“鳥巢”LED“網(wǎng)幕”視效系統(tǒng)技術(shù)方案的創(chuàng)新實(shí)踐

蘭明

【摘 要】基于北京國家體育場“鳥巢”的巨大面積和鋼架結(jié)構(gòu)，配置相應(yīng)的LED顯示主體“網(wǎng)幕”、供電系統(tǒng)和控制三 大部分的演藝LED視效系統(tǒng)，特別針對可靠性的要求，設(shè)計(jì) “全系統(tǒng)1+1冗余同步運(yùn)行熱備份”方案，實(shí)現(xiàn)高 可靠性和成本效益的有機(jī)平衡。

【關(guān)鍵詞】 APEC；“鳥巢”；LED“網(wǎng)幕”；視效系統(tǒng)；可靠性；冗余同步；熱備份

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.12.003

【Abstract】Based on the huge area and steel structure of Beijing national stadium "Bird Nest"， the corresponding three main acting LED visual systems were distributed of LED display main "Net Screen"， power supply system and control system. Especially in the light of reliability requiment， the "Whole system 1+1 redundant synchronization running hot backup "scheme has made high reliability and cost-effective organic balance possible.

【Key Words】APEC； Bird Nest； LED "net screen" ； visual system； reliability； redundant synchronization； hot backup

2014年11月10日晚，在亞太經(jīng)濟(jì)合作組織（APEC）第二十二次領(lǐng)導(dǎo)人非正式會議歡迎晚宴的活動中，北京國家體育場“鳥巢”巨大的LED “網(wǎng)幕”作為整個(gè)室外演出背景，配合當(dāng)晚的大型焰火晚會《自然頌》和紅火熱烈的鼓舞表演，呈現(xiàn)出和諧的立體式的畫面，打造出縱貫“鳥巢”南北夜空的APEC璀璨之夜，向世界完美表達(dá)出北京APEC“上善若水”之寓意，成為當(dāng)晚演出的一大亮點(diǎn)。北京金立翔藝彩科技股份有限公司榮幸成為該大型LED“網(wǎng)幕”的主要設(shè)計(jì)者和承建商，圓滿實(shí)現(xiàn)了整個(gè)LED“網(wǎng)幕”視效系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制作、安裝調(diào)試和現(xiàn)場控制等全套系統(tǒng)工作。

作為一項(xiàng)重大的國際性演藝活動和極具標(biāo)志性的應(yīng)用場所，項(xiàng)目突出的技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)在安裝難度大、可靠性要求嚴(yán)苛以及對LED產(chǎn)品要求適應(yīng)能力強(qiáng)等三個(gè)方面。筆者就此三個(gè)方面的具體實(shí)施做一分析。

1 LED“網(wǎng)幕”視效系統(tǒng)的構(gòu)成

LED“網(wǎng)幕”視效系統(tǒng)主要由LED顯示主體、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。

（1）顯示主體基于“鳥巢”西側(cè)最外圍鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)層，占據(jù)“鳥巢”整個(gè)外圍三分之一的面積，橫向?qū)挾?32 m，上下最大高度55 m，近13 000 m2的超大面積，為適應(yīng)“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)阻系數(shù)要求以及特異的安裝需求，采用由近26萬條長度為500 mm、寬度為15 mm的燈條組裝完成，每個(gè)燈條由8個(gè)LED（BEln15）像素組成，每個(gè)像素采用2顆高亮度戶外貼片型LED燈體（3535）；LED像素點(diǎn)間距為橫向150 mm，縱向62.5 mm。

（2）供電系統(tǒng)主要包括380 V交流系統(tǒng)、48 V冗余并機(jī)直流系統(tǒng)和48 V長距離直流分配系統(tǒng)。

（3）控制系統(tǒng)主要包括LED信號分配系統(tǒng)、LED控制器、視頻切換矩陣和時(shí)間碼同步視頻播控系統(tǒng)。

系統(tǒng)規(guī)模：LED燈條13 000 m2，電源和信號分配器1 060臺，高清LED控制器12臺，8×8 DVI（Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口）矩陣2臺，視頻播放控制系統(tǒng)4套，18 kW DC（Direct Current，直流）48 V冗余并機(jī)電源柜120套，交直流電纜敷設(shè)長度近60 000 m、單模光纜敷設(shè)長度近5 000 m、峰值最大用電量近2 000 kW等等。歷時(shí)3個(gè)月完成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝調(diào)試任務(wù)。

2 安裝技術(shù)

此項(xiàng)目LED顯示區(qū)域巨大，有效顯示面積1 2000 m2以上（因?yàn)橛续B巢最外圍鋼結(jié)構(gòu)的遮擋， 實(shí)際的顯示面積大于LED條數(shù)的總面積），分布在鋼結(jié)構(gòu)下眾多形狀各異的網(wǎng)孔中，特異的安裝形態(tài)給結(jié)構(gòu)安裝、系統(tǒng)連接以及顯示像素的拼接帶來極大的難度，并加大了工作量；同時(shí)又因其是極具標(biāo)志性的“鳥巢”，對結(jié)構(gòu)安裝提出了嚴(yán)苛的規(guī)定：不允許有任何對“鳥巢”原有結(jié)構(gòu)損傷性施工措施，不允許影響“鳥巢”外觀形象，不允許超過“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)阻荷載要求，不允許高壓電與“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)有危險(xiǎn)接觸等等。

