一种井下工业以太网VoIP矿用通信控制系统的制作方法

本发明涉及矿用通信控制，具体是指一种井下工业以太网voip矿用通信控制系统。

背景技术：

1、煤矿井下作业环境复杂、空间狭长、电磁干扰强烈，对通信系统的可靠性、实时性和便捷性提出了极高要求。随着煤矿智能化建设的深入推进，井下工作面和皮带运输沿线的通信需求日益增长，传统的井下通信方式已难以满足安全生产和高效调度的需要。传统的井下扩音电话相互独立，无法与井上调度中心直接通信，矿用通信通常采用专有协议（如can总线、rs485的modbus协议），与基于ip的地面通信网络协议异构，两者无法直接互通；且井下大功率电机启停、变频器工作产生强烈的电磁干扰，导致语音数据丢包、抖动严重，通话质量差甚至中断；同时，井下通信系统承载语音、控制指令、传感器数据等多种业务，现有系统采用先到先服务或固定优先级，紧急语音呼叫可能被大量监控数据阻塞，无法保证关键通信的实时性。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种井下工业以太网voip矿用通信控制系统，针对传统扩音电话无法直呼调度、通信孤岛的问题，本方案构建基于sip协议（会话初始协议）的统一voip通信架构，将井下扩音电话改造为支持voip的智能终端，通过冗余工业以太网与地面调度中心直接建立语音通道，实现沿线任意点一键直呼调度；针对井下强电磁干扰导致语音质量下降的问题，本方案引入自适应抖动缓冲、丢包隐藏与冗余编码机制，动态调整缓冲区深度并利用前向纠错恢复丢失语音帧，显著提升通话清晰度；针对多种业务并存缺乏优先级、井下环网故障恢复慢的问题，本方案设计基于业务类型和紧急程度的动态优先级调度方法，通过计算综合优先级指数实时抢占低优先级数据，确保紧急语音呼叫的零阻塞传输，通过并行快速转发引擎的环网冗余机制，有效缩短故障检测与路径切换时间，保障语音通信的无缝连续性。

2、本发明提供的一种井下工业以太网voip矿用通信控制系统，包括数据感知模块、发送端预处理模块、voip语音通信模块、智能优先级调度模块、冗余环网管理模块和接收端后处理模块；

3、所述数据感知模块采集井下各扩音电话的运行状态、网络质量综合指标发送至voip语音通信模块，通过扩音电话内置的麦克风阵列提取背景噪声强度，将背景噪声强度反馈至发送端预处理模块；

4、所述发送端预处理模块获取麦克风采集信号和扬声器参考信号，根据背景噪声强度对麦克风采集信号进行回声消除和背景噪声抑制，输出干净语音pcm信号至voip语音通信模块；

5、所述voip语音通信模块基于sip协议建立井下扩音电话与地面调度中心之间的呼叫；在发送端，对干净语音pcm信号进行压缩编码和rtp（实时传输协议）打包，输出rtp数据包至工业以太网；在接收端，对rtp数据包进行解码，还原为pcm信号供地面调度中心扬声器播放；

