Speaker-independent emotion recognition exploiting a psychologically-inspired binary cascade classification schema

In this paper, a psychologically-inspired binary cascade classification schema is proposed for speech emotion recognition. Performance is enhanced because commonly confused pairs of emotions are distinguishable from one another. Extracted features are related to statistics of pitch, formants, and energy contours, as well as spectrum, cepstrum, perceptual and temporal features, autocorrelation, MPEG-7 descriptors, Fujisakis model parameters, voice quality, jitter, and shimmer. Selected features are fed as input to K nearest neighborhood classifier and to support vector machines. Two kernels are tested for the latter: Linear and Gaussian radial basis function. The recently proposed speaker-independent experimental protocol is tested on the Berlin emotional speech database for each gender separately. The best emotion recognition accuracy, achieved by support vector machines with linear kernel, equals 87.7%, outperforming state-of-the-art approaches. Statistical analysis is first carried out with respect to the classifiers error rates and then to evaluate the information expressed by the classifiers confusion matrices. © Springer Science+Business Media, LLC 2011

Towards a Unified Cybersecurity Testing Lab for Satellite, Aerospace, Avionics, Maritime, Drone (SAAMD) technologies and communications

Aviation, maritime, and aerospace traffic control, radar, communication, and software technologies received increasing attention in the research literature over the past decade, as software-defined radios have enabled practical wireless attacks on communication links previously thought to be unreachable by unskilled or low-budget attackers. Moreover, recently it became apparent that both offensive and defensive cybersecurity has become a strategically differentiating factor for such technologies on the war fields (e.g., Ukraine), affecting both civilian and military missions regardless of their involvement. However, attacks and countermeasures are usually studied in simulated settings, thus introducing the lack of realism or non-systematic and highly customized practical setups, thus introducing high costs, overheads, and less reproducibility. Our "Unified Cybersecurity Testing Lab" seeks to close this gap by building a laboratory that can provide a systematic, affordable, highly-flexible, and extensible setup. In this paper, we introduce and motivate our "Unified Cybersecurity Testing Lab for Satellite, Aerospace, Avionics, Maritime, Drone (SAAMD)" technologies and communications, as well as some peer-reviewed results and evaluation of the targeted threat vectors. We show via referenced peer-reviewed works that the current modules of the lab were successfully used to realistically attack and analyze air-traffic control, radar, communication, and software technologies such as ADS-B, AIS, ACARS, EFB, EPIRB and COSPAS-SARSAT. We are currently developing and integrating support for additional technologies (e.g., CCSDS, FLARM), and we plan future extensions on our own as well as in collaboration with research and industry. Our "Unified Cybersecurity Testing Lab" is open for use, experimentation, and collaboration with other researchers, contributors and interested parties

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

Scientific Railway Signalling Symposium 2023 - Einfach Fahren! – Digitale Transformation im Spannungsfeld Automatisierung, europäische Standardisierung und schneller Rollout

