（机械电子工程专业论文）基于声纹及射频识别的轨道车监控系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 轨道车是用于铁路建设、设备维护、事故抢修和巡视检查等工作的自轮运转特种设 备，其运行状态关系到铁路运输的整体安全。随着铁路列车运行速度的不断提高和运营 密度的进一步加大，对轨道车在运行安全性方面的要求越来越高。 为保障运行安全，轨道车上目前装设有行车安全装备，对于防止冒进信号、超速运 行以及溜逸等问题发挥了相当的作用。然而，轨道车的运行安全在很大程度上是靠以铁 路规章约束司机及随乘人员的行为来保障的。由于未在技术上实现全面监控，一旦司机 及随乘人员存在违规行为，就有可能发生行车安全事故。 本文针对轨道车的驾驶监控中的问题，在分析轨道车驾驶规章规定，提取行车安全 关键因素基础上，力图在技术上实现对司机及随乘人员监控，实时消除驾驶工作状态不 良形成的行车安全隐患。 本文提出了基于声纹识别和射频识别的轨道车驾驶监控系统方案，并对驾驶监控系 统的硬件结构与组成、软件流程实现进行研究。最后，结合轨道车管理实际情况，本文 对驾驶监控系统的应用进行了探讨。 关键字：轨道车；声纹识别；驾驶：监控：安全 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t r a i l e a r sa r ct h es p e c i a le q u i p m e n t sf o rr a i l w a yc o n s t r u c t i n g ，r a i le q u i p m e n tm a i n t a i n i n g ， a c c i d e n tr u s hr e p a i r i n g ，r a i li n s p e c t i n ga n ds oo n t h eo p e r a t i o ns a f e t yo far a i l c a ra f f e c t st h e 一一 w h o l er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n w i t ht h ec o n t i n u o u si n c r e a s i n go ft r a i n - s p e e da n dt h em u c h i n t e n s i f y i n go ft r a f f i cd e n s i t y , t h em u c hh i g h e rs a f e t yo fr a i l c a r s o p e r a t i o ni sd e m a n d e d t og u a r a n t e et h es a f e t yo f r a i l c a r s ，t h er a i l w a yt r a f f i cs a f e t ye q u i p m e n t s ，w h i c hh a v e p l a y e das i g n i f i c a n tr o l ei ns u c hi s s u e sa so v e r r u ns i g n a l s ，o v e ts p e e da n d r a i l c a r ss l i p p e d ，a r e e q u i p p e d h o w e v e r , i ts t i l ll a r g e l yr e l i e so nt h ed r i v e r sa n dp a s s e n g e r sc o m p l y i n gw i t ht h e r e l e v a n tr a i l w a yr u l e sa n dr e g u l a t i o n st op r o t e c tt h er a i l c a r sf r o ma c c i d e n t s b e c a u s ei th a s n o t m o n i t o r e dt h a tt h ed r i v e r sa n dp a s s e n g e r sc o m p r e h e n s i v e l yt h r o u g ht e c h n i c a lm e a n s ，t h e r ei sa g o o dp o s s i b i l i t yo fa c c i d e n t so n c et h ed r i v e r so rp a s s e n g e r sv i o l a t et h er u l e s t h i sp a p e ri sa i m e da tt h ep r o b l e m si nr a i l c a r s m o n i t o r i n g b a s e do na n a l y z i n gt h e r e l e v a n tr a i l w a yr u l e sa n de x t r a c t i n gt h ek e yf a c t o r sr e l a t e dt ot h es a f e