LED小间距调度大屏显示系统在小保当智慧矿山中的应用

许 涛

(中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120)

陕煤小保当矿井及选煤厂是煤炭工业“十二五”重点项目、国家发改委核准的智慧化矿山示范项目，已全面实现矿井本质安全化、生产过程自动化、运行控制智能化、经营管理信息化、资源利用最大化。小保当矿井“一矿两井”，一号矿井及选煤厂规模1500万t/a，现已进入联合试运转阶段，二号矿井及选煤厂规模1300万t/a，正在建设阶段[1-4]。调度大屏显示系统是小保当智慧矿山建设的重要组成部分，选择一款显示效果优秀、技术先进、运行稳定的生产指挥调度大屏系统显得尤为重要和关键。

1 煤矿调度大屏显示系统的分类及性能比较

煤矿安全生产是智慧化煤炭开采企业的首要标志。井下危险要素众多、工作环境恶劣，整个矿井的“不可视”，给监管和及时处理突发事件增加诸多困难。调度大屏显示系统可以接入计算机、视频、网络等信号，充分满足煤矿集中显示、集中监控、统一指挥调度的需求，是安全生产运营管控平台的主要组成部分[5-7]。

随着科技的发展，煤矿调度大屏主流产品经历了DLP、LCD、LED小间距三个阶段。目前煤矿调度大屏正在从DLP、LCD向LED小间距技术过渡阶段。

DLP是基于德仪公司开发的数字微反射镜器件DMD 来完成显示数字可视信息的。当前主流的激光DLP拼接屏拼缝宽度大于等于0.3mm，设备体积大，成本造价不菲。由于在使用过程中每块屏显示的图像亮度不一致，长时间使用会导致整屏色彩一致性变差，而单块屏体也容易出现中间亮度高，四角亮度低的情况。此外，DLP设备功耗大，在使用中需要配置专用的精密空调对其进行降温，环境要求较高。使用寿命方面，市场上主流的激光光源使用寿命大约为50000～70000h，和LED小间距100000h的使用寿命相比有不小的差距。在后期维护过程中，必须定期由专业技术人员调整亮度和均匀性，定期更换价格昂贵的激光光源，维护成本极高[8-11]。

LCD液晶显示的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。LCD显示屏的拼缝宽度大于等于0.9mm，色彩一致性较好，但色彩饱和度与还原性效果一般，拼接后的屏体整体亮度、饱和度一致性较差；该技术的优势在于功耗较低，但使用寿命一般为60000h。同样LCD拼接屏需要配置专用的精密空调对其进行降温，后期维护过程中在单块屏体出现故障时需要拆解拼接屏，对故障屏体进行返厂维修，维修周期长、成本高[12-14]。

LED显示屏是指将红、绿、蓝3个发光二级管封装在同1个点里面合成1个显示屏像素点，通过控制红、绿、蓝不同色彩的LED灯的亮灭组合来显示文字、图片、视频[1]，LED显示屏无色差，色彩饱和度与还原性效果好，亮度可根据环境光线进行自主调节，并且支持通过软件对单个灯珠的亮度、颜色进行矫正。同DLP合LCD技术相比，LED小间距设备功耗较低，使用寿命可达100000h以上；在显示图像的亮度、对比度以及色域等方面，LED明显优于DLP以及LCD显示屏[2]；在实际使用中，LED小间距显示屏由于发热量较低，无需配置专业的空调进行降温，降低了整体系统的能耗。在后期使用维护过程中，LED小间距大屏在出现单颗灯珠、模组出现故障时可灵活进行现场热插拔更换，维护极其方便，且成本低[15，16]。

LED显示屏替代DLP背投拼接技术、液晶/等离子拼接技术、投影及投影融合技术等主流技术实现在指挥、控制、监控、视频会议、演播等专业室内大屏幕显示应用领域，其最大的优势是无缝拼接，已确立其优势[3]。

通过综合对比DLP、LCD、LED小间距三种产品的性能、建设成本、维护成本等因素，同时响应把小保当建设成为世界一流的智慧化矿山的需求，小保当煤矿调度中心大屏设计选用技术先进、性能优秀、后期维护成本低廉、性价比高的LED小间距拼接大屏。

2 小保当智慧化矿山调度大屏显示系统概况

小保当煤矿调度指挥中心位于矿井联合建筑3楼，调度指挥中心大厅宽度为25.8m，高度为4.3m。根据现场空间以及小间距LED显示屏单元箱体的尺寸，矿井调度指挥中心安装一套尺寸为17.08m(宽)×3.43m(高)，总面积为58.59m2的小间距LED显示屏。

