主体育场为8万座，建筑面积为212 310㎡（地上六层，151 451㎡；地下二层，60 859㎡），建筑高度59.4 m，为钢筋混凝土框架剪力墙结构。对于主体育场的相关体育设备（系统）工艺设计，在对场地照明、场地扩声、LED显示屏、比赛设备集成管理等各系统进行调研分析的基础上，确定设计方案的思路。

第19届亚运会组委会（以下简称：亚组委）提出了主体育场采用4K超高清转播的要求。基于上述需求及技术发展，项目设计单位及实施单位对场馆屋盖结构荷载、电容量、照明控制系统、灯具参数等方面进行复核，于2021年对主体育场照明系统方案进行了优化升级，满足GB/T38539－2020《LED体育照明应用技术要求》中足球、田径4K转播相关要求，同时符合国际转播机构（OBS等）对4K转播照明的要求。

扩声系统除为体育赛事提供声音播送、转播外，在举办大型文艺演出活动（包括开、闭幕式等文艺演出）时也可作为临时性补充，让观众有更好的视听体验。随着电子技术的发展，高效率、低失真、低延时的信号传输成为追求的目标。因此，该扩声系统在满足GB/T 28049－2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》和JGJ/T 131－2012《体育馆声学设计及测量规程》中一级指标要求的前提下，同时需满足各类体育比赛、群众集会和庆典活动时对语言扩声和音乐重放的要求，采用Dante传输方式，系统更简洁的同时，可保障信号传输的稳定可靠、便捷高效。

全彩LED显示屏在体育场馆中得到了广泛应用，且高分辨率、高刷新频率、高换帧频率逐渐成为主流。该LED显示屏系统采用高刷新频率的全彩LED显示屏，需要符合GB/T 29458－2012 《体育场馆LED显示屏使用要求及检验方法》的要求，也要满足亚组委对4K超高清转播的要求。

根据JGJ/T 179－2009《体育建筑智能化系统工程技术规程》的要求，大型及以上体育建筑需配置比赛设备集成管理系统。本项目规模大，需操作控制的系统多，而且各系统需在体育活动中进行快速切换和同步控制，若各系统单独操作，需配置人员较多，通信、指挥、协调难度较大。因此，该比赛设备集成管理系统要具备实现各个系统集中控制的功能，场景切换控制可达毫秒级别，各系统的控制要更简单、便捷。

综合以上考量，照明系统全部采用LED灯具，配套DMX智能照明控制系统，可根据预设的程序一键触发，还可联动音视频系统；扩声系统采用主备双数字调音台，通过Dante达到控制和信号传输的功能；LED 显示屏系统采用屋面网架吊装的方式，有效减少对观众区的影响，大幅度提升观赛体验；比赛设备集成管理系统通过比赛设备管理系统配备的各种接口接入LED显示屏系统、照明系统、扩声系统、标准时钟系统、升旗控制系统、信息查询和发布系统等，实现各个系统的集中控制和监视，为场馆运营人员、赛事管理和指挥人员提供一套可视化的比赛服务集成控制环境，还可通过同步控制的方式联动视频、音频和灯光等元素，烘托比赛现场的气氛。

灯具选型时，充分结合体育场网架花瓣造型，契合建筑结构；同时符合规范中要求的场地照度、光线投射角度、距离等指标，满足灯具的安装和维护要求。

图1 体育场灯具布置平面图

灯具安装在体育场罩棚内外两条环形马道上，如图1所示，马道高度50～53 m；场地设有一个标准400 m田径场地和一个标准足球场。灯具均采用LED灯，经过初步估算，场地照明共采用844套1 400 W LED投光灯具，额定色温 5 700 K，一般显色指数 90，频闪比小于 1%；观众席照明和应急照明分别采用68套和20套1 150 W LED投光灯具。通过对场馆建模进行照度模拟计算，结果见表1、图2；同时，选取不同配光角度的灯具，根据投射点距离、区域，多束光线互相覆盖叠加，提高场地照度均匀度。

