鳥(niǎo)巢LED網(wǎng)幕技術(shù)詳解之LED顯示屏篇

　　APEC會(huì )議期間，北京國家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”LED 網(wǎng)幕項目是近年大型顯示屏項目的經(jīng)典之作。該項目技術(shù)特點(diǎn)表現在安裝難度大、可靠性要求嚴苛以及對LED產(chǎn)品要求適應能力強等三個(gè)方面。這樣規模的項目并不多見(jiàn)，平日里從業(yè)人員想要親自實(shí)踐大規模項目的機會(huì )不多。本文作者就項目中的重點(diǎn)難點(diǎn)具體實(shí)施過(guò)程中的問(wèn)題做出分析，值得借鑒。

　　在亞太經(jīng)濟合作組織(APEC)第二十二次領(lǐng)導人非正式會(huì )議歡迎晚宴的活動(dòng)中，北京國家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”巨大的LED “網(wǎng)幕”作為整個(gè)室外演出背景，配合當晚的大型焰火晚會(huì )《自然頌》和紅火熱烈的鼓舞表演，呈現出和諧的立體式的畫(huà)面，打造出縱貫“鳥(niǎo)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(diǎn)。

　　1、LED“網(wǎng)幕”視效系統的構成

　　LED“網(wǎng)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(niǎo)巢”西側最外圍鋼結構內層，占據“鳥(niǎo)巢”整個(gè)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(niǎo)巢”鋼結構風(fēng)阻系數要求以及特異的安裝需求，采用由近26萬(wàn)條長(cháng)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(hù)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)供電系統主要包括380 V交流系統、48 V冗余并機直流系統和48 V長(cháng)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(shí)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(cháng)度近60 000 m、單模光纜敷設長(cháng)度近5 000 m、峰值最大用電量近2 000 kW等等。歷時(shí)3個(gè)月完成設計、生產(chǎn)和安裝調試任務(wù)。

　　2、安裝技術(shù)

　　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(niǎo)巢最外圍鋼結構的遮擋, 實(shí)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(wǎng)孔中，特異的安裝形態(tài)給結構安裝、系統連接以及顯示像素的拼接帶來(lái)極大的難度，并加大了工作量;同時(shí)又因其是極具標志性的“鳥(niǎo)巢”，對結構安裝提出了嚴苛的規定：不允許有任何對“鳥(niǎo)巢”原有結構損傷性施工措施，不允許影響“鳥(niǎo)巢”外觀(guān)形象，不允許超過(guò)“鳥(niǎo)巢”鋼結構風(fēng)阻荷載要求，不允許高壓電與“鳥(niǎo)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(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(kāi)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(mǎn)整個(gè)顯示區域(見(jiàn)圖1)，鋼索通過(guò)卡具和專(zhuān)用收緊綁帶與“鳥(niǎo)巢”最外層鋼梁抱緊安裝(見(jiàn)圖2)，從而實(shí)現無(wú)焊接無(wú)鉆孔操作的固定結構方式。通過(guò)防刮痕保護措施，對“鳥(niǎo)巢”鋼結構做到無(wú)損傷。LED燈條可進(jìn)行左右和上下的滑動(dòng)位移，以便于在鋼襯網(wǎng)高空入位安裝固定出現誤差時(shí)進(jìn)行微調;同時(shí)分區域消除“鳥(niǎo)巢”西立面上沿與下沿12 m的橫向跨度差，因為“鳥(niǎo)巢”結構為上大下小的曲面結構。LED燈條填充“鳥(niǎo)巢”外層鋼結構的各種異形網(wǎng)孔時(shí)，采用從顯示區域中心線(xiàn)開(kāi)始左右對齊敷設，同時(shí)以500 mm為截取單位解決上下方向異形填充，保持上下鋼結構異形孔中LED燈條對齊，防止LED顯示畫(huà)面不斷層或局部像素錯位。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，使構造異形和維護快捷方便。

　　圖1 鋼絲網(wǎng)與橫向的鋼索固定鋪滿(mǎn)整個(gè)顯示區域

　　圖2 鋼索通過(guò)卡具和專(zhuān)用收緊綁帶與鳥(niǎo)巢最外層鋼梁抱緊安裝

　　3、保障高可靠性的技術(shù)措施

　　LED“網(wǎng)幕”視效系統可靠性保證的技術(shù)方案的核心思想為“全系統1+1冗余同步運行熱備份”，見(jiàn)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(shí)時(shí)同步運行。

　　圖3 “全系統1+1冗余同步運行熱備份”的可靠性保證技術(shù)方案

　　3.1 LED屏體1+1冗余可靠性技術(shù)措施

　　LED屏體采用1+1雙套硬件全部獨立系統，可謂是世界罕見(jiàn)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(dòng)電路、外殼防護結構、結構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 TimeBetween Failur，平均無(wú)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(jiàn)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。

　　圖4 LED燈條的安裝排列方式

　　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(guò)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%亮度設置，同時(shí)每根LED燈條內設獨特的任何電路故障表現為L(cháng)ED熄滅的消黑電路，當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(guò)實(shí)際測試，幾乎可以做到使觀(guān)看者毫無(wú)察覺(jué)。

　　3.2 LED供電系統1+1冗余可靠性技術(shù)措施

　　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(shí)際使用數量稍多，為了備用)，其中每個(gè)直流配電柜由6臺AC/DC、48 V、53 A可并機工作的開(kāi)關(guān)電源，同時(shí)均流工作在同一條直流母線(xiàn)上，在滿(mǎn)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(mǎn)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(shí)，A、B屏相應的電源系統亦即實(shí)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L(cháng)ED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(shù)措施

　　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(gè)LED信號分配器通過(guò)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(shí)時(shí)同任何一路信號中斷時(shí)，對應的LED直流供電系統另一路信號會(huì )自動(dòng)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(guò)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(shí)，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。

　　圖5 主備視頻播放系統同步播放的兩路交叉信號鏈路

　　正常工作狀態(tài)，主視頻播放系統通過(guò)A、B兩組DVI矩陣將視頻信號以幀同步方式傳送到A、B LED信號控制屏的所有正反向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(huì )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(shí)，或主視頻播放系統故障時(shí)，需要通過(guò)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(mǎn)足實(shí)際需求。

　　4、結束語(yǔ)

　　LED“網(wǎng)幕”視效系統在圓滿(mǎn)完成APEC鳥(niǎo)巢煙火表演任務(wù)后，將繼續在“鳥(niǎo)巢”使用一段時(shí)間，但可靠性要求降低，A、B屏將會(huì )合二為一，使整個(gè)顯示區域橫向分辨率提高一倍，利用率將會(huì )顯著(zhù)提高。LED“網(wǎng)幕”視效系統采用的安裝方式、可靠性以及LED產(chǎn)品等技術(shù)方案，尤其是全系統1+1冗余同步運行技術(shù)實(shí)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(chuàng )新實(shí)踐，為類(lèi)似的應用提供了在創(chuàng )意設計和工程實(shí)施中以資借鑒的成功經(jīng)驗。

　　作者：蘭明 北京金立翔藝彩科技股份有限公司