楊華祥 張琪聰 陳榮耀 陸南寧

【摘 要】 從舞臺燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)需求、結構分析、無線網(wǎng)絡技術等方面分析，探求建立舞臺燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)的合適路徑，介 紹了部分設計應用方案。

【關鍵詞】 舞臺燈光；網(wǎng)絡系統(tǒng)；信號傳輸；無線技術；DMX；環(huán)網(wǎng)

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.06.006

【Abstract】Combined with the stage lighting network system requirements， structure analysis， wireless network technology and other aspects， the suitable pathes to establish the stage lighting network system were explored and the part of the design was introduced.

【Key Words】stage lighting； network system； signal transmission； wireless technology； DMX； ring network

1 引言

20世紀末，著名舞臺燈光理論和實踐大師——金長烈教授提出了“創(chuàng)造自由的照明空間”，建議拋開限制，創(chuàng)造一個讓舞美、燈光自由發(fā)揮的空間。

“舞臺燈光分為臺口外光和臺口內光，全部按左、右、頂三個面考慮”（引自2010年5月在北京《中國當代劇場發(fā)展研討》論壇上金長烈教授的演講）。按此理念即是說：只要能看到表演空間的地方，都允許掛各種規(guī)格、類型的燈具，可以就近接入電源和控制信號。本文即筆者基于對此理念的理解而作。

2 舞臺燈光系統(tǒng)的結構分析

舞臺燈光系統(tǒng)，可以分為：

（1）燈具部分（含各種類型、規(guī)格、光源的燈具和效果設備）；

（2）控制部分（含控制臺、擴展設備及連線）；

（3）供電部分（含固定和移動設備、插座及連線）；

（4）信號傳輸部分（含網(wǎng)絡、DMX設備及連線）。

其中，（1）燈具部分，是藝術家創(chuàng)作的直接工具，從藝術的角度來講，應該完全尊重藝術家的選擇，作為舞臺燈光系統(tǒng)設計者，無權限定在什么位置，使用什么類型、規(guī)格、光源的燈具。從技術的角度來講，內容很多，筆者以后將專文論述。

（2）控制部分，使用習慣問題，要尊重編程、操作者習慣。

舞臺燈光系統(tǒng)設計師的重點，在（3）供電部分和（4）信號傳輸部分，本文討論（4）信號傳輸部分。

3 DMX信號的特性和使用方式

DMX信號特性：固化、不可擴展、廣播型傳輸；每個DMX單元，包含512個通道，系統(tǒng)可以使用的通道總數(shù)<控制臺輸出DMX單元×512；一個DMX接口最多包含512個通道，經(jīng)過DMX信號分配器，可以增加DMX接口數(shù)，不能增加通道數(shù)；DMX信號放大器，只是把信號電平擴整至標準電平，應出現(xiàn)在信號傳輸末端，在初始端毫無意義。

從應用的角度來看，任何一個末端設備（燈具、效果設備）的信號通道，只能來自于一個DMX單元，例如，有20臺電腦燈，1臺電腦燈用35個通道，前14臺占用了490個通道，剩下的22個通道就不能用在第15臺電腦燈上。

為了編程、控制、操作方便，DMX單元通道的分配原則是位置、種類、規(guī)格；同一位置最多會出現(xiàn)2～3種燈具設備。也可以先種類，后位置，甚至分開控制。

任意位置的通道數(shù)量，不能初始一次用滿，要給后面的調整留出余量。

可以這樣理解：從控制臺輸出的DMX單元，相當于一批統(tǒng)一尺寸的包裝箱，末端使用的燈具、效果設備相當于不同種類、大小不一的水果，做系統(tǒng)工程的任務，就是把這些水果全部裝進包裝箱（不能裝滿），放在不同的需求位置，要分類合理，便于取用。

