音乐水型同步的可扩展喷泉控制系统及其方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属音乐喷泉的控制技术领域，尤其涉及一种音乐水型同步的可扩展喷泉控 制系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 1930年，德国OTTO. PRZYSTAWIK提出音乐融入喷泉的创新设计理念，先进理念催 生的音乐喷泉系统（MUSICAL FOUNAIN SYSTEM，缩写MFS)应运而生。音乐喷泉凭借独特的 魅力、清新的面目，赢得世人倾心、风靡全球。80年代中期，我国相继引进和自行设计建造了 数以百计的音乐喷泉，为美化环境、活跃人们的文化生活起到了良好的作用。2001年7月， 中国建筑金属结构协会喷泉水景委员会成立（喷泉水景的行业组织），拥有正式会员单位 237家。2002年10月，天津天塔湖建成大型激光水幕音乐喷泉，这是国内首次将数控技术 应用到喷泉喷头上的成功尝试。
[0003] 科技进步给音乐喷泉注入了持续的活力，现代喷泉演变为集水、声、光、电、美为一 体的高科技与艺术的跨界系统。典型代表作有：1998年的拉斯维加斯Bellagio音乐喷泉， 2009年的世界最大Dubai Fountain音乐喷泉；后者长275米、水柱高150米，配灯6600个、 50台彩色投影机，1000余种水型。Dubai Fountain喷泉、彩灯伴随着优雅的乐曲、交相辉 映，时而欢快、时而忧伤，时而抒情、时而激昂，令人心旷神怡。现代音乐喷泉取得的成就得 益于三项核心技术：音乐内涵的实现技术，数控喷头技术，音乐喷泉的机电控制和信息传输 技术。
[0004] 音乐内涵的实现技术。音乐内涵的实现涉及程控、音控和预编控制三种技术，其中 程控处于边缘化状态。音控成熟，广受诟病的缺陷是音乐内涵表现力的深度和广度有限。小 征泽二登台指挥二泉映月，曲终情未了 ！君不见台上指挥热泪盈眶久久难以自持，台下听 众沉浸乐曲久久难以释怀？音控技术诠释的音乐内涵肤浅苍白，抵达小征泽二大师的意境 还有很長很長的路要走。音乐带给人的各种感受是通过音乐语言传达的，音乐语言包括节 奏、节拍、速度、力度、音区、音色、和声、旋律、复调、调式等元素。音乐特征从低至上分三层： 基本、复杂和整体特征。目前的音控技术可识别节拍、节奏、力度等基本特征，还无法精准识 别旋律等复杂特征；把握整体特征（曲式结构和风格等）尚停留在学术探讨阶段，音控中融 入人文历史更无从谈起。音控的基石是人工智能，其达到的高度决定音控的水准。业界倾 向预编控制，借助计算机辅助编辑系统，在专家系统和音乐知识库的支持下显示音乐波形， 通过人机交互方式编辑水型、配置灯光，预编结果以配置文件形式存储；配置文件记录曲目 表演所需的控制信息，表演时读取配置文件、椐此调节喷头和灯光，使水型、灯光的视觉感 受和音乐的听觉感受溶为一体，营造出一场又场出神入化的视听盛宴。必须指出，时至今 日预编控制曾经的两块短板（编辑系统的功能不全易用性差，有经验的编辑系统操作员匮 乏）基本补全：在音乐喷泉业界的不懈改进下，计算机辅助编辑系统的功能完备性和操作 易用性日臻完善；通过音乐喷泉业主的持续学习和经验结累，熟练掌握计算机辅助编辑系 统的业主大量涌现。
[0005] ?数控喷头技术。数控喷头通过步进电机实现喷头的多维度运动，运动方向和速度 的改变、生成变幻无穷的水型。杭州明珠音乐喷泉有限公司首创导电滑环专利技术，使喷头 转角大于360°时易产生导线缠绕的技术难题得以解决。
[0006] ?音乐喷泉的机电控制和信息传输技术。PC或服务器+PLC构成的上/下位机架 构是音乐喷泉机的标配，也是"三项核心技术"中关注度最小的一项。实践表明：PC+PLC架 构的可扩展性欠佳，音乐与水型、水型与灯光、灯光与音乐的三同步有待提高，步进电机驱 动喷头的品质及运动副的寿命差強人意。
