“鸟巢”LED“网幕”视效系统技术方案的创新实践

兰明

【摘 要】基于北京国家体育场“鸟巢”的巨大面积和钢架结构，配置相应的LED显示主体“网幕”、供电系统和控制三 大部分的演艺LED视效系统，特别针对可靠性的要求，设计 “全系统1+1冗余同步运行热备份”方案，实现高 可靠性和成本效益的有机平衡。

【关键词】 APEC；“鸟巢”；LED“网幕”；视效系统；可靠性；冗余同步；热备份

文章编号： 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。北京金立翔艺彩科技股份有限公司荣幸成为该大型LED“网幕”的主要设计者和承建商，圆满实现了整个LED“网幕”视效系统的设计研发、生产制作、安装调试和现场控制等全套系统工作。

作为一项重大的国际性演艺活动和极具标志性的应用场所，项目突出的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。笔者就此三个方面的具体实施做一分析。

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。endprint

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。

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 Time Between 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。

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

LED直流供电系统主要提供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

LED信号控制系统同样分为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，正反信号为实时同步的热备份信号，任何一路信号中断时，对应的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。

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 高适应能力的LED产品

LED显示单元的灯条采用彩龙系列产品（BEln），以适应特异的结构、造型、强度、性能等多项要求，其技术参数见表1。500 mm的灯条长度，自由组合的连接方式，有效组合异形显示区域；15 mm细窄的灯条宽度、高通透率和与“鸟巢”钢结构一致的外壳颜色，如图6所示，有效地降低风阻系数，保证钢结构强度要求以及不会破坏“鸟巢”钢结构整体外观造型； 小于120 g的灯条重量，有效保证“鸟巢”钢结构承重载荷基本安全要求；灯条可串接长度达10 m，有效减少电缆用量；可弹性弯曲结构和大于100 kg的抗拉力功能，有效抵御基础钢网变形和风力震动；IP65防护等级，有效抵御雨雪风霜；3 000 Hz的刷新频率和16 bit灰度等级的同步显示方式，有效保证通过专业摄像机向全世界转播高品质视频效果；直流24 V～48 V工作电压，有效保证用电安全和长距离供电方式；快速方便的LED灯条插接方式，有效降低异形安装调试和检修维护的工作量，提高工作效率。

5 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。

（编辑 杜 青）endprint