4 網(wǎng)絡的功能和意義

在燈光系統(tǒng)中，網(wǎng)絡有三重功能：

（1）較長距離、大容量集中傳輸DMX信號，主要是從控制室傳送到舞臺；

（2）通過網(wǎng)絡，直接讀取末端設備工作狀態(tài)，現(xiàn)在最常用的是反饋型調光柜的參數(shù)讀取；

（3）通過網(wǎng)絡，控制末端網(wǎng)絡設備，現(xiàn)在主要是視頻媒體服務器。

在第（1）種功能中，網(wǎng)絡的意義是抗干擾，減少設備和線纜使用量。

第（2）、（3）種功能，DMX無法實現(xiàn)，或只能實現(xiàn)部分功能，還不能保證實時，以及準確性、可靠性。

所以，舞臺燈光系統(tǒng)引入網(wǎng)絡勢在必行。

5 如何建立網(wǎng)絡系統(tǒng)

5.1 可行性討論

必要性有了，現(xiàn)在來討論可行性。目前，國內的新建大劇院普遍都有網(wǎng)絡系統(tǒng)，但是，由于協(xié)議不兼容導致的系統(tǒng)擁塞、癱瘓現(xiàn)象時常出現(xiàn)，使得用戶不敢或無法使用網(wǎng)絡系統(tǒng)，甚至認為網(wǎng)絡不成熟、不穩(wěn)定，重要演出還是傳統(tǒng)的DMX直連。

實際上，當今網(wǎng)絡技術已非常成熟，應用于眾多領域，系統(tǒng)的信號傳輸容量、速度、工作時間和環(huán)境、穩(wěn)定性、可靠性等指標，已遠超燈光系統(tǒng)需求。

歸根結底，一些業(yè)內人士對網(wǎng)絡技術知之甚少，以錯誤的概念和做法甚至想當然的思路，搭建燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)很難不出問題。

經(jīng)過深入研究，筆者大致摸清了部分燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)中存在的問題和解決之道，并在一些項目中做了實踐，網(wǎng)絡系統(tǒng)運行良好。

這里試著做一番分析探討，探求建立舞臺燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)的正確路徑。

5.2 網(wǎng)絡技術基礎

普通以太網(wǎng)要杜絕以太環(huán)網(wǎng)，因為真實以太環(huán)網(wǎng)必定產(chǎn)生廣播風暴，造成系統(tǒng)癱瘓。但是以太環(huán)網(wǎng)本身又具有速度快、鏈路安全備份等功能，在工業(yè)控制領域，如電力系統(tǒng)，多使用以太環(huán)網(wǎng)。

但是，這里使用的以太環(huán)網(wǎng)，物理鏈接是閉環(huán)，運行是開環(huán)，通過交換機處理，先把一處鏈接斷開備用，一旦某處鏈路因故障斷開，交換機會自動把原來斷開處接上，確保鏈路暢通。所以，必須使用專用環(huán)網(wǎng)交換機。

特別重要的場合，為確保系統(tǒng)運行安全，需要使用管理型交換機，可以實現(xiàn)冗余備份；智能鏈路分配，杜絕廣播風暴；遠程監(jiān)控、端口鏡像、組建內部局域子網(wǎng)，端口設置、自動交互等功能，自動診斷、修復功能等，交換機成本隨之有數(shù)倍增加。

舞臺燈光系統(tǒng)，傳輸容量小，距離近。但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求很高，演出中，不能出現(xiàn)信號延時（幾十毫秒以上）、信號斷路、網(wǎng)絡擁塞癱瘓現(xiàn)象。

環(huán)網(wǎng)拓撲結構，特別是光纖環(huán)網(wǎng)，傳輸速度快，鏈路冗余，抗干擾能力強，是理想選擇。為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，應當使用針對舞臺燈光使用要求，定制（管理型）光纖環(huán)網(wǎng)交換機。

5.3 舞臺燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)需求分析

5.3.1 系統(tǒng)容量

大型劇場一般配置2臺不小于8 192通道的燈光控制臺，就是16個DMX單元，一主一備，不排除同時使用；控制臺輸出為32個DMX單元，網(wǎng)絡節(jié)點轉換器輸出不小于32。中小劇場按需酌減。