图2 照度模拟

因照明系统标准、安全等级高，灯具数量多，但受网架结构限制，马道上很多位置并不适合安装灯具。为解决马道灯具安装位置有限的问题，经多次实地勘察，确定每套灯具安装点位，优化投射角，避免网架对灯具的遮挡。同时制作了特制灯具支架，如图3所示，部分灯具马道两侧同时安装，每套灯具同时加装保险链，防止灯具和支架坠落。

图3 灯具及保险链的安装

主体育场采用3路20 kV电源供电，设有永久固定的柴油发电机组，满足大型场馆对照明负荷的要求。项目初设中，照明系统末端配电柜均采用双电源切换装置，配电共分为4个区域，配电柜分别位于体育场6层的6-3、6-6、6-9、6-12号配电间，其中场地照明和观众席照明共配置了16个配电柜，每个区域4个，应急照明共配置了4个配电柜并设置独立EPS电源，每个区域1个。实施阶段，对初设进行了深化设计，如图4所示，深化后场地照明和观众席照明配电柜回路均控制在12～17路之间，每个配电柜最大容量基本控制在90 kW以内，配电总容量1181.6 kW；应急照明均设置1或2个回路，总容量23 kW；确保灯具分配后每个配电柜的容量不超过原配置容量；灯具做到分级、分区控制，同时设置TV应急照明模式。除保留原进线总断路器、双电源转换开关外，配电柜增加了接触器、继电器以及手自动转换开关等，每路接触器控制一个驱动器箱。同时，在配电柜内设置了智能开关控制器，实现了灯具在控制室内的一键控制。

图4 配电柜深化电气图

该体育场规模大，灯具数量多，为确保控制线路的稳定性，减少布线距离，照明系统的控制系统设置在体育场五层的灯光控制室中，为DMX主控器配置了 2个网关箱，如图5所示，并采用光缆传输DMX512控制信号与比赛设备集成管理系统通信，并编制相关程序实现照明模式快速切换、分区分级、一键触发系统联动等控制功能。为防止市电故障导致系统重启等，影响赛时照明，控制室内所有用电设备都配置了在线式UPS。灯具可通过壁装触摸屏或电脑控制相应照明模式，同时在局域网覆盖的范围内也可使用移动终端实现随时随地操作，简便快捷。

图5 照明控制系统架构

对于服务于大型国际性活动的系统，其可靠性设计是重要的一环，可从以下几个方面考虑。

扩声系统的核心设备调音台、传输系统网络交换机等须采用热备份的方式，如图6所示，前端模拟音频信号进入调音台以后，采用Dante协议传输，到功率放大器转换成模拟音频信号，系统传输链路只有一次AD/DA转换。而对于数字信号的处理（DSP），置于各功率放大器中，避免单核心DSP，大大提高系统DSP处理的安全性；同时，功率放大器的每个DSP通道处理不超过2只扬声器，确保有充分的DSP资源处理音频信号。

图6 系统拓扑图

另外，系统统一控制、监测各数字设备，包括调音台、功率放大器，如扬声器、功率放大器、调音台出现故障可实时报警提示，便于及时处理。

为满足高标准的国际体育赛事要求，主体育场扬声器系统的布局采用分区式设计，分为东、南、西、北观众席及场地5个区域，保障声音可以清晰均匀地覆盖场内各区域；同时，扩声系统中的监控软件为场馆内的所有功率放大器和扬声器的参数提供远程在线或离线实时调整功能，以满足开闭幕式演出、赛事语音播报、背景音乐播放、奏国歌等不同场景下可靠的应用。

大型体育场馆对STI（语言清晰度）有着非常高的要求。结合国内国际相关项目经验，根据听音距离及扬声器声压级衰减实际规律，如图7、表2所示，该项目需选择线阵列扬声器系统，且扬声器最大声压级应不低于135 dB。

