地铁信号智能语音报警系统的研究与开发

黄思铭

地铁信号HMI是维修人员或调度员与ATS系统之间的人机接口，主要用于监视信号设备状态和监控列车运行［1］。地铁信号HMI的报警方式基本都是以报警信息和报警提示音为主，报警信息按重要性分为高、中、低级别或A、B、C类，并有对应不同级别报警的提示音。故障报警信息出现后需要值班人员确认，再通过手机拍照对报警信息进行通报。随着设备监测自动化要求的不断提高，目前的报警方式已不能满足现代化的生产需要，有必要结合各线路的实践经验，开发一套信号智能语音报警系统［2-4］。

1 方案设计

信号智能语音报警系统基于按键精灵软件进行开发。按键精灵是一个模拟鼠标键盘动作的软件，通过制作脚本，可以代替双手，自动执行一系列鼠标键盘动作［5］。只要在电脑前用双手可以完成的动作，按键精灵都可以替代完成。按键精灵结合智能图像识别技术，可代替人眼，根据“看到的”图像做出相应判断。利用图像识别技术对报警信息框特定区域进行识别，提取所需要的报警信息，进行报警弹窗和语音提示，同时弹出相应的故障处理指南，并通过串口将报警信息发送到报警信息自动推送客户端，报警信息自动推送客户端再通过互联网将报警信息发送到企业信息APP，自动完成发现故障—定位故障—故障指引—故障通报的闭环流程。信号智能语音报警系统示意图见图1。

图1 信号智能语音报警系统示意图

信号智能语音报警系统可实现如下功能。

1）自动语音报警功能：编制好各种语音程序，通过识别不同报警信息触发对应的语音报警程序，实现自动语音报警功能，可以帮助值班人员更加直观、快速地定位故障。

2）自动弹窗功能：通过识别不同故障信息触发对应弹窗，弹窗内容可包含故障信息说明、故障处理流程、维修指导意见等。自动弹窗功能可以及时提供故障处理指导意见，帮助值班人员理清故障处理思路。

3）自动截图功能：对于关键报警信息增加自动截图功能，并可显示。截图包括故障时间、地点及详细信息，可以帮助值班人员快速通报报警信息。

4）自动推送功能：利用单向串口传输将报警信息、报警截图等自动推送至企业信息APP，使得各值班点的值班人员、相关技术人员可以立即获悉故障信息。单向串口传输也确保了信号设备数据安全，避免感染病毒。

通过对信号HMI报警功能进行改造，可以帮助值班人员高质、高效地监控设备状态，并可提高故障处理效率。

2 系统实现

2.1 图像识别数据库建立

每个文字图像均由不同的颜色点阵组成。智能语音报警系统通过识别图像各颜色点阵的坐标点及其对应的颜色，即可识别出相应的报警信息［6］。例如，报警信息“不是冗余的”的颜色点阵及坐标如图2所示，其中“不”字的某个坐标点（x：778，y：767）的颜色代码为E4B6FF。若需要识别“不是冗余的”这条报警信息，只需收集此条报警信息的各个坐标点对应的颜色代码即可。利用信号模拟软件模拟出各类故障，收集对应的报警信息文字图像颜色点阵数据，建立图像识别数据库［7］，当软件捕捉到特定点阵颜色数据，即可识别出相应的报警信息。

图2 颜色点阵及坐标展示

2.2 循环检测关键点及报警信息识别

需要重点关注的高级别报警信息一般为红色显示，因此首先识别出高级别报警信息，再识别具体是哪条报警信息，可提高图像识别效率。以广州地铁21号线信号HMI工作站为例，在报警信息刷新区域选取坐标点“X=280，Y=560”（图3中的黑点），如果该坐标点的颜色值等于“0000FF”（红色），则进入下一级判断，否则继续循环检测该坐标点的值［8］。