t y , t h i sp a p e rt r i e st o m o n i t o rt h ed r i v e r sa n dp a s s e n g e r sc o m p r e h e n s i v e l yt h r o u g ht e c h n i c a lm e t h o da n de l i m i n a t e t h es e c u r i t yr i s kf o r m e dw i t ht h ea b n o r m a ld r i v i n gc o n d i t i o n st i m e l y t h i sp a p e rh a sp r o p o s e dt h er a i l c a r s m o n i t o r i n gs y s t e r nb a s e d0 1 1v o i c e p r i n tr e c o g n i t i o n a n dr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n a n di th a sm a d ea s t u d yo f t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o ft h em o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no f t h eh a r d w a r ea n dt h ep r o c e s sd e s i g no ft h es o f t w a r e a tl a s t ，t h i sp a p e rm a k e sa n a l y s i sa n d d i s c u s s i o n so ft h ea p p l i c a t i o n so ft h i ss y s t e mb a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h er a i l c a r s m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：r a i l c a r s ；v o i c e p r i n tr e c o g n i t i o n ；d r i v i n g ；m o n i t o r i n g ；s a f e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 轨道车作为铁路工务部门的主要运输设备，在我国铁路线路建设、维修养护、运输 抢险等工作中承担着重要的角色。承担驾驶轨道车任务的司机是铁路行车的重要工种， 需要具备高度的工作责任感和专业技能，驾驶轨道车须严格遵守有关规章制度、操作规 程，始终把安全行车放在第一位。 随着我国铁路高速发展，机车车辆运行速度的不断提高，新的技术装备的不断应用， 以及线路上车辆密度的不断增加，都给铁路工务部门带来了新的挑战。为了适应铁路高 速发展，作为铁路工务作业的重要车型轨道车上线运行、作业越来越频繁。目前， 共约有两万多台轨道车在全国各地不同的线路上运行着。 铁道部对轨道车高度重视，在2 0 0 5 年发布的第1 9 号令中，将轨道车划入五种重要 的铁路车型。轨道车在线路上的运行安全直接关系着铁路的运输安全与生产效率。以往， 在工务作业过程中，轨道车的行车安全事故( 事故形式包括冒进信号、超速行驶以及冲 挤道岔等) 时有发生，不仅干扰了铁路运输生产的正常秩序，还给铁路的安全生产造成 了经济及效益上的损失。造成轨道车行车事故的原因多为乘务人员( 司机) 未严格遵守 有关规章制度、操作规程驾驶轨道车。目前，此方面的研究较少，且不够系统。 1 2 应用和发展现状 2 0 0 3 年起，铁道部要求在全路的轨道车( 接触网作业车及大型养路机械) 上逐步安 装行车安全装备( 包括运行监控记录装置、机车信号设备等) 。经过近些年的运用，行车 安全装备在保证轨道车行车安全，以及铁路运输的安全生产等方面做出了一定的贡献。 铁路行车安全装备主要包括列车运行监控记录装置、机车信号、列车无线调度通信 设备、机车自动停车装置以及与之配套的传感、信息输入、信息输出和连接设备等，用 于直接防止列车运行事故，或用于辅助机车乘务员提高操纵列车安全运行的能力。在营 业线上运行的机车、动车和自轮运转特种设备( 包括轨道车、接触网作业车等) ，三项安 全设备必须齐全有效【l 】。行车三项安全装备包括列车运行监控记录装置、机车信号以及 列车无线调度通信设备。 列车运行监控记录装置( 监控装置) 是集机车信号、运行监控、自动停车、数据及 语音记录为一体的综合性监控装置。具有机车信号显示、语音提示、速度显示控制、风 压显示报警、车辆溜逸报警、轴温监测、自动停车等各项功能。能实时记录无线列调双 向通话和机车信号显示、司机操作等实时信息，以及运行状况，通过声讯和数据转储接 口可方便的下载所有声讯、数据记录内容至计算机，实现数据文件的管理、调取和打印， 清晰地掌握车辆运行状态，供相关管理人员查阅及事故分析处理，完全实现运行过程的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 全程记录。