LED燈條的安裝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為鋼絲外徑3.6 mm 的鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為150 mm×250 mm，鋼絲網(wǎng)單元尺寸為1 200 mm×2 500 mm。LED燈條采用豎向級接、橫向一字排開的安裝方式，橫向間距定位采用定制的固定卡具，保持150 mm的間距，級聯(lián)的LED燈條與鋼網(wǎng)連接采用扎帶和LED燈條自帶的卡具完成。鋼絲網(wǎng)與橫向的鋼索固定鋪滿整個(gè)顯示區(qū)域（見圖1），鋼索通過卡具和專用收緊綁帶與“鳥巢”最外層鋼梁抱緊安裝（見圖2），從而實(shí)現(xiàn)無焊接無鉆孔操作的固定結(jié)構(gòu)方式。通過防刮痕保護(hù)措施，對“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)做到無損傷。LED燈條可進(jìn)行左右和上下的滑動位移，以便于在鋼襯網(wǎng)高空入位安裝固定出現(xiàn)誤差時(shí)進(jìn)行微調(diào)；同時(shí)分區(qū)域消除“鳥巢”西立面上沿與下沿12 m的橫向跨度差，因?yàn)椤傍B巢”結(jié)構(gòu)為上大下小的曲面結(jié)構(gòu)。LED燈條填充“鳥巢”外層鋼結(jié)構(gòu)的各種異形網(wǎng)孔時(shí)，采用從顯示區(qū)域中心線開始左右對齊敷設(shè)，同時(shí)以500 mm為截取單位解決上下方向異形填充，保持上下鋼結(jié)構(gòu)異形孔中LED燈條對齊，防止LED顯示畫面不斷層或局部像素錯(cuò)位。同時(shí)LED燈條具有彈性彎曲變形特性，消除了由于鋼網(wǎng)變形產(chǎn)生的對LED單元的破壞力。另外，LED燈條單元具備方便快捷的連接裝置，使構(gòu)造異形和維護(hù)快捷方便。endprint

3 保障高可靠性的技術(shù)措施

LED“網(wǎng)幕”視效系統(tǒng)可靠性保證的技術(shù)方案的核心思想為“全系統(tǒng)1+1冗余同步運(yùn)行熱備份”，見圖3，從LED顯示主體、供電系統(tǒng)到控制系統(tǒng)全部為雙套冗余實(shí)時(shí)同步運(yùn)行。

3.1 LED屏體1+1冗余可靠性技術(shù)措施

LED屏體采用1+1雙套硬件全部獨(dú)立系統(tǒng)，可謂是世界罕見超大規(guī)模應(yīng)用，采用A屏體和B屏體疊加同步顯示相同的視頻內(nèi)容，使LED像素、驅(qū)動電路、外殼防護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和電氣連接等全部硬件得到實(shí)時(shí)備份，極大地提高M(jìn)TBF（Mean Time Between Failur，平均無故障時(shí)間）值。A、B屏顯示分辨率分別為1 700×896，疊加后分辯率仍為1 700×896，拆分后分辨率為3 400×896。由于LED像素橫向排列間距較大（150 mm），為實(shí)現(xiàn)冗余提供充分空間，A、B燈條采用豎向排列方式，A、B燈條緊密貼合，分別同步顯示，見圖4。A、B屏硬件（包括其信號和電源系統(tǒng)）完全獨(dú)立，即使出現(xiàn)故障也互不影響。

A、B單屏最高亮度為800 cd/m2，重疊組合最大亮度為1 600 cd/m2。經(jīng)過實(shí)際測試演出對于LED顯示的亮度要求在400 cd/m2～1 200 cd/m2范圍，實(shí)際采用75%亮度設(shè)置，同時(shí)每根LED燈條內(nèi)設(shè)獨(dú)特的任何電路故障表現(xiàn)為LED熄滅的消黑電路，當(dāng)A、B其中任意一個(gè)故障（包括個(gè)別故障或大面積故障）都能保證600 cd/m2亮度的正常顯示。經(jīng)過實(shí)際測試，幾乎可以做到使觀看者毫無察覺。

