音樂噴泉方案開發(fā)

噴泉在城市景觀建設(shè)中日益占有重要地位，音樂噴泉尤其如此。而要想取得引人駐步的效果，必須有精湛的控制技術(shù)及高可靠的工作性能。本文研討這一問題。

一、音樂噴泉的控制技術(shù)

1.1音樂噴泉的定義

音樂噴泉是把現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于人工噴泉，通過現(xiàn)代控制技術(shù)把噴泉和音樂緊密結(jié)合而生成的一種新的噴泉藝術(shù)形式。在這種藝術(shù)形式中，音樂和噴泉以各自特有的形式相互配合，共同表現(xiàn)相同的藝術(shù)內(nèi)涵，它們的關(guān)系應(yīng)該近似于音樂和舞蹈的關(guān)系、音樂和電影的關(guān)系，因此有以下關(guān)于音樂噴泉的定義：

定義：噴泉的動(dòng)作和與之同時(shí)播放的樂曲之間存在內(nèi)在聯(lián)系的噴泉是音樂噴泉。

這個(gè)定義被人們普遍認(rèn)同，但是滿足這個(gè)定義的噴泉在效果方面有著很大的差別，其區(qū)別在于音樂噴泉功能的完備性，效果差別的原因是基本功能的差別。一個(gè)好的音樂噴泉應(yīng)該具備以下基本功能：

1)音樂控制的功能：噴泉的噴水高度受音樂振幅的影響。
2)音樂關(guān)聯(lián)的功能：可以使噴泉的水型變化和音樂的段落、節(jié)奏相一致。
3)時(shí)延補(bǔ)償功能：噴泉、音響、燈光等所有設(shè)備的動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，噴泉?jiǎng)幼鳒髽非膯栴}得到補(bǔ)償。
4)節(jié)目的后制作功能：為噴泉的設(shè)計(jì)、調(diào)試、編輯、播放提供開放的操作機(jī)制，節(jié)目的制作主要不應(yīng)在噴泉工程完成之前由工程承建方的計(jì)算機(jī)工程師完成，而是在工程完成之后，讓用戶通過專業(yè)的軟件工具完成。這兩種方法可以分別叫做噴泉節(jié)目的前制作和噴泉節(jié)目的后制作。

這些功能中，后制作機(jī)制是重要的。對(duì)于保證噴泉節(jié)目的質(zhì)量、實(shí)用性、適用性有關(guān)鍵性作用，它是人本精神的體現(xiàn)，是噴泉控制技術(shù)實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，其結(jié)果是：

1)噴泉節(jié)目的曲目和數(shù)量不再受到限制。
2)噴泉節(jié)目的制作由噴泉建造完成之前的閉門造車，變?yōu)閲娙瓿芍蟮默F(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)。
3)噴泉節(jié)目的制作的主動(dòng)權(quán)由噴泉工程的項(xiàng)目承建方變?yōu)閲娙?xiàng)目的運(yùn)營方。
4)噴泉節(jié)目的制作人由未必懂得多少藝術(shù)的計(jì)算機(jī)工程師變?yōu)榭赡芡瓿刹欢糜?jì)算機(jī)編程語言但是更加懂得藝術(shù)的設(shè)計(jì)家、藝術(shù)家。

1.2噴泉的控制技術(shù)

可控人工噴泉的基本控制方法主要有兩種：1)通過電磁閥對(duì)水路進(jìn)行開關(guān)控制，這一方法可用于切換不同的水型，也可用于生成跑動(dòng)、跳躍的效果。2)通過變頻調(diào)速器對(duì)水泵的流量進(jìn)行控制，這一方法可以連續(xù)改變噴水高度，跟蹤音樂信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，也可人為制造出各種動(dòng)態(tài)效果。

基本的控制技術(shù)有三種：

1)模擬控制模擬控制的典型應(yīng)用是音控噴泉：把聲音信號(hào)做積分處理，積分的結(jié)果與適當(dāng)?shù)拈撝迪啾容^，讓比較結(jié)果控制閥門的啟閉，這就是音控噴泉的基本技術(shù)。如果使用的閾值有多個(gè)，各個(gè)比較結(jié)果開啟不同的閥門，這就是高級(jí)音控噴泉了。如果讓積分后的聲音信號(hào)去控制變頻調(diào)速器，從而對(duì)水流量進(jìn)行控制，積分用的聲間又是音樂信號(hào)，這就是“音樂控制的噴泉”了。一般的人們認(rèn)為這就是音樂噴泉的基本模式。

