技术领域
[0001] 本
发明涉及矿井监控与通信领域，具体是一种基于声纹识别的煤矿入井人员唯一性检测系统及方法。
背景技术
[0002] 《国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知》(安监总煤装[2010]146号)要求建设完善煤矿井下人员
定位系统，发挥井下人员定位系统在定员管理和应急救援工作中的作用，要求“矿井人员定位系统必须满足《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》(AQ6210-2007)的要求”，《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》(AQ6210-2007)要求“各个人员出入井口应设置检测识别卡工作是否正常和唯一性检测的装置”。
[0003]
生物特征识别技术作为一种唯一性检测的技术手段，在
银行、安保、司法、考勤、票务等领域得到了一定程度的应用。它以人体唯一性的生物特征作为识别依据，通过
图像采集、处理、特征点提取、生物特征搜索以及比对，实现人的唯一性检测，目前常用的生物特征识别技术主要有指纹识别、掌纹识别、
虹膜识别、
人脸识别等。
[0004] 煤矿作为一种特殊的工业生产环境，与一般工业的工作环境区别较大，一方面井下工作环境的空间相对狭小、存在煤尘、粉尘、
水、瓦斯等物质，具有一定的危险性，煤矿入井人员在井下工作期间，生物特征易受污染；另一方面，煤矿为24小时生产的工作领域，采取三班制的工作制度，因此，煤矿入井人员会在不固定的工作实践出入井口，因此采集生物特征时的光照条件会存在差异。此外，由于煤矿入井方式的特殊性，入井工作人员需要乘
罐车入井或升井，因此出入井会有相对集中的规律性。
[0005] 由于煤矿应用唯一性检测的特殊性，目前一般地面领域的唯一性检测装置不能满足需求，煤矿入井人员唯一性检测需要满足如下要求：
[0006] (1)需要甄别一个煤矿入井人员是否携带并且仅携带一张煤矿井下人员定位识别卡；
[0007] (2)需要克服煤矿井下人员在工作中由于生物特征受到污染所造成的影响，从而保证生物特征识别的准确度；
[0008] (3)需要满足在出入井人员相对集中时的实现唯一性检测。
[0009] 在煤矿井下这样的工作环境中，煤矿入井人员的指纹、掌纹、脸部等均易受煤尘、粉尘、水等污染，影响生物特征识别的准确度，为了克服准确度问题，就需要采用特殊的
算法，较为复杂。虹膜识别虽然不易受各种环境因素的影响，但虹膜识别装置的成本较高。
[0010] 目前还有一种常用的人体生物特征识别方式即声纹识别，声纹是指通过专用的电声转换仪器将
声波特征绘制成的波谱图形，它是各种声学特征图谱的集合。声纹是人体的一张“身份证”，是长期稳定的特征
信号。声纹识别是把未知人语音材料与已知人语音材料分别通过电声转换仪器绘成声波图谱，再根据图谱上的语音声学特征进行比较和综合分析，以得出两者是否同一的判断过程。声纹识别，也称为说话人识别，有两类，即说话人辨认和说话人确认。前者用以判断某段语音是若干人中的哪一个所说的；而后者用以确认某段语音是否是
指定的某个人所说的。
[0011] 但是如果将声纹识别用于煤矿环境中时，由于机电设备的存在，噪声普遍存在，另外，出入井人员相对集中时，会有多人同时发出声音，因此在进行唯一性检测时，如果采用声纹识别的方式，则除了满足上述要求外，还需要克服噪声的影响。
发明内容
[0012] 本发明的目的在于提供基于声纹识别的煤矿入井人员唯一性检测系统，该检测系统采用声纹识别的方式，通过识别卡检测装置确定煤矿入井人员所携带的识别卡的唯一性以及确定煤矿入井人员身份的唯一性，并采用
隔音屏蔽室消除噪音及周围信号的干扰，实现适用于煤矿井下这种特殊环境的煤矿入井人员的唯一性检测，用以解决采用现有的生物特征识别方式的识别准确度差以及成本高的问题。
[0013] 为实现上述目的，本发明的方案是：基于声纹识别的煤矿入井人员唯一性检测系统，该检测系统包括用于对煤矿入井人员的身份进行识别的识别检测模
块、用于消除噪音和信号干扰的隔音屏蔽室以及用于控制煤矿入井人员出入方式的出入控
制模块；