3.2 LED供電系統(tǒng)1+1冗余可靠性技術(shù)措施

LED直流供電系統(tǒng)主要提供A、B兩組DC 48 V，分別由配電柜及其電源分配器和相應(yīng)的交直流電纜組成。在每組直流供電系統(tǒng)中，配電柜主要包括54臺直流配電柜（實(shí)際使用數(shù)量稍多，為了備用），其中每個(gè)直流配電柜由6臺AC/DC、48 V、53 A可并機(jī)工作的開關(guān)電源，同時(shí)均流工作在同一條直流母線上，在滿足功率要求（5臺）基礎(chǔ)上，再提供1臺冗余功率，當(dāng)有任意一臺故障電源退出工作后，其余5臺電源仍能滿足功率要求，從而大大提高直流電源的可靠性。當(dāng)A、B屏所使用的直流配電柜和信號電源分配器獨(dú)立運(yùn)行互不干涉時(shí)，A、B屏相應(yīng)的電源系統(tǒng)亦即實(shí)現(xiàn)了1+1的冗余備份，使得電源系統(tǒng)從交流鏈路、AC/DC系統(tǒng)、直流鏈路再到直流分配鏈路的全部同步1+1熱備份，為LED供電系統(tǒng)提供了足夠的可靠性保障。

3.3 LED控制系統(tǒng)1+1冗余可靠性技術(shù)措施

LED信號控制系統(tǒng)同樣分為A、B兩組，每組主要包括LED信號分配器、LED控制器、DVI矩陣、主備視頻播放系統(tǒng)等。

LED信號分配器與直流48 V電源分配器集成在一起，與A、B屏體對應(yīng)布置，形成硬件完全獨(dú)立的A、B信號分配系統(tǒng)。每個(gè)LED信號分配器通過正向和反向兩路信號與對應(yīng)的LED控制器連接，正反信號為實(shí)時(shí)同步的熱備份信號，任何一路信號中斷時(shí)，對應(yīng)的另一路信號會自動保持正常工作。A、B信號分配器具有各自的正反向信號系統(tǒng)，亦即A信號分配器對應(yīng)A正向LED控制器和A反向LED控制器，B信號分配器對應(yīng)B正向LED控制器和B反向LED控制器。

相應(yīng)的A、B正反向LED控制器通過對應(yīng)的A、B兩組DVI矩陣與主備視頻播放系統(tǒng)同步接駁，DVI矩陣負(fù)責(zé)視頻信號的分配和切換。正常工作時(shí)，主備視頻播放系統(tǒng)同步（可非幀同步方式）播放相同的視頻內(nèi)容，形成兩路交叉信號鏈路，如圖5所示。

正常工作狀態(tài)，主視頻播放系統(tǒng)通過A、B兩組DVI矩陣將視頻信號以幀同步方式傳送到A、B屏的所有正反向LED控制器和LED信號分配器，任何A、B系統(tǒng)中的控制器、分配器，及A、B屏體等鏈路故障都不會影響系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)A、B兩組中的某一臺DVI矩陣故障時(shí)，或主視頻播放系統(tǒng)故障時(shí)，需要通過DVI矩陣切換到備用視頻播放系統(tǒng)的視頻信號。整體視頻控制系統(tǒng)的可靠性足以滿足實(shí)際需求。

4 高適應(yīng)能力的LED產(chǎn)品

LED顯示單元的燈條采用彩龍系列產(chǎn)品（BEln），以適應(yīng)特異的結(jié)構(gòu)、造型、強(qiáng)度、性能等多項(xiàng)要求，其技術(shù)參數(shù)見表1。500 mm的燈條長度，自由組合的連接方式，有效組合異形顯示區(qū)域；15 mm細(xì)窄的燈條寬度、高通透率和與“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)一致的外殼顏色，如圖6所示，有效地降低風(fēng)阻系數(shù)，保證鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求以及不會破壞“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)整體外觀造型； 小于120 g的燈條重量，有效保證“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)承重載荷基本安全要求；燈條可串接長度達(dá)10 m，有效減少電纜用量；可彈性彎曲結(jié)構(gòu)和大于100 kg的抗拉力功能，有效抵御基礎(chǔ)鋼網(wǎng)變形和風(fēng)力震動；IP65防護(hù)等級，有效抵御雨雪風(fēng)霜；3 000 Hz的刷新頻率和16 bit灰度等級的同步顯示方式，有效保證通過專業(yè)攝像機(jī)向全世界轉(zhuǎn)播高品質(zhì)視頻效果；直流24 V～48 V工作電壓，有效保證用電安全和長距離供電方式；快速方便的LED燈條插接方式，有效降低異形安裝調(diào)試和檢修維護(hù)的工作量，提高工作效率。

5 結(jié)束語

LED“網(wǎng)幕”視效系統(tǒng)在圓滿完成APEC鳥巢煙火表演任務(wù)后，將繼續(xù)在“鳥巢”使用一段時(shí)間，但可靠性要求降低，A、B屏將會合二為一，使整個(gè)顯示區(qū)域橫向分辨率提高一倍，利用率將會顯著提高。

LED“網(wǎng)幕”視效系統(tǒng)采用的安裝方式、可靠性以及LED產(chǎn)品等技術(shù)方案，尤其是全系統(tǒng)1+1冗余同步運(yùn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)了演藝LED視效系統(tǒng)高可靠性和成本效益有機(jī)平衡，是演藝LED應(yīng)用的一次成功的創(chuàng)新實(shí)踐，為類似的應(yīng)用提供了在創(chuàng)意設(shè)計(jì)和工程實(shí)施中以資借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。

（編輯 杜 青）endprint