在轨道车上安装使用的监控装置有专门针对轨道车开发的g y j 2 0 0 4 型、 g y j 2 0 0 4 t f t 型、g y j 2 0 0 4 l t a 型轨道车监控装置，和机车淘汰下来的l k j 9 3 型、j k 2 h 型机车监控装置，以及经过技术改造改进的l k j 2 0 0 0 s 型等。目前，铁道部已明令使用 轨道车运行控制设备( 简称g ( ) 。 机车信号机是将列车运行前方显示的铁路地面信号，正确复示于列车上的一种单方 面远程控制设备。由于机车信号机能在司机室内正确复示地面信号机的显示，预先告知 司机列车前方接近的地面信号机的显示情况，因此司机能够从容驾驶，及时采取制动措 施，防止发生冒进信号机或超速运行，提高了行车安全性。 列车无线调度通信设备简称为无线列调，它是在一个调度区内，供调度员、车站值 班员直接与乘务人员通话，指挥行车的无线电设备。无线列调机动灵活，对行车指令下 达、信息反馈、车机联控以及提高运输效率起到重大作用。 1 3 问题的提出 2 0 1 1 年1 月7 日，青藏线发生了一起自轮运转车辆脱轨事故。在该事故中，学习司 机在关闭g y k 的情况下单独操纵车辆运行，当接近信号机显示黄灯时不减速，进站信 号机显示红灯时未停车，冒进进站信号，从而导致车辆脱轨。分析此次事故，其原因在 于该学习司机未严格按照相关规章规定要求操纵车辆，分别违反了铁路技术管理规程 和轨道车管理规则中关于呼唤应答制度以及司机乘务的相关内容。 按照相关规章规定轨道车驾驶司机和副司机必须到齐，共同乘务，而且对于正司机 及副司机的岗位承担也有相应规定。同时，在驾驶轨道车的过程中，司机及副司机协同 作业，须根据线路上信号机的显示，严格按照车机联控标准术语进行呼唤应答。 现有行车安全装备可对运行速度进行监控，在车辆出现超速的情况下能够自动实施 防护，有效制止超速，并可实现“防冒、防超、防溜”的作用目标，然而却不能确认轨道 车驾驶过程中是否存在违规行为( 如操纵者是否具备驾驶资格，操纵者在驾驶的过程中 是否严格按照车机联控标准术语进行呼唤应答等) 。 基于以上分析，由于未在技术上实现对司机及随乘人员的全面监控，一旦司机及随 乘人员存在违规行为，就有发生行车安全事故的危险，存在一定的安全隐患，因此，有 必要对轨道车的驾驶进行系统的分析，把相关规章的规定以及未考虑的因素均利用技术 手段来保障。笔者结合轨道车驾驶实际情况，提出了基于声纹及射频识别技术的轨道车 驾驶监控系统，利用声纹识别技术作为手段，配合现有行车安全装备，实现对轨道车司 机驾驶情况的实时监控，建立轨道车驾驶监控系统，确保司机严格按照相关规章规定操 纵轨道车，以及时消除其运用过程中的行车安全隐患，充分发挥轨道车的作用，保证铁 路运输生产安全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 4 本文的主要内容和安排 论文主要内容包括： 一、从轨道车运行实际情况出发，结合轨道车管理规则等安全规章的相关规定， 对轨道车上线运行过程中司机的操纵内容进行分析，提取直接与行车安全相关的关键因 素，明确要解决的问题； 二、在分析轨道车上线运行中司机操纵内容的基础上，充分发挥声纹识别、射频识 别等技术的优势，提出基于声纹识别和射频卡的轨道车驾驶监控系统的实现方案，对该 实现方案进行论述； 三、结合提出的基于声纹识别技术的轨道车驾驶监控系统的实现方案，对驾驶监控 系统硬件部分及软件部分进行初步设计，并对结合轨道车管理实际，对监控系统的应用 进行探讨。 论文的结构如下： 第一章绪论，主要介绍本文的研究背景，国内外应用发展现状以及问题的提出，阐 述论文的主要内容和结构。 第二章基础技术，主要介绍射频识别技术及声纹识别技术，阐述射频识别技术及声 纹识别技术的基本组成、工作原理及应用特点。 第三章系统分析与设计，主要围绕轨道车行车安全，从轨道车的实际运用情况出发， 结合轨道车管理规则等安全规章的相关规定，对轨道车上线运行过程中司机的操纵 进行分析，提取直接与行车安全相关的关键因素。在此基础上论述系统监控方案，进行 监控流程设计，并对系统实现需要解决的关键问题进行研究。 第四章监控系统实现，阐述基于声纹识别和射频识别的轨道车驾驶监控系统实现的 硬件结构与组成，以及软件流程设计。 第五章监控系统管理，论述监控系统的管理实现方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 1 射频识别 第2 章基础技术 射频识别技术，是一种非接触式的自动识别技术，其利用射频信号对记录载体进行 读写，以实现对物体的自动识别。射频识别技术与其它自动识别技术( 条形码识别、光 学符号识别、语音识别、图像识别及磁卡识别等技术) 相比，在信息载体、信息量、读 写性能、读取方式、识别速度等方面都具有突出的优势。 2 1 1 系统组成 典型的射频识别系统由前端的射频部分和后端的计算机信息系统两大部分组成，如 图2 - 1 所示。前端的射频部分由射频标签和读写器组成，通过射频标签和读写器协同工 作，完成识别。 图2 1 射频系统的组成 读写器利用射频信号及空间耦合与传输特性，对存储物体相关信息的射频标签进行 读写，读出的信息通过计算机信息系统完成信息的传输以及数据分析处理等。 