Введение к работе
з
Актуальность темы. Процесс технического перевооружения объектов ж.-д. транспорта неразрывно связан с ростом числа технологических процессов (ТП), подлежащих автоматизации, и усложнением микропроцессорных систем ж.-д. автоматики. Следствием этого является рост потоков информационных сообщений субъектам ТП. Расширяется номенклатура сообщений о внештатных ситуациях, возникающих при функционировании ТП, о результатах диагностики узлов и элементов микропроцессорных систем и т.п.
Специфика деятельности обслуживающего персонала на ж.-д. транспорте заключается в том, что большую часть информации люди получают посредством зрения. Это приводит к перегрузке канала визуального восприятия. Актуальным и логически обоснованным представляется перераспределение и перенос части информационных сообщений в канал слухового восприятия.
Наиболее информативны сообщения, выдаваемые в естественной для человека форме - речевые сообщения (PC). Использование речевого вывода информации представляется наиболее перспективным, а в некоторых системах ж.-д. автоматики единственно возможным способом общения. Особенно роль PC возрастает с внедрением автоматизированных рабочих мест (АРМ), экспертных систем, автоматов-советчиков.
Известные исследования в области обработки речевых сигналов не снижают актуальность проблемы. До сих пор задача оптимального выбора между словарем, качеством синтезируемой речи и ресурсами ЭВМ остается нерешенной. Актуальны также проблемы оценки качества синтезированных PC, структурирования речи, подготовки предметно-ориентированных словарей систем автоматического речевого оповещения (АРО). Кроме того, использование систем АРО на объектах ж.-д. транспорта имеет свою специфику, затрудняющую использование стандартных подходов к построению систем синтеза речи. Требуются новые эффективные алгоритмы оповещения и методы «сжатия» речевых сигналов.
Особенно важным и мало исследованным случаем применения устройств формирования PC является их использование в составе подсистем, обеспечивающих безопасность движения на ж.-д. транспорте.
Одним из примеров является процесс оповещения машиниста о неисправности в составе поезда, обнаруженной системой автоматического контроля типа ДИСК. Совершенствование данного ТП актуально и важно, так как позволяет повысить технологическую дисциплину и ответственность обслуживающего персонала, снизить влияние «человеческого фактора» на процесс оповещения, увеличить оперативность и достоверность оповещения. Это повышает безопасность движения на ж.-д. транспорте.
Объект исследований. Объектом исследования являются автоматизация ТП речевого оповещения машиниста локомотива о неисправности в подвижном составе и совершенствование алгоритмов АРО.
Предмет исследования. Предметом исследования являются методы структурирования речевых сигналов на основе модели линейно-предикатного кодирования (ЛПК), проблема подготовки предметно-ориентированного словаря систем АРО, а также нечеткая модель оценки качества PC.
Цели и задачи работы. Основной целью диссертационной работы являются разработка и исследование алгоритмов и методов АРО обслуживающего персонала технологических объектов ж.-д. транспорта и построение программно-аппаратных средств их реализации.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
усовершенствован ТП оповещения машиниста локомотива о неисправности в подвижном составе, предложен алгоритм АРО с подтверждением оповещения, архивированием речевых ответов машиниста и уточнением характера и места неисправности;
исследованы базовые подходы к анализу и синтезу речевых сигналов на основе модели ЛПК;
предложена нечеткая модель оценки качества синтезированной речи;
разработан и исследован метод структурирования PC;
разработан АРМ подготовки предметно-ориентированных словарей аппаратуры АРО и оценки качества синтеза PC;
разработаны программное обеспечение (ПО) и технические средства (ТС) аппаратуры АРО на основе предложенных и исследованных алгоритмов и методов оповещения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы современные теоретические и экспериментальные методы моделирования и оптимизации с использованием ЭВМ. Исследования в области обработки
речевых сигналов базируются на методах, описанных з работах Итакуры Ф., Атала Б., Маркела Д., Грея А., Мак.чоула Д., Рабинера Л., Шафера Р., Винцюка Т.К., Прохорова Ю.Н. и др. Теоретические исследования выполнены с использованием положений теории нечетких множеств, представленных в работах Мелихова А.Н., Берштейна Л.С., и др., а также теории матричного анализа. Проектирование, разработка и внедрение микропроцессорных систем на ж.-д. транспорте производились с использованием методик, разработанных Иванченко В.Н., Лисенковым В.М., Барановым Л.А., Сапожниковым В.В., Сапожниковым Вл.В., Дмитренко И.Е., Жарковым Ю.И., Лябахом Н.Н., Шилейко А.В. и др.