2.1 系统结构

小保当调度指挥中心大屏显示系统由视频拼接处理器、发送卡、交换机、控制电脑、小间距LED显示单元箱体、控制软件等组件构成，如图1所示。

图1 小保当调度指挥中心大屏显示系统拓扑图

2.2 性能指标

2.2.1 视觉效果

小保当调度指挥中心小间距LED显示屏由280个小间距LED单元箱体组成，显示单元没有可视的物理拼接缝隙，整个屏幕浑然一体[4]。在播放视频及图片时，小间距LED显示屏可根据具体的分辨率需求进行画面开窗，整个画面不受物理拼缝干扰，排除了LCD液晶显示屏与DLP背投显示屏因物理边框引起的拼缝黑边。

单个小间距LED箱体的分辨率为480×270Dots，整屏分辨率达到12480×2970=37065600Dots；物理像素间距1.27mm，每个像素点内采用1红1绿1蓝三合一贴片灯，显示色域广，色彩丰富，完全达到了广播级别的显示标准。

显示屏的灯珠物理密度为620001点/m2，其白平衡亮度校正后最高可支持800cd/m2，色温支持1000K到9500K范围可调，水平视角/垂直视角170度，发光点中心距偏差小于等于2.5%，亮度均匀性大于等于98%，色度均匀性±0.003Cx，Cy 之内，对比度高达5000∶1，且整个显示屏支持单点亮度与色度校正，使整个屏幕的亮度与色度保持高度的一致性，无需进行二次补偿就能达到色彩的高保真效果。

在视频显示方面，换帧频率可达60Hz，刷新率可达3840Hz，灰度调节范围10～16bit，完美呈现低亮高灰的视觉效果。

2.2.2 视频信号的收发能力

发送卡为1U标准机箱，方便安装在机柜内，该发送卡支持DVI、HDMI高清信号输入，最大可接收1920×1200像素的高清数字信号；视频数据的输出采用4个千兆网口以千兆网络的帧格式并附加CRC校验，四个网口可以以像素为单位进行上下左右的任意拼接，视频换帧频率60Hz，并可以自动适应帧率。采用高速USB与PC通讯，并可用于多台发送卡级联，操作更加简单方便。

2.2.3 视频拼接处理器的信号传输接口

视频拼接处理器选用72路视频输入、24路视频输出LED视频拼接处理器，输入信号接口预留HDMI、DVI、VGA、DP等接口，方便接入不同标准的视频，同时预留空置槽位，为后期视频输入扩容做好准备。视频拼接控制器可实现在小间距LED显示屏的任意位置开窗，无公共区域的限制。视频源可以是PC机、工控机、视频会议及其他支持VGA、DVI、HDMI、DP等输出标准的视频源。

2.2.4 视频拼接控制器操作界面

视频拼接控制器的控制软件可安装于计算机、平板电脑、手机等终端设备上，进行交互式可视化操作。利用设备终端通过有线或无线网络向视频拼接处理器发送控制指令，实现在小间距LED显示屏上的显示窗口缩放、拉伸、漫游、画中画显示等功能。配合使用LED字幕显示软件，能够在显示屏上进行字幕的叠加，如叠加天气、时间、值班表、宣传标语等。终端与视频拼接控制器采用网络连接或RS-232连接，如图2所示。

图2 视频拼接控制器的交互式可视化操作示意图

视频拼接控制器操作界面人性化，操作简易，支持多用户操作。日常操作中，可预设多个常用的开窗预案，根据需要对不同信号源进行一键切换。

2.3 技术优势

小间距LED显示屏在小保当智慧煤矿调度指挥中心显示屏建设中具有多种技术优势，将智慧矿山调度指挥信息的显示质量提升到了新的高度。

2.3.1 安装空间

小间距LED显示屏的每个箱体尺寸为610mm(宽)×343mm(高)，远小于46寸LCD或DLP单体屏，在空间布置上更加灵活，有利于在墙面受限的环境下布置尽可能大的显示屏幕，减少空间浪费。

2.3.2 无缝拼接

拼接类大屏幕的物理拼缝决定了整个大屏幕画面的分割程度，其直接影响画面的展现效果，因而物理拼缝也就成为了考核大屏幕显示系统的一项重要指标。LCD和DLP都无法避免拼接缝隙，而小间距LED 显示屏在技术上实现了真正的无缝拼接，特别适合煤矿调度各种流程、图表、视频等的实时显示。拼接效果如图3所示。

2.3.3 高效节能

小间距LED显示屏采用自发光LED灯珠，采用独特的高效发光芯片和节能驱动IC结合的双效节能技术，并利用实时动态用电技术消除了峰值用电能耗，降低了连续使用时的用电能耗。

