基于多源多維聯(lián)動功能的井下智能擴(kuò)播平臺的研究

李小良，韓國慶，崔國生，郭志偉，楊雯喆

（1.開灤集團(tuán)信息與控制中心，河北 唐山 063018；2.中灤科技股份有限公司，河北 唐山 063018）

0 引 言

開灤集團(tuán)各生產(chǎn)礦井在已建成有線調(diào)度通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建設(shè)并投入使用煤礦應(yīng)急廣播系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由地面工控機(jī)、井上交換機(jī)、井下交換機(jī)、廣播主站、廣播終端擴(kuò)音電話、防爆擴(kuò)音音箱、電源、應(yīng)急顯示屏等設(shè)備組成；系統(tǒng)主要分布在井下采掘工作面、大巷車場、皮帶巷、硐室等有人工作部位；系統(tǒng)具有實時播放、定點廣播、分區(qū)廣播、應(yīng)急救援指揮、緊急呼救、監(jiān)聽、錄音、報警定位、終端狀態(tài)巡檢、權(quán)限設(shè)置、聯(lián)網(wǎng)等功能；系統(tǒng)進(jìn)一步完善煤礦井下通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，提高煤礦安全防護(hù)和應(yīng)急救援水平，保障礦工生命安全，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)。

各礦井已建設(shè)的應(yīng)急廣播系統(tǒng)不能與通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)通信，不能與安全監(jiān)測、人員定位、視頻監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)動；通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)使用電話線，廣播系統(tǒng)使用音頻線，視頻監(jiān)控使用網(wǎng)線，各種線路錯綜復(fù)雜，建設(shè)維護(hù)成本太高；且各系統(tǒng)廠商協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各廠家設(shè)備難以有效兼容；系統(tǒng)之間相互獨立，形成信息孤島，缺乏融合和應(yīng)急聯(lián)動能力，給應(yīng)急指揮和維護(hù)工作帶來不便，不利于煤礦的安全生產(chǎn)和減人增效目標(biāo)的實施。

1 設(shè)計思路

為貫徹落實《河北省推進(jìn)煤礦智能化發(fā)展的實施意見》（以下簡稱《意見》），推動智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，加快礦井生產(chǎn)智能化改造和煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升煤礦安全生產(chǎn)水平，按照“兩自主兩優(yōu)先”、“三統(tǒng)、四自”原則；堅持頂層設(shè)計、統(tǒng)籌兼顧，強(qiáng)化科學(xué)組織、系統(tǒng)推進(jìn)，以智能感知、智能決策、自動執(zhí)行為基本目標(biāo)，構(gòu)建基于多源多維聯(lián)動功能的井下智能擴(kuò)播平臺。

平臺服務(wù)器設(shè)備部署在在礦級數(shù)據(jù)機(jī)房，本安型井下智能擴(kuò)播主站通過F5G，井上、下工業(yè)環(huán)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入服務(wù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)井下擴(kuò)播的各種功能，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度電話、有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的多源接入，能夠與安全監(jiān)控、人員定位、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)的多維聯(lián)動，實現(xiàn)井下擴(kuò)播與安全監(jiān)控、人員定位、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)的全面融合，基于共用拾音設(shè)備，構(gòu)建語音質(zhì)量評估模塊，建立語音質(zhì)量等級評測、多級實時報警機(jī)制，從而更加快捷、高效的服務(wù)安全生產(chǎn)，提升應(yīng)急救援效率；邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺邏輯架構(gòu)Fig.1 Platform logic architecture

智能擴(kuò)播平臺主要完成終端設(shè)備配置、注冊、分組、管理等功能。軟件基于Linux操作系統(tǒng)，圖形化界面操作，與通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)實時通信，區(qū)域操作員通過平臺查看設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行單點或者區(qū)域喊話、廣播、會議、視頻聯(lián)動等功能操作。

接入終端包含SIP話機(jī)、SIP吸頂音箱、SIP壁掛音箱、SIP音柱、網(wǎng)絡(luò)語音對講、網(wǎng)絡(luò)視頻對講、礦用隔爆兼本安型擴(kuò)播音箱、礦用本安型擴(kuò)播主站、軟電話APP、第三方IP攝像頭等設(shè)備。移動APP支持安卓、IOS、windows等操作系統(tǒng)，圖形化界面操作，移動區(qū)域操作員能夠進(jìn)行喊話、廣播、查看設(shè)備狀態(tài)等便捷功能。

2 本安型智能擴(kuò)播主站的研究

基于數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)融合技術(shù)，研制了本安井下智能擴(kuò)播主站，主站基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)有線、無線通信、人員精確定位等系統(tǒng)的綜合接入，實現(xiàn)與通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)度電話聯(lián)動功能，分站通過SIP協(xié)議注冊到通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)SIP服務(wù)器，能夠提供有線調(diào)度通信分機(jī)的所有功能，提供應(yīng)急救援指揮、一體化調(diào)度、緊急呼叫、雙向通信等廣播功能，實現(xiàn)精確定位、考勤、安全管理、預(yù)警雙向呼救、系統(tǒng)設(shè)備管理、聲光報警等功能，主站融合度高、技術(shù)成熟、接口豐富、本安一體化設(shè)計，外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主站外觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Master station appearance structure

