地鐵信號智能語音報警系統的研究與開發

黃思銘

地鐵信號HMI是維修人員或調度員與ATS系統之間的人機接口，主要用于監視信號設備狀態和監控列車運行［1］。地鐵信號HMI的報警方式基本都是以報警信息和報警提示音為主，報警信息按重要性分為高、中、低級別或A、B、C類，并有對應不同級別報警的提示音。故障報警信息出現后需要值班人員確認，再通過手機拍照對報警信息進行通報。隨著設備監測自動化要求的不斷提高，目前的報警方式已不能滿足現代化的生產需要，有必要結合各線路的實踐經驗，開發一套信號智能語音報警系統［2-4］。

1 方案設計

信號智能語音報警系統基于按鍵精靈軟件進行開發。按鍵精靈是一個模擬鼠標鍵盤動作的軟件，通過制作腳本，可以代替雙手，自動執行一系列鼠標鍵盤動作［5］。只要在電腦前用雙手可以完成的動作，按鍵精靈都可以替代完成。按鍵精靈結合智能圖像識別技術，可代替人眼，根據“看到的”圖像做出相應判斷。利用圖像識別技術對報警信息框特定區域進行識別，提取所需要的報警信息，進行報警彈窗和語音提示，同時彈出相應的故障處理指南，并通過串口將報警信息發送到報警信息自動推送客戶端，報警信息自動推送客戶端再通過互聯網將報警信息發送到企業信息APP，自動完成發現故障—定位故障—故障指引—故障通報的閉環流程。信號智能語音報警系統示意圖見圖1。

圖1 信號智能語音報警系統示意圖

信號智能語音報警系統可實現如下功能。

1）自動語音報警功能：編制好各種語音程序，通過識別不同報警信息觸發對應的語音報警程序，實現自動語音報警功能，可以幫助值班人員更加直觀、快速地定位故障。

2）自動彈窗功能：通過識別不同故障信息觸發對應彈窗，彈窗內容可包含故障信息說明、故障處理流程、維修指導意見等。自動彈窗功能可以及時提供故障處理指導意見，幫助值班人員理清故障處理思路。

3）自動截圖功能：對于關鍵報警信息增加自動截圖功能，并可顯示。截圖包括故障時間、地點及詳細信息，可以幫助值班人員快速通報報警信息。

4）自動推送功能：利用單向串口傳輸將報警信息、報警截圖等自動推送至企業信息APP，使得各值班點的值班人員、相關技術人員可以立即獲悉故障信息。單向串口傳輸也確保了信號設備數據安全，避免感染病毒。

通過對信號HMI報警功能進行改造，可以幫助值班人員高質、高效地監控設備狀態，并可提高故障處理效率。

2 系統實現

2.1 圖像識別數據庫建立

每個文字圖像均由不同的顏色點陣組成。智能語音報警系統通過識別圖像各顏色點陣的坐標點及其對應的顏色，即可識別出相應的報警信息［6］。例如，報警信息“不是冗余的”的顏色點陣及坐標如圖2所示，其中“不”字的某個坐標點（x：778，y：767）的顏色代碼為E4B6FF。若需要識別“不是冗余的”這條報警信息，只需收集此條報警信息的各個坐標點對應的顏色代碼即可。利用信號模擬軟件模擬出各類故障，收集對應的報警信息文字圖像顏色點陣數據，建立圖像識別數據庫［7］，當軟件捕捉到特定點陣顏色數據，即可識別出相應的報警信息。

圖2 顏色點陣及坐標展示

2.2 循環檢測關鍵點及報警信息識別

需要重點關注的高級別報警信息一般為紅色顯示，因此首先識別出高級別報警信息，再識別具體是哪條報警信息，可提高圖像識別效率。以廣州地鐵21號線信號HMI工作站為例，在報警信息刷新區域選取坐標點“X=280，Y=560”（圖3中的黑點），如果該坐標點的顏色值等于“0000FF”（紅色），則進入下一級判斷，否則繼續循環檢測該坐標點的值［8］。

