水立方LED建筑物景观照明及控制系统

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

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


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