[0014] 所述的隔音屏蔽室设置于煤矿出入井井口处，位于煤矿入井人员的出入井通道中，由隔音、屏蔽材料组成；
[0015] 所述的出入
控制模块包括人员限入装置和人员限出装置，所述的人员限入装置设置在隔音屏蔽室的入口，所述的人员限出装置包括放行装置和限制复核装置，所述的放行装置设置在隔音屏蔽室的出口，所述的限制复核装置设置在所述隔音屏蔽室的一侧；
[0016] 所述的识别检测模块包括识别卡检测装置以及声纹检测装置，所述识别卡检测装置的信号输入端口与人员限入装置的信号输出端口连接，用于接收人员限入装置发出的“检测开始”指令后开始检测；
[0017] 所述识别卡检测装置的信号输出端口与判别器的信号输入端口连接，用于将检测的煤矿入井人员携带的识别卡数量信息，以及将读取的识别卡中存储的煤矿入井人员的声纹特征信息传输至声纹检测装置；
[0018] 所述的声纹检测装置包括声纹采集器、声纹处理器以及判别器，所述的声纹采集器的信号输出端口与声纹处理器的信号输入端口连接，用于将采集到的煤矿入井人员的实时语音信息发送给声纹处理器；
[0019] 所述声纹处理器的信号输出端口与判别器的信号输入端口连接，用于将接收到的所述实时语音信息进行去噪处理、声纹特征提取后发送给判别器；
[0020] 所述判别器的信号输出端口与人员限出装置的信号接收端口连接，用于对接收到的声纹特征信息以及经过处理的实时语音信息进行比对识别后，发送检测结果给人员限出装置，人员限出装置根据接收到的检测结果判断是否放行。
[0021] 进一步地，该检测系统包括报警复核模块，所述的报警复核模块包括报警器和复核主机，用于唯一性检测未通过时的报警和对入井人员身份的复核。
[0022] 进一步地，所述的人员限入装置、放行装置以及限制复核装置均为红外线屏蔽
门，采用隔音、屏蔽材料制成。
[0023] 进一步地，所述的识别卡检测装置包括
读卡器和计时器，所述的读卡器与计时器通信连接。
[0024] 进一步地，所述人员实时语音信息的去噪处理是通过自适应滤波处理消除
语音信号在隔音屏蔽室中产生的回声。
[0025] 进一步地，所述的声纹采集器为麦克
风。
[0026] 进一步地，所述的报警器为智能扬声器，所述对入井人员身份的复核包括读取识别卡存储的人员照片进行自动对比复核以及人工复核。
[0027] 本发明的目的还在于提供基于声纹识别的煤矿入井人员唯一性检测方法，该检测方法采用声纹识别的方式，通过识别卡检测装置确定煤矿入井人员所携带的识别卡的唯一性以及确定煤矿入井人员身份的唯一性，并采用隔音屏蔽室消除噪音及周围信号的干扰，实现适用于煤矿井下这种特殊环境的煤矿入井人员的唯一性检测，用以解决采用现有的生物特征识别方式的识别准确度差以及成本高的问题。
[0028] 为实现上述目的，本发明的方案是：基于声纹识别的煤矿入井人员唯一性检测方法，包括如下步骤：
[0029] (1)人员限入装置开启，一名煤矿入井人员通过人员限入装置进入隔音屏蔽室；
[0030] (2)人员限入装置检测到有人员进入后，发送“检测开始”指令至识别检测模块，人员限入装置
锁定，用以保证其他人员不可同时进入隔音屏蔽室；
[0031] (3)所述的识别检测模块接收到“检测开始”指令后，识别卡检测装置检测识别卡的数量，并读取识别卡中存储的声纹特征信息，如果检测到识别卡数量为1，则将读取的声纹特征信息发送给声纹检测装置，如果检测到识别卡数量不为1或者在设定的检测周期内未检测到识别卡，则发送“检测未通过”指令至限制复核装置、人员限入装置以及声纹检测装置；
[0032] (4)声纹检测装置采集煤矿入井人员的实时语音信息，并进行去噪处理、声纹特征提取后，将其与接收到的识别卡检测装置读取的声纹特征信息进行比对分析，生成判别结果，如果结果匹配，则发送“检测通过”指令至放行装置以及人员限入装置，如果结果不匹配，则发送“检测未通过”指令至限制复核装置以及人员限入装置，如果声纹检测装置在检测过程中接收到识别卡检测装置发送的“检测未通过”指令，则停止工作；
[0033] (5)若人员限入装置接收到“检测未通过”或“检测通过”的指令，则解除锁定，等待下一个煤矿入井人员进入；