图7 听音距离分析

为满足低频的响应和动态，扬声器低频单元需大于12英寸；同时，采用3分频线性阵列中高频，可根据场地情况物理方式改变垂直的覆盖角度，保证覆盖的精准和高效。

声场直达声分析发现，由于主体育场看台数量多，上下跨度大，一层看台区域后部被二层看台遮挡，如图8所示，所以在一层看台后区考虑加装小型补声扬声器。

图8 挑檐下补声区域

经过对主体育场的整体布局分析及实地勘查，扬声器系统采用分散式布局，在满足国家标准要求的前提下，可减少对周边环境的声污染，提高观众区的声场均匀度和语言清晰度。初步考虑采用观众区东西各5组，南北各3组；场地东西各4组的方式。扬声器分布的组数多，均匀性好，但STI会下降；相反扬声器分布组数少，STI好，但均匀性差。最后根据扬声器的水平覆盖角度和垂直覆盖角度，采用东西区各5组，每组14只（扩散角约120°×105°）；南北区各3组，每组12只（扩散角约120°×90°）；场地区共8组，每组 6只（扩散角约120°×30°）的扬声器布置方式，如图9所示，这样声场不均匀度和STI（语言传输指数）都达到了设计要求。

图9 扬声器深化设计的点位布置

扬声器系统的负载必须满足建筑荷载的设计要求，包括所有机构件的安全性设计，这是安全性的核心要求。所有线阵列扬声器吊装在马道下方，处于观众席上方，距地约47 m，根据各组扬声器吊挂点位的结构条件及听音覆盖面积和方位，对各组线阵列扬声器的吊挂位置和吊挂方式进行了三维模拟。扬声器吊装系统所有连接件都采用防坠落设计，减少活动零件的数量；同时，吊装钢丝绳安全系数达到8倍以上。

为了使观众有更好的观赛体验，分析各种可行性和先进性，由于场地长轴的一端结构有缺口，如图10所示，原建筑设计在场地长轴两侧的四个角上，各设置了一块LED显示屏，如图11所示。

图10 场地长轴一端结构缺口图11 显示屏位置

按安装位置，经过对建筑平面和剖面综合分析、观众席视线和视距测算，最远视距为280 m，如图12所示。

图12 视距分析图

依据国家标准，体育场LED显示屏应至少能够显示16点阵汉字13行，行间距宜不小于字符高度的1/10，每行应至少显示26个汉字。

根据最远视距计算字符高度，H=k×d，其中，H为最大视距，k为视距系数（常量345）d为字符高度，显示屏所需的字符高度：280 m/345≈0.812 m，显示屏最小高度：0.812×13×1.1≈11.61（m）。结合市面上显示屏常规箱体规格，适当调节显示屏整体尺寸，按接近16:9的标准，确定单块lED显示屏的尺寸为：20.16 m×12.24 m。

综合考虑实用性和经济性、场地面积较大、观众视距较远等因素，在显示屏像素间距和成本之间寻找平衡点，确定LED显示屏像素点间距为8 mm，计算得到整屏分辨率为2 520×1 530，达到播放高清视频的需求。

LED 显示屏选择表贴三合一进口管芯的SMD（Surface Mounted Devices，表面贴装器件），在亮度、对比度、视角、换帧频率、刷新频率、灰度等级等方面，都满足或优于国家标准，详见表3。

显示屏的选择还需要考虑工作环境，如防水、抗腐蚀、散热、风载荷等问题，以保障系统稳定可靠的运行。LED显示屏处于敞开式、半户外的使用环境，显示屏位置位于观众席上方、罩棚以下，不是露天使用环境，显示屏背面不会受到雨水溅射，显示屏箱体的选型主要考虑防护等级、散热之间的比例关系。屏体散热考虑不再采用传统的空调，采用屏体对流自散热的方式，这一方案既减轻了LED屏整体重量，减小结构的载荷，又可以保障显示屏在正常工况下的散热问题。

