CN109667624B - 一种基于tts的矿井水文报警方法及系统 - Google Patents

一种基于tts的矿井水文报警方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TTS的矿井水文报警方法及系统，该方法包含：(1)启动井下数据采集，监控系统定时向所有分站和传感器定时发送巡检命令，记录传感器无数据返回的次数；(2)监控系统执行监测和判断，当存在异常时，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；(3)根据传感器信息获取监测数据的阈值，判断实时数据是否在处于正常值范围内；(4)若不在正常值范围内，则需要将传感器信息与异常实时数据存储于报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作。本发明的方法和系统利用TTS语音报警比传统的文字报警更加及时。

Description

一种基于TTS的矿井水文报警方法及系统
技术领域
本发明涉及一种矿井水文报警系统，具体涉及一种基于TTS的矿井水文报警方法及系统。
背景技术
矿井水文报警系统是对异常水位、水温和流量等监测量进行及时报警的自动化系统，为监测人员及时掌握水文动态提供了便捷，起到对水害事故的早发现和早防治的作用，是监视、保障矿井水文安全的有利工具。
目前，为解决报警系统中某个或某些问题的文献很多，例如，付瑞锋等人(可视化多参数水文动态监测系统研究，西安科技大学，2008)对多参数水文动态监测系统进行了可视化研究；王凯等人(井下智能语音播报系统的研究，煤矿安全，2009，12(9):63-65)对井下智能语音播报进行了研究，并实现了井下语音播报功能。赵宝峰等人(基于AHP-模糊综合评判法的矿井水害威胁程度研究，安全与环境学报，2013，13(3):231-234)利用AHP-模糊综合评判法对矿井水害威胁程度进行研究，其中也将语音播报移植于系统中。
但是这一系列的研究都未能给出一套完善的矿井水文报警系统的设计思想及实现方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TTS的矿井水文报警方法及系统，解决了传统报警系统无语音播报功能的问题，利用TTS语音报警比传统的文字报警更加及时。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于TTS的矿井水文报警方法，该方法包含：
(1)启动井下数据采集，监控系统定时向所有分站和传感器定时发送巡检命令，记录传感器无数据返回的次数；
(2)监控系统执行如下过程：
当无数据返回的次数大于设定的最大巡检次数，则表示通讯异常，将无数据返回的传感器信息存储报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；当无数据返回的次数小于或等于设定的最大巡检次数，则再次进行巡检；
当有数据返回，则通讯正常，进行数据校验；
(3)当数据校验正确，则传感器返回状态信息及采集的实时数据，根据传感器信息获取监测数据的阈值，判断实时数据是否在正常值范围内；
(4)若不在正常值范围内，则需要将传感器信息与异常实时数据存储于报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；若在正常范围内，将实时数据存入到数据库中，并判断返回的状态信息是否正常：若状态信息不正常，则需将传感器信息以及状态信息存储于报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；若状态信息正常，则结束当前巡检操作。
其中，在所述朗读报警信息标志为TRUE时，所述监控系统通过声卡或多媒体音箱利用TTS引擎将报警系统产生的报警文字信息转换为语音读出来，及时地通知监测人员，朗读完成后将朗读报警信息标志设置为FALSE，并生成与朗读内容一致的wav音频文件，并对文件进行压缩。
优选地，该方法还包含：基于LZMA算法的音频文件压缩方式对wav音频文件进行压缩。
优选地，所述压缩采用以帧为单位进行采样压缩，以1152个采样值为一帧数据。
优选地，将在某时间段内生成的多个wav音频文件定义为wi(i＝1,2,3,…,n)，hwi(i＝1,2,3,…,n)为对应wi的头文件信息，Zij(i＝1,2,3,…,n；j＝1,2,3,…,m)表示wi中一帧数据所含有的音频内容，则某时间段内wi(i＝1,2,3,…,n)可表述为：
Figure GDA0002565135880000021
压缩函数是对Zij进行压缩处理，压缩函数用
Figure GDA0002565135880000023
表示，压缩后的音频内容用CZij表示，表达式为：
