基于多源多维联动功能的井下智能扩播平台的研究

李小良，韩国庆，崔国生，郭志伟，杨雯喆

（1.开滦集团信息与控制中心，河北 唐山 063018；2.中滦科技股份有限公司，河北 唐山 063018）

0 引 言

开滦集团各生产矿井在已建成有线调度通信系统的基础上，建设并投入使用煤矿应急广播系统，系统主要由地面工控机、井上交换机、井下交换机、广播主站、广播终端扩音电话、防爆扩音音箱、电源、应急显示屏等设备组成；系统主要分布在井下采掘工作面、大巷车场、皮带巷、硐室等有人工作部位；系统具有实时播放、定点广播、分区广播、应急救援指挥、紧急呼救、监听、录音、报警定位、终端状态巡检、权限设置、联网等功能；系统进一步完善煤矿井下通信联络系统，提高煤矿安全防护和应急救援水平，保障矿工生命安全，促进煤矿安全生产。

各矿井已建设的应急广播系统不能与通信联络系统通信，不能与安全监测、人员定位、视频监视系统联动；通信联络系统使用电话线，广播系统使用音频线，视频监控使用网线，各种线路错综复杂，建设维护成本太高；且各系统厂商协议标准不统一，各厂家设备难以有效兼容；系统之间相互独立，形成信息孤岛，缺乏融合和应急联动能力，给应急指挥和维护工作带来不便，不利于煤矿的安全生产和减人增效目标的实施。

1 设计思路

为贯彻落实《河北省推进煤矿智能化发展的实施意见》（以下简称《意见》），推动智能化技术与煤炭产业融合发展，加快矿井生产智能化改造和煤炭产业转型升级，提升煤矿安全生产水平，按照“两自主两优先”、“三统、四自”原则；坚持顶层设计、统筹兼顾，强化科学组织、系统推进，以智能感知、智能决策、自动执行为基本目标，构建基于多源多维联动功能的井下智能扩播平台。

平台服务器设备部署在在矿级数据机房，本安型井下智能扩播主站通过F5G，井上、下工业环网等网络设备接入服务器，能够实现井下扩播的各种功能，能够实现调度电话、有线网络、无线网络等系统的多源接入，能够与安全监控、人员定位、视频监视等系统的多维联动，实现井下扩播与安全监控、人员定位、视频监视等系统的全面融合，基于共用拾音设备，构建语音质量评估模块，建立语音质量等级评测、多级实时报警机制，从而更加快捷、高效的服务安全生产，提升应急救援效率；逻辑架构如图1所示。

图1 平台逻辑架构Fig.1 Platform logic architecture

智能扩播平台主要完成终端设备配置、注册、分组、管理等功能。软件基于Linux操作系统，图形化界面操作，与通信联络系统实时通信，区域操作员通过平台查看设备状态，进行单点或者区域喊话、广播、会议、视频联动等功能操作。

接入终端包含SIP话机、SIP吸顶音箱、SIP壁挂音箱、SIP音柱、网络语音对讲、网络视频对讲、矿用隔爆兼本安型扩播音箱、矿用本安型扩播主站、软电话APP、第三方IP摄像头等设备。移动APP支持安卓、IOS、windows等操作系统，图形化界面操作，移动区域操作员能够进行喊话、广播、查看设备状态等便捷功能。

2 本安型智能扩播主站的研究

基于数据与业务融合技术，研制了本安井下智能扩播主站，主站基于标准以太网，能够实现有线、无线通信、人员精确定位等系统的综合接入，实现与通信联络系统调度电话联动功能，分站通过SIP协议注册到通信联络系统SIP服务器，能够提供有线调度通信分机的所有功能，提供应急救援指挥、一体化调度、紧急呼叫、双向通信等广播功能，实现精确定位、考勤、安全管理、预警双向呼救、系统设备管理、声光报警等功能，主站融合度高、技术成熟、接口丰富、本安一体化设计，外观结构如图2所示。

