鸟巢LED网幕技术详解之LED显示屏篇

　　APEC会议期间，北京国家体育场“鸟巢”LED 网幕项目是近年大型显示屏项目的经典之作。该项目技术特点表现在安装难度大、可靠性要求严苛以及对LED产品要求适应能力强等三个方面。这样规模的项目并不多见，平日里从业人员想要亲自实践大规模项目的机会不多。本文作者就项目中的重点难点具体实施过程中的问题做出分析，值得借鉴。

　　在亚太经济合作组织(APEC)第二十二次领导人非正式会议欢迎晚宴的活动中，北京国家体育场“鸟巢”巨大的LED “网幕”作为整个室外演出背景，配合当晚的大型焰火晚会《自然颂》和红火热烈的鼓舞表演，呈现出和谐的立体式的画面，打造出纵贯“鸟巢”南北夜空的APEC璀璨之夜，向世界完美表达出北京APEC“上善若水”之寓意，成为当晚演出的一大亮点。

　　1、LED“网幕”视效系统的构成

　　LED“网幕”视效系统主要由LED显示主体、供电系统和控制系统三大部分组成。

　　(1)显示主体基于“鸟巢”西侧最外围钢结构内层，占据“鸟巢”整个外围三分之一的面积，横向宽度 232 m，上下最大高度55 m，近13 000 m2的超大面积。

　　为适应“鸟巢”钢结构风阻系数要求以及特异的安装需求，采用由近26万条长度为500 mm、宽度为15 mm的灯条组装完成，每个灯条由8个LED(BEln15)像素组成，每个像素采用2颗高亮度户外贴片型LED灯体(3535);LED像素点间距为横向150 mm，纵向62.5 mm。

　　(2)供电系统主要包括380 V交流系统、48 V冗余并机直流系统和48 V长距离直流分配系统。

　　(3)控制系统主要包括LED信号分配系统、LED控制器、视频切换矩阵和时间码同步视频播控系统。

　　系统规模：LED灯条13 000 m2，电源和信号分配器1 060台，高清LED控制器12台，8×8 DVI(Digital Visual Interface，数字视频接口)矩阵2台，视频播放控制系统4套，18 kW DC(Direct Current，直流)48 V冗余并机电源柜120套，交直流电缆敷设长度近60 000 m、单模光缆敷设长度近5 000 m、峰值最大用电量近2 000 kW等等。历时3个月完成设计、生产和安装调试任务。

　　2、安装技术

　　此项目LED显示区域巨大，有效显示面积1 2000 m2以上(因为有鸟巢最外围钢结构的遮挡, 实际的显示面积大于LED条数的总面积)，分布在钢结构下众多形状各异的网孔中，特异的安装形态给结构安装、系统连接以及显示像素的拼接带来极大的难度，并加大了工作量;同时又因其是极具标志性的“鸟巢”，对结构安装提出了严苛的规定：不允许有任何对“鸟巢”原有结构损伤性施工措施，不允许影响“鸟巢”外观形象，不允许超过“鸟巢”钢结构风阻荷载要求，不允许高压电与“鸟巢”钢结构有危险接触等等。

　　LED灯条的安装基础结构为钢丝外径3.6 mm 的钢丝网，网孔尺寸为150 mm×250 mm，钢丝网单元尺寸为1 200 mm×2 500 mm。LED灯条采用竖向级接、横向一字排开的安装方式，横向间距定位采用定制的固定卡具，保持150 mm的间距，级联的LED灯条与钢网连接采用扎带和LED灯条自带的卡具完成。钢丝网与横向的钢索固定铺满整个显示区域(见图1)，钢索通过卡具和专用收紧绑带与“鸟巢”最外层钢梁抱紧安装(见图2)，从而实现无焊接无钻孔操作的固定结构方式。通过防刮痕保护措施，对“鸟巢”钢结构做到无损伤。LED灯条可进行左右和上下的滑动位移，以便于在钢衬网高空入位安装固定出现误差时进行微调;同时分区域消除“鸟巢”西立面上沿与下沿12 m的横向跨度差，因为“鸟巢”结构为上大下小的曲面结构。LED灯条填充“鸟巢”外层钢结构的各种异形网孔时，采用从显示区域中心线开始左右对齐敷设，同时以500 mm为截取单位解决上下方向异形填充，保持上下钢结构异形孔中LED灯条对齐，防止LED显示画面不断层或局部像素错位。同时LED灯条具有弹性弯曲变形特性，消除了由于钢网变形产生的对LED单元的破坏力。另外，LED灯条单元具备方便快捷的连接装置，使构造异形和维护快捷方便。

　　图1 钢丝网与横向的钢索固定铺满整个显示区域

　　图2 钢索通过卡具和专用收紧绑带与鸟巢最外层钢梁抱紧安装

　　3、保障高可靠性的技术措施

　　LED“网幕”视效系统可靠性保证的技术方案的核心思想为“全系统1+1冗余同步运行热备份”，见图3，从LED显示主体、供电系统到控制系统全部为双套冗余实时同步运行。