Figure GDA0002565135880000022
对于一个wav音频文件，其压缩表达式为：
Figure GDA0002565135880000031
对于某时段所有的wav音频文件将j，＝1其压缩组合成一个kjtts文件，定义K为压缩组合的kjtts文件，其表达式为：
Figure GDA0002565135880000032
优选地，所述压缩过程包含：将原始wav音频文件的属性信息存入kjtts压缩格式的文件头，获取原始wav音频文件字节大小TotalSize，初始化采样一帧的字节大小SampleSize，初始化完成压缩变量DoneSize，比较DoneSize和TotalSize的大小。
当DoneSize小于TotalSize时，则将一帧大小的数据流写入内存缓冲区，调用集成了LZMA算法的CompressStream函数，令DoneSize＝DoneSize+SamplesSize，直至DoneSize大于或等于TotalSize。
当DoneSize大于或等于TotalSize时，则完成压缩音频内容形成内存流，并将其文件头信息进行组合，判断是否对所有wav音频文件完成压缩，若均完成压缩，则完成压缩过程，形成kjtts文件，再次进行压缩过程，直至所有wav音频文件均完成压缩。
优选地，该方法还包含：当用户查询任意一音频文件时，将对应的kjtts文件进行解压并生成对应的MP3文件，再通过播放相应MP3文件上的音频内容获取到相应的语音报警信息。
优选地，所述解压过程包含：载入待解压的kjtts文件信息，读取kjtts文件头信息，创建MP3文件并配置其相应属性，调用DeCompressStream解压缩函数，将解压完成数据写入内存缓冲区，调用EncodeStream转换函数，完成解压缩过程并形成MP3文件。
定义mpi(i＝1,2,3,…,n)为某时间段内所有解压后的音频文件，DeCompressStream解压缩函数的目标是对K进行解压缩处理，压缩函数用Δ(x)表示，解压后表达式为：
Figure GDA0002565135880000033
对于一个音频文件，其解压缩表达式为：
Figure GDA0002565135880000034
优选地，对所述监控系统进行基本参j数设置，包括设置语音播报的音量、语速和频次。
本发明还提供了一种基于TTS的矿井水文报警系统，该系统包含依次通过总线连接的若干传感器、若干通讯站和监控系统；所述监控系统定时向所有通讯站和传感器定时发送巡检命令，记录传感器无数据返回的次数。
其中，该监控系统包含：报警信息采集模块、语音播报模块、文件压缩模块和文件解压缩模块。
所述报警信息采集模块用于对所有的通讯站和传感器进行连通状态、工作状态以及超限数据信息的采集并进行判断，若存在异常，则储存报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE；所述语音播报模块用于当朗读报警信息标志为TRUE时接收报警信息采集模块发送的报警信息，朗读并生成wav音频文件发送给文件压缩模块；所述文件压缩模块用于接收所述语音播报模块发送的wav音频文件并进行压缩；所述文件解压缩模块用于在用户查询时调取所述文件压缩模块压缩的文件以解压缩，生成对应的MP3文件。
本发明的基于TTS的矿井水文报警方法及系统，解决了传统报警系统无语音播报功能的问题，具有以下优点：
(1)本发明将TTS(TexttoSpeech，语音合成)应用到语音报警系统中，大大提高了语音报警系统的自动化程度，将分站和传感器进行状态分析，可过滤故障信息，推断故障范围，监测量相关性分析可协助运行人员准确了解异常源，减少处理反应时间，提高可靠性；
(2)本发明将报警的文字信息转换成可听的声音信息，拟人化的用人声语音进行播报，播报完成后提取出报警声音信息，压缩保存成自定义格式的文件，将其存入系统磁盘中；
(3)本发明通过文件压缩算法将报警音频文件压缩成自定义格式的文件中，减少系统对存储空间的依赖，为监测人员对历史语音报警信息的查询提供了可信且利用率高的语音数据文件；
(4)本发明的报警系统实时运行状态快速报警，声像结合，简单精确指明故障信息，而且将历史报警信息有效存储，历史报警信息智能查询。
附图说明
图1为本发明的基于TTS的矿井水文报警系统的结构示意图。
图2为本发明的TTS语音播报流程图。
图3为本发明的压缩过程的流程图。
图4为本发明的解压过程的流程图。
图5为本发明的监控系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于TTS的矿井水文报警方法，如图1所示，为本发明的基于TTS的矿井水文报警方法的流程图，该方法包含：
(1)启动井下数据采集，监控系统定时向所有分站和传感器定时发送巡检命令，记录传感器无数据返回的次数；
(2)监控系统执行如下过程：