5.3.2 網(wǎng)絡接口數(shù)量需求

舞臺燈光系統(tǒng)需要的網(wǎng)絡接口：控制部分，2張控制臺，2～4臺擴展器，4～6口；網(wǎng)絡—DMX節(jié)點轉換器，按最大轉換數(shù)量40口計算，2臺1轉8（或4臺1轉4）（臺口內），4臺1轉4（臺口外），4臺1轉2（流動），10～12口，10～16臺調光柜（網(wǎng)絡反饋報告功能），需要10～16口，備份4～6口，總計28～40口。如果不是網(wǎng)絡反饋報告功能的調光柜，則網(wǎng)口需求18～24口。中小劇場更少。這些數(shù)據(jù)是筆者的經(jīng)驗總結，但筆者以為，是可以推而廣之的基礎要求。劇場的規(guī)模確定了，網(wǎng)絡接口數(shù)量需求能在一定范圍內大致確定。

5.3.3 安全需求

系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，冗余備份，自動切換；抗干擾強；消除廣播風暴，防止系統(tǒng)擁塞、癱瘓；自動檢測、診斷、修復系統(tǒng)；具備在低溫、高溫、高濕、揚塵等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作的能力。

5.3.4 交換機需求

首先，雖然舞臺燈光系統(tǒng)控制信號傳輸量很小，系統(tǒng)簡單，但是對可靠性和穩(wěn)定性的要求很高。加之其工作環(huán)境相對較差，需要環(huán)境適應能力強、帶管理型功能的工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機。

其次，就是交換機的匹配調整。隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在同一系統(tǒng)中運行的設備，要想長期穩(wěn)定運行，初期一定要經(jīng)過運行匹配調試。由于在一個燈光系統(tǒng)中，交換機是固定不變的，控制臺是流動的，可以更換的，而且控制臺廠家的運行協(xié)議是不一樣的；同時，比較復雜，調整不易，就需要在交換機上做文章，針對不同的控制臺，進行匹配調試，運行一段時間，發(fā)現(xiàn)問題，加以解決。

這一過程，需要操作者具備相應的交換機技術和控制臺使用知識。燈光行業(yè)中，此類人才很少；而專業(yè)交換機人才不懂燈光應用；而且這個過程需要時間，每個項目都做這樣的匹配調試，既不現(xiàn)實，也不劃算。

行業(yè)需要專用的定制交換機，經(jīng)過多品牌控制臺的運行匹配調試，相應的設置固化到交換機中去，才能滿足系統(tǒng)要求。國外已有此類產(chǎn)品。

第三，通過計算，得出一個場地舞臺燈光系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡接口數(shù)量和基站數(shù)量，進而選擇所需規(guī)格的交換機。

5.4 網(wǎng)絡系統(tǒng)結構分析

5.4.1 原理分析

前文分析過，由于舞臺燈光系統(tǒng)使用需求特性，宜采用環(huán)網(wǎng)拓撲結構，環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結構需要專用交換機。

如何正確組建環(huán)網(wǎng)？

首先，要使用環(huán)網(wǎng)交換機（最好是工業(yè)交換機），帶廣播風暴抑制功能，最好是管理型的。

第二，在系統(tǒng)拓撲結構上堅持一個原則——簡單！嚴格意義上來說：

（1）任意兩臺交換機之間不能有2個環(huán)同時存在！環(huán)網(wǎng)交換機的設置和內部算法相關，對確定的環(huán)，交換機有相應的處理方法，對未知的、額外的環(huán)，交換機無法處理，將發(fā)生故障。

（2）一個環(huán)上的交換機數(shù)量不能超過7臺（網(wǎng)絡系統(tǒng)規(guī)則）！同時，環(huán)形網(wǎng)絡系統(tǒng)的恢復時間是交換機數(shù)量×單臺恢復時間+系統(tǒng)基礎恢復時間，交換機數(shù)量越多，恢復時間越長。

5.4.2 正確的、錯誤的網(wǎng)絡拓撲結構列舉

為了使大家能快速搭建正確的燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)，筆者跳過復雜的原理分析，把使用不同數(shù)量交換機，正確環(huán)網(wǎng)拓撲結構呈現(xiàn)出來，供大家參考。同時，也把現(xiàn)在燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)中，常見的錯誤羅列一些，作為警示。

