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由“看得见”到“看得清”——白鹤梁水下保护体内的灯光改造

2017-03-21 09:16:42 来源: 中国文物报
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摘要:白鹤梁题刻原址水下保护工程位于重庆市涪陵城北长江中,长约1600米,宽约10~15米,东西向延伸,与长江平行。工程于2009年5月18日竣工,并成立了世界上第一个水下博物馆。白鹤梁题刻保护体水下照明系统也在当年安装并投入运行,采用了LED照明技术,由108盏水下LED灯具组成,设计平均照度达到了35…

  白鹤梁题刻原址水下保护工程位于重庆市涪陵城北长江中,长约1600米,宽约10~15米,东西向延伸,与长江平行。工程于2009年5月18日竣工,并成立了世界上第一个水下博物馆。白鹤梁题刻保护体水下照明系统也在当年安装并投入运行,采用了LED照明技术,由108盏水下LED灯具组成,设计平均照度达到了350勒克斯(lx)。当时基本满足了人们“水下看得见”题刻的要求,受条件限制,就如何看得清题刻未作更多思考。

  随着水下照明控制技术的突飞猛进,原有的照明系统在近几年的使用过程中逐渐暴露出了一系列问题:

  第一,原有开关型照明控制方式,导致了过多的无谓光照,除能耗浪费外,更主要的是对控制水体温度不利,也对防止腐蚀和保护题刻不利。过度的照明为水中藻类的生长提供了有利光照和温度条件,使得藻类附着在题刻表面,影响了题刻的观赏效果。

  第二,原有水下光学系统采用的是空气光学的泛光照明,光束角较大,题刻光影的对比度小,展示效果不理想;原有的均匀照明视觉效果平淡,不能突出重点题刻。

  第三,原有的LED光源有眩光产生,造成参观者眼部不适。

  为了更好地突出题刻艺术观赏效果,延缓水中藻类和生物膜的生长,2012年至2014年,白鹤梁水下博物馆相继与中国海洋大学、上海交通大学海科集团多次开展灯光升级改造相关课题研究,在实验的基础上形成了《白鹤梁题刻灯光工程改造方案》。该方案借助水下LED照明技术、水下光场交叉调控技术、远程电力载波控制技术、光源密闭空间导热散热技术、区域及全局网络通信控制技术等,一方面全面提高水下光影配合水平,实现层次化照明,提升水下题刻的展示效果,减少无谓光照;另一方面优化调配重点题刻照明以降低保护体内水体温升,延缓保护体内生物膜的滋生和腐蚀等。

  白鹤梁题刻灯光改造工程主要是在保护体内实施,施工期间长江蓄水水位已达175米,保护体位于水下38米处,穹顶高程143米,保护体题刻高程137.2米左右。椭圆保护体内径长轴64米、短轴17米。改造工程施工涉及参观廊道内控制线路的敷设、设备间控制柜改造、保护体内原有灯具拆出及新灯具线路敷设安装调试。

  改造工程施工前,对典型题刻的水下照度、均匀性等进行了测量,对重点题刻的主观观感进行了逐个评判。勘验初步结论是水下照度由于灯具长时间运行及灯具照度衰减严重,题刻表面照度有较大的差别,部分题刻表面照度偏高而部分题刻的表面照度又明显偏低,同时均匀照度使得重点题刻不突出,没有视觉层次感。

  系统构成及原理

  白鹤梁保护体灯光改造工程基于低压电力线载波通讯技术,采用了新型智能可调光控制的LED泛光灯光源(108盏)和聚光灯光源(20盏),通过侧逆光和正向逆光配合、重点局部突出与均匀分布光源配合,通过对重点题刻的区域配光模式以及效果光、背景光的对比衬托,通过光线渐变模式增强立体光感,大大提升了保护体水下题刻的展示效果。运用20盏聚光灯对双鱼、“白鹤梁”、“中流砥柱”、黄庭坚“元符庚辰涪翁来”、吴革题记、张八歹刻木鱼、李宽双鱼、刘忠顺题记、贾公哲题记、“预兆丰年”石鱼等17处题刻进行了重点配置。

  功能和技术

  1.远程整体调光控制功能

  通过设备间的工控机所搭载的照明系统控制软件,借用物联网电力载波技术通信技术,实现了对所有泛光灯(108盏)及聚光灯(20盏)的远程、同步、全局调光控制功能。保护体内安装的所有泛光灯、聚光灯都具有唯一的地址编号。通过工控机照明系统控制软件,选择照明灯的地址编码,可对相应的泛光灯、聚光灯进行亮度(从0%~100%)的调节控制,同时也可以对选定地址的灯具进行闪烁定位控制。在工控机端灯光系统控制软件界面内可对选定分区(初步划分为6个区)的聚光灯、泛光灯的光影配合进行同步程序化调节(调节比例由程序设定)。在参观廊道触摸屏上也能够通过触屏区域进行调光控制。人机界面上设置了本区域的调光控制按钮,包括“突出展示、一般展示、节能模式”三种,可通过触摸屏上的“隐形按键(防止游客随意操控)”实现本区域聚光灯、泛光灯的亮度调节。