图3 高级别报警检测坐标点及检测窗口

设定报警信息检测窗口，检测窗口坐标为“X1=470，Y1=550（左上角）；X2=1 880，Y2=570（右下角）”，如图3黑色方框所示。当检测到高级别报警信息后，将检测窗口图像数据与图像识别数据库进行循环比对。图像识别可通过匹配相似度值进行调整，数值越大，对图片的相似度要求越严格，速度也越快。当检测窗口匹配到相应报警信息后，则进一步触发相应报警信息的语音报警、弹窗、截图等动作。

2.3 语音及弹窗自动触发

针对不同报警信息制作对应的VBS语音程序、MSGBOX弹窗对话框，并设置区域“X1=70，Y1=525（左上角）；X2=1 880，Y2=570（右下角）”作为截图窗口进行自动截图。当检测到对应报警信息后，程序自动触发VBS程序播放语音报警［9］，自动弹出MSGBOX对话框显示报警内容及维修建议，并对具体报警信息进行自动截图显示和保存。同时设置报警信息人工确认功能，在MSGBOX对话框设有“确认”键，需要值班人员点击确定后方可关闭语音报警、弹窗和截图，否则语音报警一直播放提醒。

2.4 报警信息自动推送

报警信息自动推送是信号智能语音报警系统中一个非常重要的功能。当识别到故障报警信息后，系统对报警信息进行截图，并将故障信息和故障报警信息截图通过单向串口，自动发送至报警信息自动推送客户端的指定路径目录［10］。报警信息自动推送客户端会对接收路径进行文件更新循环检测，当检测到有新报警信息时，将新报警信息及截图通过无线WiFi自动发到企业信息APP的指定信息发布群，完成整个故障信息自动推送流程。

2.5 自检功能

由于信号智能语音报警系统为后台运行，若该系统运行出错或停止运行，将无法起到提醒值班人员和发布故障信息的作用。为提高信号智能语音报警系统的运行稳定性，增加系统自检功能，每小时系统自检一次，自检成功后会有语音提示，值班人员凭语音提示即可知道信号智能语音报警系统运行是否正常。

3 功能验证问题及解决措施

报警信息图像识别成功率是检验信号智能语音报警系统可用性的一项重要标准。报警信息图像识别成功率越高，该系统可用性越高。由于信号故障与行车安全密切相关，因此该系统的报警信息图像识别成功率要求较高。

3.1 Windows7系统主题问题

在信号智能语音报警系统软件调试过程中，存在部分报警信息识别错误的问题。通过多次模拟测试，发现该问题与信号HMI工作站的操作系统个性化主题设置有关。信号HMI工作站的操作系统为Windows7系统，默认个性化主题为经典主题，该主题色彩较单一，通过收集数据发现，所有报警信息图像都是红底白字的点阵，差异性较小，图像识别出错率较高。而Basic主题色彩较丰富，更换为Basic主题后，报警信息图像为红底彩字的点阵，差异性较大，图像识别出错率较低。不同主题的报警信息图像对比见图4。改用Basic主题后，报警信息识别准确率大大提高，基本能达到100%。

图4 不同主题的报警信息图像对比（左为经典主题，右为Basic主题）

3.2 图像识别区域问题

在功能验证过程中，还存在部分报警信息漏报的问题。信号智能语音报警系统最初图像识别区域为第一条报警信息所在区域的位置，通过多次模拟测试发现，部分故障发生后，会同时报出若干行（最多4行）相关报警信息，因此会出现需要识别的报警信息不在第1行，可能在第2～4行的情况。将报警信息图像识别区域改为第1～4行后，彻底解决了部分报警信息漏报的问题。

4 结束语

信号智能语音报警系统已在广州地铁21号线应用近1年时间，运用情况良好，能够准确、快速通报各类故障及事件，提高了信号故障处理效率，保障了信号设备安全运行。后续计划推广至广州地铁14号线、知识城线等线路应用，并进一步推广给行车调度员和车站值班员使用。