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鸟巢LED网幕技术详解之LED显示屏篇

[2017-01-03 ]
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。

 

    1LED“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。

 

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图1 钢丝网与横向的钢索固定铺满整个显示区域

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

 

来源:演艺科技

作者:兰明 北京金立翔艺彩科技股份有限公司

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