1 标签和读写器射频标签主要包括两部分：芯片和耦合元件，用于存储身份以及属 性信息等。读写器是射频识别系统中进行信息采集的终端，用于对射频标签中的数据进 行读写，并与计算机信息系统进行数据传递。其主要功能包括：与射频标签和分离的单 个物体进行通信；对接收的信息进行初始化处理；连接服务器，将接收的信息传输到主 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 机进行数据交换与处理。 在实际应用中，读写器的结构与制造形式各不相同。根据应用的不同场合可分为： 小型读写器、手持读写器、面板型读写器、固定式读写器等。 2 工作频率射频标签与读写器所使用的工作频率称为射频识别系统的工作频率。如 图2 2 所示，工作频率范围在3 0 k h z 3 0 0 k h z 之间的属低频段，其典型工作频率有1 2 5 k h z 和1 3 3 k h z 两种；工作频率范围在3 m h z 3 0 m h z 之间的属中高频段，其典型工作频率为 1 3 5 6 m h z ：工作频率在高频范围以上的属微波频段，其典型工作频率有4 3 3 9 2 m h z 、8 6 2 ( 9 0 2 ) m 呐2 8 m h z 、2 4 5 g h z 以及5 8 g h z 。 1 0 0 k h z 1 m h z1 0 m h z1 0 0 m 【h z1 g h z1 0 g h z l pm fh fv h fu h f 1 2 5 l3 3 k h z1 3 5 6m h z8 6 6 9 15 哩h z5 8 (了h z 2 4 5 g h z 图2 2 工作频率分布 2 1 2 工作原理 实际应用中，被识别物体表面或内部附着射频标签。当带有标签的物体进入射频识 别系统读写器的工作范围内，标签天线接收到读写器发出的一定频率的射频信号，在内 部产生感应电流，从而使标签获得能量，读写器以非接触的方式自动见标签内的编码等 信息读取出来，还可以根据实际需要改写标签内的识别信息。射频识别系统的工作原理 框图如图2 3 所示。 天线 图2 3 射频识别系统工作原理框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 对于采用无源标签的射频识别系统，当标签进入读写器的识读范围内时，标签接收 到读写器发出的射频信号( 通过耦合元件发出的射频信号，即无线电收发器) ，通过耦合 元件从射频信号中获得能量，从而实现读写器对标签内信息的识读。在读写器识读标签 内存储的信息后，对信息进行解码，随后将解码的数据送至计算机信息系统进行数据共 享、管理、分析与处理。 对于采用有源标签的射频识别系统，当标签进入读写器的识读范围内时，通过自身 内部的电池提供能量，实现读写器对标签内信息的识读【2 】。 2 1 3 射频卡 根据实际应用的需要，射频标签具有多种构造形式，如玻璃外壳的圆柱形标签( 用 于识别动物等) 、钥匙扣式标签( 用于自动停车及门锁系统) 、卡式标签( 用于身份识别、 城市一卡通等) 等。 卡式标签，即把射频标签做成卡的形状，是一种应用广泛的特殊构造形式的射频标 签。该类标签的构造形状符合d i n i s o7 8 1 0 标准，其尺寸一般为8 5 4 6 m mx5 3 9 2 m m 0 7 6 r a m ( 士误差) 。卡式标签携带方便可放在封套或手包内，在身份识别、货币支付、公 交票务等方面得到广泛应用。 目前，我国的第二代居民身份证采用1 3 5 6 m h z 的射频卡，是世界上最大的r f i d 应用项目。另外，全国各地都在积极推行实施公交一卡通，校园一卡通等r f i d 项目【3 】o 2 2 声纹识别 声纹识别( v o i c e p r i n tr e c o g n i t i o n ) ，也称为说话人识别，是利用说话人的语音( 语 音信息中能够反映说话人的特征语音参数) 识别说话人身份的一种技术，属于生物特征 识别技术中的一种。与其它生物特征识别技术相比，声纹识别技术在方便性、经济性以 及准确性方面都占有一定的优势。 声纹识别的应用有两个方面：说话人辨识与说话人确认。前者是在指定人群中，寻 找某段语音信息是该人群中哪个人所说的，即将该段语音信息与指定人群中的所有人员 语音特征信息进行比较分析，从人群中辨识该说话人：而后者是针对指定人，确认某段 语音信息是否为该人所说，即将该段语音信息与此人的语音特征进行比较分析，确认是 否为此人声音。 声纹识别技术研究发展历程如图2 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 入耳辨听、语圈比对 特语音语谱图 征波形 倒谱 l p c l p c cm f c c 韵律等高层信息 i 无誓：撼音l 睇i 鼎稳器i l 无噪、受控语音 l 、一一7l 实际、任恿语音 l 图2 - 4 声纹识别发展历程 对声纹识别的研究最早从上世纪3 0 年代开始的，发展到今天，声纹识别技术已经从 包含较少说话人、受文本限制的语音模型库阶段发展到包含很多说话人、不受文本限制 的语音模型库阶段。同时，更能适应真实的环境。 随着科学技术的不断进步，声纹识别产品逐步走出实验室。从上世纪8 0 年代开始， 世界上已经有很多商用的声纹产品问世。