显示屏控制室位于主体育场的六层，从控制室到最远显示屏传输距离超过500 m，为满足信号远距离传输的需要，设计采用光口/网口兼容的千兆数据传输方案，如图13所示。视频信号源设在控制室，播放控制电脑或外部视频源的视频信号经视频处理器处理后送给发送盒，经光纤传输至各显示屏内部的接收盒，再由CAT6传输至各显示屏箱体的控制板卡，实现远距离高清视频信号的无损传输。

图13 视频信号远距离传输路由

为保证箱体之间信号传输的可靠性，确保箱体之间信号传输过程中任一节点发生故障而不影响整屏显示，箱体之间采用双环路热备份技术，如图14所示。双环路热备份技术是指显示屏内部箱体之间的数据传输和供电线路采用环形连接方式，而非传统的级连方式，使屏体控制器实时监测控制接收盒数据的有效状态，双环路切换采用算法保证切换时间在纳秒级，确保显示屏的正常运行，提高系统的安全可靠性，避免因某一节点信号传输发生故障引起的显示画面丢失情况。

图14 双环路冗余备份传输

图像拼接控制技术具备原始图像信号的真实还原处理能力，采用色彩量化及去隔行插补技术，确保高清视频质量，输出多画面的实时同步显示，支持自定义输出分辨率，满足LED显示屏拼接要求，支持无缝切换，单个或多个信号进行切换时没有黑场间隔，支持多信号复制功能，多屏幕共享视频源，如图15所示。

图15 图像拼接的控制

LED显示屏具有独立的配电系统，外部供电采用三相五线制双电源无缝切换供电，显示屏内部按照三相平衡的原则平均分配负载。显示屏智能上电系统可实现LED显示屏远程控制上电，实现机房电脑端控制配电柜交流接触器开闭，还能通过软件设置配电柜交流接触器的开闭时间段。采用“分步加电”的远程控制上电方式，避免显示屏负载对外部电网的瞬间大电流冲击。根据显示屏用电需求，每块显示屏采用2台智能配电柜，每台配电柜采用5个远程控制模块对显示屏箱体供电，分路供电实现负载均衡。4块显示屏共计8台智能配电柜，40个远程控制模块，实现远程控制和分步上电功能。

比赛设备集成管理系统通过不同的终端控制设备对接相应系统，由系统集成软件实现对场地照明系统、场地扩声系统、LED显示屏系统、计时记分及现场成绩处理系统、标准时钟系统、售验票系统、升旗控制系统、现场影像采集及回放系统等的集中控制和监视，如图16所示，可以全面优化控制和管理、在一个终端实现所有设备的监测、控制。

图16 比赛设备集成管理系统架构

比赛设备集成管理系统硬件设备由中央监控服务器、同步控制数据设备、高清视频播放数据设备、视频混合矩阵、画面分割器、音频播放数据设备、调音台、串口数据设备、交换机等组成。系统通过设备中央监控系统平台软件及多种通信接口和协议，实现各种场景的一键式操作，保证子系统之间的联动控制，并可在综合监控界面进行实时监测。

各专业系统的控制方式和协议都不相同，所用到的协议包含TCP/IP协议、RS485协议、RS232协议、DMX512协议等；各专业系统的接口也各有不同，所用到的接口包含RJ45、LC、SC、FC、ST、RS485、RS232、DMX512、HDMI、DVI、SDI、VGA、DP、RCA、XLR、TRS等。

比赛设备集成管理系统的软件由操作系统、数据库、设备中央监控系统平台、屏幕显示及控制系统接口模块、场地照明及控制系统接口模块、扩声系统监控模块、检票系统接口模块、计时记分及成绩接口模块、标准时钟系统接口模块、影像采集回放接口模块、升旗控制系统接口模块、信息发布系统接口模块、TV系统接口模块等组成，如图17所示。

