CC BY
17
РАЗДЕЛ 2 МОДЕЛИ, СИСТЕМЫ, МЕХАНИЗМЫ В ТЕХНИКЕ
УДК 621.391; 519.21
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СРЕДСТВАМИ ТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ЛЮДЕЙ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ
А. К. Алимурадов
DEVELOPMENT AND RESEARCH MANAGEMENT TOOLS FOR INDUSTRIAL USE FOR PEOPLE WITH DISABILITIES
A. K. Alimuradov
Аннотация. Статья посвящена разработке системы управления средствами технического назначения для инвалидов с помощью звуковых команд. Подчеркивается актуальность задачи исследования и разработки системы для обеспечения людей с ограниченными возможностями средствами социально-бытовой адаптации. Предлагается алгоритм работы системы управления, основанный на использовании адаптивного математического аппарата преобразования Гильберта - Хуанга.
Ключевые слова: система акустического управления, информативные параметры акустических сигналов, преобразование Гильберта - Хуанга, речевой сигнал.
Abstract. The article is devoted to the development of management tools for industrial use for the disabled with voice commands. Emphasizes the urgency of the task of research and development system for people with disabilities by means of social adaptation. We propose an algorithm of the control system based on the use of adaptive mathematical apparatus Hilbert-Huang transform.
Key words: Acoustic management, information-bearing parameter of acoustic signals, Hilbert-Huang transform, speech signal.
Назначение проекта
По данным Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации от 2012 г.:
- количество инвалидов в России составляет свыше 13 млн человек (9,2 % от общего числа населения);
- ежегодно численность инвалидов в стране увеличивается на 1 млн человек, предполагается, что к 2015 г. их количество может превысить 15 млн человек.
Социальная политика в России по отношению к людям с ограниченными возможностями направлена на восстановление нарушенных связей инвалидов с обществом. Согласно государственной программе «Доступная среда», в России существует необходимость создания систем социально-бытовой
адаптации, т.е. обеспечения инвалидов специализированными техническими средствами, помогающими решить проблемы в сферах здравоохранения, быта, транспорта, социальной защиты и образования.
Разрабатываемая система (рис. 1) представляет собой программно-аппаратный комплекс, предназначенный для дистанционного управления средствами технического назначения с помощью любых индивидуальных акустических сигналов (шаблонов звуков) [1]. Комплекс поможет решить проблемы, с которыми сталкиваются люди с ограниченными возможностями в быту и в транспорте.
Рис. 1. Система управления средствами технического назначения
для инвалидов с помощью звуковых команд
Отметим несколько направлений применения комплекса:
- настенные переключатели (контроль за освещением, вентиляторы, кондиционер и все остальное, что контролируется настенными выключателями) могут быть заменены на дистанционное управление звуком;
- бытовая техника (все, начиная от систем контроля доступа в помещения и заканчивая инвалидными креслами) может управляться с помощью акустических сигналов;
- отдых и развлечения (мультимедийные системы, компьютер, телефон) могут управляться исключительно с помощью звуковых команд.
Основные идеи научно-исследовательского проекта
Суть проекта сводится к разработке и исследованию технологии адаптивной обработки акустических сигналов с использованием новейших мате-
матических новаций - преобразования Гильберта - Хуанга [2] и внедрению данной технологии на практике в качестве разработки системы управления средствами технического назначения посредством акустических сигналов.
Под обработкой подразумевается фильтрация и выделение информативных параметров акустических сигналов, в качестве которых могут выступать любые индивидуальные акустические сигналы, которые способны воспроизводить люди с ограниченными возможностями: искаженная речь, мычание, хрип, крик, хлопки и т.п.
Приведенные виды акустических сигналов по своей природе являются нелинейными и нестационарными, что серьезно усложняет их обработку и анализ. На сегодняшний день для обработки акустических сигналов, как правило, используются два основных метода: временной и спектральный.
Суть временного метода заключается в определении характерных точек сигнала с последующим использованием их для вычисления информативных параметров. С точки зрения технической реализации в качестве характерных точек могут быть выбраны явные максимумы (минимумы) и моменты пересечения нулевой оси времени функцией сигнала. Главный недостаток временных методов заключается в неоднозначности выделения характерных точек, вызванной шумами и смещениями нулевого уровня.
Особенностью спектрального метода является использование всех отсчетов данных, зарегистрированных в сигнале. Многие акустические сигналы имеют специфический спектральный состав и занимают характерные спектральные области. Использование спектрального анализа позволяет выделять информативные параметры с достаточной точностью. К недостаткам классического спектрального метода относятся низкая адаптивность к локальным свойствам сигналов, недостаточно высокое спектральное разрешение и сравнительно большие вычислительные затраты.
Как правило, оба метода обработки проводятся по выборке данных достаточно большой длительности, и короткие локальные изменения не вносят значительного вклада в результирующий анализ сигнала. Для решения этой проблемы предложено использовать новый метод обработки акустических сигналов, основанный на преобразовании Гильберта - Хуанга. Основным преимуществом данного метода является высокая адаптивность, проявляющаяся в том, что базисные функции, используемые при разложении звука, извлекаются непосредственно из самого исходного сигнала и позволяют учитывать только ему свойственные особенности [3].
Составляющие, полученные в результате разложения, позволяют выполнять эффективное для дальнейшего анализа преобразование Гильберта -Хуанга. В результате акустический сигнал представляется в частотно-энергетически-временной области, что позволяет выявить скрытые модуляции и области концентрации энергии, которые позволяют анализировать как глобальные, так и локальные свойства сигналов и требуют меньших вычислительных затрат [4].