其中包括美国的家庭购物网络( h o m es h o p p i n g n e r o ) ，利用语音识别和声纹识别技术完成自动订货；1 9 9 9 年l o 月，苹果公司在m a c o s9 中加入语音密码功能，利用声纹识别技术对计算机的使用权限进行控制；a t & t 等 公司都在开发基于声纹识别和语音识别技术的语音邮件管理系统。此外，还有t - n e t i x 公司的s p e a k e z 、ti n d u s t r i e s 公司的s p e a k e r k e y 等声纹产品。 在我国，声纹识别技术也越来越多的受到人们的广泛关注，同样也有很多相关的声 纹识别产品，如得意声纹识别引擎，言丰声纹识别器、中科信利说话人识别引擎以及模 识p a t t e ka s r 3 0 厂r s p 说话人识别等。 2 2 1 系统组成与原理 典型的声纹识别系统包括两个阶段：训练( t r a i n i n g ) 和识别( i d e n t i f y ) 。训练阶段， 也称录入阶段，在该阶段，根据系统需求确定声纹识别方法，采集语音信号，并对语音 信号进行处理，分析能够反映语音信号特征的语音特征数据，将语音特征数据存储，建 立语音模板库；在识别阶段，将输入语音的特征参数和语音参数库的模板进行相似性度 量比较，将相似度最高的模式所属的类别作为识别的中间候选结果进行输出【4 1 。基本的 声纹识别系统是由特征提取、模型训练、模式匹配以及逻辑决策等几个模块组成的，其 组成框图如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 5 声纹识别系统模块组成框图 1 录音设备用于采集待识别的语音信号，并对采集的语音信号进行预处理，将语音 信号转化为数字信号。该模块主要由硬件部分( 话筒、声卡等) 和软件部分( 语音数据 采集软件等) 组成。 2 特征提取模块用于提取所采集语音信息的声纹特征数据。在录入阶段，运用模拟 与数字处理技术对语音信号进行处理，提取能够表征语音信号的声纹特征数据，将其传 递给模型训练模块，建立语音模板，存入模型数据库；在识别阶段，将提取的声纹特征 数据传递给声纹特征模式匹配模块。 3 模型训练模块根据提取的声纹特征数据，训练建立说话人的模型。目前常用的说 话人模型包括向量量化模型( v q ) 、高斯混合模型( g m m ) 、隐马尔可夫模型( h m m ) 竺 寸o 4 模型数据库模块用于存储声纹特征模型。在录入阶段，用于存储特征提取模块提 取的声纹特征数据训练的说话人声纹特征模型；在识别阶段，为声纹模式匹配模块提供 说话人声纹特征模型数据。 5 模式匹配模块用于对未知语音信息的声纹特征与说话人声纹特征模型进行分析 比较，计算匹配距离。该模块把声纹特征提取模块传递的声纹特征数据与模型数据库中 已有的声纹特征模型进行分析、比较、匹配，得出匹配结果，并将结果传递给决策逻辑 模块。 6 决策逻辑模块根据匹配计算结果，结合相关规则以及各种语言学的知识，对于经 过前面一系列处理后的语音输入信号计算得到的测度，从多种可能的结果中，评判选择 出一种最好的结果，将声纹识别的辨识或确认结果输出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在声纹识别系统中，最为关键的部分是声纹特征的提取和说话人识别模型的建立。 这两部分直接影响着整个系统的性能( 识别效果) 。 2 2 2 特征提取 特征提取是对经预处理的语音信号进行特征参数分析的过程，清除语音信号中无关 的冗繁信息，以获得影响声纹识别的重要信息，如图2 - 6 所示。声纹特征的提取应满足 三方面的要求：所提取的特征能够充分体现用户的个性特征；根据提取特征能够实现较 好的区分效果；此特征对用户自身表现的差异很小。 口口口口口口 特征向量序列 图2 - 6 特征的提取 特征的提取包括语音的采用与量化、预加重、分帧和加窗以及特征提取等几个阶段， 如图2 7 所示。 。 图2 7 特征提取过程 模拟语音信号需要先经过采样与量化，由模拟信号变为数字信号，才能对其进行后 续处理( 预加重、分帧加窗端点检测等) 。预加重、分帧加窗以及端点检测等处理工作称 为语言信号的预处理。在提取特征前，需对采样量化后的数字语音信号进行预处理。预 加重是为对语音信号进行频谱分析或声道参数分析，平坦语音信号而进行的处理，以使 语音信号达到在频谱上高频提升的效果，用于提高语音信号的信噪比；分帧加窗是为确 保语音信号的波形细节、不易丢失进行的处理，同时对语音信号进行短时的平稳性分析； 端点检测是指为提高系统的工作效率，减少系统计算量，从背景噪声中判断语音信号的 有效范围，即确定其开始位置和结束位置。 对预处理后得到的语音帧信号进行时域或者频域分析，用相应的特征参数或特征向 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 量来描述，则各帧语音信号的特征参数或向量综合起来的特征参数序列，即为整个语音 信号的特征参数或向量。 特征参数的选择与提取对声纹识别系统是至关重要的。综合现有研究成果，能够表 征语音信号特征的特征参数包括时域上的特征参数和频域上的特征参数。时域上的特征 参数有短时能量、短时幅度及平均过零率等；频域上的特征参数有线性预测系数( l p c ) 、 l p c 倒谱系数( l p c c ) 、线谱对参数( l s p ) 以及m e l 频率倒谱系数( m f c c ) 等。