某指挥大厅音视频系统设计

郭昶龙

（北京奥特维科技有限公司，北京 100015）

1 项目概述

某指挥大厅的建筑形态为：室内平面呈矩形，观众厅平面长38.3 m，宽20.6 m，装修后房间净高7.25 m，面积约789 m2，容积约5 720 m3。该指挥大厅的平面图如图1 所示。

图1 某指挥大厅建筑平面图

该指挥大厅主要的使用功能为协同指挥、协同办公以及会议决策等。指挥大厅的音视频系统作为协同指挥、会议决策等功能的核心支撑系统，应满足规模化、高质量、安全可靠的指挥中心信息化平台基础环境需求，实现未来海量大数据的数据融合，跨地域、跨部门的协同联动、管理服务，以及大数据支持和智慧应用等，为指挥大厅监测、研判、决策、指挥环节提供高清晰度的音频扩声和高清视频显示功能保障，提高多业务调度指挥的信息综合协同和决策效率。

常规指挥大厅在设计过程中，往往忽视建筑声学设计，导致建筑装修完成后音频系统无法达到预期效果，不能满足标准规范要求，常常需要再次验证建筑声学指标或者对装修进行拆改，造成大量人力、物力、时间的浪费。为避免这一现象，建议同类型项目一定要重视建筑声学设计。本文针对该指挥中心的建筑声学、音频系统、视频显示系统3 个子系统进行了同步设计。

2 设计依据及原则

2.1 设计依据

本文对该指挥大厅的相关设计，主要遵从以下依据：业主需求及各建筑设计院专业设计图纸，《智能建筑设计标准》（GB 50314—2015），《剧场建筑设计规范》（JGJ 57—2016），《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学技术规范》（GB/T 50356—2005），《民用建筑隔声设计规范》（GB 50118—2010），《会议电视会场系统工程设计规范》（GB 50635—2010），《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》（GB/T 28049—2011），《电子会议系统工程设计规范》（GB 50799—2012）。

2.2 设计原则

本文对该指挥大厅的相关设计，主要基于以下原则。

（1）合理的混响时间设计。指挥大厅考虑重大接待时视频演示使用，同时兼顾音视频指挥、报告、会议等用途。

（2）采取电子扩声系统以及相应的室内声学装修设计，保证扩声系统具备足够的响度、良好的语言清晰度和可懂度，满足相关标准规范要求，同时提供优美的声音复原环境。

（3）建筑声学混响时间合理，声场分布均匀，并无对听音形成干扰的音质缺陷。

3 设计目标

为保证指挥大厅的整体性能，设计目标应优于标准规范要求。针对建筑声学、音频系统、视频显示系统的核心关键性能指标定义如下。

3.1 混响时间和噪声评价曲线指标

混响时间（Reverberation Time，RT）指标是语音清晰度的重要影响因素之一。使用会议功能时，听众要能清晰、准确地了解发言内容，听清、听懂指挥指令至关重要。会议过程中需要同期录音，需要保证录音效果。建筑声学方面就要求厅内避免声聚焦、振颤回声、声场不均匀等声学缺陷。依据《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学技术规范》（GB/T 50356—2005）中的规定，参考多用途厅堂内大厅室内混响最佳混响时间范围[1]，如图2 所示。各频率的混响时间相对于500～1 000 Hz 的比值如表1所示。

表1 会堂、报告厅和多用途礼堂观众厅各频率混响时间相对于500～1 000 Hz 的比值

图2 会堂、报告厅和多用途礼堂对不同容积V 的观众厅在500～1 000 Hz 时满场的合适混响时间T 的范围

对标本项目指挥大厅，会议研判使用时，混响时间中频（500 Hz）确定为RT=1.0±0.1 s；在低频（中心频率125 Hz 的倍频带）的混响时间应有20%的提升，以保证在厅内活动的人员能够听清楚扩声系统的发出的全部信息。

根据《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学技术规范》（GB/T 50356—2005）中多用途厅堂设计规范，确定多功能厅背景噪声满足NR-30 噪声评价曲线要求。具体要求如表2、表3 所示。