Im Rahmen des Programms „Digitale Schiene Deutschland“ wird aktuell an der digitalen Transformation der Infrastruktur gearbeitet. Ziel ist es unter anderem, eine höhere Kapazität sowie optimale Auslastung des Schienennetzes zu erreichen, ohne im größeren Umfang zusätzliche Gleise zu verlegen. Für dieses Ziel bedarf es eines harmonisierten und reibungslosen Zusammenspiels zukunftsweisender Technologien im Bereich der Leit- und Sicherungstechnik, die zunächst umfassend erforscht und anschließend im Feld eingesetzt werden müssen. Mit dieser spannenden Thematik beschäftigte sich das Scientific Railway Signalling Symposium (SRSS) 2023 am 14. Juni, welches vom Institut für Bahnsysteme und Bahntechnik der TU Darmstadt zusammen mit der DB Netz AG sowie erstmals dem Fachgebiet Bahnbetrieb und Infrastruktur am Institut für Land- und Seeverkehr der TU Berlin organisiert wurde. Ca. 100 Fachexpert:innen aus Forschung und Praxis verfolgten die unterschiedlichen Vorträge unter dem Tagungstitel „Einfach Fahren! – Digitale Transformation im Spannungsfeld Automatisierung, europäische Standardisierung und schneller Rollout“ und brachten ihre Expertise in Diskussionsrunden ein. Zu Beginn der Tagung stellte Volker Hentschel von der DB Netz AG in seiner Keynote das volle Potenzial des digitalen Bahnsystems vor. Dabei gab er einen Überblick über die Innovationen, deren Umsetzung in den kommenden Jahren im Rahmen der Digitalen Schiene zu erwarten sind. Daran anschließend diskutierten die Kleingruppen, welche Innovationen der digitalen LST schnell zu Verbesserungen im Feld führen können. Bevor Markus Montigel, RAILvelation GmbH, zum Abschluss des Tages durch einen interaktiven Vortrag das Motto des Tages „Einfach fahren“ noch einmal aus etwas Distanz reflektierte, boten zahlreiche Beiträge detaillierte Einblicke zu unterschiedlichen LST-bezogenen Themen aus Wissenschaft und Praxis. Aufgrund der gestiegenen Anzahl der Vorträge im Vergleich zu den Vorjahren wurde die Tagung im Nachmittagsblock erstmals in parallele Sessions aufgeteilt. In dieser Publikation sind diejenigen Beiträge enthalten, die erfolgreich den Review-Prozess durchlaufen haben. Eine wesentliche Innovation ist das Automatisierte Fahren, dessen Sicherheit vor Einführung geprüft und sichergestellt werden muss. Marco Kinas et al. beschreiben daher in ihrem Beitrag Aspekte des im Rahmen des ATO-RISK-Projekts verfolgten Ansatzes, so z.B. den Einsatz von Regelwerken als Risikoakzeptanzprinzip gemäß der CSM-Verordnung und die Analyse menschlicher Faktoren im Vergleich zum derzeitigen bemannten Betrieb. Neben der funktionalen Sicherheit spielt auch die Sicherheit vor Angriffen eine wichtige Rolle. Simon Unger et al. erläutern daher in ihrem Beitrag das Zusammenspiel zwischen Safety und Security und arbeiten insbesondere die Relevanz von Security in Safety-kritischen Systemen anhand des RaSTA-Protokolls heraus. Im Gegensatz zu Safety handelt es sich bei Security um einen dynamischen Aspekt, denn die Bedrohungslage durch Angreifer kann sich stetig wandeln. Matthias Drodt von der DB Netz AG und Frank Weber vom Eisenbahn-Bundesamt beschreiben in ihrem Beitrag daher Lösungsansätze zur Zulassung der sehr dynamischen IT-Security in Eisenbahnsystemen. Für eine schnelle Zulassung und einen schnellen Rollout ist auch eine Beschleunigung des Entwicklungs- und Sicherheitsnachweisprozesses notwendig. Frederic Reiter et al. beschreiben in ihrem Paper eine vollständig virtualisierte Evaluierungsumgebung für digitale Stellwerke, die die Komplexität reduziert und Tests für Ausführung von Funktionen vor der Integration mit physischen Komponenten ermöglicht. Gunnar Smith von Prover Technology aus Stockholm stellt in seinem Beitrag die Methoden vor, die zur Reduzierung des Aufwandes in der Entwicklungsphase der LST-Systeme und dadurch auch zum schnellen Rollout beitragen werden. Julian Lucas von der TU Darmstadt und Markus Rothkehl von der DB Netz beschreiben ein Konzept für ein modulares Nachweisverfahren für verschiedene Komponenten der digitalen Sicherungstechnik. Auch im Falle eines beschleunigten Rollouts wird jedoch eine längere Übergangsphase zur digitalen LST erforderlich sein, in der es mehrere Migrationsschritte geben wird. In seinem Beitrag erläutert Melvin Zinngrebe von SBB AG zwei Strategien, die von der SBB AG zur Bewältigung der Migrationsherausforderungen angewendet werden. Eine davon ist die Lebensverlängerung der ersten Generation elektronischer Stellwerke, um Investitionen in eine Übergangstechnologie vor der Führerstandssignalisierung (FSS)-Migration zu vermeiden. Die andere Strategie ist eine Nachrüstung mit FSS. Zuverlässige Infrastrukturdaten sind eine unerlässliche Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung der digitalen Transformation. Benedikt Wenzel et al. haben in ihrem Beitrag die Auswirkungen auf die Qualität von Infrastrukturdaten und geeignete Strategien zur Bewältigung der Herausforderungen, die mit der Erstellung und Pflege zuverlässiger Infrastrukturdaten verbunden sind, herausgearbeitet. Um Pünktlichkeit und den reibungslosen Zugverkehr sicherstellen zu können, ist die Gewährleistung der Verfügbarkeit von LST-Systemen ein wichtiges Thema. In ihrem Paper beleuchten Simon Hofer und Martin Müller von team Technology Management GmbH verschiedene Strategien, um die Anforderungen an die hohe Verfügbarkeit beim Zugsicherungssystem ETCS gewährleisten zu können. Die Potenziale für Kapazitätssteigerungen und Leistungsverbesserungen, die durch Digitale Stellwerke, ETCS und andere Technologien erzielt werden können, sind in Deutschland nach wie vor enorm. Peter Reinhart von der DB Netz AG fasst in seinem Paper den bisherigen Erkenntnisstand hierzu anhand des Digitalen Knoten Stuttgart zusammen. Die breite Themenvielfalt der in diesem Tagungsband enthaltenen Artikel zeigt, wie dynamisch das Umfeld in unserer Branche derzeit ist und wie viele spannende Innovationen wir in den nächsten Jahren erwarten dürfen

