一种调度电话与人机工作站融合系统及其通信方法与流程

1.本发明涉及电力调度系统，尤其涉及一种调度电话与人机工作站融合系统及其通信方法。


背景技术：

2.电力调度电话是电力调度电话指挥专用网，是确保电网安全生产运行的重要通信手段，必须具有很高的可靠性和快速接续速度。人机工作站属于调度自动化业务系统的一部分。调度自动化业务系统的目标是实现对变电站运行的综合控制，完成遥测和遥信数据的远传，与控制中心的变电站电气设备的遥控和遥调。电力调度电话与调度自动化业务系统相互之间独立，缺乏联动。而调度电话与人机工作站融合系统打破了调度电话与自动化业务系统的技术屏障，使得人机工作站同时满足调度电话与自动化业务功能，提高调度人员的工作效率。
3.调度电话与人机工作站融合系统通常利用语音中继网关，按照既定协议格式对数据解包和再生，从通讯协议底层对数据流进行隔离控制，但现有系统和通信方法在生产控制区和管理信息区间的隔离强度较低，安全性不足。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种安全性高的调度电话与人机工作站融合系统及其通信方法。
5.技术方案：本发明所述的调度电话与人机工作站融合系统包括调度监控平台、语音中继网关和程控交换系统，还包括语音网络安全接入网关、正向隔离装置、反向隔离装置和语音网络安全访问代理设备，语音网络安全接入网关连接语音中继网关，语音网络安全访问代理设备连接调度监控平台，正向隔离装置和反向隔离装置连接语音中继网关和语音网络安全访问代理设备；语音网络安全访问代理设备和网络安全接入装置中设置语音缓冲区。
6.本发明所述的调度电话与人机工作站融合系统通信方法，包括正向通信过程和反向通信过程，正向通信过程包括如下步骤：调度电话应用服务器将tcp/udp报文发送至语音网络安全访问代理设备封装成json格式并进行音质优化，再经正向安全隔离装置转发到语音网络安全接入网关，由语音网络安全接入网关还原成原始语音报文，发送到语音中继网关；
7.反向通信过程包括如下步骤：语音中继网关发回语音数据到语音网络安全接入网关进行音质优化，安全接入装置按照反向隔离装置的要求，将数据转换成私有协议进行传输，经过语音网络安全访问代理，发送到调度电话应用服务器。
8.报文的类型包括会话发起协议(sip)信令报文、实时传输协议(rtp)报文、实时传输控制协议(rtcp)报文。
9.音质优化包括如下步骤：
10.(1)基于带通滤波的语音频域提取：采用带通滤波滤除频段为50hz以下的低频信号，和1500hz以上非人声信号区间，经过汉宁窗后，实现第一级背景噪声主动降噪。
11.(2)语音分帧处理：采用带通滤波滤除频段为50hz以下的低频信号，和1500hz以上非人声信号区间，经过汉宁窗后，按10ms分帧处理，帧长为150，得到第i帧语音信号x
i
(m)的dft公式如下：
[0012][0013]
(3)语音分帧信号幅相剥离：同时对每帧语音信号的幅值和相角进行剥离，幅值是|x
i
(k)|，相角为：
[0014][0015]
(4)语音端检测与二次降噪：
[0016]
限定前导无话段，即噪声时长为50ms，对应的帧长为750，则噪声平均能量为：
[0017][0018]
采用谱能量消除法，实现噪声滤除，表达式如下：
[0019][0020]
式中a＝0.01，b＝0.1为噪声增益系数。
[0021]
(5)降噪后的分帧片段还原。
[0022]
系统中反向安全隔离装置采用文件切片的私有协议进行数据传输。
[0023]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：在保证了融合系统网络接入的安全加固的要求下，对现有系统结构的改造力度较小，改造成本也较低，可使调度自动化业务系统与语音中继网关达到物理隔离的强度，保证了跨区数据通信的安全性，语音质量和可靠性高。
附图说明
[0024]
图1为本发明的系统与常规系统的结构对比图；
[0025]
图2为本发明正向通信的流程图；
[0026]
图3为本发明的语音数据通信过程示意图；
[0027]
图4为本发明语音数据反向传递原理图；
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0029]
