音樂水型同步的可擴展噴泉控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬音樂噴泉的控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種音樂水型同步的可擴展噴泉控 制系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1930年，德國OTTO. PRZYSTAWIK提出音樂融入噴泉的創(chuàng)新設計理念，先進理念催 生的音樂噴泉系統(tǒng)（MUSICAL FOUNAIN SYSTEM，縮寫MFS)應運而生。音樂噴泉憑借獨特的 魅力、清新的面目，贏得世人傾心、風靡全球。80年代中期，我國相繼引進和自行設計建造了 數(shù)以百計的音樂噴泉，為美化環(huán)境、活躍人們的文化生活起到了良好的作用。2001年7月， 中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會噴泉水景委員會成立（噴泉水景的行業(yè)組織），擁有正式會員單位 237家。2002年10月，天津天塔湖建成大型激光水幕音樂噴泉，這是國內(nèi)首次將數(shù)控技術(shù) 應用到噴泉噴頭上的成功嘗試。
[0003] 科技進步給音樂噴泉注入了持續(xù)的活力，現(xiàn)代噴泉演變?yōu)榧⒙?、光、電、美為?體的高科技與藝術(shù)的跨界系統(tǒng)。典型代表作有：1998年的拉斯維加斯Bellagio音樂噴泉， 2009年的世界最大Dubai Fountain音樂噴泉；后者長275米、水柱高150米，配燈6600個、 50臺彩色投影機，1000余種水型。Dubai Fountain噴泉、彩燈伴隨著優(yōu)雅的樂曲、交相輝 映，時而歡快、時而憂傷，時而抒情、時而激昂，令人心曠神怡?，F(xiàn)代音樂噴泉取得的成就得 益于三項核心技術(shù)：音樂內(nèi)涵的實現(xiàn)技術(shù)，數(shù)控噴頭技術(shù)，音樂噴泉的機電控制和信息傳輸 技術(shù)。
[0004] 音樂內(nèi)涵的實現(xiàn)技術(shù)。音樂內(nèi)涵的實現(xiàn)涉及程控、音控和預編控制三種技術(shù)，其中 程控處于邊緣化狀態(tài)。音控成熟，廣受詬病的缺陷是音樂內(nèi)涵表現(xiàn)力的深度和廣度有限。小 征澤二登臺指揮二泉映月，曲終情未了 ！君不見臺上指揮熱淚盈眶久久難以自持，臺下聽 眾沉浸樂曲久久難以釋懷？音控技術(shù)詮釋的音樂內(nèi)涵膚淺蒼白，抵達小征澤二大師的意境 還有很長很長的路要走。音樂帶給人的各種感受是通過音樂語言傳達的，音樂語言包括節(jié) 奏、節(jié)拍、速度、力度、音區(qū)、音色、和聲、旋律、復調(diào)、調(diào)式等元素。音樂特征從低至上分三層： 基本、復雜和整體特征。目前的音控技術(shù)可識別節(jié)拍、節(jié)奏、力度等基本特征，還無法精準識 別旋律等復雜特征；把握整體特征（曲式結(jié)構(gòu)和風格等）尚停留在學術(shù)探討階段，音控中融 入人文歷史更無從談起。音控的基石是人工智能，其達到的高度決定音控的水準。業(yè)界傾 向預編控制，借助計算機輔助編輯系統(tǒng)，在專家系統(tǒng)和音樂知識庫的支持下顯示音樂波形， 通過人機交互方式編輯水型、配置燈光，預編結(jié)果以配置文件形式存儲；配置文件記錄曲目 表演所需的控制信息，表演時讀取配置文件、椐此調(diào)節(jié)噴頭和燈光，使水型、燈光的視覺感 受和音樂的聽覺感受溶為一體，營造出一場又場出神入化的視聽盛宴。必須指出，時至今 日預編控制曾經(jīng)的兩塊短板（編輯系統(tǒng)的功能不全易用性差，有經(jīng)驗的編輯系統(tǒng)操作員匱 乏）基本補全：在音樂噴泉業(yè)界的不懈改進下，計算機輔助編輯系統(tǒng)的功能完備性和操作 易用性日臻完善；通過音樂噴泉業(yè)主的持續(xù)學習和經(jīng)驗結(jié)累，熟練掌握計算機輔助編輯系 統(tǒng)的業(yè)主大量涌現(xiàn)。
[0005] ?數(shù)控噴頭技術(shù)。數(shù)控噴頭通過步進電機實現(xiàn)噴頭的多維度運動，運動方向和速度 的改變、生成變幻無窮的水型。杭州明珠音樂噴泉有限公司首創(chuàng)導電滑環(huán)專利技術(shù)，使噴頭 轉(zhuǎn)角大于360°時易產(chǎn)生導線纏繞的技術(shù)難題得以解決。
[0006] ?音樂噴泉的機電控制和信息傳輸技術(shù)。PC或服務器+PLC構(gòu)成的上/下位機架 構(gòu)是音樂噴泉機的標配，也是"三項核心技術(shù)"中關(guān)注度最小的一項。實踐表明：PC+PLC架 構(gòu)的可擴展性欠佳，音樂與水型、水型與燈光、燈光與音樂的三同步有待提高，步進電機驅(qū) 動噴頭的品質(zhì)及運動副的壽命差強人意。