2)程度控制程序控制技術(shù)的典型應(yīng)用自然是程控噴泉，這類噴泉幾乎都是用工業(yè)PL C(程序控制器)做控制器。在控制程序的作用下，一座噴泉會(huì)有多種基本水型，它們按照時(shí)序周期順序出現(xiàn)。移動(dòng)、跳躍、繼續(xù)、交替等受到用戶歡迎的噴泉效果，都是在程控噴泉中最先應(yīng)用的。程控噴泉擁有廣泛的用戶。如果在設(shè)計(jì)程控噴泉時(shí)，把噴泉的各種變化過程和一支樂曲的起停、段落、節(jié)奏相關(guān)聯(lián)，就出現(xiàn)了“音樂關(guān)聯(lián)的噴泉”了，能把程控噴泉做到這樣的水平是件不容易的事。

3)計(jì)算機(jī)控制最先進(jìn)的噴泉控制方式當(dāng)然是計(jì)算機(jī)控制了。計(jì)算機(jī)可以輕易完成模擬控制和程序控制所實(shí)現(xiàn)的所有功能，還可以實(shí)現(xiàn)它們不易實(shí)現(xiàn)的和不可能實(shí)現(xiàn)的許多功能。計(jì)算機(jī)控制是噴泉控制技術(shù)的發(fā)展方向，比如音樂噴泉中遇到的以下技術(shù)問題，不依靠計(jì)算機(jī)就很難解決：

音樂信號(hào)振幅控制噴水高度時(shí)，噴泉的動(dòng)作會(huì)比音樂信號(hào)滯后0—2秒，重力加速度的作用，導(dǎo)致滯后量是噴水高度的二次函數(shù)，是隨機(jī)變量，實(shí)現(xiàn)音水同步成為許多音樂噴泉系統(tǒng)的核心技術(shù)。

由于PL C的梯形圖語言的局限性，對(duì)復(fù)雜些程控噴泉進(jìn)行編程已經(jīng)力不從心，而對(duì)比程控噴泉復(fù)雜得多的音樂噴泉，更加無能為力。

高標(biāo)準(zhǔn)的音樂噴泉節(jié)目設(shè)計(jì)需要音樂舞蹈專業(yè)的人員來做，追求變化用戶希望自己也能制作噴泉節(jié)目。做到這一點(diǎn)必須開發(fā)專門的編輯輕軟件工具。

1.3音樂噴泉的控制技術(shù)

根據(jù)采用技術(shù)的不同，音樂噴泉可以分成多種類別：

1)音樂啟動(dòng)噴泉把音響設(shè)備和程控噴泉安裝在同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，每播放一首樂曲的時(shí)候就自動(dòng)打開噴泉，曲目結(jié)束時(shí)關(guān)閉噴泉。根據(jù)定義，這種只存在外部的起停關(guān)聯(lián)，一不存在內(nèi)在聯(lián)系的噴泉不是音樂噴泉。

2)音樂控制的噴泉這種噴泉通常采用模擬技術(shù)對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行處理，用變頻調(diào)速器做執(zhí)行部件。這種噴泉控制電路簡單，控制效果明顯。常見的問題是動(dòng)態(tài)范圍小，有時(shí)噴水高度過小，有時(shí)噴水高度又會(huì)鎖定在最大值。同時(shí)噴水動(dòng)作滯后于聲音等也是常見問題。

3)與音樂關(guān)聯(lián)的噴泉由程控噴泉發(fā)展而來的音樂控制的噴泉，這種噴泉通常要用到PL C或者計(jì)算機(jī)。在理論上PL C控制方式下，音樂和噴泉可以有良好的關(guān)聯(lián)性，但是節(jié)目制作過程很困難，所以只能向用戶提供很少的噴泉節(jié)目，而且水型和音樂的關(guān)系經(jīng)常不是很好。計(jì)算機(jī)控制方式可以看作PL C方式的改進(jìn)型，它改進(jìn)了系統(tǒng)開發(fā)商的開發(fā)環(huán)境，可是從用戶角度看，由于沒有合適的節(jié)目制作工具，也就沒有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，存在的問題和PL C方式相似。以上是較常見的幾種典型的功能不完備型音樂噴泉。隨著用戶走向成熟，功能不完備型音樂噴泉正在被市場(chǎng)淘汰。