  2.载波通信和控制功能

  针对实际改造过程中存在的供电干扰和信号干扰、通信不稳定情况,采用成熟可靠且经过验证的ZPLC-10电力载波通信模块,通过在电源线上叠加通信信号实现水面水下多方通信,另外电力载波主控单元和聚光灯、泛光灯通信模块均经过滤波电路隔离,降低了信号干扰,提高了通信成功率。

  3.灯光模式设置和参数记忆功能

  通过工控机灯光系统控制软件可以设置三种不同模式所对应的泛光灯、聚光灯的亮度值(如10%、66%等),并将设定值保存到工控机硬盘中。每次切换模式,聚光灯、泛光灯可自动调整到对应亮度值。根据日常运行及照明效果的择优,通过工控机控制软件可以设置聚光灯、泛光灯的上电默认亮度,在下次加电时自动调整到默认亮度。

  4.光束会聚及控制技术

  光束会聚及控制用于形成题刻表面照明所需要的均匀泛光照明和用于重点突出、引导作用的聚光照明。

  对于泛光灯的光束控制,采用小功率灯珠加透镜和球型玻璃灯罩的方式,形成在保护体全部区域内的均匀照明(经水池试验,不加灯罩的情况下,10盏灯组照明均匀性超过90%);另外,针对此型灯具原存在的漏光、眩光问题,通过增加非金属灯罩降低眩光、漏光,收缩泛光灯角度。

  对于聚光灯的光束控制,对比了灯珠形式(20颗以上)和COB光源的形式,COB光源的面积最紧凑,便于水下照明灯设计,聚光效果更易控制。针对COB光源又对比了多种形式的光束控制如铝制反光杯(橙面杯、光面杯)、塑料反光杯和综合透镜反光杯,最终选择既利于散热,又有利于形成漂亮的光斑,对提升题刻的照明效果作用显著的橙面铝制反光杯。

  5.智能调光控制技术

  本项目聚光灯、泛光灯的远程、近程调光控制和智能化设置是通过建立工控机、触摸屏和聚光灯、泛光灯(单片机)之间的通信来完成的。由于保护体内由设备间至聚光灯/泛光灯最远电缆敷设距离超过100米,同时本系统改造是基于原有两线制照明灯供电形式(不可更改增加通信线路)进行,最终,本系统采用了基于电力线载波的两线制供电通信形式,同时实现对水下聚光灯、泛光灯的供电和通信控制。

  通过以上技术运用,实现了灯光光场分布及展示效果提升。变全局平淡照明为局部重点照明引导,突出重点文物题刻的文物价值,以建筑学的多层次照明理念形成本题刻的分层照明理念,以侧向逆光、正向逆光体现题刻的层次感、深度感,提升展示效果,同时侧向光还可以减少直射光对水体中颗粒的反射、散射影响,提升人眼观察清晰度。变原有的均匀场照明(场景照明)为非均匀场照明,改造原有泛光灯,增加聚光灯,形成两者搭配。以背景光为底衬并降低背景光的亮度,以效果光(聚光灯具)为立体呈现光,形成层次感,提升白鹤梁题刻展示效果。变正向逆光或侧逆光的照明形式对重点题刻进行聚光照明,题刻主体和背景存在极大的明暗反差,边缘易勾勒出明亮的轮廓线,带来更明显的题刻立体感和完美的光影效果。

  整个工程自2016年3月起陆续展开,12月20日顺利完工,12月28日通过验收。白鹤梁水下保护体内灯光改造,不仅使展示效果得到极大的提高,题刻由原来的“看得见”到现在的“看得清”,而且文物得到了更好的保护。一是实现了程序化、智能化控制,可以根据观众需要调节光照,突出重点题刻;二是通过区域配光模式和渐变模式、效果光和背景光的对比衬托,增强立体光感,丰富了题刻的表现层次;三是运用侧逆光和正向逆光配合、局部突出与均匀分布光源配合,使题刻辨识度大为提升,增强了题刻的表现力和视觉引导力;四是实现区域分组灯光控制,关闭无为光照,降低温升,抑制水中藻类的生长,减少人工干预,利于石质文物的保护。

(责任编辑:郑晓芬)

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