馬帥旗， 張 偉

(陜西理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

0 引 言

鐵路牽引接觸網(wǎng)使用單相工頻交流電供電，為了提高電網(wǎng)利用率，促進(jìn)電力系統(tǒng)三相負(fù)荷平衡，電氣化鐵路接觸網(wǎng)采用分段分相供電，即每隔20～30 km設(shè)置一個(gè)分相區(qū)，分相間用空氣或絕緣物質(zhì)隔離。機(jī)車(chē)通過(guò)分相區(qū)段時(shí)，要求受電弓在無(wú)電流情況下通過(guò)分相區(qū)。如果在沒(méi)有斷開(kāi)受電弓情況下通過(guò)分相區(qū)，會(huì)在受電弓和接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生很大電弧，容易引起相間短路。因而機(jī)車(chē)安全、可靠、高速地通過(guò)分相區(qū)是各機(jī)務(wù)段一直在研究和亟待解決的問(wèn)題[1-2]。

為了解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]采用柱上開(kāi)關(guān)式過(guò)分相方法，該方式對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行速度有一定的約束，不適合高速運(yùn)行；文獻(xiàn)[4-5]采用地面開(kāi)關(guān)式過(guò)分相方式，在分相區(qū)外的鋼軌附近安裝地感器，在電力機(jī)車(chē)上安裝車(chē)感器，系統(tǒng)可靠性高、但投資巨大；文獻(xiàn)[6]采用車(chē)載式過(guò)分相裝置，該方式在系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和電磁兼容性方面存在一定的問(wèn)題；文獻(xiàn)[7]采用基于機(jī)車(chē)安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置(TAX)的過(guò)分相裝置，該方式依賴(lài)于TAX箱輸出公里標(biāo)和斷電標(biāo)處對(duì)應(yīng)公里標(biāo)，鐵路部門(mén)定期對(duì)斷電標(biāo)位置公里標(biāo)進(jìn)行更新，因而斷電標(biāo)數(shù)據(jù)的維護(hù)存在一定難度。

本文提出一種基于語(yǔ)音識(shí)別的電力機(jī)車(chē)過(guò)分相方法，能夠?qū)α熊?chē)運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置(LKJ2000)輸出的語(yǔ)音信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)判斷分相標(biāo)前的語(yǔ)音提示，進(jìn)而計(jì)算機(jī)車(chē)距離分相標(biāo)位置的距離，實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車(chē)無(wú)斷電過(guò)電分相。該自動(dòng)過(guò)分相裝置不需要維護(hù)分相標(biāo)的數(shù)據(jù)，可以降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)工作原理

鐵路部門(mén)要求在分相區(qū)內(nèi)斷開(kāi)機(jī)車(chē)弓網(wǎng)，機(jī)車(chē)靠慣性經(jīng)過(guò)絕緣區(qū)，然后允許司機(jī)升弓，完成換相任務(wù)。如圖1所示，牽引客運(yùn)列車(chē)上的LKJ200在到達(dá)分相標(biāo)前的1 500 m和1 000 m處分別語(yǔ)音提示“禁止雙弓”；牽引貨運(yùn)列車(chē)上的LKJ200則分別在距分相點(diǎn)前的1 000 m和500 m處分別進(jìn)行語(yǔ)音提示“禁止雙弓”[8]，依據(jù)識(shí)別LKJ2000輸出的“禁止雙弓”語(yǔ)音及TAX箱輸出數(shù)據(jù)幀，確定分相標(biāo)位置。

圖1 機(jī)車(chē)分相示意圖

自動(dòng)過(guò)分相裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由語(yǔ)音識(shí)別模塊、串行通信模塊、主控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊等組成[9]。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