Преобразование Гильберта - Хуанга включает два основных этапа:
1. Разложение сигнала на компоненты - декомпозиция на эмпирические моды (ДЭМ).
2. Формирование по полученным эмпирическим модам спектра Гильберта.
На рис. 2 приведен алгоритм ДЭМ. Приведенный алгоритм является классическим, базовым, он достаточно прост в реализации и требует сравнительно небольшого объема вычислений.
Рис. 2. Алгоритм декомпозиции на эмпирические моды
Преимущества перед существующими аналогами
На сегодняшний день для людей с ограниченными возможностями существует достаточное количество систем голосового управления, в том числе и на русском языке. 97 % этих систем представляют собой программные продукты для управления персональным компьютером или телефоном: «Dragon Naturally Speaking», «MagniTalk», «Vocal Joystick», «Сакрамент», «Горыныч» и др. И всего лишь 3 % - это системы, представляющие собой устройства голосового управления техническими средствами. В основном эти устройства встроены в высокоинтеллектуальные системы контроля и управления типа «Smart Home» («Умный дом»). В мире можно отметить несколько производителей таких систем: «Voice activated Software in Home control systems for elderly and disabled», «Voice Activated Appliances for Severely Disabled Persons», «Voice control system for smart home based Zigbee». К сожалению, в России таких систем еще не производится.
Анализ приведенных систем выявил некоторые недостатки:
- интеграция в высокоинтеллектуальные системы «Smart Home» обладает избыточной функциональностью и, соответственно, высокой и неприемлемой для инвалидов ценой;
- управление осуществляется только голосовыми командами; в ситуации, когда у инвалида серьезные нарушения с артикуляционным аппаратом и он не способен воспроизводить внятную речь, данные системы неприменимы.
Для устранения приведенных недостатков в качестве преимуществ над аналогами предложены следующие решения:
- разработка автономного программно-аппаратного комплекса управления определенными средствами технического назначения для людей с ограниченными возможностями;
- применение высокоэффективных адаптивных алгоритмов обработки на основе преобразования Гильберта - Хуанга, позволяющих использовать в качестве команд управления любые акустические сигналы (искаженная речь, звуковые метки, мычание, хрип, крик, хлопки и т.п.).
Перспективы проекта
Проект является инновационным и уникальным, поэтому обладает некоторой степенью риска. Здесь существует два основных риска:
- коммерческий риск, связанный с нехваткой финансирования на трудоемких этапах;
- научно-технический риск, связанный с возможной нехваткой специалистов.
По данным Министерства здравоохранения и социального развития РФ, в 2006-2010 гг. на федеральную целевую программу по социальной поддержке инвалидов было потрачено около 4 млрд рублей. Сегодня в России разработана новая концепция по реабилитации лиц с ограниченными возможностями с использованием инновационных подходов, запланировано средств 10 млрд рублей на 2012-2015 гг. для обеспечения инвалидов специализированными техническими средствами.
Реализация проекта по разработке программно-аппаратного комплекса управления средствами технического назначения для людей с ограниченными возможностями посредством акустических сигналов имеет социальную и коммерческую значимость. По предварительным подсчетам, себестоимость разрабатываемого программно-аппаратного комплекса будет равна 22-25 тыс. рублей. Доступная ценовая политика обеспечит быстрый рост доходов.
Реализация проекта поможет решить задачи общероссийского уровня:
- выпуск отечественного продукта, способного занять неосвоенную нишу такого вида специализированной техники на рынке России;
- выпуск продукта с целью импортозамещения;
- вывод на рынок инновационной продукции;
- кадровое обеспечение;
- технологическое оснащение производственных мощностей до экс-портоспособного уровня.
Целевой рынок представляют:
- люди с ограниченными возможностями;
- стационарные учреждения социального обслуживания граждан пожилого возраста и инвалидов;
- социально-оздоровительные центры для престарелых и инвалидов;
- комплексные центры социального обслуживания населения;
- реабилитационные центры для детей и подростков с ограниченными
возможностями.
Список литературы
1. Фролов, А. В. Синтез и распознавание речи. Современные решения / Г. В. Фролов. - М. : Связь, 2003. - 216 с.
2. Huang, N. E. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis / N. E. Huang, Z. Shen, S. R. Long // Proc. R.: Soc. Lond. A. - 1998. - V. 454. - P. 903-995.
3. Алимурадов, А. К. Фильтрация речевых сигналов с использованием метода множественной декомпозиции и оценки энергии эмпирических мод / А. К. Алимурадов, П. П. Чураков, А. Ю. Тычков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 4. - С. 117-125.
4. Алимурадов, А. К. Определение частоты основного тона речевого сигнала с использованием метода множественной декомпозиции на эмпирические моды / А. К. Алимурадов, П. П. Чураков, А. Ю. Тычков // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе : сб. тр. III Всерос. науч.-прак. конф. студентов и молодых ученых. - Пенза, 2012. - С. 121-126.
Алимурадов Алан Казанферович
научный сотрудник,
Студенческий научно-производственный бизнес-инкубатор,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Alimuradov Alan Kazanferovich research associate, Research and production of student business incubator, Penza State University
УДК 621.391; 519.21 Алимурадов, А. К.
Разработка и исследование системы управления средствами технического назначения для людей с ограниченными возможностями / А. К. Алимурадов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2013. - № 2 (6). -С. 139-144.