[0034] (6)若放行装置接收到“检测通过”指令，则开启，煤矿入井人员从放行装置通过，离开检测点，然后重新自动锁定；若没有接收到“检测通过”指令，则保持锁定；
[0035] (7)若限制复核装置接收到“检测未通过”指令，则开启，煤矿入井人员从限制复核装置出去，进行身份复核。
[0036] 根据本发明所述的检测方法，所述的步骤(3)中，识别卡检测装置进一步包括识别卡和计时器，当接收到“检测开始”指令后，识别卡开始计时，读卡器检测识别卡数量以及读取识别卡存储的声纹特征信息，若读卡器检测到识别卡时，则发送“检测到识别卡”的指令给计时器，计时器停止计时；若计时器计时达到设定的检测周期后，还未收到“检测到识别卡”的指令，则发送“检测未通过”指令给声纹检测装置。
[0037] 根据本发明所述的检测方法，所述的步骤(4)中，去噪处理进一步包括：对采集到的煤矿入井人员的实时语音信息进行自适应滤波处理，将包含了回声的
声音信号源输入后，与预测回声信号进行抵消，消除对煤矿入井人员在隔音屏蔽室内进行实时语音采集时产生的回声。
[0038] 根据本发明所述的检测方法，所述的步骤(4)中，将其与接收到的识别卡检测装置读取的声纹特征信息进行比对分析，生成判别结果，进一步包括：对声纹特征的相似度进行判别，如果相似度小于
阈值，则判别结果为“不匹配”；否则判别结果为“匹配”。
[0039] 根据本发明所述的检测方法，进一步地，所述的步骤(7)中，对入井人员身份的复核包括读取识别卡存储的人员照片进行自动对比复核以及人工复核。
[0040] 根据本发明所述的检测方法，进一步地，该方法包括检测未通过时通过报警器进行报警。
[0041] 本发明达到的有益效果：
[0042] (1)本发明针对不易被矿井环境改变产生源头的声纹特征作为煤矿入井人员唯一性检测的唯一性特征，提出基于识别卡数量检测
和声纹特征检测、比对，确定识别卡数量唯一性和声纹特征唯一性，实现煤矿入井人员唯一性检测；
[0043] (2)本发明采用声纹检测装置作为生物特征识别装置，大大降低了目前部分煤矿现场采用虹膜识别装置作为生物特征识别装置进行煤矿入井人员唯一性检测所造成的经济成本；
[0044] (3)本发明提出隔音屏蔽室消除煤矿环境噪音、煤矿出入井井口通道中被检测人员附近的其他人员说话造成的影响声纹采集的噪音和消除非检测人员识别卡信号干扰，保证识别卡数量检测的准确度、保证环境噪音和其他人员语音信号被有效隔离；
[0045] (4)本发明提出自适应滤波对人员实时语音信号进行回声消除处理，消除由于隔音屏蔽室造成的语音信号回声，保证声纹特征提取的准确性，实现隔音屏蔽室的有效应用。
附图说明
[0046] 图1是本发明唯一性检测系统的结构示意图；
[0047] 图2是本发明隔音屏蔽室为及出入控制模块设置示意图；
[0049] 图中，1、人员限入装置；2、隔音屏蔽室；3、读卡器；4、计时器；5、声纹采集器；6、声纹处理器；7、判别器；8、放行装置；9、限制复核装置；10、报警器；11、复核主机；12、识别卡存储的人员声纹特征信息；13、人员实时声纹特征信息；14、“检测开始”指令；15、“检测到识别卡”指令；16、“检测通过”指令；17、“检测未通过”指令。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0051] 本发明的煤矿入井人员唯一性检测系统
实施例：
[0052] 实施例一：
[0053] 如图1，本实施例的煤矿入井人员唯一性检测系统包括用于对煤矿入井人员的身份进行识别的识别检测模块、用于消除噪音和信号干扰的隔音屏蔽室2以及用于控制煤矿入井人员出入方式的出入控制模块。
[0054] 所述的隔音屏蔽室2设置于煤矿出入井井口处，在人员通道中采用隔音、屏蔽材料建立人员出、入口及一侧可设置门禁的隔音屏蔽室2。隔音屏蔽室2用于提供基于声纹识别的煤矿入井人员唯一性检测的隔音屏蔽场所，具有隔音和
电磁波信号屏蔽的功能，分别用于消除现场噪音、被煤矿出入井井口通道中被检测人员附近的其他人员说话造成的影响声纹采集的噪音和消除非检测人员识别卡信号干扰。