表2 各类观众厅内噪声限值

表3 噪声评价曲线NR 值对应的各倍频带声压级（单位：dB）

3.2 音频系统声学特性指标

电声设计中，音频系统声学特性指标应满足《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》（GB/T 28049—2011）[2]标准中会议类声学特性一级指标，如表4 所示。会议类一级传输频率特性范围如图3所示。

表4 会议类声学一级特性指标

图3 会议类一级传输频率特性范围

综合以上因素，指挥大厅内设计目标定义为：最佳混响范围为0.9～1.32 s，混响时间中频 （500 Hz）确定为RT=1.0±0.1 s，语言传输指数STI＞0.5，声场不均匀度小于±3 dB，背景噪声满足NR-30 噪声评价曲线要求。

3.3 视频系统显示特性指标

依据国家标准《会议电视会场系统工程设计规范》（GB 50635—2010）[3]，视频系统显示特性指标（一级）如表5 所示。

表5 视频系统显示一级特性指标

上述《会议电视会场系统工程设计规范》（GB 50635—2010）中视频系统显示特性指标要求较低，部分指标无法满足此指挥大厅需求；LED 显示屏技术的应用能够助力指挥大厅的综合呈现，因此设计目标定义如表6 所示。

表6 视频系统显示一级特性指标（新设定）

4 方案设计

针对本指挥大厅设定的设计目标，对该指挥大厅的音视频系统进行设计。借助计算机建模及音频专用辅助软件工具，依据观众厅体形，按如下步骤进行设计。

（1）设计复核混响时间、声场分布、声学装饰；

（2）指导监督建筑声学施工节点；

（3）建立三维计算机模型，并进行计算机模拟分析，模拟吸声材料选择、音质参数测量、数据分析、方案声学效果评价以及改进方案测量。

4.1 建筑声学设计

4.1.1 设计方法

指挥大厅观众厅平面长为38.3 m，宽为20.6 m， 装修后房间净高7.25 m，面积约789 m2，容积约 5700 m3。

依据《剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学技术规范》（GB/T 50356—2005）标准，本项目指挥大厅最佳混响范围为0.9～1.32 s，语言传输指数STI＞0.5，声场不均匀度小于±3 dB，背景噪声满足NR-30 噪声评价曲线要求。

设计基于土建装修专业提供的装修图纸。与大多数项目一样，介入建筑声学设计时，设计院已经完成装修图纸设计，并正式通过了用户的认可，但图纸设计过程未考虑建筑声学特性问题。因此，本设计的难点在于，在不变更原结构形式和原装修风格的前提下，采用合理的吸声结构和吸声材料，达到中频1.0±0.1 s（500 Hz）的混响时间设计指标。

设计方法采用了两种方式进行复核：第一种采用计算表的方式，第二种采用计算机辅助分析软件。计算机辅助分析软件首先对建筑装修图纸进行了建模，并将图中选定的建筑材料依次代入声学模拟软件，根据模拟计算指标优化建筑材料及做法。

经过复核原装修设计图纸中材料的选型，混响时间无法满足1.0±0.1 s（500 Hz）的混响时间设计指标。因此，首先对部分材料进行调整替换，通过饰面材料的选择和做法微调，解决混响时间无法满足要求的问题。建筑结构未造成声学缺陷，因此不涉及调整。具体设计如下。