語(yǔ)音識(shí)別模塊用來(lái)對(duì)分相標(biāo)前的提示語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別到語(yǔ)音后給主控制器發(fā)送已識(shí)別標(biāo)志。自動(dòng)過(guò)分相主控制模塊根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別標(biāo)志、TAX箱輸出的數(shù)據(jù)幀，判斷當(dāng)前的語(yǔ)音識(shí)別是分相標(biāo)前的首次識(shí)別到“禁止雙工”語(yǔ)音，還是二次語(yǔ)音識(shí)別到“禁止雙工”語(yǔ)音，進(jìn)而獲取當(dāng)前的機(jī)車(chē)到達(dá)分相標(biāo)的距離，并根據(jù)到達(dá)分相標(biāo)的距離和機(jī)車(chē)速度，對(duì)距離值進(jìn)行補(bǔ)償。具體方法如下：機(jī)車(chē)自動(dòng)過(guò)分相裝置實(shí)時(shí)接收機(jī)車(chē)安全運(yùn)行裝置通信數(shù)據(jù)幀，若檢測(cè)到有語(yǔ)音識(shí)別標(biāo)志，記錄當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的公里標(biāo)，并與上次檢測(cè)到語(yǔ)音識(shí)別時(shí)對(duì)應(yīng)公里標(biāo)進(jìn)行比較。若相鄰兩次語(yǔ)音識(shí)別“禁止雙弓”語(yǔ)音時(shí)對(duì)應(yīng)公里標(biāo)差大于500 m時(shí)，置首次語(yǔ)音識(shí)別標(biāo)志，否則置二次語(yǔ)音識(shí)別標(biāo)志。若判斷為首次語(yǔ)音識(shí)別，置首次語(yǔ)音提示識(shí)別標(biāo)志位，并等待準(zhǔn)備進(jìn)行二次語(yǔ)音識(shí)別；若判斷為二次語(yǔ)音識(shí)別，清除首次識(shí)別標(biāo)志，讀取TAX箱輸出的數(shù)據(jù)幀信息，解析機(jī)車(chē)公里標(biāo)、速度等信息。假設(shè)獲取距離斷電標(biāo)的距離為S0，機(jī)車(chē)速度為v，補(bǔ)償時(shí)間為t0(包括語(yǔ)音識(shí)別時(shí)間、司機(jī)指令回零時(shí)間、各輔助機(jī)組斷開(kāi)時(shí)間、零位聯(lián)鎖動(dòng)作和劈相機(jī)斷開(kāi)時(shí)間、主斷路器斷開(kāi)時(shí)間)。則機(jī)車(chē)到達(dá)分相標(biāo)補(bǔ)償后的距離S=S0-v·t0。當(dāng)機(jī)車(chē)到達(dá)分相標(biāo)時(shí)，主斷路器斷開(kāi)劈相機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)自動(dòng)過(guò)分相。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

硬件電路主要包含電源隔離、語(yǔ)音信號(hào)處理、通信電路和主斷路器電路等。

2.1 電源隔離電路

TAX箱內(nèi)部采用電源單元集中供電方式，由電源單元提供+5 V、±12 V 、+15 V、+24 V、+110 V電源，為各單元的電路及其相關(guān)外部設(shè)備(如：傳感器、機(jī)車(chē)標(biāo)簽等)供電。各功能單元選用任何一種電源均必須采取DC-DC變換器等方式與系統(tǒng)電源隔離，以提高系統(tǒng)電源工作可靠性。自動(dòng)過(guò)分相控制模塊中主處理器采用5 V電源，語(yǔ)音識(shí)別模塊采用3.3 V供電。為了能夠從公共平臺(tái)TAX箱電源獲取足夠的功率，并滿足與主電源之間隔離。采用高質(zhì)量MORNSUN DC-DC電源隔離變換模塊，將TAX箱中12 V電壓變換成5 V，供主處理單元使用，采用電壓轉(zhuǎn)換芯片REG1117-3.3芯片為語(yǔ)音處理芯片提供電源。該電源電路轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%，并具有短路保護(hù)功能，具體硬件電路如圖3所示。

圖3 電源隔離電路

2.2 語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別電路

TAX2型機(jī)車(chē)安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置不斷獲取速度傳感器、壓力傳感器、地面信息、機(jī)車(chē)工況等信息，并將獲取的機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸給各功能模塊，LKJ2000根據(jù)地面信息和機(jī)車(chē)工況信息給出語(yǔ)音提示，語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)LKJ2000輸出的語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別，并給出識(shí)別結(jié)果。

圖4 語(yǔ)音識(shí)別電路

語(yǔ)音識(shí)別電路如圖4所示，主要采用非特定語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320和STC90LE52芯片。在STC90LE52控制下，LD3320通過(guò)音頻線從LKJ2000中獲取語(yǔ)音信息；然后通過(guò)頻譜分析，獲取輸入的語(yǔ)音信號(hào)的特征；最后與模板中的語(yǔ)音特征進(jìn)行匹配，匹配一致后給出識(shí)別信息，由STC90LE52的P1.0口向主處理器發(fā)送已識(shí)別狀態(tài)。