目 前，应用比较广泛的声纹识别特征有m e l 频率倒谱系数( m f c c ) 和线性预测系数( l p c ) 。 2 2 3 识别模型 每个人的语音所反映出来的个性特征，在统计学上具有一致性。因此，可通过概率 密度函数来描述说话人语音特征在特征空间内的分布，此概率密度函数即为说话人识别 的模型。要获取识别模型就需要采集大量的声纹特征样本，根据声纹特征样本求取此概 率密度函数的解析形式。通常在声纹识别过程中，对不同的说话人选用的识别模型均采 取相同的结构( 即每个说话人描述语音特征的概率密度函数采用相同的形式) ，不同的只 是其中的参数，以便于对说话人个性特征的描述一致。目前常用的声纹识别模型有向量 量化模型( v q ) 、高斯混合模型( g m m ) 、隐马尔可夫模型( h m m ) 等几种，识别模型 示意图如图2 8 所示。 l o 肛50 o o 向量量化模型( v o ) 00 5i 0 训练：通过聚类算法用于训练的原始 特征向量形成为一组简化的向量 a ) 高斯混合模型( g m m ) 训练：通过学习得到多元高斯混合 模型的参教 b ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 _ _ v | 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ 动态时间规整( d 盯) 圳俏 时间向量7 i si - - ip i e 粤i ei 珂c i h i 时问轴一，。， 隐马尔可夫模型( h m m ) c ) ：通 习得 状态 和状 间的 概率 d ) 图2 8 识别模型示意图 向量量化模型( 见图2 - 8 a ) ) ，是利用多模板代替声音的各帧的一种模型。说话人的 语音特征在特征空间中，形成特定的聚类中心，可作为说话人声纹特征的描述模型。在 进行声纹识别时，求取未知语音信息特征与说话人个人特征聚类中心之间距离并进行距 离比较，距离最小的即为识别结果。 高斯混合模型( 见图2 - 8 b ) ) ，是利用多个高斯分布的线性组合来近似描述说话人语 音特征的分布，通过学习得到高斯混合模型中的参数。采用高斯混合模型进行声纹识别 时，通过说话人模型与未知语音信息的特征进行匹配，最能产生未知语音信息的特征的 说话人识别模型对应的说话人即为识别结果。 。 动态时间规整( 见图2 - 8 c ) ) ，是把未知语音信号特征进行均匀地伸长或缩短，以使 其与模型特征对正，将未知语音信号模板的特征矢量与模型模板相应的特征矢量进行匹 配，计算匹配距离，以确定模板间的相似程度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 隐马尔可夫模型( 见图2 - 8 d ) ) ，是利用状态间的转移来描述说话人语音特征变化过 程的一种模型。隐马尔可夫模型是一个统计模型，采用状态的概念来描述语音特征( 语 音信号随时间变化的特性) ，通过训练得到隐状态分布和状态间的转移函数。在采用隐马 尔可夫模型进行声纹识别时，计算未知语音在状态转移过程中的最大概率，概率最大的 模型对应的说话人，即为识别结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 1 业务分析 第3 章系统分析与设计 现有相关规章及行车安全知识对轨道车安全操作的规定主要包括轨道车司机出乘作 业标准、轨道车运行操纵和注意事项以及轨道车的检查和保养三个大的方面：另外，还 包括轨道车运行安全操作呼唤应答标准。本论文主要研究轨道车司机乘务以及轨道车运 行中司机与副司机的呼唤应答。 3 1 1 司机乘务 1 相关规定轨道车管理规则中的第1 4 条明确对轨道车司机乘务做了如下规 定：“轨道车司机值乘执行包乘、包检、包保养制度。包乘是指使用轨道车时，做到定人、 定车，出乘时，司机和副司机必须到齐，共同乘务；包检是指司机和副司机出乘前及定 期检查车辆技术状态，并及时提出修程建议；包保养指司机和副司机必须负责做好车辆 的日常保养、走合期保养和换季保养等工作。” 第3 0 条：“轨道车运行期间( 包括停车) ，司机和副司机不得擅自离岗。” 第3 6 条：“持轨道车学习驾驶证的司机( 学习司机) 必须在安全驾驶五年或十万公 里以上的轨道车司机指导下方准操纵轨道车。下列情况禁止学习司机驾驶轨道车：运输 易燃易爆等危险品，夜间行车，抢险运输，人员运输，站场转线，复线逆行及在封锁施 工区间内运行。” 。 2 内容分析轨道车驾驶员分为学习司机和司机。学习司机是指经过理论学习，通 过轨道车驾驶资格理论考试，取得轨道车学习驾驶证的人员。取得学习驾驶证的司机在 跟车实习满一年后，可申请参加轨道车驾驶资格实作考试，通过实作考试才可取得轨道 车驾驶证，即由学习司机转为司机。 轨道车驾驶实行双人包乘制，出乘时须司机和副司机共同乘务。取得轨道车驾驶证 的驾驶员在轨道车运行过程中既可承担司机角色，也可承担副司机角色。而持学习驾驶 证的驾驶员( 即学习司机) 一般情况下只能承担副司机角色，履行副司机的职责；当学 习司机承担司机角色( 即操纵轨道车) 时，必须有安全驾驶五年或十万公里以上的轨道 车司机指导( 承担副司机角色) ；在有运输易燃易爆等危险品，夜间行车，抢险运输，人 员运输，站场转线，复线逆行及在封锁施工区间内运行等情况时，即使有安全驾驶五年 或十万公里以上的轨道车司机指导，学习司机也不得操纵轨道车，即在以上情况下学习 司机只能承担副司机角色。 