4.1.2 混响时间计算表计算

根据指挥大厅容积、各装修面的面积以及装修材料的选用情况，通过混响时间计算公式可以得出指挥大厅在不同倍频程条件下的混响时间，计算结果如下：

（1）在倍频程125 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为1.32 s 左右；

（2）在倍频程250 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为1.18 s 左右；

（3）在倍频程500 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为0.97 s 左右；

（4）在倍频程1000 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为1.04 s 左右；

（5）在倍频程2000 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为0.99 s 左右；

（6）在倍频程4000 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为0.96 s 左右。

4.1.3 计算机辅助软件对混响时间分布的模拟结果

建立三维计算机模型，并进行计算机模拟分析，模拟吸声材料选择、音质参数测量、数据分析，得出指挥大厅在不同倍频程条件下的混响时间，模拟结果如下：

（1）在倍频程125 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为1.3 s 左右；

（2）在倍频程500 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为1.1 s 左右；

（3）在倍频程2000 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为1.1 s 左右；

（4）在倍频程4 000 Hz 频段内指挥大厅室内观众席混响时间指标为1.0 s 左右。

模拟结果显示，指挥大厅室内观众席的混响时间满足设计和使用要求。计算机模拟分析结果如图4、图5、图6、图7 所示。

图4 125 Hz 频段大厅混响时间分布示意图

图5 500 Hz 频段大厅混响时间分布示意图

图6 2 000 Hz 频段大厅混响时间分布示意图

图7 4 000 Hz 频段大厅混响时间分布示意图

4.1.4 室内声场不均匀度模拟结果

建立三维计算机模型，并进行计算机模拟分析，模拟吸声材料选择、音质参数测量、数据分析，得出大厅在不同倍频程条件下的室内声场不均匀度，模拟结果如下：

（1）观众席声场不均匀度在倍频程125 Hz 频段内均处于±4 dB 范围内；

（2）观众席声场不均匀度在倍频程500 Hz 频段内均处于±3 dB 范围内；

（3）观众席声场不均匀度在倍频程2 000 Hz频段内均处于±3 dB 范围内；

（4）观众席声场不均匀度在倍频程4 000 Hz频段内均处于±3 dB 范围内；

模拟结果显示，指挥大厅室内声场不均匀度满足设计和使用要求。计算机模拟分析结果如图8、图9、图10、图11 所示。

图8 125 Hz 频段大厅观众席声场不均匀度示意图

图9 500 Hz 频段大厅观众席声场不均匀度示意图

图10 2 000 Hz 频段大厅观众席声场不均匀度示意图

图11 4 000 Hz 频段大厅观众席声场不均匀度示意图

4.1.5 快速语言传输指数模拟

建立三维计算机模型，并进行计算机模拟分析，模拟吸声材料选择、音质参数测量、数据分析，得出大厅的快速语言传输指数，观众席和主席台各点语言传输指数均大于0.6，属于语言类使用的优秀级别。模拟分析结果如图12 所示。

图12 快速语言传输指数模拟示意图

综上所述，通过指挥大厅声学计算设计，指导装修材料的调整，经过计算公式与计算机模拟分析两种方式得出结果，均能验证结果符合设计和使用要求，满足设计目标中混响时间和噪声评价曲线指标。

4.2 音频系统设计

4.2.1 系统概述

音频扩声系统设计充分考虑实际使用需求及现代化音频系统的技术发展，充分利用当前先进的音频扩声技术、数字技术、网络技术及计算机技术的综合应用，考虑到各功能区域的音频信号互相调用、互联互通、集中管理技术等实际应用需求[4]。本系统的设计方案基于建筑声场的要求，兼顾项目定位、设备选型与装修方案的搭配等方面，结合系统使用需求，实现报告会议、视频会议、指挥调度等多种工作场景，满足多种会议形式的需求。

4.2.2 系统架构

音频系统的传输、路由及处理采用网络化、数字化架构，提高系统的抗干扰性和可扩展性。设计的音频系统架构如图13 所示。

图13 音频系统架构图

所有音源信号经无源分配器分别进入主、备音频传输系统，通过两套网络传输系统和主、备数字调音台进行数据交换，经处理、分配后的主、备音频信号接入智能音频切换系统，实现主备信号的智能切换。整套系统的传输及处理实现了完全备份，提高了系统的可靠性及稳定性。系统的输入、输出接口均采用可扩展接口机模式，支持后期系统的扩展性及冗余性。

4.2.3 系统设计

指挥大厅音频扩声系统主要满足语音调度、会议讨论、视频会议、视频播放等多功能需求，依托网络音频实现互联互通和语音信号的集中调度管理。大厅音频扩声系统由拾音设备、音频处理设备以及音频扩声设备组成。系统采用实时热备技术，实现无缝自动切换，保证整个音频系统的可靠性和稳定性。