本安型智能擴(kuò)播主站設(shè)備主要包括電源管理腔（A部分）、電池腔（B部分）、功能本安腔（C部分）等3部分，主站將不間斷電源與廣播主站的功能合二為一，斷電后只要網(wǎng)絡(luò)暢通，可持續(xù)工作4 h；具有彩色液晶屏，能夠顯示設(shè)備供電信息與廣播狀態(tài)；具有廣播、對講、緊急上呼功能；支持SIP通信協(xié)議，能夠兼容IP對講系統(tǒng)；雙工語音對講；支持本地音量調(diào)節(jié)；支持免提功能；支持面板麥克輸入與手持麥克輸入的無縫切換；支持一鍵上呼調(diào)度室；支持撥號鍵盤，能夠撥打系統(tǒng)內(nèi)任意號碼；支持快捷鍵一鍵撥號功能，快捷號碼自定義；支持多系統(tǒng)語音報警聯(lián)動功能。

3 語音質(zhì)量評估模塊的研究

智能擴(kuò)播語音、視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)過核心交換機(jī)、井下環(huán)網(wǎng)、井下分支交換機(jī)等多個傳輸節(jié)點或傳輸媒介進(jìn)行傳輸；任何一個進(jìn)行語音傳輸?shù)墓?jié)點或者傳輸媒介發(fā)生狀況或者存在問題對于擴(kuò)播語音傳輸質(zhì)量都有一定的影響，造成井下重點部位對于調(diào)度指揮部門的重點指令、操作指示等擴(kuò)播語音的感知出現(xiàn)誤差，嚴(yán)重影響各種語音指令的準(zhǔn)確傳達(dá)，影響煤礦的安全生產(chǎn)。

智能擴(kuò)播平臺構(gòu)建語音質(zhì)量評估模塊，模塊作為整個平臺的子模塊，對廣播或語音通話的時延、抖動、丟包率等參數(shù)進(jìn)行多維分析，形成詳細(xì)、實時報表數(shù)據(jù)、曲線圖，建立語音質(zhì)量等級評測機(jī)制，建立語音質(zhì)量多級實時報警機(jī)制，建立多級多維告警推送、反饋模式，根據(jù)分級分類結(jié)果對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)做出相應(yīng)調(diào)整，一般語音質(zhì)量問題通過采用不同的編碼算法、不同的分組封裝策略和不同的分組丟失恢復(fù)機(jī)制，控制井下擴(kuò)播系統(tǒng)的丟包率和端到端延遲，進(jìn)而控制擴(kuò)播的語音質(zhì)量，形成了很好的循環(huán)反饋過程，嚴(yán)重質(zhì)量問題通知告警模塊，將告警信息推送到設(shè)備運(yùn)行管理員；構(gòu)建運(yùn)行、監(jiān)測、分析、維護(hù)智慧化閉環(huán)管控平臺，保證礦用擴(kuò)播平臺的可靠性，全面提升擴(kuò)播平臺的可用性，流程如圖3所示。

圖3 語音質(zhì)量評估流程Fig.3 Voice quality assessment process

語音質(zhì)量評估模塊根據(jù)頻率響應(yīng)測試信號經(jīng)測試環(huán)境或直接計算測試聲場頻率響應(yīng)；計算均衡補(bǔ)償函數(shù)；對標(biāo)準(zhǔn)測試語音信號進(jìn)行均衡補(bǔ)償；將均衡補(bǔ)償之后的標(biāo)準(zhǔn)測試語音信號播放出來，待測拾音系統(tǒng)的拾音器件采集播放的語音信號，生成劣化語音文件；將標(biāo)準(zhǔn)測試語音信號和劣化語音信號進(jìn)行比較，計算PESQ分值；對所有樣本求平均值得到測試結(jié)果；模塊克服了現(xiàn)有語音質(zhì)量客觀評價測試方法僅限于端到端測量的局限性，能夠應(yīng)用于現(xiàn)場廣播的拾音系統(tǒng)的語音質(zhì)量測試。

模塊采用基于PESQ算法的MOS測試方式，綜合考慮了感知中的各項影響因素（如編解碼失真、錯誤、丟包、延時、抖動和過濾等）來客觀地評價語音信號的質(zhì)量，PESQ算法在進(jìn)行傳輸語音質(zhì)量的計算中通過參考信號以及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸后的退化信號進(jìn)行電平調(diào)整，利用輸入濾波器進(jìn)行電話接聽中的濾波反應(yīng)，然后將這兩種信號的時間對準(zhǔn)，進(jìn)行聽覺的變換，在變換過程中通過語音感知從而是實現(xiàn)主觀平均意見的結(jié)果評測；在使用PESQ算法進(jìn)行傳輸語音質(zhì)量計算評測中，參照信號與輸出信號的差異性越大，那么MOS分值就越小，擴(kuò)播語音質(zhì)量越差；提供可以完全量化的語音質(zhì)量衡量方法。

4 結(jié) 語

平臺能夠?qū)崿F(xiàn)井下擴(kuò)播的各種功能，實現(xiàn)調(diào)度電話、有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的多源接入，能夠與人員定位、安全監(jiān)控、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)的多維聯(lián)動，基于PESQ算法對擴(kuò)播或語音通話的時延、抖動、丟包率等參數(shù)進(jìn)行多維分析，形成詳細(xì)、實時報表數(shù)據(jù)、曲線圖，建立語音質(zhì)量等級評測、多級實時報警機(jī)制，建立多級多維告警推送、反饋模式，構(gòu)建平臺運(yùn)行、監(jiān)測、分析、維護(hù)智慧化閉環(huán)管控，從而更加快捷、高效的服務(wù)安全生產(chǎn)，提升應(yīng)急救援效率，全面提升了開灤集團(tuán)信息化、自動化、智能化水平。