國家電網運營調度中心可視化改造

國家電網公司是在原國家電力公司中剝離出來負責電力傳輸、配電等電網業(yè)務的兩大巨頭之一，其業(yè)務關系到國家能源安全和國民經濟命脈，屬于國有重要骨干企業(yè)，注冊資本 2000 億元，經營區(qū)域覆蓋 26 個省、自治區(qū)、直轄市，位列世界 500 強第七名，營業(yè)額高達 3334 億美元以上。

作為核心關鍵企業(yè)，國家電網為了適應現代化的發(fā)展趨勢，在嚴格的論證下展開了運營調度中心升級改造。

調度中心主要的任務就是給各個發(fā)電廠下達當天的發(fā)電調令，監(jiān)測輸送電網的實時運行狀態(tài)，查看轄區(qū)內各個用電單位的服務狀況，及時響應用戶保修請求，保障用電高峰期的保電工作指揮協調以及向上級業(yè)務主管部門領導匯報公司的運營情況。

可視化改造所面臨的挑戰(zhàn)

據介紹，國家電網改造之前的運營中心屏幕較小，只有十幾二十塊屏幕，同屏監(jiān)控內容少，許多業(yè)務版塊需要多臺工作站以矩陣的方式切換上屏，無法同時展現全部內容，導致經常不能處理系統(tǒng)運行中出現的問題。

為此，國家電網對此提出的改造要求是要能夠同時在大屏上展現所有的業(yè)務版塊，根據調度中心大廳的建筑空間規(guī)劃，有的中心采用 36 屏、48 屏、64 屏甚至更大的 68 塊背投屏，必須做到點對點的原生分辨率輸出，屏幕物理像素有多少，顯示子系統(tǒng)就必須提供足本分辨率的驅動輸出能力。

具體而言，在改造前，全屏分辨率是 3840*1080，顯示的畫面都是經過拉伸過的。

而改造后的要求是全屏 23800*4200，水平方向和垂直方向分別提升了大約 5 倍 和 3 倍，如果采用原有的控制驅動方案，其難度和復雜性會相當大。

你可以想象一下：

原有的工作站顯示卡要實現單片雙頭或者四頭輸出 1080 的高清畫面本來就難以實現，而現在要求一個顯卡具備 6 個能輸出 4K*2K 級別的超高分辨率，不僅于此，還必須做到在單臺工作站平臺上同時讓 2～3 張這樣的頂級顯卡作同步輸出。

只有這樣，才能在拼接的大屏上以點對點方式同步呈現內容，實現三維沙盤、精確線路運行圖和超高清的公司宣傳視頻的流暢運行，對于系統(tǒng)集成商來說，一般的顯卡根本無法實現。

如何克服這些難題?

簡單而言，有三個需要克服的問題：

1、單卡的輸出驅動能力，例如同時驅動多少個垂直分辨率達到 2k 級別的顯示設備。

2、多卡幀同步問題。

3、多機時鐘同步問題。

按照改造升級的要求，顯卡應該具備 6 個 4k*2k 級別顯示器的驅動能力，具備這樣能力的專業(yè)卡產品有 AMD FirePro V9800、FirePro W9100 等產品，此外還有針對入門級的 AMDFirePro W600 ，適合于對性能要求并不十分高的多屏應用，而在這個案例里，由于需要實現三維沙盤，對超高分辨率下的渲染性能有較高的要求，因此顯卡部分基本上是 7000 系以上的產品。

AMD FirePro W9100 提供了 6 個 mini-DP 接口，支持 DisplayPort 1.2 規(guī)范，最高可以實現 6 個 4K 顯示設備驅動。

在性能方面，FirePro W9100 擁有 2816 個流計算單元，在 FMA 指令下可以實現 5.2TFLOPS 和 2.6TFLOPS 的雙精度/單精度計算性能，搭配 16GB 板載內存，內存帶寬高達 320GiB/s，能最大限度保障 GPU 計算性能的充分發(fā)揮。

多屏輸出的時候，畫面同步是一個不容忽視的問題。

以三維渲染為例，一個復雜的場景中可能會有一些地方渲染負荷較低，而其它地方需要更多的渲染時間，如果采用多卡來實現多屏輸出的話，就會出現畫面輸出不同步的問題，這就是所謂的幀同步問題。

除了單機內多卡的幀同步問題外，還有一種更復雜的情況，那就是多機、多設備情況下的信號同步問題。不同的電腦、設備要實現協作輸出同步的畫面，就必須聽命于同一個“頭”。這就好像一個交響樂團，雖然有很多個樂手，但是他們的一舉一動都得聽命于指揮家手中的指揮棒。

在多機并行多屏輸出的情況下，這個指揮家就是被稱為信號發(fā)生器的設備，基于這樣的同步方案就是所謂的鎖相同步技術(GenLock)。

AMD 為 FrameLock 和 GenLock 提供了一個子卡形式的解決方案——S400。

在高端 AMD FirePro 中都有一個 S400 鏈接器，每片 S400 最多可以鏈接 4 塊這樣的 AMD FirePro 顯卡。

三臺電腦各一片 AMD FirePro S400，左側機器作為時鐘參考，右邊兩臺則是作為內容輸出系統(tǒng)

其中的顯卡是上兩代的產品，圖片僅作為 S400 其中一種配置示例的說明

當然這是有前提：主板和機箱的型制以及電源需要能容納如此強大的載荷，一般來說這需要 E-ATX 以上尺寸型制的主板和機箱。 

最終的實現效果

上圖是國家電網的重慶運營調度中心大廳，畫面中的這個巨屏由 4*12 共計 48 個屏幕拼接組成，需要實時運行有大量三維元素的沙盤，單機性能不足以應對，相應的工作站配置型制不允許安裝 4 片機箱，因此在這個系統(tǒng)中采用了雙機同步顯示來實現，而兩臺內容主機就是各安裝雙 FirePro W9100 + S400 的搭配方式，此外還另有一臺作為熱冗余備份。

如果是運行的程序不需要如此強大的三維渲染能力，那么也可以采用單機多卡的方式來實現。

上圖就是國家電網上海災備中心的大屏系統(tǒng)，由 4*8 共計 32 塊屏幕拼接組成，采用雙機輸出，配置均為雙 AMD FirePro W7000 + S400，顯卡輸出端子接駁到一個拼接系統(tǒng)，就能達到 32 屏。

上圖的巨屏是國家電網河北電力調度控制中心大廳的顯示系統(tǒng)，由 4*16 片屏幕組成，分辨率高達 22400x4200，像素數量達到 9400 萬，是目前全高清電視(1080p)的 47 倍。該系統(tǒng)采用了兩片 AMD FirePro W9000 + S400 實現，每個輸出頭連接到拼接處理器(對顯卡來說相當于一個高分辨率的虛擬顯示器)，拼接處理器再驅動多臺屏幕，線材也不是大家常見的銅線而是光纖。

市場上一套另一個廠商的 8 屏單純顯示系統(tǒng)就要 20 萬，還沒算上工作站的造價，而相比之下，成熟可靠的 AMD FirePro 實現 12 屏全系統(tǒng)也就是 8 萬不到。

性價比如此突出，難怪在項目驗收的時候，負責系統(tǒng)集成的項目經理李皓對于采用藍寶 PGS AMD FirePro 實現的多屏能力有這樣的評論： 

“我們覺得在滿足點對點輸出顯示方面，目前藍寶科技的方案是最實惠的，而且連接節(jié)點是最少的，對于我們在日常維護能減少很多的排查環(huán)節(jié)。真是選對了。”

原標題:國家電網調度中心超級監(jiān)控大屏幕后故事