舞台灯光网络系统分析探讨

杨华祥 张琪聪 陈荣耀 陆南宁

【摘 要】 从舞台灯光网络系统需求、结构分析、无线网络技术等方面分析，探求建立舞台灯光网络系统的合适路径，介 绍了部分设计应用方案。

【关键词】 舞台灯光；网络系统；信号传输；无线技术；DMX；环网

文章编号： 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世纪末，著名舞台灯光理论和实践大师——金长烈教授提出了“创造自由的照明空间”，建议抛开限制，创造一个让舞美、灯光自由发挥的空间。

“舞台灯光分为台口外光和台口内光，全部按左、右、顶三个面考虑”（引自2010年5月在北京《中国当代剧场发展研讨》论坛上金长烈教授的演讲）。按此理念即是说：只要能看到表演空间的地方，都允许挂各种规格、类型的灯具，可以就近接入电源和控制信号。本文即笔者基于对此理念的理解而作。

2 舞台灯光系统的结构分析

舞台灯光系统，可以分为：

（1）灯具部分（含各种类型、规格、光源的灯具和效果设备）；

（2）控制部分（含控制台、扩展设备及连线）；

（3）供电部分（含固定和移动设备、插座及连线）；

（4）信号传输部分（含网络、DMX设备及连线）。

其中，（1）灯具部分，是艺术家创作的直接工具，从艺术的角度来讲，应该完全尊重艺术家的选择，作为舞台灯光系统设计者，无权限定在什么位置，使用什么类型、规格、光源的灯具。从技术的角度来讲，内容很多，笔者以后将专文论述。

（2）控制部分，使用习惯问题，要尊重编程、操作者习惯。

舞台灯光系统设计师的重点，在（3）供电部分和（4）信号传输部分，本文讨论（4）信号传输部分。

3 DMX信号的特性和使用方式

DMX信号特性：固化、不可扩展、广播型传输；每个DMX单元，包含512个通道，系统可以使用的通道总数<控制台输出DMX单元×512；一个DMX接口最多包含512个通道，经过DMX信号分配器，可以增加DMX接口数，不能增加通道数；DMX信号放大器，只是把信号电平扩整至标准电平，应出现在信号传输末端，在初始端毫无意义。

从应用的角度来看，任何一个末端设备（灯具、效果设备）的信号通道，只能来自于一个DMX单元，例如，有20台电脑灯，1台电脑灯用35个通道，前14台占用了490个通道，剩下的22个通道就不能用在第15台电脑灯上。

为了编程、控制、操作方便，DMX单元通道的分配原则是位置、种类、规格；同一位置最多会出现2～3种灯具设备。也可以先种类，后位置，甚至分开控制。

任意位置的通道数量，不能初始一次用满，要给后面的调整留出余量。

可以这样理解：从控制台输出的DMX单元，相当于一批统一尺寸的包装箱，末端使用的灯具、效果设备相当于不同种类、大小不一的水果，做系统工程的任务，就是把这些水果全部装进包装箱（不能装满），放在不同的需求位置，要分类合理，便于取用。

4 网络的功能和意义

在灯光系统中，网络有三重功能：

（1）较长距离、大容量集中传输DMX信号，主要是从控制室传送到舞台；

（2）通过网络，直接读取末端设备工作状态，现在最常用的是反馈型调光柜的参数读取；

（3）通过网络，控制末端网络设备，现在主要是视频媒体服务器。

在第（1）种功能中，网络的意义是抗干扰，减少设备和线缆使用量。

第（2）、（3）种功能，DMX无法实现，或只能实现部分功能，还不能保证实时，以及准确性、可靠性。

所以，舞台灯光系统引入网络势在必行。

5 如何建立网络系统

5.1 可行性讨论

必要性有了，现在来讨论可行性。目前，国内的新建大剧院普遍都有网络系统，但是，由于协议不兼容导致的系统拥塞、瘫痪现象时常出现，使得用户不敢或无法使用网络系统，甚至认为网络不成熟、不稳定，重要演出还是传统的DMX直连。