4.2.3.1 扬声器系统设计

指挥大厅房间长约40 m，宽约20 m，面积约800 m2。由于大厅面积较大，主扩扬声器选用线性阵列扬声器进行覆盖。在LED 大屏幕两侧分别吊挂一组线性阵列扬声器，每组由5 只双8 寸阵列扬声器和1 只低频阵列扬声器组成，两组阵列扬声器覆盖全场。前场LED 屏幕下侧固定安装4 支辅助补声扬声器，中后场4 只辅助补声扬声器安装在两侧墙面，实现全场声压级的均匀覆盖。指挥大厅观摩席设置4 只吸顶音箱，满足观摩席扩声需求。

4.2.3.2 席位话筒设计

大厅的发言系统设计采用数字会议系统进行，满足领导席及业务席的使用需求。领导席为27 个、业务席为48 个，共计75 位。设计采用3 套数字会议管理系统，来实现对领导席和业务席的不同发言管理。同时，领导席第一排话筒直接接入音频系统，可以实现对每路话筒的单独控制。

48 个业务席话筒采用单音头拾音话筒满足发言使用，功能简单易用。而27 个领导席采用双音头拾音话筒，数字、模拟双链路输出。数字链路接入会议发言主机；模拟链路接入无源话筒分配器，分别进入数字音频系统及语音智能转写系统，实现分角色转写，将领导发言快速转写成文本文字存储及多种应用。由于话筒距离主机距离较远，设计采用中继器来保证各条总线的供电稳定。

4.2.3.3 其他音频信号

指挥大厅配置两套无线手持话筒和两套无线领夹话筒用于流动使用。为了保证无线话筒的信号质量，配置1 对有源指向性天线及1 台天线放大分配器用于信号放大，实现话筒无死角接收覆盖。

在LED 大屏两侧下方布置2 个墙面信息盒，内含话筒、电脑音频等信号输入接口，用于预留汇报话筒或电脑音频输入。

指挥大厅暂定配置3 台视频会议终端，用于满足对上级和下级视频会议的使用需求，满足本地与视频会议音频信号的传输。

图像传输及可视化控制系统对本地业务电脑、网络音频及其他设备的音频信号进行传输切换。

系统通过无源话筒和线路分配器将以上所有音频信号一分为二，分别进入主数字音频接口箱和备数字音频接口箱作为双链路信号应用。

音频系统的设备布置平面布局如图14 所示。

图14 音频系统设备布置图

4.2.3.4 音频的传输和处理

音频控制是整套音频扩声系统的核心，要保证信号能够可靠、快速、高质量地进行传输和处理。为确保系统信号传输安全稳定，设计人员采用双链路备份方式，处理器及调音台均采用双系统设计。调音台作为系统的核心设备，采用同品牌主备两台数字调音台，具有相同的性能指标和电气特性，保证主备双系统品质相同。调音台作为扩声系统控制和处理的核心，其性能参数指标、系统的可靠性、操作的方便性，都是对音频控制成功的保证[5]。

主系统链路和备用系统链路均采用网络数字音频处理器。处理器主要用于话筒及扬声器的数字校正及声场修饰。经主备音频处理器处理后输出的音频信号进入智能音频切换器，通过智能音频切换输出给功放扩声及视频会议输出。智能音频切换器能够判断主信号状态，一旦主信号丢失就会自动切换到备用信号链路，保证扩声系统正常运行。

综上所述，音频系统设计后实现的指标满足《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》（GB/T 28049—2011）中会议类声学特性一级指标，符合设计及使用要求。

4.3 视频显示系统

4.3.1 系统概述

视频显示系统可以将各种数据信息通过指挥大厅的平台统一显示，可以通过图像处理设备对大屏幕的显示模式进行调整，可对图像位置、显示大小的参量进行自定义调整，并可以进行开窗、漫游、组合等操作。同时，视频显示系统具备可视化管理界面，可辅助指挥人员实时准确地了解全局信息并迅速做出决策部署。

4.3.2 系统架构

显示系统采用了图像分布式传输技术，借助网络实现节点的智能扩展，满足当前指挥中心坐席图像调度系统的可视化管理和控制。设计的系统架构如图15 所示，主要包括数据采集端、数据传输端以及数据显示端三部分。