2.3 通信接口電路

圖5 串行通信電路圖

每間隔50 ms，TAX箱中的通信模塊通過(guò)RS-485接口向其它功能模塊發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)幀包含年月日、時(shí)分秒、公里標(biāo)、運(yùn)行速度、列車(chē)號(hào)、車(chē)次、車(chē)種、區(qū)段號(hào)、車(chē)站號(hào)、司機(jī)號(hào)、副司機(jī)號(hào)、列車(chē)編組等信息。自動(dòng)過(guò)分相裝置依據(jù)TAX箱輸出串行數(shù)據(jù)幀進(jìn)行參數(shù)解算。通信接口電路如圖5，采用MAX487通信芯片，該電路通信節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展至128個(gè)節(jié)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)250 Kbps無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸，滿足通信要求。

圖6 執(zhí)行電路

2.4 執(zhí)行電路

系統(tǒng)執(zhí)行電路如圖6所示，通過(guò)單片機(jī)控制劈相機(jī)通斷，進(jìn)而控制機(jī)車(chē)受電弓是否帶電，主控制器與受電弓之間經(jīng)過(guò)了多級(jí)隔離和驅(qū)動(dòng)，利用光耦實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱分離，利用繼電器的通斷控制接觸器的通斷，保證了系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別后的主控制器處理程序兩個(gè)部分。

語(yǔ)音識(shí)別分為訓(xùn)練和識(shí)別兩個(gè)階段。訓(xùn)練階段包括語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理、特征提取，該階段主要建立參考模板庫(kù)；識(shí)別階段主要包括語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理、特征提取、根據(jù)模板進(jìn)行測(cè)度估計(jì)、依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行識(shí)別決策幾個(gè)部分。在訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)音頻信號(hào)線從LKJ2000獲取語(yǔ)音信息，對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行預(yù)處理，濾除其中不重要的信息及背景噪音等；對(duì)LKJ2000輸出的語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，從背景噪聲中找出語(yǔ)音的開(kāi)始和終止點(diǎn)；然后進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算語(yǔ)音的聲學(xué)參數(shù)，提取出反映信號(hào)關(guān)鍵特征的參數(shù)；將測(cè)試語(yǔ)音與參考模板的參數(shù)逐一進(jìn)行比較和匹配，依據(jù)失真測(cè)度最小準(zhǔn)則進(jìn)行判決，將相似度最高的模式所屬的類(lèi)別作為候選結(jié)果輸出。分相識(shí)別程序如圖7所示，主控制模塊接收到語(yǔ)音識(shí)別標(biāo)志后，獲取TAX箱輸出數(shù)據(jù)幀，解算當(dāng)前公里標(biāo)、速度等信息。根據(jù)相鄰兩次識(shí)別到語(yǔ)音時(shí)對(duì)應(yīng)的公里標(biāo)，判斷當(dāng)前語(yǔ)音提示是首次識(shí)別到“禁止雙工”語(yǔ)音還是二次識(shí)別，進(jìn)而計(jì)算距分相標(biāo)的距離。

主程序流程如圖8所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成通信模塊初始化、語(yǔ)音識(shí)別模塊初始化和I/O端口的初始化；然后進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別；之后讀取TAX箱輸出的串行數(shù)據(jù)幀，獲取機(jī)車(chē)速度、公里標(biāo)等數(shù)據(jù)，判斷是斷電標(biāo)前的首次語(yǔ)音識(shí)別還是二次語(yǔ)音識(shí)別；最后計(jì)算并補(bǔ)償斷電標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的公里標(biāo)，根據(jù)當(dāng)前位置距斷電標(biāo)的距離，若距離小于300 m，進(jìn)行語(yǔ)音提示報(bào)警；若距離小于30 m，斷開(kāi)弓網(wǎng)。

圖7 分相識(shí)別流程圖 圖8 系統(tǒng)主流程圖

4 語(yǔ)音識(shí)別的抗干擾處理及系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別的抗干擾處理