图3 拼接效果

2.3.4 响应速度

小间距LED显示屏具有纳秒级的响应速度，与传统的LCD液晶显示屏和DLP背投显示屏相比具有极大的优势，完美地解决了LCD液晶显示屏和DLP背投显示屏在处理快速动态画面时会出现拖尾、重影现象的问题。

2.3.5 对比度及亮度

对比度是图像的非常关键的指标。根据屏体安装施工现场环境的要求，屏幕图像对比度至少要保证大于3000∶1，才能获得较为满意的视觉效果。小间距LED显示屏采用高品质LED灯和屏幕表面不反光处理技术，增强屏幕对比度，使显示屏的对比度提升到了5000∶1，在对比度参数上取得了质的飞跃，保证了画面的色彩表现能力。

为了达到正确的色彩调配，显示屏有必要根据工作环境的亮度来调整自身亮度，使图像在强环境光下明亮清晰，在暗环境光下绚丽柔和。小间距LED显示屏具有低亮高灰且亮度智能化调节功能，同时可在系统中配置多个级别的亮度调节功能，将显示屏亮度从0CD/m2至800CD/m2进行平均细分，可以根据环境亮度自动调整屏幕亮度值。

2.3.6 视角范围广

屏幕视角越大，位于屏幕左右两侧及上下方向收看到的屏幕图像越清晰，亮度越均匀。小间距LED屏幕在各向视角均达到170°，保证了在调度中心操作工位的任何角度均可观看显示屏的最佳效果。

2.3.7 维护成本低廉

小间距LED显示屏日常维护简便，成本低，若个别灯珠损坏，只需要更换相应的灯珠；若个别模组出现故障，更换整块模组即可。随着LED灯珠的制造技术升级，小间距LED显示屏的寿命达到了100000h以上，给后期的使用维护节省了大量费用。

3 小间距LED显示屏在小保当智慧矿山中的作用

作为小保当智慧矿山系统可视化平台的窗口，调度大屏系统接入了井下工业视频监控系统、矿井安全监控监测、人员定位系统、地理信息保障系统等多个智慧化矿山子系统，精确收集显示采掘工作面、采煤机、带式输送机运行、人员定位等信息，实现了对煤矿全方位、全天候、全过程安全状况的实时监测，为煤矿管理层进行生产调度、风险预判、隐患治理、安全预控提供了最直观的决策依据。

3.1 综合调度显示

综合调度指挥功能是智慧矿山的重要组成，大量的指挥调度信息均由此产生，如综采工作面信息、运输集控信息、安全检测信息、人员定位信息、水文监测信息、顶板与矿压检测信息、大型机电设备故障诊断信息、井下主排水集控信息、锅炉房集控信息、压风集控信息等，目前小保当智慧矿山平台所需要显示的检测信息，均能够在调度中心大屏上显示。调度中心显示大屏选用小间距LED显示屏，不仅能保证调度信息显示的整体一致性(LCD、DLP拼接屏会产生拼缝)，还能够保证显示的效果，提高调度信息显示的清晰度、亮度、色彩还原度。

3.2 工业电视显示

工业电视系统的摄像机部署于小保当智慧矿井的各个生产环节，是安全生产的一项重要保障，在事先预警、事中控制、事后取证等各个环节中发挥着不可或缺的作用。而生产监控系统的实时视频播放是通过显示屏系统来实现的，采用小间距LED显示屏进行监控视频播放，是监控画面更加清晰、流畅，画面开窗显示更灵活可控，便于更合理地利用整套显示屏系统。

3.3 应急调度指挥显示

应急调度是为了处理突发事件而预先设置的预案，在应急调度应用中，小间距LED显示屏的中控系统可以根据应急调度指挥的需求，预设大量的应急调度显示预案，在处理突发事件时可实现一键切换显示画面，显示应急调度所需要的实时监控画面、工业控制画面，助力应急指挥小组处理突发事件。

3.4 其他显示

小间距LED显示屏不仅能够显示日常工作所需求的大量监控视频、工业流程图像，同时能够在整个屏幕上叠加其他文字信息，如欢迎词、值班表、时间、天气、宣传标语等，使大屏显示系统的适用场景更加灵活广泛。

4 结 语

陕煤小保当智慧矿井是建立在数字化、物联网、云计算等新一代信息技术基础上，将现代采矿技术与感知技术、控制技术、管理模式和可持续理念相融合，实现智能管控、本质安全、高效运行的新型煤矿发展模式。调度指挥中心小间距LED显示屏的投入使用，提升了小保当矿井智慧化装备建设水准，是目前陕煤集团及国内煤矿领域最先进的调度指挥大屏系统。