当无数据返回的次数大于设定的最大巡检次数，则表示通讯异常，将无数据返回的传感器信息存储报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；当无数据返回的次数小于或等于设定的最大巡检次数，则再次进行巡检；
当有数据返回，则通讯正常，进行数据校验；
(3)当数据校验正确，则传感器返回状态信息及采集的实时数据，根据传感器信息获取监测数据的阈值，判断实时数据是否在正常值范围内；
(4)若不在正常值范围内，则需要将传感器信息与异常实时数据存储于报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；若在正常范围内，将实时数据存入到数据库中，并判断返回的状态信息是否正常：若状态信息不正常，则需将传感器信息以及状态信息存储于报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；若状态信息正常，则结束当前巡检操作。
其中，如图2所示，为本发明的TTS语音播报流程图，在朗读报警信息标志为TRUE时，监控系统通过声卡或多媒体音箱利用TTS(texttospeech，文语转换)引擎将报警系统产生的报警文字信息转换为语音读出来，及时地通知监测人员，朗读完成后将朗读报警信息标志设置为FALSE，并生成与朗读内容一致的wav音频文件，并对文件进行压缩。
进一步地，该方法还包含：基于LZMA算法的音频文件压缩方式对wav音频文件进行压缩。由于wav音频文件的文件容量大，造成磁盘空间浪费，基于LZMA压缩算法的文件压缩技术将wav音频文件压缩成自定义文件格式即kjtts文件，保存于本地磁盘，在保证了语音信息保存完整的情况下，提升存储空间的利用率。
进一步地，压缩采用以帧为单位进行采样压缩，以1152个采样值为一帧数据。根据wav音频文件的结构特点，为了避免数据量太大造成系统瘫痪，并且为了有效减少压缩过程的错误率，压缩采用以帧为单位进行采样压缩。
进一步地，将在某时间段内生成的多个wav音频文件定义为wi(i＝1,2,3,…,n)，hwi(i＝1,2,3,…,n)为对应wi的头文件信息，Zij(i＝1,2,3,…,n；j＝1,2,3,…,m)表示wi中一帧数据所含有的音频内容，则某时间段内wi(i＝1,2,3,…,n)可表述为：
Figure GDA0002565135880000061
压缩函数是对Zij进行压缩处理，压缩函数用
Figure GDA0002565135880000062
表示，压缩后的音频内容用CZij表示，表达式为：
Figure GDA0002565135880000063
对于一个wav音频文件，其压缩表达式为：
Figure GDA0002565135880000064
对于某时段所有的wav音频文件将，其压缩组合成一个kjtts文件，定义K为压缩组合的kjtts文件，其表达式为：
Figure GDA0002565135880000065
本发明为了保存原有音频的质量，采用了自定义的文件格式kjtts文件代替默认.7z格式对压缩过的wav音频文件进行了存储，kjtts文件既能保存原有文件的重要属性，又能达到文件压缩的效果，文件头部分包括：原始wav的采样频率、音频采样大小、量化比特率、通道数、wav音频文件大小五个属性信息，并且每个属性信息占用4个字节的存储空间；文件数据部分保存了压缩过的wav主体部分。
进一步地，如图3所示，为本发明的压缩过程的流程图，压缩过程包含：将原始wav音频文件的属性信息存入kjtts压缩格式的文件头，获取原始wav音频文件字节大小TotalSize，初始化采样一帧的字节大小SampleSize，初始化完成压缩变量DoneSize，比较DoneSize和TotalSize的大小：
当DoneSize小于TotalSize时，则将一帧大小的数据流写入内存缓冲区，调用集成了LZMA算法的CompressStream函数，令DoneSize＝DoneSize+SamplesSize，直至DoneSize大于或等于TotalSize；
当DoneSize大于或等于TotalSize时，则完成压缩音频内容形成内存流，并将其文件头信息进行组合，判断是否对所有wav音频文件完成压缩，若均完成压缩，则完成压缩过程，形成kjtts文件，再次进行压缩过程，直至所有wav音频文件均完成压缩。
进一步地，该方法还包含：当用户查询任意一音频文件时，将对应的kjtts文件进行解压并生成对应的MP3文件，再通过播放相应MP3文件上的音频内容获取到相应的语音报警信息，满足监测人员对历史报警信息的查看与收听。
进一步地，如图4所示，为本发明的解压过程的流程图，解压过程包含：载入待解压的kjtts文件信息，读取kjtts文件头信息，创建MP3文件并配置其相应属性，调用DeCompressStream解压缩函数，将解压完成数据写入内存缓冲区，调用EncodeStream转换函数，完成解压缩过程并形成MP3文件。