Экспериментальные исследования проведены с использованием теории и классических методик проведения экспертных оценок.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения и результаты:
на ж.-д. транспорте существует целый ряд ТП, в рамках которых возможна автоматизация речевого оповещения обслуживающего персонала. В первую очередь это относится к процессам, связанным с безопасностью движения;
существующий процесс речевого оповещения машиниста о неисправности в составе поезда имеет недостатки, связанные с влиянием «человеческого фактора», с особенностями организации симплексного канала поездной радиосвязи (ПРС). Алгоритм оповещения требует улучшения;
усовершенствованный алгоритм АРО машиниста о неисправности в составе поезда, позволяющий повысить оперативность, достоверность и надежность оповещения;
- нечеткая модель оценки качества синтезируемой речи;
метод глубокого структурирования речевых сигналов на основе композиции матриц локальных степеней стационарности;
АРМ подготовки и оценки качества предметно-ориентированных наборов PC аппаратуры АРО.
Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:
- предложен алгоритм АРО машиниста о неисправности в составе
поезда с подтверждением оповещения, архивированием речевых
ответов машиниста и уточнением характера и места неисправности,
6 позволяющий повысить оперативность, достоверность и надежность оповещения;
впервые предложена нечеткая модель оценки качества синтезированной речи, позволяющая повысить качество подготовки предметно-ориентированных наборов PC;
разработана методика построения и кодирования предметно-ориентированных словарей аппаратуры АРО, снижающая затраты памяти при сохранении высокого качества синтезированной речи;
предложен и формализован метод структурирования и сжатия речевых сигналов на основе композиции матриц локальных степеней стационарности речевых сигналов, позволяющий оптимизировать разбиение речевого сигнала на квазистационарные подинтервалы.
Практическую ценность работы представляют:
исследование специфики автоматизации процессов речевого оповещения в условиях ТП ж.-д. транспорта;
практически реализованный алгоритм АРО машиниста локомотива о неисправности в составе поезда с подтверждением и уточнением места и характера неисправности;
программно-инструментальные средства подготовки предметно-ориентированных словарей аппаратуры АРО;
алгоритмы и программные модули, реализующие как базовые подходы к кодированию речевых сигналов на основе ЛПК-модели, так и предложенный метод структурирования речевых сигналов.
Использование результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы:
при разработке аппаратуры АРО «Радиоинформатор» и «Речевой информатор» по договору с Управлением СКЖД. На сети дорог МПС РФ внедрено 62 комплекта аппаратуры (акты внедрения прилагаются). Аппаратура демонстрировалась на выставке, посвященной расширенной коллегии МПС РФ по безопасности движения и получила высокую оценку руководителей служб ЦШ, ЦВиЦРБ;
в подсистеме формирования PC комплекса КГМ РИИЖТ, разработанного РФ НИИЖА (акт внедрения прилагается);
при разработке аппаратуры многоканальной низкоскоростной передачи речевой информации с использованием контроллера канала Е1 в Научно-производственном предприятии «Мультибит» (акт прилагается);
в учебном процессе на кафедрах «Автоматика и телемеханика на ж.-д. транспорте» и «Управление эксплуатационной работой» РГУПС.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедр «Автоматика и телемеханика на ж.-д. транспорте», «Связь на ж.-д. транспорте» РГУПС, отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (РГУПС, г.Ростов-на-Дону, 1998); 58-ой научной конференции профессорско-преподавательского состава РГУПС. - (РГУПС, г.Ростов-на-Дону, 1999); международной научно-теоретической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» - (РГУПС, г.Ростов-на-Дону, 1999); 5-ой межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» - (РГОТУПС, г. Москва, 2000). Аппаратура АРО «Речевой информатор РИ-1В», в которой использованы результаты диссертационного исследования, неоднократно демонстрировалась на выставках: в МПС РФ, посвященной расширенному заседанию Коллегии МПС по безопасности движения в декабре 1996 г., на выставке «Ресурсосберегающие технологии» (на испытательном кольце ВНИИЖТа, ст.Щербинка) в феврале 1997 г., на Ассамблее начальников железных дорог России (на ст. Минеральные Воды) в мае 1998 года, и получила положительные отзывы руководителей отрасли (соответствующий акт прилагается).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано одиннадцать печатных работ, из них шесть статей (одна - без соавторов, пять в соавторстве) и пять тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 167 страницах, содержит 35 рисунков и 3 таблицы. В библиографию включено 105 наименований отечественной и зарубежной литературы.