图17 系统软件架构图

为了给比赛在不同时间阶段及相应的场景提供优质的环境、技术、信息、服务等支持，与比赛相关的各个智能化子系统通过协调各自的状态与动作，以达到为比赛提供高效、安全、舒适的信息化支持的目标。比赛的场景一般划分为赛前场景、赛前热身场景、比赛场景、中场休息场景、退场场景、系统关闭场景、临时场景、自定义场景等。

比赛设备集成管理系统需要监控的信号比较复杂，既需要监控单系统的信号，还需要监控多系统联动的信号，各路监控的信号路由如下。

1）单系统监视和控制及信号路由

单系统监控的信号路由根据各系统的特性，配置相应的接入设备，实现集中控制和管理。控制流程可细分为视频、音频、照明、升旗及其他系统。

视频系统监控的信号路由：电视转播、影像采集回放、视频播放器、 L E D 显示屏播控电脑、高清视频播放数据设备等视频信号，通过SDI、DVI、HDMI、VGA、DP等接口，接入视频混合矩阵后，分别通过HDMI接口输出至 LED 显示屏系统、通过DVI-HDMI接口输出至画面分割器，画面分割器通过HDMI接口输出至监视器。

音频系统监控的信号路由：高清视频播放数据设备、集成系统工作站电脑、音频播放数据设备、升旗控制系统主机、体育展示系统传声器等音频信号，通过RCA、XLR、TRS等接口，接入调音台后，通过 RCA 、XLR、TRS接口输出至场地扩声系统。

照明系统监控的信号路由：集成系统工作站通过TCP/IP连接同步控制数据设备后，通过DMX512协议和接口连接至场地照明系统。

升旗系统监控的信号路由：集成系统工作站通过TCP/IP连接升旗控制主机和串口数据设备后，通过RS232-RS485协议和接口连接至升旗控制电气设备。

其他系统监控的信号路由：均采用TCP/IP协议进行监视和控制。

2）多系统联动监视和控制及信号路由

根据应用场景的需要，按照预先编制好的场景模式，采用同步信号控制各系统协调运行。比如，通常赛前热身场景都会进行灯光秀表演，根据预先设定的模式，同时启动场地照明系统、场地扩声系统、LED显示屏系统等，一键执行灯光秀，播放背景音乐、视频画面等。

杭州奥体中心主体育场的场地照明系统、场地扩声系统、LED显示屏系统、比赛设备集成管理系统等体育设备相关系统通过了第三方权威机构的检测，包括场地照明系统照度、照度均匀度、色温、显色指数、眩光指数、屏闪比，场地扩声系统声压级、传声增益、稳态声场不均匀度、语言传输指数，LED显示屏系统亮度、对比度、亮度均匀性等，各项指标达到相关国家标准的最高一级，也满足杭州亚运会的办赛要求。

在进行类似场馆系统设计时，也可进一步考虑各系统的功能丰富性，比如照明系统可考虑配备一定数量的RGBW投光灯，可供体育展示时使用，提高观赏性，活跃现场气氛；扩声系统目前仅对信号传输部分进行了热备份，若有条件，也可将功率放大器等设备也列入备份范围，进一步提高系统的安全性；LED显示屏也可对前端信号处理及传输部分进行备份，提高安全性。

该项目具备先进性、完整性和可靠性，作为高等级、大规模体育场馆的成功应用案例，可为类似场馆的建设提供设计借鉴。  

选自 《演艺科技》2023年第四期 郑文富，周榆辉，劳俊烨，方姚海《浅析杭州奥体中心主体育场部分体育工艺系统的设计及实施》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。（除原创作品外，本平台所使用的文章、图片、视频及音乐属于原权利人所有，仅用于行业学习交流，并不用于商业用途。文中观点为作者独立观点，因客观原因，或会存在不当使用的情况，如，部分文章或文章部分引用内容未能及时与原作者取得联系，或作者名称及原始出处标注错误等情况，非恶意侵犯原权利人相关权益，敬请相关权利人谅解并与我们联络第一时间处理，共同维护良好的网络创作环境。）