“水立方”LED建筑物景观照明及控制系统

      编者按：国家游泳中心是2008年北京奥运会的主要比赛场馆之一，届时将在这里举行游泳、跳水、花样游泳、水球比赛，对2008年奥运会的成功举办起着至关重要的作用。国家游泳中心座落在奥运公园南端，东临国家体育场，建筑面积80000m2，17000座，是迄今为止世界上最大的游泳馆。经过多方案论证，国家游泳中心建筑物景观照明采用RGB型LED，在固定外层气枕的钢结构框架上布灯、侧向投射，使“水立方”外表面的亮度、色彩、图案达到一定要求，形成一定的场景和模式。这种“空腔内透光”的照明方式及LED照明的这种应用方式开创了一个先河。将为建筑物景观照明朝着节能环保的方向发展及LED照明向规模化方向发展树立一个新的里程碑。

 一、国家游泳中心建筑物景观照明的构思

　　国家游泳中心建筑物景观照明充分利用LED色彩丰富的特点，利用光色的艺术语言和表现力，充分展现、描绘和重塑“水立方”在夜间的优美形象，并赋予广泛、深刻的文化内涵。体现“人文、科技、绿色”奥运的三大理念。

１、突出“水”的主题

　　“水立方”的建筑设计以及景观、装饰、结构、环境等设计均是以“水”为主题。其建筑物景观照明设计同样也是以“水”为主题。其最基本的照明效果要求呈现蓝色，体现水的纯净感和整体感，通过光与色的变幻，使“水”形象化和艺术化。

２、突出奥林匹克精神

　　“水立方”是2008年奥运会的主要场馆之一，其建筑物景观照明的基本构思是使灯光的图案、场景、模式与馆内的比赛、发奖及鸟巢的开幕式、闭幕式等奥林匹克比赛活动有机地联系起来。通过光与色、照明场景的变幻，突出“团结、友谊、进步、和谐”，“同一个世界，同一个梦想”，“更快、更高、更强”的奥林匹克精神，增强世界人民之间的友谊，促进世界和谐。

３、与鸟巢交相辉映

　　“水立方”与“鸟巢”相邻，“鸟巢”阳刚、激励、兴奋、外露;“水立方”宁静、娇柔、祥和、内敛;两个建筑的风格迥异，又相互协调,相互陪衬。在景观照明设计上也必须交相辉映、相得益彰。

４、融入中国、北京的文化特色

　　中国、北京作为2008年奥运会的主办国和主办城市，其建筑物景观照明一定要融入中国、北京的文化特色。

二、照光方式、布灯方式及光源的选择

　　国家游泳中心采用ETFE气枕构成外围护结构。气枕是由3-4层ETFE膜固定在金属框架上，每二层ETFE之间充有空气，内外气枕靠近中间空腔的一层ETFE膜，按着建筑热工的要求镀有银色斑点，镀点面积分别为10%、20%、30%、50%、65%，气枕共24种规格。内外气枕中间是钢结构骨架。由于这种外围护结构决定了“水立方”不适合采用“外透光”的建筑物景观照明方式，因为没有良好的反射面；也不适合采用“一般内透光”的照明方式，因为光要透光6层膜，光的损失太大；也不适合采用轮廓照明方式，因为“水立方”气枕外立面虽有弧度，但非常平整，不适合外挂灯具。我们采用“空腔内透光”的照明方式。在固定外层气枕的金属框架后面布灯，侧面投射，这样便于隐藏灯具，容易做到见光不见灯。为了节能、环保以及便于形成更多的照明场景，我们选择了LED光源。

三、亮度指标和功率指标

(1)亮度指标

　　关于建筑物立面照明的亮度，国际照明委员会CIE规定：城市繁华地区为12cd/ m2,一般地区为6cd/ m2；北京市关于奥运公园中心区建筑物立面照明亮度规定为不高于6cd/ m2。根据上述规定，我们确定了国家游泳中心建筑物景观照明四个立面亮度不高于6cd/ m2，屋顶为不高于3cd/ m2。