实际上，当今网络技术已非常成熟，应用于众多领域，系统的信号传输容量、速度、工作时间和环境、稳定性、可靠性等指标，已远超灯光系统需求。

归根结底，一些业内人士对网络技术知之甚少，以错误的概念和做法甚至想当然的思路，搭建灯光网络系统，这样的系统很难不出问题。

经过深入研究，笔者大致摸清了部分灯光网络系统中存在的问题和解决之道，并在一些项目中做了实践，网络系统运行良好。

这里试着做一番分析探讨，探求建立舞台灯光网络系统的正确路径。

5.2 网络技术基础

普通以太网要杜绝以太环网，因为真实以太环网必定产生广播风暴，造成系统瘫痪。但是以太环网本身又具有速度快、链路安全备份等功能，在工业控制领域，如电力系统，多使用以太环网。

但是，这里使用的以太环网，物理链接是闭环，运行是开环，通过交换机处理，先把一处链接断开备用，一旦某处链路因故障断开，交换机会自动把原来断开处接上，确保链路畅通。所以，必须使用专用环网交换机。

特别重要的场合，为确保系统运行安全，需要使用管理型交换机，可以实现冗余备份；智能链路分配，杜绝广播风暴；远程监控、端口镜像、组建内部局域子网，端口设置、自动交互等功能，自动诊断、修复功能等，交换机成本随之有数倍增加。

舞台灯光系统，传输容量小，距离近。但是系统的稳定性和可靠性要求很高，演出中，不能出现信号延时（几十毫秒以上）、信号断路、网络拥塞瘫痪现象。

环网拓扑结构，特别是光纤环网，传输速度快，链路冗余，抗干扰能力强，是理想选择。为了确保系统稳定运行，应当使用针对舞台灯光使用要求，定制（管理型）光纤环网交换机。

5.3 舞台灯光网络系统需求分析

5.3.1 系统容量

大型剧场一般配置2台不小于8 192通道的灯光控制台，就是16个DMX单元，一主一备，不排除同时使用；控制台输出为32个DMX单元，网络节点转换器输出不小于32。中小剧场按需酌减。

5.3.2 网络接口数量需求

舞台灯光系统需要的网络接口：控制部分，2张控制台，2～4台扩展器，4～6口；网络—DMX节点转换器，按最大转换数量40口计算，2台1转8（或4台1转4）（台口内），4台1转4（台口外），4台1转2（流动），10～12口，10～16台调光柜（网络反馈报告功能），需要10～16口，备份4～6口，总计28～40口。如果不是网络反馈报告功能的调光柜，则网口需求18～24口。中小剧场更少。这些数据是笔者的经验总结，但笔者以为，是可以推而广之的基础要求。剧场的规模确定了，网络接口数量需求能在一定范围内大致确定。

5.3.3 安全需求

系统运行稳定、可靠，冗余备份，自动切换；抗干扰强；消除广播风暴，防止系统拥塞、瘫痪；自动检测、诊断、修复系统；具备在低温、高温、高湿、扬尘等恶劣环境下稳定工作的能力。

5.3.4 交换机需求

首先，虽然舞台灯光系统控制信号传输量很小，系统简单，但是对可靠性和稳定性的要求很高。加之其工作环境相对较差，需要环境适应能力强、带管理型功能的工业环网交换机。

其次，就是交换机的匹配调整。随着计算机技术和网络技术的发展，在同一系统中运行的设备，要想长期稳定运行，初期一定要经过运行匹配调试。由于在一个灯光系统中，交换机是固定不变的，控制台是流动的，可以更换的，而且控制台厂家的运行协议是不一样的；同时，比较复杂，调整不易，就需要在交换机上做文章，针对不同的控制台，进行匹配调试，运行一段时间，发现问题，加以解决。

这一过程，需要操作者具备相应的交换机技术和控制台使用知识。灯光行业中，此类人才很少；而专业交换机人才不懂灯光应用；而且这个过程需要时间，每个项目都做这样的匹配调试，既不现实，也不划算。