Evaluationsumgebung für IP-basierte Komponenten der Leit- und Sicherungstechnik

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Evaluation von IP-basierten Komponenten der Leit- und Sicherungstechnik. Die nächste digitale Stellwerksgeneration wird über standardisierte Schnittstellen verfügen und über ein IP-Netz kommunizieren, was neue Chancen und Herausforderungen für Planung, Zulassung und Betrieb mit sich bringt. Hersteller und Behörden benötigen Werkzeuge wie Testumgebungen, um die neuen Komponenten auf effektive Art und Weise zu testen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept für ein solches Werkzeug in Form einer Testumgebung zu liefern und, mittels einer prototypischen Implementierung dieser, Optimierungspotentiale der Anwendung von EULYNX Schnittstellen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Anforderungen untersucht, die an eine solche Testumgebung gestellt werden. Als Grundlage dafür erfolgt eine Einführung in digitale Stellwerke, in die EULYNX Spezifikationen sowie in das RaSTA-Protokoll. Darauf aufbauend werden Aufbau und Funktionsweise des entwickelten Testumgebungskonzepts beschrieben. Die Validierung der Testumgebung erfolgt durch den Test einer Open Source Implementierung des RaSTA-Protokolls. Ab-schließend werden die Ergebnisse des Tests präsentiert und die daraus gewonnenen Erkenntnisse u. a. im Bezug auf Fahrstraßenbildezeiten und Anzahl von steuerbaren Stelleinheiten diskutiert

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

Speech Recognition Implementation Using MFCC and DTW Algorithm for Home Automation

The use of speech recognition as part of home automation, especially for smart homes, is an exciting thing that is still being developed. That is because of human needs for comfort, convenience, quality of life, and better safety. Speech recognition built in this study is used as a device to control smart home devices by identifying the commands spoken by users, especially in a state of clean speech. The command used is a predetermined consecutive word. For the extraction of voice commands, the MFCC algorithm is used to match spoken words with templates using the Dynamic Time Warping (DTW) algorithm. DTW algorithm can find the difference between 2-time series that have different lengths of time. The results of the accuracy of this system by using these algorithms were successfully carried out by 86.67%, with an average time required to identify the commands of 5.28 seconds