圖3 高級別報警檢測坐標點及檢測窗口

設定報警信息檢測窗口，檢測窗口坐標為“X1=470，Y1=550（左上角）；X2=1 880，Y2=570（右下角）”，如圖3黑色方框所示。當檢測到高級別報警信息后，將檢測窗口圖像數據與圖像識別數據庫進行循環比對。圖像識別可通過匹配相似度值進行調整，數值越大，對圖片的相似度要求越嚴格，速度也越快。當檢測窗口匹配到相應報警信息后，則進一步觸發相應報警信息的語音報警、彈窗、截圖等動作。

2.3 語音及彈窗自動觸發

針對不同報警信息制作對應的VBS語音程序、MSGBOX彈窗對話框，并設置區域“X1=70，Y1=525（左上角）；X2=1 880，Y2=570（右下角）”作為截圖窗口進行自動截圖。當檢測到對應報警信息后，程序自動觸發VBS程序播放語音報警［9］，自動彈出MSGBOX對話框顯示報警內容及維修建議，并對具體報警信息進行自動截圖顯示和保存。同時設置報警信息人工確認功能，在MSGBOX對話框設有“確認”鍵，需要值班人員點擊確定后方可關閉語音報警、彈窗和截圖，否則語音報警一直播放提醒。

2.4 報警信息自動推送

報警信息自動推送是信號智能語音報警系統中一個非常重要的功能。當識別到故障報警信息后，系統對報警信息進行截圖，并將故障信息和故障報警信息截圖通過單向串口，自動發送至報警信息自動推送客戶端的指定路徑目錄［10］。報警信息自動推送客戶端會對接收路徑進行文件更新循環檢測，當檢測到有新報警信息時，將新報警信息及截圖通過無線WiFi自動發到企業信息APP的指定信息發布群，完成整個故障信息自動推送流程。

2.5 自檢功能

由于信號智能語音報警系統為后臺運行，若該系統運行出錯或停止運行，將無法起到提醒值班人員和發布故障信息的作用。為提高信號智能語音報警系統的運行穩定性，增加系統自檢功能，每小時系統自檢一次，自檢成功后會有語音提示，值班人員憑語音提示即可知道信號智能語音報警系統運行是否正常。

3 功能驗證問題及解決措施

報警信息圖像識別成功率是檢驗信號智能語音報警系統可用性的一項重要標準。報警信息圖像識別成功率越高，該系統可用性越高。由于信號故障與行車安全密切相關，因此該系統的報警信息圖像識別成功率要求較高。

3.1 Windows7系統主題問題

在信號智能語音報警系統軟件調試過程中，存在部分報警信息識別錯誤的問題。通過多次模擬測試，發現該問題與信號HMI工作站的操作系統個性化主題設置有關。信號HMI工作站的操作系統為Windows7系統，默認個性化主題為經典主題，該主題色彩較單一，通過收集數據發現，所有報警信息圖像都是紅底白字的點陣，差異性較小，圖像識別出錯率較高。而Basic主題色彩較豐富，更換為Basic主題后，報警信息圖像為紅底彩字的點陣，差異性較大，圖像識別出錯率較低。不同主題的報警信息圖像對比見圖4。改用Basic主題后，報警信息識別準確率大大提高，基本能達到100%。

圖4 不同主題的報警信息圖像對比（左為經典主題，右為Basic主題）

3.2 圖像識別區域問題

在功能驗證過程中，還存在部分報警信息漏報的問題。信號智能語音報警系統最初圖像識別區域為第一條報警信息所在區域的位置，通過多次模擬測試發現，部分故障發生后，會同時報出若干行（最多4行）相關報警信息，因此會出現需要識別的報警信息不在第1行，可能在第2～4行的情況。將報警信息圖像識別區域改為第1～4行后，徹底解決了部分報警信息漏報的問題。

4 結束語

信號智能語音報警系統已在廣州地鐵21號線應用近1年時間，運用情況良好，能夠準確、快速通報各類故障及事件，提高了信號故障處理效率，保障了信號設備安全運行。后續計劃推廣至廣州地鐵14號線、知識城線等線路應用，并進一步推廣給行車調度員和車站值班員使用。