行业需要专用的定制交换机，经过多品牌控制台的运行匹配调试，相应的设置固化到交换机中去，才能满足系统要求。国外已有此类产品。

第三，通过计算，得出一个场地舞台灯光系统所需的网络接口数量和基站数量，进而选择所需规格的交换机。

5.4 网络系统结构分析

5.4.1 原理分析

前文分析过，由于舞台灯光系统使用需求特性，宜采用环网拓扑结构，环形网络拓扑结构需要专用交换机。

如何正确组建环网？

首先，要使用环网交换机（最好是工业交换机），带广播风暴抑制功能，最好是管理型的。

第二，在系统拓扑结构上坚持一个原则——简单！严格意义上来说：

（1）任意两台交换机之间不能有2个环同时存在！环网交换机的设置和内部算法相关，对确定的环，交换机有相应的处理方法，对未知的、额外的环，交换机无法处理，将发生故障。

（2）一个环上的交换机数量不能超过7台（网络系统规则）！同时，环形网络系统的恢复时间是交换机数量×单台恢复时间+系统基础恢复时间，交换机数量越多，恢复时间越长。

5.4.2 正确的、错误的网络拓扑结构列举

为了使大家能快速搭建正确的灯光网络系统，笔者跳过复杂的原理分析，把使用不同数量交换机，正确环网拓扑结构呈现出来，供大家参考。同时，也把现在灯光网络系统中，常见的错误罗列一些，作为警示。

（1）2台交换机

图1是正确的，图2是禁止的。

（2）3台交换机

图3、4、5是正确的，图6、7、8是禁止的，其中图7常见于大剧院。

（3）4台交换机

图9、10、11是正确的，图12、13、14是禁止的，其中图13常见于大剧院。

（4）5台交换机

图15、16、17是正确的，图18、19、20是禁止的，图19常见于大剧院。

其实，错误的做法永远比正确的多，无法一一列举。原则上来说，在正确的拓朴结构上多连一根线，就可能造成附加环网，必然产生广播风暴。

有个项目，使用了环网交换机，但是做了如图7的双环网，多次瘫痪，拆掉一环，就好了。

5.5 无线网络技术介绍

由于艺术需求，灯具位置、规格、数量经常变化，引入无线技术，是灯光师的理想。

提起无线技术，人们首先想到WIFI，对WIFI 的不稳定印象颇深。很多项目设计中，禁止无线使用。

其实，WIFI只是无线技术中最简单的一种；而高级的无线技术，稳定程度不亚于有线。

下面介绍一项在舞台灯光领域中，已有应用产品的“跳频扩展频道”技术。

这是脱胎于军事通讯技术的一种应用，在一定带宽范围内，利用压缩技术，把信号压缩在一个很窄的频带带宽内（<1 M），通过选频，在固定宽频带宽内，寻找一定数量（如60～80个）的可用频点（1 M带宽），发射和接收在这些可用频点之间同步随机跳转，达到对抗干扰的目的。接收端再利用扩展技术，把带宽扩展到适用的范围。

选频同步进行，随时查找可用频点，用以替换已用频点中受干扰最大的，这时一个完全动态的过程，可以抗主动干扰，同时自身对外干扰很小。

5.6 灯光网络系统设计

5.6.1 设计原则

设计一个灯光网络系统，其实很简单，原则就是——简单，越简单越合理，越稳定可靠。作为系统的应用场地，剧场或演播室，其尺度在网络系统中属于极小值，不必考虑传输距离。只需要算好接口数量，进而选择合适的交换机即可。能用1台，绝不用2台，2台够用，绝不用3台，因为网络的扩展非常容易。