定义mpi(i＝1,2,3,…,n)为某时间段内所有解压后的音频文件，DeCompressStream解压缩函数的目标是对K进行解压缩处理，压缩函数用Δ(x)表示，解压后表达式为：
Figure GDA0002565135880000071
对于一个音频文件，其解压缩表达式为：
Figure GDA0002565135880000072
进一步地，对监控系统进行基本参数设置，包括设置语音播报的音量、语速和频次。
一种基于TTS的矿井水文报警系统，该系统包含依次通过总线连接的若干传感器、若干通讯站和监控系统；监控系统定时向所有通讯站和传感器定时发送巡检命令，记录传感器无数据返回的次数；
其中，如图5所示，为本发明的监控系统的结构示意图，该监控系统100包含：报警信息采集模块110、语音播报模块120、文件压缩模块130和文件解压缩模块140。
报警信息采集模块110用于对所有的通讯站和传感器进行连通状态、工作状态以及超限数据信息的采集并进行判断，若存在异常，则储存报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE。
语音播报模块120用于当朗读报警信息标志为TRUE时接收报警信息采集模块110发送的报警信息，朗读并生成wav音频文件发送给文件压缩模块130。
文件压缩模块130用于接收语音播报模块120发送的wav音频文件并进行压缩。
文件解压缩模块140用于在用户查询时调取文件压缩模块130压缩的文件以解压缩，生成对应的MP3文件。
本发明的报警系统应用于某煤矿上，进行语音报警部分的测试，在矿井水文监测系统运行的阶段，它能够准确的捕获到出现异常断线的传感器、工作状态不正常的传感器以及采集到超限实时数据的传感器信息，并将其组织成报警信息，通过TTS语音播报将组织完成报警信息播放出来，经过语音测试，煤矿上的监测人员可以及时的收听到报警信息，并对相应传感器进行修复，因此相比于没有语音报警功能的监测系统有着明显的优势，并可根据监测需求调整播报的音量、语速、频次，测试证明，利用TTS语音报警比传统的文字报警更加及时，有效减少了传感器维护时间。
根据煤矿上报警信息语音播报的数据来源，对音频文件压缩进行了测试与分析，测试中分别对某煤矿上时长为1分钟、15分钟、30分钟、60分钟和120分钟的音频文件进行了压缩测试，压缩率y的计算式为：
Figure GDA0002565135880000081
上计算式中，m、n分别表示压缩前、后文件大小。
测试数据表明，经过基于LZMA算法压缩处理的音频文件明显减少了所需要的存储空间，压缩率的效果如表1所示，与MP3音频压缩技术进行了比较，测试的数据表明，采用的基于LZMA算法的音频文件压缩方式的压缩率更大，压缩率的效果对比表如表2所示。
表1音频文件压缩率效果表
Figure GDA0002565135880000091
表2压缩率效果对比表
Figure GDA0002565135880000092
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于TTS的矿井水文报警方法，其特征在于，该方法包含：
(1)启动井下数据采集，监控系统定时向所有分站和传感器定时发送巡检命令，记录传感器无数据返回的次数；
(2)监控系统执行如下过程：
当无数据返回的次数大于设定的最大巡检次数，则表示通讯异常，将无数据返回的传感器信息存储报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；当无数据返回的次数小于或等于设定的最大巡检次数，则再次进行巡检；
当有数据返回，则通讯正常，进行数据校验；
(3)当数据校验正确，则传感器返回状态信息及采集的实时数据，根据传感器信息获取监测数据的阈值，判断实时数据是否在正常值范围内；
(4)若不在正常值范围内，则需要将传感器信息与异常实时数据存储于报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；若在正常范围内，将实时数据存入到数据库中，并判断返回的状态信息是否正常：若状态信息不正常，则需将传感器信息以及状态信息存储于报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE，并结束当前巡检操作；若状态信息正常，则结束当前巡检操作；
其中，在所述朗读报警信息标志为TRUE时，所述监控系统通过声卡或多媒体音箱利用TTS引擎将报警系统产生的报警文字信息转换为语音读出来，及时地通知监测人员，朗读完成后将朗读报警信息标志设置为FALSE，并生成与朗读内容一致的wav音频文件，并对文件进行压缩。
