“鳥巢”LED“網幕”視效系統技術方案的創新實踐

蘭明

【摘 要】基于北京國家體育場“鳥巢”的巨大面積和鋼架結構，配置相應的LED顯示主體“網幕”、供電系統和控制三 大部分的演藝LED視效系統，特別針對可靠性的要求，設計 “全系統1+1冗余同步運行熱備份”方案，實現高 可靠性和成本效益的有機平衡。

【關鍵詞】 APEC；“鳥巢”；LED“網幕”；視效系統；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，在亞太經濟合作組織（APEC）第二十二次領導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 “網幕”作為整個室外演出背景，配合當晚的大型焰火晚會《自然頌》和紅火熱烈的鼓舞表演，呈現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，向世界完美表達出北京APEC“上善若水”之寓意，成為當晚演出的一大亮點。北京金立翔藝彩科技股份有限公司榮幸成為該大型LED“網幕”的主要設計者和承建商，圓滿實現了整個LED“網幕”視效系統的設計研發、生產制作、安裝調試和現場控制等全套系統工作。

作為一項重大的國際性演藝活動和極具標志性的應用場所，項目突出的技術特點表現在安裝難度大、可靠性要求嚴苛以及對LED產品要求適應能力強等三個方面。筆者就此三個方面的具體實施做一分析。

1 LED“網幕”視效系統的構成

LED“網幕”視效系統主要由LED顯示主體、供電系統和控制系統三大部分組成。

（1）顯示主體基于“鳥巢”西側最外圍鋼結構內層，占據“鳥巢”整個外圍三分之一的面積，橫向寬度232 m，上下最大高度55 m，近13 000 m2的超大面積，為適應“鳥巢”鋼結構風阻系數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，每個燈條由8個LED（BEln15）像素組成，每個像素采用2顆高亮度戶外貼片型LED燈體（3535）；LED像素點間距為橫向150 mm，縱向62.5 mm。

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

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

系統規模：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，數字視頻接口）矩陣2臺，視頻播放控制系統4套，18 kW DC（Direct Current，直流）48 V冗余并機電源柜120套，交直流電纜敷設長度近60 000 m、單模光纜敷設長度近5 000 m、峰值最大用電量近2 000 kW等等。歷時3個月完成設計、生產和安裝調試任務。

2 安裝技術

此項目LED顯示區域巨大，有效顯示面積1 2000 m2以上（因為有鳥巢最外圍鋼結構的遮擋， 實際的顯示面積大于LED條數的總面積），分布在鋼結構下眾多形狀各異的網孔中，特異的安裝形態給結構安裝、系統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；同時又因其是極具標志性的“鳥巢”，對結構安裝提出了嚴苛的規定：不允許有任何對“鳥巢”原有結構損傷性施工措施，不允許影響“鳥巢”外觀形象，不允許超過“鳥巢”鋼結構風阻荷載要求，不允許高壓電與“鳥巢”鋼結構有危險接觸等等。

LED燈條的安裝基礎結構為鋼絲外徑3.6 mm 的鋼絲網，網孔尺寸為150 mm×250 mm，鋼絲網單元尺寸為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，級聯的LED燈條與鋼網連接采用扎帶和LED燈條自帶的卡具完成。鋼絲網與橫向的鋼索固定鋪滿整個顯示區域（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），從而實現無焊接無鉆孔操作的固定結構方式。通過防刮痕保護措施，對“鳥巢”鋼結構做到無損傷。LED燈條可進行左右和上下的滑動位移，以便于在鋼襯網高空入位安裝固定出現誤差時進行微調；同時分區域消除“鳥巢”西立面上沿與下沿12 m的橫向跨度差，因為“鳥巢”結構為上大下小的曲面結構。LED燈條填充“鳥巢”外層鋼結構的各種異形網孔時，采用從顯示區域中心線開始左右對齊敷設，同時以500 mm為截取單位解決上下方向異形填充，保持上下鋼結構異形孔中LED燈條對齊，防止LED顯示畫面不斷層或局部像素錯位。同時LED燈條具有彈性彎曲變形特性，消除了由于鋼網變形產生的對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，使構造異形和維護快捷方便。endprint

3 保障高可靠性的技術措施

LED“網幕”視效系統可靠性保證的技術方案的核心思想為“全系統1+1冗余同步運行熱備份”，見圖3，從LED顯示主體、供電系統到控制系統全部為雙套冗余實時同步運行。