要选择环网专用交换机，投资允许的项目，要选择和世界主流控制台做过匹配调试的专用产品。网络拓扑结构正确。

节点转换器最好放在末端，把节点转换器、DMX分配放大器放在舞台栅顶或天桥上，设置机柜，可以和交换机共用（机柜）。也可以把DMX分配放大器放在吊杆上。

有线、无线系统组合使用，基础部分用有线系统，完善、补充、流动部分用无线系统。

5.6.2 灯光网络系统典型案例介绍

笔者过去做的网络系统，由于当时不懂网络技术，广播风暴的存在致使系统频频瘫痪。把技术搞明白以后，特别是找到合适的专用设备：

比利时的灯光专用网络系统Luminex和瑞典的无线系统LumenRadio，从根本上解决了困扰笔者多年的问题。

Luminex的灯光系统专用交换机，是针对舞台灯光使用需求，专门定制的一款管理型工业光纤环网交换机。既可以做即插即用型的星网、环网交换机，本身已具备管理型功能：冗余备份，自动切换链路，自动检测、诊断、修复系统等；也可以通过工具做更高级设置，如流量优先队列、广播风暴消息滤速、用于诊断的端口镜像等。还具备环网通断提示、网速提示等功能。

Luminex的网络-DMX节点信号转换器，可以兼容Art-Net、ACN、sACN、DMX512、DMX512A、RDM等多种信号协议。

LumenRadio采用军事通讯用的“跳频扩展频道”技术，实现无线DMX信号传输，系统稳定可靠，同样兼容Art-Net、ACN、sACN、DMX512、DMX512A、RDM等多种信号协议，曾获两次伦敦PLASA大奖。

笔者用Luminex+LumenRadio做了几个项目，运行良好，从来没出现过系统故障，其中投入使用最长的青岛天创大剧院，2012年8月投入使用，每年演出200多场。下面通过几个典型案例，介绍一下使用专用设备组成的网络系统。

（1）新疆大剧院

新疆大剧院是2015年初投入使用的以主题演出为主、兼顾其他功能的超大型剧场，表演舞台包括主舞台、伸出舞台、两侧耳台、后舞台、观众厅通道、空间马道等全立体空间，表演舞台面积大于2 000 m2，使用灯具数量超过1 400台，使用DMX通道数量超过18 000。新疆大剧院采用了智能化新型供电系统，完全替代传统调光/直通柜，没有调光柜室，网络系统相对简单，只有2个基站，控制室和舞台栅顶。

由于新疆大剧院主题演出使用灯具数量过于庞大，DMX单元通道全部利用也会超过35个，采用分区域编组的方式，尽量提高DMX单元通道利用率，简化系统，降低投资。控制设备使用了5台NPU，提供40个DMX输出单元。

系统采用2个基站，2台14口光纤交换机，1台12口扩展交换机，可用外接网络接口35个。节点转换器（2/4/8口有线和2口无线）20台，提供初始DMX接口80个。

网络设备配置如表1。

不算最佳，无线略少。投入使用以来运行稳定。

（2）延安大剧院

延安大剧院是2016年第十一届中国艺术节开幕式的主会场，典型的出租型多功能专业剧场，需要满足歌剧、舞剧、音乐会、话剧、戏剧、综艺等不同演出形式的需求。对不同演出之间的快速转换，有很高的要求。延安大剧院的供电系统，采用传统调光柜，10台具有网络报告功能的调光/直通柜。网络系统设置3个基站，控制室、硅控室和舞台栅顶。

系统采用3个基站，1台16口光纤交换机，2台14口光纤交换机，可用外接网络接口38个。节点转换器（2/4口有线）9台，提供初始DMX接口28个。

网络设备配置如表2。

配置节点转换接口略少，没有无线。系统安装中。

（3）云南大剧院

云南大剧院是一个省级大剧院，计划于2016年竣工，采用诸多国际最新设计理念，连续布杆，灯景不分，新型智能化供电系统，是目前国内外剧场中，基本实现为艺术家提供一个“空的空间”，“自由发挥”的剧场。系统设置2个基站，控制室和舞台栅顶。

系统采用2个基站，2台14口光纤交换机，2台12口扩展交换机，可用外接网络接口46个。节点转换器（2/4/8口有线和2口无线）13台，提供初始DMX接口52个。

网络设备配置如表3。

相对理想，施工中，预计2016年底投入使用。

6 结束语

舞台灯光领域，涉及知识面很广，较难有人全面理解。从网络专业技术角度来讲，舞台灯光的系统太小，专业人才欠缺，造成我们对网络系统的理解和应用，存在诸多问题。

笔者抛砖引玉，望各位老师专家批评指正，以彻底解决灯光网络系统问题。