（1）2臺交換機

圖1是正確的，圖2是禁止的。

（2）3臺交換機

圖3、4、5是正確的，圖6、7、8是禁止的，其中圖7常見于大劇院。

（3）4臺交換機

圖9、10、11是正確的，圖12、13、14是禁止的，其中圖13常見于大劇院。

（4）5臺交換機

圖15、16、17是正確的，圖18、19、20是禁止的，圖19常見于大劇院。

其實，錯誤的做法永遠比正確的多，無法一一列舉。原則上來說，在正確的拓樸結構上多連一根線，就可能造成附加環(huán)網(wǎng)，必然產(chǎn)生廣播風暴。

有個項目，使用了環(huán)網(wǎng)交換機，但是做了如圖7的雙環(huán)網(wǎng)，多次癱瘓，拆掉一環(huán)，就好了。

5.5 無線網(wǎng)絡技術介紹

由于藝術需求，燈具位置、規(guī)格、數(shù)量經(jīng)常變化，引入無線技術，是燈光師的理想。

提起無線技術，人們首先想到WIFI，對WIFI 的不穩(wěn)定印象頗深。很多項目設計中，禁止無線使用。

其實，WIFI只是無線技術中最簡單的一種；而高級的無線技術，穩(wěn)定程度不亞于有線。

下面介紹一項在舞臺燈光領域中，已有應用產(chǎn)品的“跳頻擴展頻道”技術。

這是脫胎于軍事通訊技術的一種應用，在一定帶寬范圍內，利用壓縮技術，把信號壓縮在一個很窄的頻帶帶寬內（<1 M），通過選頻，在固定寬頻帶寬內，尋找一定數(shù)量（如60～80個）的可用頻點（1 M帶寬），發(fā)射和接收在這些可用頻點之間同步隨機跳轉，達到對抗干擾的目的。接收端再利用擴展技術，把帶寬擴展到適用的范圍。

選頻同步進行，隨時查找可用頻點，用以替換已用頻點中受干擾最大的，這時一個完全動態(tài)的過程，可以抗主動干擾，同時自身對外干擾很小。

5.6 燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

5.6.1 設計原則

設計一個燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)，其實很簡單，原則就是——簡單，越簡單越合理，越穩(wěn)定可靠。作為系統(tǒng)的應用場地，劇場或演播室，其尺度在網(wǎng)絡系統(tǒng)中屬于極小值，不必考慮傳輸距離。只需要算好接口數(shù)量，進而選擇合適的交換機即可。能用1臺，絕不用2臺，2臺夠用，絕不用3臺，因為網(wǎng)絡的擴展非常容易。

要選擇環(huán)網(wǎng)專用交換機，投資允許的項目，要選擇和世界主流控制臺做過匹配調試的專用產(chǎn)品。網(wǎng)絡拓撲結構正確。

節(jié)點轉換器最好放在末端，把節(jié)點轉換器、DMX分配放大器放在舞臺柵頂或天橋上，設置機柜，可以和交換機共用（機柜）。也可以把DMX分配放大器放在吊桿上。

有線、無線系統(tǒng)組合使用，基礎部分用有線系統(tǒng)，完善、補充、流動部分用無線系統(tǒng)。

5.6.2 燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)典型案例介紹

筆者過去做的網(wǎng)絡系統(tǒng)，由于當時不懂網(wǎng)絡技術，廣播風暴的存在致使系統(tǒng)頻頻癱瘓。把技術搞明白以后，特別是找到合適的專用設備：

比利時的燈光專用網(wǎng)絡系統(tǒng)Luminex和瑞典的無線系統(tǒng)LumenRadio，從根本上解決了困擾筆者多年的問題。

Luminex的燈光系統(tǒng)專用交換機，是針對舞臺燈光使用需求，專門定制的一款管理型工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)交換機。既可以做即插即用型的星網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)交換機，本身已具備管理型功能：冗余備份，自動切換鏈路，自動檢測、診斷、修復系統(tǒng)等；也可以通過工具做更高級設置，如流量優(yōu)先隊列、廣播風暴消息濾速、用于診斷的端口鏡像等。還具備環(huán)網(wǎng)通斷提示、網(wǎng)速提示等功能。