[0055] 所述识别检测模块包括识别卡检测装置和声纹检测装置。所述识别卡检测装置的信号输入端口与人员限入装置1的信号输出端口连接，用于接收人员限入装置1发出的“检测开始”指令14后开始检测；所述识别卡检测装置的信号输出端口与判别器7的信号输入端口连接，用于将检测的煤矿入井人员携带的识别卡数量信息，以及将读取的识别卡中存储的煤矿入井人员的声纹特征信息12传输至声纹检测装置。
[0056] 所述的识别卡检测装置进一步包括读卡器3和计时器4，识别卡检测装置接收到人员限入装置1发出的“检测开始”指令14后，计时器4开始计时，读卡器3检测识别卡数量，并读取识别卡存储的声纹特征信息。当读卡器3检测到识别卡时，发送“检测到识别卡”指令15至计时器4，计时器4停止计时。若读卡器3检测到识别卡数量为1，则将读取的声纹特征信息输出至声纹检测装置；若读卡器3检测到识别卡数量大于1，则发送“检测未通过”指令17至限制复核装置9、人员限入装置1以及声纹检测装置。如果计时器4计时达到一个设定的检测周期后，还未收到“检测到识别卡”指令15，则发送“检测未通过”指令17给声纹检测装置。当声纹检测装置接收到“检测未通过”指令17时，所述声纹检测装置停止检测。
[0057] 本实施例中，读卡器3采用煤矿入井人员所携带识别卡所属的人员定位系统的读卡器3即可，包括但不局限于基于RFID、WiFi、ZigBee等技术的读卡器3等。计时器4需满足具备接到指令触发计时、停止计时的功能，计时器4记录的检测周期肯根据煤矿现场对唯一性检测时间的要求和需求进行设定。声纹采集器5、声纹处理器6、判别器7可以集成于计算机。声纹采集器5可以采用的方案包括但不局限于麦克风。声纹处理器6可以采用的方案包括但不局限于采用计算机、Matlab编程实现。判别器7可以采用的方案包括但不局限于采用计算机、Matlab编程实现。
[0058] 所述声纹检测装置包括声纹采集器5、声纹处理器6和判别器7。所述的声纹采集器5的信号输出端口与声纹处理器6的信号输入端口连接，用于在接收到“检测开始”指令14时，进行人员实时语音的采集，并将采集到的煤矿入井人员的实时语音信息发送给声纹处理器6。所述声纹处理器6的信号输出端口与判别器7的信号输入端口连接，用于将接收到的所述实时语音信息进行去噪处理、声纹特征提取后发送给判别器7。所述判别器7的信号输出端口与人员限出装置的信号接收端口连接，用于对接收到的声纹特征信息以及经过处理的实时语音信息进行声纹特征的相似度判别，生成比对结果，如相似度不小于阈值，判别结果为匹配，发送“检测通过”指令16至放行装置8以及人员限入装置1；如相似度小于阈值，判别结果为不匹配，发送“检测未通过”指令17至限制复核装置9以及人员限入装置
1。
[0059] 实时语音信息的去噪处理是为消除隔音屏蔽模块的隔音屏蔽室2对人员实时语音信号的造成的回声，提高声纹特征提取准确度。该去噪处理是对采集到的人员实时语音信号进行自适应滤波处理，将包含了回声的声音信号源输入后，与预测回声信号进行抵消，从而消除回声，
采样频率不低于16KHz。
[0060] 如图2，所述出入控制模块包括人员限入装置1和人员限出装置。所述的出入控制模块包括人员限入装置1和人员限出装置，所述的人员限入装置1设置在隔音屏蔽室2的入口，所述的人员限出装置包括放行装置8和限制复核装置9，所述的放行装置8设置在隔音屏蔽室2的出口，所述的限制复核装置9设置在所述隔音屏蔽室2的一侧。所述的人员限入装置1、放行装置8以及限制复核装置9均为红外线自动门装置，所述的红外线自动门装置采用隔音、屏蔽材料。
[0061] 当隔音屏蔽室2入口的红外线自动门装置检测到一名煤矿入井人员进入后，便发送“检测开始”指令14，隔音屏蔽室2入口的红外线自动门装置锁定，保证其他人员不可同时进入隔音屏蔽室2。当人员限入装置1接收到人员“检测通过”指令16或“检测未通过”指令17时，隔音屏蔽室2入口的红外线自动门装置解除锁定，并开启，等待下一名煤矿入井人员进入。
[0062] 当隔音屏蔽出口的红外线自动门装置接收到“检测通过”指令16时，隔音屏蔽室2出口处的红外线自动门装置开启，当检测到人员通过后，隔音屏蔽室2出口处的红外线自动门装置关闭。
[0063] 当隔音屏蔽室2一侧的红外线自动门装置接收到“检测未通过”指令17时，隔音屏蔽室2一侧的红外线自动门装置开启，当检测到人员通过后，隔音屏蔽室2一侧的红外线自动门装置关闭，对未通过检测的煤矿入井人员的身份进行复核。