6、所述智能优先级调度模块接收进入工业以太网交换机的数据包，对每个数据包计算综合优先级指数，进行分级排队和抢占式调度，输出调度数据包至冗余环网管理模块；

7、所述冗余环网管理模块监测工业以太网环网的链路状态，当检测到链路故障时执行快速切换，将调度数据包从故障链路转移至备用链路；

8、所述接收端后处理模块接收经过工业以太网传输的rtp数据包，依次进行自适应抖动缓冲和丢包隐藏，输出rtp数据包序列至voip语音通信模块。

9、进一步地，所述数据感知模块包括扩音电话状态采集单元、网络质量探测单元和环境噪声监测单元；

10、所述扩音电话状态采集单元通过snmp（简单网络管理协议）查询井下各扩音电话的注册状态、通话状态、按键动作及设备自检信息，形成设备运行状态矩阵，形式如下：

11、；

12、式中，表示设备运行状态矩阵，表示扩音电话编号，表示状态维度，表示设备的第个维度的运行状态，，0表示正常，1表示告警，2表示故障；

13、所述网络质量探测单元发送探测报文，测量井下各扩音电话节点至地面调度中心的网络时延、抖动和丢包率，定义并计算网络质量综合指标，所用公式如下：

14、；

15、式中，表示网络质量综合指标，表示自然指数函数，表示单向网络时延，表示时延容忍阈值，表示抖动，表示抖动容忍阈值，表示丢包率；

16、所述环境噪声监测单元通过扩音电话内置的麦克风阵列采集背景噪声信号，计算等效连续a计权声压级作为背景噪声强度，所用公式如下：

17、；

18、式中，表示等效连续a计权声压级，表示对数函数，表示积分时间，表示瞬时声压，表示基准声压。

19、进一步地，所述发送端预处理模块包括信号输入单元、回声消除单元和背景噪声抑制单元；

20、所述信号输入单元通过井下扩音电话内置的麦克风阵列采集语音模拟信号，通过模数转换生成数字信号，记为麦克风采集信号，包含三部分分量：井下作业人员的近端语音、环境噪声、以及从扬声器耦合至麦克风的回声；从地面调度中心获取远端语音信号，记为扬声器参考信号；

21、所述回声消除单元采用基于归一化最小均方算法的自适应滤波器，估计并消除麦克风采集信号中的回声，输出误差信号，所用公式如下：

22、；

23、；

24、；

25、式中，表示离散时间索引，表示估计的回声信号，表示扬声器参考信号，和分别表示时刻和时刻的滤波器系数向量，表示误差信号，表示麦克风采集信号，表示步长因子，表示正则化因子，表示转置；

26、所述背景噪声抑制单元对误差信号进行分帧、加窗和快速傅里叶变换，得到带噪语音的频域信号，采用最小值统计量法估计噪声功率谱和语音功率谱，根据等效连续a计权声压级动态调整抑制强度，计算维纳滤波器增益，获得增强后的语音频域信号，通过逆快速傅里叶变换和重叠相加法恢复时域信号，输出干净语音pcm信号，所用公式如下：

27、；

28、；

29、；

30、式中，表示维纳滤波器的增益函数，表示估计的语音功率谱，表示估计的噪声功率谱，表示带噪语音的频域信号，表示增强后的语音频域信号，表示干净语音pcm信号，表示逆快速傅里叶变换操作。

31、进一步地，所述voip语音通信模块包括sip信令处理单元、发送端编码单元、rtp传输单元、接收端解码单元和会话管理单元；

32、所述sip信令处理单元将井下扩音电话配置为用户代理客户端，地面调度中心配置为用户代理服务器，并配置独立的地面sip服务器，执行注册和呼叫请求，呼叫请求携带本端支持的语音编码类型、本端rtp接收的网络传输地址和端口号，通过井下工业以太网发送至地面sip服务器，呼叫建立时间不超过3s；

33、所述发送端编码单元获取由国际电信联盟定义的各语音编码类型的mos值（主观平均意见分），根据当前时刻的网络质量综合指标和可用带宽，构建编码选择决策函数动态选择最优语音编码类型，并根据选定的最优语音编码类型对干净语音pcm信号进行压缩编码，输出编码后的语音帧，所用公式如下：

34、；

35、式中，表示编码选择决策函数，为最大值自变量点集函数，表示语音编码类型集合，表示可选的语音编码类型，表示语音编码类型的主观平均意见分，表示主观平均意见分的最大可能取值，表示可用带宽，表示语音编码类型所需带宽，表示语音编码类型的算法时延，表示最大容忍时延，、、为归一化权重系数；

36、所述rtp传输单元将编码后的语音帧封装为rtp数据包，每个rtp数据包包含一个时间戳、序列号和同步源标识符，设置rtp数据包的发送间隔，使用冗余传输机制防止单一丢包，每个rtp数据包携带当前语音帧和先前语音帧的副本，设置丢包率阈值和最大冗余副本数，定义冗余级别，所用公式如下：

37、；

38、式中，表示冗余级别，表示丢包率，表示丢包率阈值，表示最大冗余副本数，表示向下取整符号，表示取最小值符号；

39、所述接收端解码单元接收rtp数据包序列，提取其中的编码语音帧，并根据呼叫建立时确定的最优语音编码类型，将编码语音帧还原为pcm信号，发送至地面调度中心的扬声器进行播放，实现井下语音的还原输出；

40、所述会话管理单元维护当前系统中所有通话活动的会话表，在任意一方结束通话后，将通话会话记录从活动表中删除，并记录会话详情到本地日志。

41、进一步地，所述接收端后处理模块包括丢包隐藏单元、时延计算单元和自适应抖动缓冲单元；

42、所述丢包隐藏单元接收经过工业以太网传输的rtp数据包，使用序列号检测rtp数据包的连续性，当检测到丢包时，采用波形替换与基音波形重复相结合的方法进行丢包隐藏，具体为：当检测到连续1~2帧的短时丢包时，使用丢包前最后一帧的完整波形进行衰减重复；当检测到连续3~5帧的长时丢包时，使用基音周期检测算法估算语音信号的基音周期，从丢包前的历史信号中提取一个基音周期的波形进行重复，使波形逐渐衰减至零；当检测到连续丢失超过5帧时，直接输出静音帧；输出修复后的rtp数据包序列；