图15 视频系统架构图

（1）数据采集端。所有信号源设备（如电脑主机、摄像机、会议终端等）均一一对应于分布式图像输入节点编码器，形成图像信号资源池。

（2）数据传输端。使用交换机组成音视频专用局域网。音视频专用局域网单独进行组建，与业务网以及互联网等进行物理隔离；图像分布式编解码设备接入音视频专用局域网，实现席位显示器和大屏等音视频矩阵切换、调度，利用分布式去中心化和网络化的特点，实现快速部署和扩展。

（3）数据显示端。所有显示设备（如拼接大屏、坐席显示器或其他输出设备）与图像分布式节点解码器同样一一对应进行连接，实现图像信号资源的呈现。

4.3.3 系统设计

指挥大厅选用P0.9 全彩的LED 大屏作为主要显示设备。大屏设计安装在大厅西侧墙面。大屏面积为18.3 m（宽）×5.14 m（高）=94.2 m2。大屏在墙面居中安装，底边距地1.3 m。

大屏拼接处理器可支持50 路4K 超高清画面信号接入，支持4K/8K 画面输出显示。根据使用需要，可以采用多种画面排布方式，具体显示方案如图16 所示。

图16 LED 大屏显示方案示意图

大厅两侧墙面配置75 寸触摸液晶大屏，可用于辅助显示和信息查询，也可用于对到访人员进行信息展示。

指挥大厅设置75 个专业席位，包括27 个领导席位和48 个业务席位。所有席位的工作站集中部署在多媒体设备室内。业务席工作站配置高性能GPU 和4 头输出显卡（每头输出均支持4K 分辨率信号），每个业务席位配置3 台4K 桌面显示器，使用3 套KVM 输入/输出节点。领导席工作站配置高性能GPU 和双头输出显卡（每头输出均支持4K分辨率信号），每个席位均配置1 台4K 升降显示器、使用1 套KVM 输入/输出节点。

每个席位的工作站通过HDMI/DP、USB 线与分布式节点进行连接。节点通过网线连接至分布式音视频局域网交换机。坐席上的显示器通过HDMI/DP 线与节点连接，同时将键盘鼠标用USB线连接至节点。通过分布式节点的KVM 功能，实现席位人员对工作站的接管操作与协作推送。普通工作人员在管理人员的授权下，对指定工作站进行接管操作，实现工作席位之间桌面推送协助以及工作席位与大屏之间的画面共享。

根据大屏面积和拼接处理器配置，使用超高清输出节点50 个，每个节点都支持一路4K 高清信号接入到大厅LED 显示屏。可通过大厅的触摸一体机、控制终端等设备，实现对大屏画面的拼接、漫游开窗、分割、叠加及画中画显示等功能。所有操作支持触控，手指拖拉即可实现对拼接图像的任意控制，并且支持提前预设多种拼接模式，可一键实现各种场景模式的图像调用。

本项目使用的LED 显示屏显示亮度为 600 cd·m-2，图像对比度为3 000 ∶1，亮度均匀性大于97%，显示分辨率19 200×5 760，色域覆盖率115%，水平/垂直视角160°，刷新率3 840 Hz，寿命100 000 h，像素失控率≤1/100 000，支持双信号备份，具有亮度、对比度、色度及视觉修正等图像调整功能。以上指标均优于《会议电视会场系统工程设计规范》（GB 50635—2010）标准中视频系统显示特性一级指标，满足设计和使用要求。

5 结 语

指挥大厅建设主要承载集中信息平台业务运行，为单位提供合理舒适的办公环境，通过可视化指挥提升科学决策和应急响应能力，确保指挥者第一时间全面、动态掌握事发现场态势和相关情报，有力地整合、运用、调配可用处置资源，实现一体化协同作战。通过指挥大厅的建设，可以提升社会治理的数字化、网络化、智能化水平，形成数据接入与共享、数据处理与传输、数据显示与控制的多用途、实战化的指挥大厅，对我国地方经济增长的支撑意义重大。

本文通过对指挥大厅音视频系统的设计，通过各子系统音视频设备的合理配置、科学有效的设计和计算以及三维仿真模拟验证，实现了用户的各项需求，同时也完全满足相关标准要求。该项目在建成以后承办了多次重大活动，得到了使用方的一致好评。