　　图3 “全系统1+1冗余同步运行热备份”的可靠性保证技术方案

　　3.1 LED屏体1+1冗余可靠性技术措施

　　LED屏体采用1+1双套硬件全部独立系统，可谓是世界罕见超大规模应用，采用A屏体和B屏体叠加同步显示相同的视频内容，使LED像素、驱动电路、外壳防护结构、结构和电气连接等全部硬件得到实时备份，极大地提高MTBF(Mean TimeBetween Failur，平均无故障时间)值。A、B屏显示分辨率分别为1 700×896，叠加后分辩率仍为1 700×896，拆分后分辨率为3 400×896。由于LED像素横向排列间距较大(150 mm)，为实现冗余提供充分空间，A、B灯条采用竖向排列方式，A、B灯条紧密贴合，分别同步显示，见图4。A、B屏硬件(包括其信号和电源系统)完全独立，即使出现故障也互不影响。

　　图4 LED灯条的安装排列方式

　　A、B单屏最高亮度为800 cd/m2，重叠组合最大亮度为1 600 cd/m2。经过实际测试演出对于LED显示的亮度要求在400 cd/m2～1 200 cd/m2范围，实际采用75%亮度设置，同时每根LED灯条内设独特的任何电路故障表现为LED熄灭的消黑电路，当A、B其中任意一个故障(包括个别故障或大面积故障)都能保证600 cd/m2亮度的正常显示。经过实际测试，几乎可以做到使观看者毫无察觉。

　　3.2 LED供电系统1+1冗余可靠性技术措施

　　主要提供A、B两组DC 48 V，分别由配电柜及其电源分配器和相应的交直流电缆组成。在每组直流供电系统中，配电柜主要包括54台直流配电柜(实际使用数量稍多，为了备用)，其中每个直流配电柜由6台AC/DC、48 V、53 A可并机工作的开关电源，同时均流工作在同一条直流母线上，在满足功率要求(5台)基础上，再提供1台冗余功率，当有任意一台故障电源退出工作后，其余5台电源仍能满足功率要求，从而大大提高直流电源的可靠性。当A、B屏所使用的直流配电柜和信号电源分配器独立运行互不干涉时，A、B屏相应的电源系统亦即实现了1+1的冗余备份，使得电源系统从交流链路、AC/DC系统、直流链路再到直流分配链路的全部同步1+1热备份，为LED供电系统提供了足够的可靠性保障。

　　3.3 LED控制系统1+1冗余可靠性技术措施

　　系统同样分为A、B两组，每组主要包括LED信号分配器、LED控制器、DVI矩阵、主备视频播放系统等。

　　LED信号分配器与直流48 V电源分配器集成在一起，与A、B屏体对应布置，形成硬件完全独立的A、B信号分配系统。每个LED信号分配器通过正向和反向两路信号与对应的LED控制器连接，正反信号为实时同任何一路信号中断时，对应的LED直流供电系统另一路信号会自动保持正常工作。A、B信号分配器具有各自的正反向信号系统，亦即A信号分配器对应A正向LED控制器和A反向LED控制器，B信号分配器对应B正向LED控制器和B反向LED控制器。

　　相应的A、B正反向LED控制器通过对应的A、B两组DVI矩阵与主备视频播放系统同步接驳，DVI矩阵负责视频信号的分配和切换。正常工作时，主备视频播放系统同步(可非帧同步方式)播放相同的视频内容，形成两路交叉信号链路，如图5所示。

　　图5 主备视频播放系统同步播放的两路交叉信号链路

　　正常工作状态，主视频播放系统通过A、B两组DVI矩阵将视频信号以帧同步方式传送到A、B LED信号控制屏的所有正反向LED控制器和LED信号分配器，任何A、B系统中的控制器、分配器，及A、B屏体等链路故障都不会影响系统的正常工作。当A、B两组中的某一台DVI矩阵故障时，或主视频播放系统故障时，需要通过DVI矩阵切换到备用视频播放系统的视频信号。整体视频控制系统的可靠性足以满足实际需求。

　　4、结束语

　　LED“网幕”视效系统在圆满完成APEC鸟巢烟火表演任务后，将继续在“鸟巢”使用一段时间，但可靠性要求降低，A、B屏将会合二为一，使整个显示区域横向分辨率提高一倍，利用率将会显著提高。LED“网幕”视效系统采用的安装方式、可靠性以及LED产品等技术方案，尤其是全系统1+1冗余同步运行技术实现了演艺LED视效系统高可靠性和成本效益有机平衡，是演艺LED应用的一次成功的创新实践，为类似的应用提供了在创意设计和工程实施中以资借鉴的成功经验。

　　作者：兰明 北京金立翔艺彩科技股份有限公司