图2 主站外观结构Fig.2 Master station appearance structure

本安型智能扩播主站设备主要包括电源管理腔（A部分）、电池腔（B部分）、功能本安腔（C部分）等3部分，主站将不间断电源与广播主站的功能合二为一，断电后只要网络畅通，可持续工作4 h；具有彩色液晶屏，能够显示设备供电信息与广播状态；具有广播、对讲、紧急上呼功能；支持SIP通信协议，能够兼容IP对讲系统；双工语音对讲；支持本地音量调节；支持免提功能；支持面板麦克输入与手持麦克输入的无缝切换；支持一键上呼调度室；支持拨号键盘，能够拨打系统内任意号码；支持快捷键一键拨号功能，快捷号码自定义；支持多系统语音报警联动功能。

3 语音质量评估模块的研究

智能扩播语音、视频数据流经过核心交换机、井下环网、井下分支交换机等多个传输节点或传输媒介进行传输；任何一个进行语音传输的节点或者传输媒介发生状况或者存在问题对于扩播语音传输质量都有一定的影响，造成井下重点部位对于调度指挥部门的重点指令、操作指示等扩播语音的感知出现误差，严重影响各种语音指令的准确传达，影响煤矿的安全生产。

智能扩播平台构建语音质量评估模块，模块作为整个平台的子模块，对广播或语音通话的时延、抖动、丢包率等参数进行多维分析，形成详细、实时报表数据、曲线图，建立语音质量等级评测机制，建立语音质量多级实时报警机制，建立多级多维告警推送、反馈模式，根据分级分类结果对系统运行状态做出相应调整，一般语音质量问题通过采用不同的编码算法、不同的分组封装策略和不同的分组丢失恢复机制，控制井下扩播系统的丢包率和端到端延迟，进而控制扩播的语音质量，形成了很好的循环反馈过程，严重质量问题通知告警模块，将告警信息推送到设备运行管理员；构建运行、监测、分析、维护智慧化闭环管控平台，保证矿用扩播平台的可靠性，全面提升扩播平台的可用性，流程如图3所示。

图3 语音质量评估流程Fig.3 Voice quality assessment process

语音质量评估模块根据频率响应测试信号经测试环境或直接计算测试声场频率响应；计算均衡补偿函数；对标准测试语音信号进行均衡补偿；将均衡补偿之后的标准测试语音信号播放出来，待测拾音系统的拾音器件采集播放的语音信号，生成劣化语音文件；将标准测试语音信号和劣化语音信号进行比较，计算PESQ分值；对所有样本求平均值得到测试结果；模块克服了现有语音质量客观评价测试方法仅限于端到端测量的局限性，能够应用于现场广播的拾音系统的语音质量测试。

模块采用基于PESQ算法的MOS测试方式，综合考虑了感知中的各项影响因素（如编解码失真、错误、丢包、延时、抖动和过滤等）来客观地评价语音信号的质量，PESQ算法在进行传输语音质量的计算中通过参考信号以及无线网络传输后的退化信号进行电平调整，利用输入滤波器进行电话接听中的滤波反应，然后将这两种信号的时间对准，进行听觉的变换，在变换过程中通过语音感知从而是实现主观平均意见的结果评测；在使用PESQ算法进行传输语音质量计算评测中，参照信号与输出信号的差异性越大，那么MOS分值就越小，扩播语音质量越差；提供可以完全量化的语音质量衡量方法。

4 结 语

平台能够实现井下扩播的各种功能，实现调度电话、有线网络、无线网络等系统的多源接入，能够与人员定位、安全监控、视频监视等系统的多维联动，基于PESQ算法对扩播或语音通话的时延、抖动、丢包率等参数进行多维分析，形成详细、实时报表数据、曲线图，建立语音质量等级评测、多级实时报警机制，建立多级多维告警推送、反馈模式，构建平台运行、监测、分析、维护智慧化闭环管控，从而更加快捷、高效的服务安全生产，提升应急救援效率，全面提升了开滦集团信息化、自动化、智能化水平。