[0007] 2014年12月，中央經(jīng)濟工作會議指出：必須摒棄經(jīng)濟增長不可持續(xù)的舊發(fā)展模 式，充分認識資源環(huán)境約束條件下的經(jīng)濟新常態(tài)。眾所周知，2014年音樂噴泉行業(yè)新開工定 單遭遇斷崖式下跌。剖析機電控制和信息傳輸技術(shù)缺陷的根源，探索針對性解決方案，提升 存量音樂噴泉的技術(shù)附加值，有望引領(lǐng)行業(yè)走出谷底。畢竟九洲大地處處興建音樂噴泉的 "美好時光"，在可預期的相當時間內(nèi)將不會重現(xiàn)。多維數(shù)控噴頭和LED燈具的應用，水型、 燈光的視覺與音樂聽覺的高度融合，對音樂噴泉的機電控制和信息傳輸技術(shù)提出了全新挑 戰(zhàn)。
[0008] 首先，多維數(shù)控噴頭和LED燈具使音樂噴泉控制系統(tǒng)的控制點倍增，即系統(tǒng)復雜 度倍增；另一方面，多維數(shù)控噴頭至少需轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向變量，燈光必要的最少變量則是 顏色及亮度，以及噴頭和燈光兩者的配合協(xié)調(diào)，顯然系統(tǒng)的控制變量己延拓至模擬量；鑒于 PC+PLC架構(gòu)有限的擴展性和模擬量控制潛力，實施網(wǎng)絡控制是首選方案。
[0009] 其次，水型、燈光的視覺與音樂聽覺的高度融合涉及音樂與水型、水型與燈光、燈 光與音樂的三同步，考慮到燈光響應的時間可以忽略不計，故"三同步"的關(guān)鍵是音樂與水 型的同步；因水型滯后音頻，傳統(tǒng)方法是對音頻作延時處理達到水型音頻的同步，但該方法 存在音樂播放時有停頓、音樂與水型協(xié)調(diào)性不夠的缺點；優(yōu)選方案是借鑒工控領(lǐng)域消除純 滯后卓有成效的預測控制算法。
[0010] 第三，剖析步進電機噴頭運動副壽命較短的原因，不妨從歷史悠久的機床、電梯業(yè) S形加減速曲線切入；音樂噴泉業(yè)者參照步進電機的矩頻特性，設計噴頭的加減速曲線，旨 在避免失步。S曲線由加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速、減減速7個階段組成， 從速度視角考量又分成起動加速、勻速和制動減速三部分；S曲線無加速度突變和加速度 突變引起的沖擊。噴頭加減速引進S曲線，無變速時的力突變，步進電機噴頭運動副的壽命 將得以延長。
[0011] 最后，機電控制和信息傳輸技術(shù)必須保護噴泉業(yè)主早期的巨額投資；換言之，選 擇網(wǎng)絡控制應兼容己有的主流通信協(xié)議。移植EPA (Ethernet for Plant Automation)是 一個不錯的選擇。EPA是我國第一個被IEC正式承認擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國家標準，列為 IEC61784-2 中的第 14 族（CPF14, Common Profile Family 14) ;EPA 網(wǎng)絡層支持不同主流 通信的物理/數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，與BACnetdSO 16484)設計思想如出一轍；不同的物理/數(shù) 據(jù)鏈路層對EPA應用層透明，是音樂噴泉改造、擴容時兼容老系統(tǒng)的關(guān)鍵支持技術(shù)。
[0012] 音樂噴泉控制技術(shù)領(lǐng)域較有代表性的知識產(chǎn)權(quán)成果綜述如下：
[0013] 發(fā)明專利"多媒體計算機音樂噴泉智能控制系統(tǒng)"（ZL01115636. 8)，提出一種多媒 體計算機音樂噴泉智能控制系統(tǒng)，音頻信號處理器接收來自計算機的音樂信號A，控制器接 收來自音頻信號處理器和專家配曲知識庫的信號，信號延時接收來自計算機的音樂信號B， 并向控制器和音響發(fā)出信號。
[0014] 發(fā)明專利"可編程音樂噴泉控制系統(tǒng)"（ZL200910027832. 1)，提出可編程音樂噴泉 控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括上位機、若干控制模塊和驅(qū)動模塊，控制模塊通過CAN總線接口與CAN 總線連接。
[0015] 上述有益探索，圍繞音樂噴泉控制技術(shù)問題展開討論，提出音頻延時技術(shù)實現(xiàn)音 樂和水型的同步、CAN現(xiàn)場總線構(gòu)建系統(tǒng)的方案，有一定的參考價值，但探索成果仍存在局 限。因此，有必要在現(xiàn)有音樂噴泉控制技術(shù)成果的基礎上，作進一步的創(chuàng)新設計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種音樂水型同步的可擴展噴泉控制 系