[0007] 2014年12月，中央经济工作会议指出：必须摒弃经济增长不可持续的旧发展模 式，充分认识资源环境约束条件下的经济新常态。众所周知，2014年音乐喷泉行业新开工定 单遭遇断崖式下跌。剖析机电控制和信息传输技术缺陷的根源，探索针对性解决方案，提升 存量音乐喷泉的技术附加值，有望引领行业走出谷底。毕竟九洲大地处处兴建音乐喷泉的 "美好时光"，在可预期的相当时间内将不会重现。多维数控喷头和LED灯具的应用，水型、 灯光的视觉与音乐听觉的高度融合，对音乐喷泉的机电控制和信息传输技术提出了全新挑 战。
[0008] 首先，多维数控喷头和LED灯具使音乐喷泉控制系统的控制点倍增，即系统复杂 度倍增；另一方面，多维数控喷头至少需转角、转速及转向变量，灯光必要的最少变量则是 颜色及亮度，以及喷头和灯光两者的配合协调，显然系统的控制变量己延拓至模拟量；鉴于 PC+PLC架构有限的扩展性和模拟量控制潜力，实施网络控制是首选方案。
[0009] 其次，水型、灯光的视觉与音乐听觉的高度融合涉及音乐与水型、水型与灯光、灯 光与音乐的三同步，考虑到灯光响应的时间可以忽略不计，故"三同步"的关键是音乐与水 型的同步；因水型滞后音频，传统方法是对音频作延时处理达到水型音频的同步，但该方法 存在音乐播放时有停顿、音乐与水型协调性不够的缺点；优选方案是借鉴工控领域消除纯 滞后卓有成效的预测控制算法。
[0010] 第三，剖析步进电机喷头运动副寿命较短的原因，不妨从历史悠久的机床、电梯业 S形加减速曲线切入；音乐喷泉业者参照步进电机的矩频特性，设计喷头的加减速曲线，旨 在避免失步。S曲线由加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速、减减速7个阶段组成， 从速度视角考量又分成起动加速、匀速和制动减速三部分；S曲线无加速度突变和加速度 突变引起的冲击。喷头加减速引进S曲线，无变速时的力突变，步进电机喷头运动副的寿命 将得以延長。
[0011] 最后，机电控制和信息传输技术必须保护喷泉业主早期的巨额投资；换言之，选 择网络控制应兼容己有的主流通信协议。移植EPA (Ethernet for Plant Automation)是 一个不错的选择。EPA是我国第一个被IEC正式承认拥有自主知识产权的国家标准，列为 IEC61784-2 中的第 14 族（CPF14, Common Profile Family 14) ;EPA 网络层支持不同主流 通信的物理/数据链路层协议，与BACnetdSO 16484)设计思想如出一辙；不同的物理/数 据链路层对EPA应用层透明，是音乐喷泉改造、扩容时兼容老系统的关键支持技术。
[0012] 音乐喷泉控制技术领域较有代表性的知识产权成果综述如下：
[0013] 发明专利"多媒体计算机音乐喷泉智能控制系统"（ZL01115636. 8)，提出一种多媒 体计算机音乐喷泉智能控制系统，音频信号处理器接收来自计算机的音乐信号A，控制器接 收来自音频信号处理器和专家配曲知识库的信号，信号延时接收来自计算机的音乐信号B， 并向控制器和音响发出信号。
[0014] 发明专利"可编程音乐喷泉控制系统"（ZL200910027832. 1)，提出可编程音乐喷泉 控制系统，系统包括上位机、若干控制模块和驱动模块，控制模块通过CAN总线接口与CAN 总线连接。
[0015] 上述有益探索，围绕音乐喷泉控制技术问题展开讨论，提出音频延时技术实现音 乐和水型的同步、CAN现场总线构建系统的方案，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局 限。因此，有必要在现有音乐喷泉控制技术成果的基础上，作进一步的创新设计。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种音乐水型同步的可扩展喷泉控制 系