分相標(biāo)位置的準(zhǔn)確判斷依賴(lài)于語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確性，影響語(yǔ)音識(shí)別的因素主要為語(yǔ)音信號(hào)傳輸過(guò)程中受到環(huán)境噪聲影響及語(yǔ)音識(shí)別算法的優(yōu)劣。文中采用ICRoute公司高性能非特定語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320，該芯片集成了高精度AD、DA電路和語(yǔ)音識(shí)別處理器，內(nèi)置固化了完整的語(yǔ)音識(shí)別搜索引擎和語(yǔ)音特征庫(kù)，不需要附加FLASH、RAM芯片，降低了系統(tǒng)成本，提高了語(yǔ)音識(shí)別的可靠性。LKJ2000輸出的語(yǔ)音信息傳播過(guò)程中，容易疊加機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲引號(hào)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，一方面添加了語(yǔ)音信號(hào)濾波電路，剔除機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)的高頻噪聲；另一方面利用音頻線將LKJ2000輸出的語(yǔ)音信號(hào)直接引入LD3320，避免外界噪聲竄入LD3320。

4.2 系統(tǒng)試驗(yàn)

系統(tǒng)試驗(yàn)用來(lái)測(cè)試裝置在不同時(shí)間、不同路況、不同載荷、不同運(yùn)行方向和不同速度等情況下的語(yǔ)音提示的識(shí)別能力，報(bào)警距離斷電標(biāo)的誤差，不同工況條件下系統(tǒng)抗電磁干擾能力、可靠性和電磁兼容性等。

試驗(yàn)進(jìn)行了兩個(gè)階段，其一是在監(jiān)控車(chē)間進(jìn)行模擬試驗(yàn)，其二是在車(chē)庫(kù)進(jìn)行模式試驗(yàn)。在監(jiān)控車(chē)間模擬測(cè)試時(shí)，利用TAX箱、LKJ200和CJK2000進(jìn)行模擬機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)行。試驗(yàn)時(shí)首先在LKJ2000顯示屏上設(shè)定參數(shù)，包括司機(jī)號(hào)、載重、區(qū)段、車(chē)站號(hào)、車(chē)次、客貨類(lèi)型等；然后開(kāi)車(chē)運(yùn)行，在CJK2000中設(shè)定機(jī)車(chē)速度模擬開(kāi)車(chē)；在分相標(biāo)前1 000 m和500 m處，LKJ2000分別進(jìn)行語(yǔ)音提示，語(yǔ)音識(shí)別模塊能夠準(zhǔn)確識(shí)別語(yǔ)音，計(jì)算到達(dá)分相標(biāo)的距離，到達(dá)分相區(qū)時(shí)，斷開(kāi)控制機(jī)車(chē)受電弓的主斷路器，依據(jù)外接主斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)判斷功能是否正確。在車(chē)庫(kù)靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，利用TAX箱，LKJ2000、機(jī)車(chē)速度表等進(jìn)行開(kāi)車(chē)模擬試驗(yàn)，在LKJ2000顯示器上設(shè)定參數(shù)模擬運(yùn)行，利用機(jī)車(chē)速度表模擬車(chē)輛的速度，研究語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)的機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的抗干擾能力，若機(jī)車(chē)運(yùn)行至分相標(biāo)，根據(jù)是否斷開(kāi)弓網(wǎng)判斷系統(tǒng)功能是否正確。監(jiān)控車(chē)間的模擬試驗(yàn)和車(chē)庫(kù)的靜態(tài)開(kāi)車(chē)試驗(yàn)均表明該系統(tǒng)能夠正確完成機(jī)車(chē)自動(dòng)過(guò)分相功能，等待進(jìn)一步完善動(dòng)態(tài)跟車(chē)試驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于語(yǔ)音識(shí)別的電力機(jī)車(chē)過(guò)分相方法，能夠降低現(xiàn)有電力機(jī)車(chē)過(guò)分相裝置的成本，同時(shí)降低對(duì)TAX箱的分相標(biāo)數(shù)據(jù)的依賴(lài)程度，具有較大的推廣實(shí)用價(jià)值。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效識(shí)別分相標(biāo)前語(yǔ)音提示，能夠在分相標(biāo)前后30 m范圍內(nèi)斷開(kāi)弓網(wǎng)，滿足系統(tǒng)預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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