2.根据权利要求1所述的基于TTS的矿井水文报警方法，其特征在于，该方法还包含：基于LZMA算法的音频文件压缩方式对wav音频文件进行压缩。
3.根据权利要求2所述的基于TTS的矿井水文报警方法，其特征在于，所述压缩采用以帧为单位进行采样压缩，以1152个采样值为一帧数据。
4.根据权利要求3所述的基于TTS的矿井水文报警方法，其特征在于，将在某时间段内生成的多个wav音频文件定义为wi(i＝1,2,3,…,n)，hwi(i＝1,2,3,…,n)为对应wi的头文件信息，Zij(i＝1,2,3,…,n；j＝1,2,3,…,m)表示wi中一帧数据所含有的音频内容，则某时间段内wi(i＝1,2,3,…,n)可表述为：
Figure FDA0002565135870000021
压缩函数是对Zij进行压缩处理，压缩函数用
Figure FDA0002565135870000022
表示，压缩后的音频内容用CZij表示，表达式为：
Figure FDA0002565135870000023
对于一个wav音频文件，其压缩表达式为：
Figure FDA0002565135870000024
对于某时段所有的wav音频文件将，其压缩组合成一个kjtts文件，定义K为压缩组合的kjtts文件，其表达式为：
Figure FDA0002565135870000025
5.根据权利要求4所述的基于TTS的矿井水文报警方法，其特征在于，所述压缩过程包含：
将原始wav音频文件的属性信息存入kjtts压缩格式的文件头，获取原始wav音频文件字节大小TotalSize，初始化采样一帧的字节大小SampleSize，初始化完成压缩变量DoneSize，比较DoneSize和TotalSize的大小；
当DoneSize小于TotalSize时，则将一帧大小的数据流写入内存缓冲区，调用集成了LZMA算法的CompressStream函数，令DoneSize＝DoneSize+SamplesSize，直至DoneSize大于或等于TotalSize；
当DoneSize大于或等于TotalSize时，则完成压缩音频内容形成内存流，并将其文件头信息进行组合，判断是否对所有wav音频文件完成压缩，若均完成压缩，则完成压缩过程，形成kjtts文件，再次进行压缩过程，直至所有wav音频文件均完成压缩。
6.根据权利要求4或5所述的基于TTS的矿井水文报警方法，其特征在于，该方法还包含：当用户查询任意一音频文件时，将对应的kjtts文件进行解压并生成对应的MP3文件，再通过播放相应MP3文件上的音频内容获取到相应的语音报警信息。
7.根据权利要求6所述的基于TTS的矿井水文报警方法，其特征在于，所述解压过程包含：
载入待解压的kjtts文件信息，读取kjtts文件头信息，创建MP3文件并配置其相应属性，调用DeCompressStream解压缩函数，将解压完成数据写入内存缓冲区，调用EncodeStream转换函数，完成解压缩过程并形成MP3文件；
定义mpi(i＝1,2,3,…,n)为某时间段内所有解压后的音频文件，DeCompressStream解压缩函数的目标是对K进行解压缩处理，压缩函数用Δ(x)表示，解压后表达式为：
Figure FDA0002565135870000031
对于一个音频文件，其解压缩表达式为：
Figure FDA0002565135870000032
8.根据权利要求1所述的基于TTS的矿井水文报警方法，其特征在于，对所述监控系统进行基本参数设置，包括设置语音播报的音量、语速和频次。
9.一种基于TTS的矿井水文报警系统，其特征在于，该系统采用如权利要求1-8中任意一项所述的方法进行报警，其包含依次通过总线连接的若干传感器、若干通讯站和监控系统；所述监控系统定时向所有通讯站和传感器定时发送巡检命令，记录传感器无数据返回的次数；
其中，该监控系统(100)包含：报警信息采集模块(110)、语音播报模块(120)、文件压缩模块(130)和文件解压缩模块(140)；
所述报警信息采集模块(110)用于对所有的通讯站和传感器进行连通状态、工作状态以及超限数据信息的采集并进行判断，若存在异常，则储存报警信息，将朗读报警信息标志设置为TRUE；
所述语音播报模块(120)用于当朗读报警信息标志为TRUE时接收报警信息采集模块(110)发送的报警信息，朗读并生成wav音频文件发送给文件压缩模块(130)；
所述文件压缩模块(130)用于接收所述语音播报模块(120)发送的wav音频文件并进行压缩；
所述文件解压缩模块(140)用于在用户查询时调取所述文件压缩模块(130)压缩的文件以解压缩，生成对应的MP3文件。
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