Luminex的網(wǎng)絡-DMX節(jié)點信號轉換器，可以兼容Art-Net、ACN、sACN、DMX512、DMX512A、RDM等多種信號協(xié)議。

LumenRadio采用軍事通訊用的“跳頻擴展頻道”技術，實現(xiàn)無線DMX信號傳輸，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，同樣兼容Art-Net、ACN、sACN、DMX512、DMX512A、RDM等多種信號協(xié)議，曾獲兩次倫敦PLASA大獎。

筆者用Luminex+LumenRadio做了幾個項目，運行良好，從來沒出現(xiàn)過系統(tǒng)故障，其中投入使用最長的青島天創(chuàng)大劇院，2012年8月投入使用，每年演出200多場。下面通過幾個典型案例，介紹一下使用專用設備組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

（1）新疆大劇院

新疆大劇院是2015年初投入使用的以主題演出為主、兼顧其他功能的超大型劇場，表演舞臺包括主舞臺、伸出舞臺、兩側耳臺、后舞臺、觀眾廳通道、空間馬道等全立體空間，表演舞臺面積大于2 000 m2，使用燈具數(shù)量超過1 400臺，使用DMX通道數(shù)量超過18 000。新疆大劇院采用了智能化新型供電系統(tǒng)，完全替代傳統(tǒng)調光/直通柜，沒有調光柜室，網(wǎng)絡系統(tǒng)相對簡單，只有2個基站，控制室和舞臺柵頂。

由于新疆大劇院主題演出使用燈具數(shù)量過于龐大，DMX單元通道全部利用也會超過35個，采用分區(qū)域編組的方式，盡量提高DMX單元通道利用率，簡化系統(tǒng)，降低投資?？刂圃O備使用了5臺NPU，提供40個DMX輸出單元。

系統(tǒng)采用2個基站，2臺14口光纖交換機，1臺12口擴展交換機，可用外接網(wǎng)絡接口35個。節(jié)點轉換器（2/4/8口有線和2口無線）20臺，提供初始DMX接口80個。

網(wǎng)絡設備配置如表1。

不算最佳，無線略少。投入使用以來運行穩(wěn)定。

（2）延安大劇院

延安大劇院是2016年第十一屆中國藝術節(jié)開幕式的主會場，典型的出租型多功能專業(yè)劇場，需要滿足歌劇、舞劇、音樂會、話劇、戲劇、綜藝等不同演出形式的需求。對不同演出之間的快速轉換，有很高的要求。延安大劇院的供電系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)調光柜，10臺具有網(wǎng)絡報告功能的調光/直通柜。網(wǎng)絡系統(tǒng)設置3個基站，控制室、硅控室和舞臺柵頂。

系統(tǒng)采用3個基站，1臺16口光纖交換機，2臺14口光纖交換機，可用外接網(wǎng)絡接口38個。節(jié)點轉換器（2/4口有線）9臺，提供初始DMX接口28個。

網(wǎng)絡設備配置如表2。

配置節(jié)點轉換接口略少，沒有無線。系統(tǒng)安裝中。

（3）云南大劇院

云南大劇院是一個省級大劇院，計劃于2016年竣工，采用諸多國際最新設計理念，連續(xù)布桿，燈景不分，新型智能化供電系統(tǒng)，是目前國內外劇場中，基本實現(xiàn)為藝術家提供一個“空的空間”，“自由發(fā)揮”的劇場。系統(tǒng)設置2個基站，控制室和舞臺柵頂。

系統(tǒng)采用2個基站，2臺14口光纖交換機，2臺12口擴展交換機，可用外接網(wǎng)絡接口46個。節(jié)點轉換器（2/4/8口有線和2口無線）13臺，提供初始DMX接口52個。

網(wǎng)絡設備配置如表3。

相對理想，施工中，預計2016年底投入使用。

6 結束語

舞臺燈光領域，涉及知識面很廣，較難有人全面理解。從網(wǎng)絡專業(yè)技術角度來講，舞臺燈光的系統(tǒng)太小，專業(yè)人才欠缺，造成我們對網(wǎng)絡系統(tǒng)的理解和應用，存在諸多問題。

筆者拋磚引玉，望各位老師專家批評指正，以徹底解決燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)問題。