实际工作中，对轨道车驾驶员的工作状态监控仍有一些不足的地方，存在单个司机 驾驶轨道车、学习司机违规操纵轨道车等情况，存在一定的轨道车行车安全隐患，给铁 路运输生产安全构成一定的威胁。今年1 月7 日，青藏线上一名学习司机在关闭g y k 的情况下单独操纵车辆运行，当接近信号机显示黄灯时不减速，进站信号机显示红灯时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 未停车，冒进进站信号，因而导致车辆发生脱轨。这一事件也充分说明了对轨道车驾驶 员工作状态进行监控的必要性。 3 1 2 呼唤应答 1 相关规定轨道车管理规则中第3 0 条中：“现场施工作业时，要认真执行呼唤 应答制度，加强晾望，时刻注意作业人员的安全。” 铁路技术管理规程中第2 7 0 条：“彻底晾望，确认信号，认真执行呼唤应答制度， 严格按信号显示要求行车，确保列车正点到达。” 2 内容分析司机在操纵轨道车的过程中，须精力集中，谨慎驾驶，认真执行呼唤应 答制度。呼唤应答制度包括十六字，即“彻底晾望，确认信号，高声呼唤，手比眼看”。 呼唤应答标准用语包括出入段及挂车走行、发车准备与发车、途中走行及调车作业等几 个方面。各个铁路局在车机联控标准用语的基础上，对呼唤应答的标准用语又有所 突破。 ( 1 ) 出入段及挂车走行出入段及挂车走行呼唤应答标准用语如表3 1 所示。 表3 1 出入段及挂车走行呼唤应答 呼唤时机及呼唤应答复诵 处所呼唤者标准用语应答者标准用语复诵者标准用语 股道信号副司机股道信号司机道好了副司机 道岔开通手手信号好了手信号好了 副司机手信号司机副司机 i 口了主意主意 准备动车两侧注意 轨道车启动司机副司机 左侧好了右侧好了 走行限速副司机限速x x 公里司机限速x x 公里 白灯好了或白灯好了或 调车信号副司机调车信号司机副司机 注意停车注意停车 开通好了或开通好了或 确认道岔副司机道岔位置司机副司机 停车停车 一度停车副司机一度停车司机一度停车 轨道车返岔司机返岔注意副司机尾部过了 防止车溜非防止车溜非 换端操纵副司机换端操纵司机操纵端处理副司机操纵端处理 兀2 f = 兀二f 脱轨表示器副司机脱轨器注意司机落下或停车 副司机落下或停车 ( 2 ) 发车准备与发车发车准备与发车呼唤应答标准用语如表3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表3 - 2 发车准备与发车呼唤应答 呼唤时机及呼唤应答复诵 处所呼唤者标准用语应答者标准用语复诵者标准用语 出站( 发车 副司机 出站( 发车进 司机 出站( 发车进 副司机 出站( 发车进 进路) 信号路) 信号路) 信号好了路) 信号好了 机车信号副司机机车信号司机绿灯副司机绿灯 反方向运行副司机反向运行司机反向运行 x x 侧好了 侧好了 进路表示器副司机进路表示器司机副司机 注意信号注意信号 发车信号好发车信号好 发车信号副司机发车信号司机副司机 了了 x x 分通x x 分通 报点司机x x 分停副司机x x 分停 x x 分开x x 分开 前方注意，后非检查 后部晾望检查者前方注意检查者后部好了 部晾望者 非操作 按开车键按开车键操作者好了 者 。记点副司机前方注意记点司机前方注意 ( 3 ) 途中走行途中走行呼唤应答标准用语如表3 3 所示。 表3 3 途中走行呼唤应答 呼唤时机及 呼唤应答 复诵 处所呼唤者标准用语应答者标准用语复诵者标准用语 绿灯绿灯 自动闭塞区 副司机通过信号 司机黄灯副司机黄灯 间( 三显示) 停车停车 绿灯绿灯 自动闭塞区 副司机通过信号 司机 绿黄绿黄 间( 四显示)黄灯 副司机 黄灯 停车停车 根据显示呼根据显示呼 机车信号副司机机车信号司机副司机 唤唤 限速地段副司机限速注意 司机限速x x 公罩副司机 限速x x 公罩 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 表3 3 ( 续) 呼唤时机及呼唤应答复诵 处所呼唤者标准用语应答者标准用语复诵者标准用语 预告好了预告好了 预告信号副司机预告信号司机副司机 注意信号注意信号 监控解锁司机解锁副司机解锁好了 距离正确 确认监控距 司机监控距离副司机超前x 米 离 滞后x 米 信号好了信号好了 引导进站副司机引导信号司机副司机 机外停车机外停车 复示好了复示好了 复示信号副司机复示信号司机副司机 注意信号注意信号 通过通过 进路好了进路好了 进站( 或进 副司机 进站( 或进路) 司机 正线副司机正线 路) 信号信号 侧线侧线 机外停车机外停车 接递凭证副司机确认凭证司机凭证正确副司机凭证正确 信号好了信号好了 通过手信号副司机通过手信号司机副司机 站内停车站内停车 ( 4 ) 调车作业调车作业呼唤应答标准用语如表3 _ 4 所示。 