[0064] 红外线自动门装置的结构及工作原理均属于本领域技术人员的熟知技术，在此不再赘述。
[0065] 实施例二：
[0066] 本实施例在实施例一的
基础上增加了报警复核模块，所述的报警复核模块包括报警器10和复核主机11，用于唯一性检测未通过时的报警和对入井人员身份的复核。报警器10可以采用智能扬声器，在接收到“检测未通过”指令17时，播放报警音。复核主机11可采用计算机，复核方式包含并不局限于读取识别卡存储的人员照片进行自动对比复核、人工复核等。
[0067] 本发明的煤矿入井人员唯一性检测方法实施例：
[0068] 实施例一：
[0069] 如图3，本实施例的基于声纹识别煤矿入井人员唯一性检测方法包括如下步骤：
[0070] (1)人员限入装置1开启，一名煤矿入井人员通过人员限入装置1进入隔音屏蔽室2；
[0071] (2)人员限入装置1检测到有人员进入后，发送“检测开始”指令14至识别检测模块，人员限入装置1锁定，用以保证其他人员不可同时进入隔音屏蔽室2；
[0072] (3)所述的识别检测模块接收到“检测开始”指令14后，识别卡检测装置检测识别卡的数量，并读取识别卡存储的人员声纹特征信息12，如果检测到识别卡数量为1，则将读取的声纹特征信息发送给声纹检测装置，如果检测到识别卡数量不为1或者在设定的检测周期内未检测到识别卡，则发送“检测未通过”指令17至限制复核装置9、人员限入装置1以及声纹检测装置；
[0073] (4)声纹检测装置采集煤矿入井人员的实时语音信息，并进行去噪处理、声纹特征提取后，将其与接收到的识别卡检测装置读取的声纹特征信息进行比对分析，生成判别结果，如果结果匹配，则发送“检测通过”指令16至放行装置8以及人员限入装置1，如果结果不匹配，则发送“检测未通过”指令17至限制复核装置9以及人员限入装置1，如果声纹检测装置在检测过程中接收到识别卡检测装置发送的“检测未通过”指令17，则停止工作；
[0074] (5)若人员限入装置1接收到“检测未通过”或“检测通过”的指令，则解除锁定，等待下一个煤矿入井人员进入；
[0075] (6)若放行装置8接收到“检测通过”指令16，则开启，煤矿入井人员从放行装置8[0076] 通过，离开检测点，然后重新自动锁定；若没有接收到“检测通过”指令16，则保持锁定；
[0077] (7)若限制复核装置9接收到“检测未通过”指令17，则开启，煤矿入井人员从限制复核装置9出去，进行身份复核。
[0078] 本实施例详细的工作过程同唯一性检测系统实施例相同，在此不再赘述。
[0079] 实施例二：
[0080] 本实施例在实施例一的基础上，增加了检测未通过时通过报警器10进行报警。当接收到“检测未通过”指令17时，播放报警音，然后进行煤矿入井人员的身份复核。身份复核包含并不局限于读取识别卡存储的人员照片进行自动对比复核、人工复核等。
[0081] 本实施例详细的工作过程同唯一性检测系统实施例相同，在此不再赘述。
[0082] 本发明采用隔音屏蔽室消除被煤矿出入井井口通道中被检测人员附近的其他人员说话造成的影响声纹采集的噪音和消除非检测人员识别卡信号干扰，利用人员定位识别卡检测装置确定煤矿入井人员所携带的识别卡数量确定识别卡的唯一性、读取存储的人员声纹特征信息，利用声纹检测装置检测人员实时语音的声纹特征信息、利用基于自适应滤波的回声消除方法消除隔音屏蔽室对实时语音信号造成的回声，比对存储的声纹特征信息确定人员身份的唯一性，满足两个唯一性条件的煤矿入井人员方可正常出入井，实现矿井人员定位系统的唯一性检测功能。
[0083] 本发明采用声纹检测装置作为生物特征识别装置，大大降低了目前部分煤矿现场采用虹膜识别装置作为生物特征识别装置进行煤矿入井人员唯一性检测所造成的经济成本。且提出隔音屏蔽室消除煤矿环境噪音、煤矿出入井井口通道中被检测人员附近的其他人员说话造成的影响声纹采集的噪音和消除非检测人员识别卡信号干扰，保证识别卡数量检测的准确度、保证其他人员语音信号被有效隔离。本发明采用自适应滤波对人员实时语音信号进行回声消除处理，消除由于隔音屏蔽室造成的语音信号回声，保证声纹特征提取的准确性，实现隔音屏蔽室的有效应用。
