規模高檔次設備配備、規范化施工管理和工程質量給予了高度評價。