(2)功率指标的估算
　　根据公式（1）、公式（2），可以推出估算公式了（3）。

　　L=E/（1） E=UP　　（2） P=　　（3）

　　·式中-ETFE膜的透射率；
　　·U-利用系数；
　　·-每瓦LED所发光通量，Lm；
　　·L-亮度，cd/ m2；
　　·P-每平米ETFE气枕表面所需LED功率，W。

(3)ETFE膜和气枕的透射率的估算

　　由于蓝光LED光效最低，而且人眼对蓝光最不敏感，所以计算中以蓝光为依据。ETFE气枕的透视率可以认为三层ETFE膜的透视率的乘积。约为0.6。

(4)利用系数U的估算

　　假定利用系数U在0.2-0.3之间。

(5)每瓦LED-光通量
　　以蓝光为例，取单位功率（每瓦）10-15Lm.(6)ETFE气枕每平米表面所需功率约为6-15W，取6W。经过试验，对于大面积的ETFE气枕外立面的亮度控制在2-4 cd/ m2为宜。

四、控制系统

　　 控制系统是景观照明系统的核心组成部分。通过比较，我们提出了如下的设计方案：采用基于IPv6的实时以太网的组网方案。以FPGA为硬件载体，在单一芯片上实现控制节点的所有功能。

（1）采用IPv6实时以太网

　　①以太网是目前应用最广、技术最成熟的计算机网络，兼容性好。基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，一直都是计算机网络技术的发展主流。②具有丰富的软硬件资源，价格低廉。通信速率高。目前以太网的通信速率比现场总线快得多，以太网可以满足对带宽的更高要求。③可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使它吸引大量的技术投入。④IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址，把IPv6引入照明控制网，使每个光源具有一个独立的IP地址，这将使照明控制网的功能变得特别强大，在传输速率、组网规模、远程控制，系统维护等诸多方面都得到质的提高。⑤传统以太网应用于控制时，最主要就是确保实时性问题。传统的以太网采用CSMA/CD的介质访问控制机制，具有排队延迟不确定和通信响应不确定的问题。在牺牲一些复杂功能的前提下，对以太网的协议进行一定程度的修改和精简，使以太网具备实时性，以太网将能满足照明控制系统要求。

（2）采用FPGA现场可编程的逻辑芯片

　　网络节点作为网络的基本组成和主要的硬件载体，应具有如下特点和功能：

　　①自主性：系统上各节点过网络连接起来的，各节点独立自主地完成自己的任务，且节点的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能独立运行的高可靠性子系统。 ②协调性：通过实时高可靠的控制局部网络使传输数据实现共享，节点之间从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。 ③在线性与实时性：通过大量I/O接口，对控制对象进行实时控制和检测，同时可进行网络路由、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修。 ④可靠性：从结构上采用容错设计，使得在任一个节点失效的情况下，仍然保持系统的完整性；即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。从硬件上包括节点主要功能模块、通讯链路都采用多重化配置和备份。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计。 保证系统的高可靠性。⑤适应性、灵活性和可扩充性：硬件和软件采用开放式，标准化设计，系统积木式结构，具有灵活的配置可适应不同的需要。⑥处理能力：控制节点需在单一芯片上实现控制LED光源、运行IPv6协议栈、对数据流解压缩、对图像实时处理、自动预存显示内容、故障报告与处理等功能⑦友好性：控制节点能及时的报告自身状态，便于故障的及时定位，方便维护。

　　采用FPGA，在处理能力、可靠性、体积、成本等方面都能得到很好的满足。

（3）智能照明控制在国内外均是一个快速发展的领域，所以要力求创新。在技术上坚持先进性与实用性紧密结合的研究策略。具体的实现方法如下：基于硬件/软件协同设计方法，开发用于网络控制节点的SOPC（可编程片上系统）。该SOPC包括LED光源控制模块、图像处理功能模块、网络媒体接入控制模块、存储器接口模块等，所有模块以IP Core的形式开发，并通过WISHBONE总线互联，该SOPC最终在FPGA芯片上实现。

　　2008年奥运会开幕时，国家游泳中心LED建筑物景观照明将以千变万化的色彩和丰富多彩的场景呈现給世界人民。我国半导体照明产业也必将以崭新的面貌展现在世界人民的面前。我们期待这一天的到来。