表3 4 调车作业呼唤应答 呼唤时机及呼唤应答复诵 处所呼唤者标准用语应答者标准用语复诵者标准用语 调车开始 司机 转调车模式 调车完毕退出调车模式 副司机好了 起动手信号司机起动注意副司机起动注意 减速手信号司机减速注意副司机减速注意 连接手信号司机连挂注意副司机连挂注意 试拉手信号司机试拉注意副司机试拉注意 十车十车 十、五、三 司机五车副司机五车 车手信号 三车三车 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 表3 4 ( 续) 呼唤时机及呼唤应答 复诵 处所呼唤者标准用语应答者标准用语复诵者标准用语 停车手信号 呼唤人停车应答者停车 或无信号 一个月白色 副司机调车信号司机白灯好了副司机白灯好了 灯光 一个月白色 副司机调车信号司机 白闪光灯号 副司机 白闪光灯号 闪光灯光了了 一个蓝( 红) 副司机调车信号司机停车副司机停车 色灯光 连接副司机连接司机连接 停车副司机停车司机停车 紧急停车副司机紧急停车司机紧急停车 认真执行呼唤应答制度，对轨道车司机彻底晾望、确认信号，实现安全驾驶是十分 必要的。青藏线上发生的自轮运转特种设备脱轨事故也充分说明了双人值乘中进行呼唤 应答的必要性。因此，有必要就如何采取技术手段来保障轨道车司机驾驶过程中严格执 行呼唤应答制度加以探讨。 3 2 监控方案 3 2 1 需求分析 结合轨道车的运用实际情况，在分析轨道车驾驶乘务制度和呼唤应答制度的基础上， 设计建立轨道车驾驶监控系统，实时监控轨道车运行中司机的驾驶情况，利用技术手段 确保司机操纵严格按照相关规定进行，以便于对司机操纵中出现的问题及违规行为进行 及时处理，保证轨道车在线上运行的行车安全。经过以上分析，设计本系统需解决的问 题包括以下两个方面。 1 确认值乘确认轨道车驾驶员是否严格按照相关规定要求操纵轨道车，主要涉及以 下几个方面： ( 1 ) 轨道车运行或作业过程中，司机和副司机是否到齐，共同乘务； ( 2 ) 一般情况下，操纵轨道车的驾驶员是否已经取得铁路白轮运转特种设备轨道车 驾驶证；当持学习驾驶证的学习司机操纵轨道车时，是否有安全驾驶五年或十万公里以 上的轨道车司机指导； ( 3 ) 当轨道车在运输易燃易爆等危险品，夜间行车，抢险运输，人员运输，站场转 线，复线逆行及在封锁施工区间内等运行情况下，操纵轨道车的驾驶员是否为持学习驾 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 驶证的学习司机。 2 保证呼唤应答确认轨道车在运行过程中是否处于正常的工作状态；轨道车驾驶过 程中，司机与副司机之间是否根据信号机信号显示变化，按照车机联控标准术语进行呼 唤应答；司机与副司机是否对信号显示做出正确的反应。 3 2 2 现用运监特点 现有列车运行监控记录装置是保障行车安全，实现行车“有序可控、基本稳定”的重 要设备，是确保行车安全的根本手段。铁道部已明令使用轨道车运行控制设备( g y k ) 替代安装轨道车在轨道车等自轮运转设备上的g y j 2 0 0 4 、l k j 9 3 及l k j 2 0 0 0 s 型安全 设备。现以轨道车运行控制设备说明现有运行监控装置的机构组成以及其实现的监控功 能。 轨道车运行控制设备由主机( 含主控及记录模块、接口模块、语音记录模块、轨道 电路信息读取器、电源模块) 、人机界面单元( d m i ) 、机车信号接收线圈、机车信号机、 速度传感器和外部接口( 主机与压力传感器、电磁阀、熄火装置、轴温监测、无线列调 接口) 等组成，其结构组成如图3 1 所示。 图3 1 轨道车运行控制设备结构组成框图 轨道车运行控制设备可根据控车数据、机车信号信息和前方目标距离，自动生成目 标距离模式曲线，采用速度控制方式，监控轨道车安全运行，其监控功能包括： ( 1 ) 限速控制机车信号信息，防止越过关闭的信号机。 ( 2 ) 轨道车在线路上运行时，防止其速度超过线路允许速度和超过线路临时限制速 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 度。 ( 3 ) 轨道车编组时，防止其速度超过编组的最低构造速度。 ( 4 ) 轨道车调车作业时，防止其速度超过规定的调车运行速度。 ( 5 ) 轨道车进行区间施工作业时，防止其运行速度高于规定的限制速度。 ( 6 ) 轨道车停车时，防止发生溜逸 ( 7 ) 允许轨道车在关闭的通过信号机前停车后，以低于规定的速度越过该信号机。 ( 8 ) 特殊情况下，允许轨道车驾驶员人工解锁。 ( 9 ) 防止轨道车在站内侧线无码的状态下越过关闭的出站信号机。 从上述内容可以看出，现有轨道车运行监控记录装置可对车辆的运行速度进行有效 的监控，能够制止车辆的超速，并设有警惕操作，可有效防止因车辆超速而引起的行车 事故，实现“防冒、防超、防溜”的作用目标。然而，现有运行监控记录装置对于轨道车 运行过程的驾驶员是否具备驾驶资格，是否符合相关的规定，不能起到监控作用，即在 认人问题上，运行监控记录装置存在一定不足。 3 2 3 识别技术比较 基于以上分析，所设计系统应具备以下功能：( 1 ) 解决轨道车驾驶过程中各就各位 的问题，即应能掌握正确的人在正确的岗位上进行轨道车的驾驶与操作，并且轨道车驾 驶应始终处于正常的工作状态；( 2 ) 能够实时的了解轨道车的驾驶工作状态：( 3 ) 系统 应针对轨道车驾驶中不正常的工作状态( 包括司机的呼唤应答等) ，能够及时的提出针对 性的警告等，且不应有人为消除。系统需解决的根本问题为认人问题，结合现有监控方 式与识别技术，有音频、视频、指纹识别、人脸识别以及声纹识别等几种方案来解决系 统的认人问题，下面对这几种方案做技术比较。 1