4)完備型音樂噴泉它必須同時(shí)具備以下4項(xiàng)機(jī)制：音樂對(duì)噴泉的控制的機(jī)制。音樂和噴泉的關(guān)聯(lián)機(jī)制。反應(yīng)速度不同的設(shè)備之間的延時(shí)量補(bǔ)償機(jī)制。噴泉節(jié)目的后制作機(jī)制。

二、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線是現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，是電子、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶?，F(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信系統(tǒng)，按ISO的OSI標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可靠性高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，通訊速率快，造價(jià)低，維護(hù)成本低。

2.1現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

（1）一對(duì)N結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)總線是一對(duì)傳輸線，可接N臺(tái)設(shè)備、儀表，雙向傳輸多個(gè)數(shù)字信號(hào)，如圖1所示。它比模擬設(shè)備、儀表一對(duì)一接線、單向傳一個(gè)信號(hào)結(jié)構(gòu)接線簡單，安裝費(fèi)用低，維護(hù)方便。

（2）可靠性高：控制單元的功能塊分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表中，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表構(gòu)成控制回路，危險(xiǎn)分散，提高了系統(tǒng)可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字信號(hào)傳輸，抗干擾強(qiáng)、精度高。

（3）可互換性：來自不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表在功能上可用同一功能的同類設(shè)備、儀表互換，不同牌子設(shè)備、儀表可以互連在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。

（4）可互操作性：雖然，連在現(xiàn)場(chǎng)總線上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表的生產(chǎn)廠家不同、牌子不同，但由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備、儀表引入功能塊，所有廠家都使用相同的功能塊。因此，組態(tài)方法是統(tǒng)一的，可互操作。

（5）開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場(chǎng)總線是開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可與同層網(wǎng)絡(luò)、不同層網(wǎng)絡(luò)、不同生產(chǎn)廠家網(wǎng)絡(luò)互連。網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)庫共享。不同廠家網(wǎng)絡(luò)和儀表可組成一個(gè)開放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

2.2現(xiàn)場(chǎng)總線在噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

對(duì)于噴泉控制領(lǐng)域，采用現(xiàn)場(chǎng)總線的最大優(yōu)點(diǎn)是可大大節(jié)約連接導(dǎo)線、維護(hù)和安裝費(fèi)用。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線能夠傳送多個(gè)過程變量。傳統(tǒng)的4mA-20mA控制回路一般只能攜帶一個(gè)信號(hào)，通常為過程變量。而采用現(xiàn)場(chǎng)總線后，在傳輸變量過程的同時(shí)，設(shè)備、儀表的標(biāo)識(shí)符和簡單的診斷信息也可一并傳送。數(shù)字信號(hào)的精確性是現(xiàn)場(chǎng)總線的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)比4mA-20mA模擬信號(hào)分辨率高，因此，可以排除過去在模/數(shù)轉(zhuǎn)換中所產(chǎn)生的誤差。遠(yuǎn)程維護(hù)在采用數(shù)字通信和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備、儀表后也將成為可能。由于現(xiàn)場(chǎng)總線是雙向的，因此能夠從中心控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表進(jìn)行標(biāo)定、調(diào)整及運(yùn)行診斷，甚至能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)，一個(gè)更為重要的方面是儀表的兼容性可以使用戶大大收益。

由于上述優(yōu)點(diǎn)，筆者在開發(fā)的噴泉控制系統(tǒng)中采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。對(duì)射燈、噴水閥的控制采用了如圖2方案，即PC機(jī)通過232/485—485/232控制PL C，再由PL C經(jīng)過固體繼電器控制燈、閥。

對(duì)水泵變頻器的控制采用了如圖3方案，即PC機(jī)通過232/485—485控制變頻器再由變頻器控制水泵。

從控制系統(tǒng)的實(shí)際效果看，該系統(tǒng)的施工簡便，可靠性和維性高，受到用戶好評(píng)。

三、噴泉控制技術(shù)的未來展望

在功能方面：高端會(huì)出現(xiàn)一些具有完備音樂噴泉的全部特征，同時(shí)具有特別突出的其他特征的噴泉。比如要求對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行精細(xì)的頻譜分析;要求包含一些互動(dòng)功能，要求工程的規(guī)模巨大等等。在低端會(huì)出現(xiàn)一些小型廉價(jià)的家用音樂噴泉。在控制方法上：高端系統(tǒng)中依靠PC機(jī)的系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)發(fā)展，在低端脫離PC機(jī)的系統(tǒng)會(huì)發(fā)明出來，使音樂噴泉早日走入家庭，大型系統(tǒng)中閉環(huán)控制系統(tǒng)將會(huì)大量應(yīng)用。

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