43、所述时延计算单元对修复后的rtp数据包序列中的每个rtp数据包计算单向时延，并采用指数加权移动平均法计算滑动平均时延，平滑因子取0.1，所用公式如下：

44、；

45、式中，表示rtp数据包的索引，表示平滑因子，表示第个rtp数据包的单向时延，和分别表示第个和第个rtp数据包滑动平均时延；

46、所述自适应抖动缓冲单元使用滑动窗口存储最近rtp数据包的抖动值，自适应调整滑动窗口的缓冲深度，并设置最小缓冲深度和最大缓冲深度，每收到一个新的rtp数据包时更新滑动窗口，并计算99分位数对滑动窗口内的抖动值排序，输出具有均匀包间隔的rtp数据包序列，所用公式如下：

47、；

48、；

49、式中，表示第个rtp数据包的抖动值，表示缓冲深度，表示抖动历史分布的99分位数，表示单帧语音时长，和分别表示最小缓冲深度和最大缓冲深度，表示取最大值符号。

50、进一步地，所述智能优先级调度模块包括业务分类单元、优先级计算单元和队列调度单元；

51、所述业务分类单元接收进入工业以太网交换机的数据包，将数据包划分为语音业务、控制业务和监测业务：语音业务包括voip实时rtp数据包和sip信令包，控制业务包括设备启停指令、急停信号、参数配置指令，监测业务包括传感器数据、设备状态上报、视频流，定义业务类型标签；

52、所述优先级计算单元根据业务类型标签设定业务基优先级和紧急程度因子，设置各业务类型允许的最大端到端时延，为每个数据包计算实时性紧迫度，并计算综合优先级指数，所用公式如下：

53、；

54、；

55、式中，表示数据包，表示实时性紧迫度，表示当前时刻，表示数据包生成时刻，表示业务允许的最大端到端时延，表示综合优先级指数，表示业务基优先级，表示紧急程度因子，、、表示权重系数；

56、所述队列调度单元在工业以太网交换机的每个出端口维护高、中、低三个优先级队列，根据综合优先级指数将数据包映射到相应队列，采用严格优先级与加权轮询混合机制进行队列调度，输出调度数据包。

57、进一步地，所述冗余环网管理模块包括链路故障检测单元、快速重路由单元和拓扑恢复单元；

58、所述链路故障检测单元监测工业以太网环网的链路状态，设置固定周期，每个环网节点以固定周期向相邻节点发送hello报文，并等待回应，设置连续未收到回应的最大次数判定链路是否故障，所用公式如下：

59、；

60、式中，表示故障检测时间，表示节点处理时延，表示连续未收到回应的最大次数，表示hello报文的发送周期；

61、所述快速重路由单元为环网中每个节点预计算两条路径：主路径沿环网顺时针方向，备用路径沿逆时针方向，在检测到链路故障后触发路径切换，正常状态下所有数据包沿主路径转发，故障发生后，故障相邻节点将数据包反转至备用路径，计算路径切换时间，所用公式如下：

62、；

63、式中，表示路径切换时间，表示节点更新转发表的时间；

64、所述拓扑恢复单元在链路故障修复后，将数据路径从备用路径回切至主路径，采用先建后切的回切策略：先在主路径上建立转发状态，再撤销备用路径。

65、采用上述方案本发明取得的有益效果如下：

66、（1）针对传统扩音电话无法直呼调度、通信孤岛的问题，本方案构建基于sip协议的统一voip通信架构，将井下扩音电话改造为支持voip的智能终端，通过冗余工业以太网与地面调度中心直接建立语音通道，实现沿线任意点一键直呼调度。

67、（2）针对井下强电磁干扰导致语音质量下降的问题，本方案引入自适应抖动缓冲、丢包隐藏与冗余编码机制，动态调整缓冲区深度并利用前向纠错恢复丢失语音帧，显著提升通话清晰度。

68、（3）针对多种业务并存缺乏优先级、井下环网故障恢复慢的问题，本方案设计基于业务类型和紧急程度的动态优先级调度方法，通过计算综合优先级指数实时抢占低优先级数据，确保紧急语音呼叫的零阻塞传输，通过并行快速转发引擎的环网冗余机制，有效缩短故障检测与路径切换时间，保障语音通信的无缝连续性。