如图1所示，常规的调度电话与人机工作站融合系统包括电网调度监控平台，语音中继网关和程控交换系统，本技术的调度电话与人机工作站融合系统取消了防火墙，加装正/反向隔离装置设备作为网络隔离边界，并基于正/反向隔离装置提供的api开发语音网
络安全访问代理和语音网络安全接入网关，语音网络安全访问代理对接原有的调度电话应用服务器，语音网络安全接入网关对接原有语音中继网关；单向安全隔离装置可使调度自动化业务系统与语音中继网关达到物理隔离的强度，保证了跨区数据通信的安全性；在常规系统基础上加入语音网络安全访问代理，用于连接调度电话应用服务器和安全隔离装置；在正向通信过程中，语音网络安全访问代理接收调度系统中电话应用服务器发出的网络报文，将网络报文中的会话发起协议(sip)信令报文、实时传输协议(rtp)报文、实时传输控制协议(rtcp)等报文封装成json格式数据，发送到正向安全隔离装置，其它报文则做丢弃处理。json数据项包括报文类型、call
‑
id和报文内容，原始报文内容采用base64编码，确保数据的安全性；在反向通信过程中，语音网络安全访问代理解析反向安全隔离装置发回的数据，根据报文类型重组生成原始报文，满足过滤规则的报文被发送到调度电话应用服务器不同的业务端口。语音网络安全访问代理将调度系统中的语音交互报文拆分成双向通道，分别对接正、反向隔离装置，原有调度电话服务器的功能无需改变，只要修改通信参数即可。
[0030]
语音网络安全接入网关用来对接语音中继网关，与语音网络安全访问代理的功能配套。语音网络安全访问代理将调度系统的语音报文封装成json格式，经过正向隔离装置传递，由语音网络安全接入网关解析并还原成原始语音报文发送至语音中继网关，接入程控交换网。而程控交换网发回的语音信号，则由语音网络安全接入网关处理成相应格式，经过反向安全隔离装置，发回调度业务系统。
[0031]
加装横向单向安全隔离装置后，网络延时会增加，语音质量会相对下降。因此，语音网络安全访问代理和网络安全接入装置中设置了语音缓冲区，并对码流进行优化处理，使安全加固后的系统仍然满足语音通话性能和可靠性的要求。其音质优化原理如下：
[0032]
设定语音缓冲区信号的时间序列为x(n)，采用带通滤波，滤除频段为50hz以下的低频信号，和1500hz以上非人声信号区间，经过汉宁窗后，按10ms分帧处理,帧长为150，得到第i帧语音信号x
i
(m)的dft公式如下：
[0033][0034]
同时对每帧语音信号的幅值和相角进行剥离，幅值是|x
i
(k)|，相角为：
[0035][0036]
限定前导无话段，即噪声时长为50ms，对应的帧长为750，则噪声平均能量为：
[0037][0038]
采用谱能量消除法，实现噪声滤除，其原理为：
[0039][0040]
式中a＝0.01,b＝0.1为噪声增益系数。
[0041]
语音消息的正向传输过程如图2所示，正向通信过程首先从调度语音应用服务器
发送消息至语音网络安全访问代理，解析报文并判断消息类型，再将其封装成json格式发送到正向安全隔离装置，正向安全隔离装置将报文传递到语音网络安全接入网关，解析json报文，区分信令消息和语音消息，发送到语音中继网关的不同业务端口，语音中继网关根据收到的消息类型作出响应。
[0042]
如图3所示，正向通信过程传递的是tcp/udp格式的报文，反向通信过程传递流媒体切片文件，语音网络安全访问代理接收调度电话应用服务器发出的tcp/udp报文，并发送至正向安全隔离装置，正向安全隔离装置处理并转发tcp/udp报文到语音网络安全接入网关，继而发送到语音中继网关，完成了语音数据的正向传输。语音网络安全接入网关则对接原有语音中继网关，语音中继网关发回语音数据到语音网络安全接入网关，安全接入装置按照反向隔离装置的要求，将数据转换成私有协议例如文件切片进行传输。经过语音网络安全访问代理，发送到调度电话应用服务器，完成了语音数据的反向传输。
[0043]
如图4所示的语音数据的反向传输过程中，反向安全隔离装置采用文件切片的私有协议保证数据传输的安全性；语音中继网关接收语音数据后，将语音数据流传递至语音网络安全接入网关，语音网络安全接入网关将语音数据流保存为json格式的文件，通过反向安全隔离装置厂家提供的文件接口，发送至反向隔离装置，反向隔离装置对切片文件进行验证和检查后，发送至语音网络安全访问代理。语音网络安全访问代理接收到切片文件后，按照一定的规则将文件拼接，还原成流式数据发送到调度业务系统的调度电话应用服务器，播放语音给调度工作人员。