3.1 LED屏體1+1冗余可靠性技術措施

LED屏體采用1+1雙套硬件全部獨立系統，可謂是世界罕見超大規模應用，采用A屏體和B屏體疊加同步顯示相同的視頻內容，使LED像素、驅動電路、外殼防護結構、結構和電氣連接等全部硬件得到實時備份，極大地提高MTBF（Mean Time Between Failur，平均無故障時間）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），為實現冗余提供充分空間，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）完全獨立，即使出現故障也互不影響。

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。經過實際測試演出對于LED顯示的亮度要求在400 cd/m2～1 200 cd/m2范圍，實際采用75%亮度設置，同時每根LED燈條內設獨特的任何電路故障表現為LED熄滅的消黑電路，當A、B其中任意一個故障（包括個別故障或大面積故障）都能保證600 cd/m2亮度的正常顯示。經過實際測試，幾乎可以做到使觀看者毫無察覺。

3.2 LED供電系統1+1冗余可靠性技術措施

LED直流供電系統主要提供A、B兩組DC 48 V，分別由配電柜及其電源分配器和相應的交直流電纜組成。在每組直流供電系統中，配電柜主要包括54臺直流配電柜（實際使用數量稍多，為了備用），其中每個直流配電柜由6臺AC/DC、48 V、53 A可并機工作的開關電源，同時均流工作在同一條直流母線上，在滿足功率要求（5臺）基礎上，再提供1臺冗余功率，當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A、B屏所使用的直流配電柜和信號電源分配器獨立運行互不干涉時，A、B屏相應的電源系統亦即實現了1+1的冗余備份，使得電源系統從交流鏈路、AC/DC系統、直流鏈路再到直流分配鏈路的全部同步1+1熱備份，為LED供電系統提供了足夠的可靠性保障。

3.3 LED控制系統1+1冗余可靠性技術措施

LED信號控制系統同樣分為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屏體對應布置，形成硬件完全獨立的A、B信號分配系統。每個LED信號分配器通過正向和反向兩路信號與對應的LED控制器連接，正反信號為實時同步的熱備份信號，任何一路信號中斷時，對應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，亦即A信號分配器對應A正向LED控制器和A反向LED控制器，B信號分配器對應B正向LED控制器和B反向LED控制器。

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

正常工作狀態，主視頻播放系統通過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的正常工作。當A、B兩組中的某一臺DVI矩陣故障時，或主視頻播放系統故障時，需要通過DVI矩陣切換到備用視頻播放系統的視頻信號。整體視頻控制系統的可靠性足以滿足實際需求。

4 高適應能力的LED產品

LED顯示單元的燈條采用彩龍系列產品（BEln），以適應特異的結構、造型、強度、性能等多項要求，其技術參數見表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域；15 mm細窄的燈條寬度、高通透率和與“鳥巢”鋼結構一致的外殼顏色，如圖6所示，有效地降低風阻系數，保證鋼結構強度要求以及不會破壞“鳥巢”鋼結構整體外觀造型； 小于120 g的燈條重量，有效保證“鳥巢”鋼結構承重載荷基本安全要求；燈條可串接長度達10 m，有效減少電纜用量；可彈性彎曲結構和大于100 kg的抗拉力功能，有效抵御基礎鋼網變形和風力震動；IP65防護等級，有效抵御雨雪風霜；3 000 Hz的刷新頻率和16 bit灰度等級的同步顯示方式，有效保證通過專業攝像機向全世界轉播高品質視頻效果；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試和檢修維護的工作量，提高工作效率。

5 結束語

LED“網幕”視效系統在圓滿完成APEC鳥巢煙火表演任務后，將繼續在“鳥巢”使用一段時間，但可靠性要求降低，A、B屏將會合二為一，使整個顯示區域橫向分辨率提高一倍，利用率將會顯著提高。

LED“網幕”視效系統采用的安裝方式、可靠性以及LED產品等技術方案，尤其是全系統1+1冗余同步運行技術實現了演藝LED視效系統高可靠性和成本效益有機平衡，是演藝LED應用的一次成功的創新實踐，為類似的應用提供了在創意設計和工程實施中以資借鑒的成功經驗。

（編輯 杜 青）endprint