基于Python 正則表達式的管制指令匹配與提取

鄧學鳴

（民航珠海進近管制中心，珠海 519000）

1 研究背景

Python 是一種計算機程序設(shè)計語言，也是一種動態(tài)的、面向?qū)ο蟮哪_本語言。Python 在設(shè)計上堅持清晰劃一的風格，這使得Python 成為一門易讀、易維護，并且被大量用戶所歡迎的、用途廣泛的語言。同時，Python 也是一種代表簡單主義思想的語言，而且極其容易上手，其底層是用C 語言寫的，很多標準庫和第三方庫也都是用C 寫的，運行速度非?？?。

正則表達式是計算機科學的一個概念，是對字符串（包括普通字符，例如a 到z 之間的字母）和特殊字符（稱為“元字符”）操作的一種邏輯公式，就是用事先定義好的一些特定字符、及這些特定字符的組合，組成一個“規(guī)則字符串”，這個“規(guī)則字符串”用來表達對字符串的一種過濾邏輯。正則表達式是一種文本模式，模式描述在搜索文本時要匹配的一個或多個字符串[1]。正則表達式的特點是靈活性、邏輯性和功能性非常強，可以迅速地用極簡單的方式達到字符串的復(fù)雜控制。給定一個正則表達式和另一個字符串，可以判斷給定的字符串是否符合正則表達式的過濾邏輯（稱作“匹配”），也可以通過正則表達式，從字符串中獲取我們想要的特定部分。

管制指令是飛行器在空中飛行的指向標，有效的管制指令確保了旅客、機組人員的生命安全，管制指揮不當可能會引發(fā)嚴重的飛行事故，其重要性不言而喻。盡管目前空管系統(tǒng)使用的內(nèi)話設(shè)備有側(cè)音功能，可以將管制員發(fā)出的話音反饋到管制員的耳機，但是在飛機流量過大的情況下，管制員發(fā)錯指令或者遺忘已發(fā)出的指令的情況仍然時有發(fā)生。

本系統(tǒng)的主要目的是記錄和分析管制員發(fā)出的每一條指令，讓管制員可以清晰地掌握自己所發(fā)出的各條指令，從而提高管制指令的準確性，減少“錯忘漏”的現(xiàn)象。對于安全管理的工作而言，本系統(tǒng)可以以文本的形式記錄和顯示管制員發(fā)出的所有指令，有利于預(yù)防各種飛行安全事故的發(fā)生，對于飛行安全事故的事后追查來說，也是一個有力的工具。

2 系統(tǒng)工作流程

如圖1所示，管制員在管制席位上發(fā)出的指令經(jīng)過語音采集模塊之后會形成wav 音頻文件，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，wav 音頻文件會發(fā)送到計算機，計算機通過人工智能程序?qū)av 音頻文件轉(zhuǎn)化為文本文件，再將文本文件發(fā)送給本系統(tǒng)，本系統(tǒng)會對文本文件中的管制指令進行識別和分析，進而提取出關(guān)鍵信息，并將關(guān)鍵信息顯示到終端上。

圖1 系統(tǒng)總架構(gòu)圖

3 管制指令識別流程

3.1 航班號的識別

列表是Python 中最常用的數(shù)據(jù)類型，它由一系列按特定順序排列的元素組成，我們可以將任何類型的數(shù)據(jù)加入列表中，列表中的元素之間可以沒有任何關(guān)系[2]。本系統(tǒng)在識別和分析管制指令的過程中需要用到兩個列表，列表一用于存儲目前正在指揮中的航班的航班號，列表二用于存儲從管制指令中解析得到的各種關(guān)鍵信息。

管制指令雖然種類繁多，但其用語格式較為固定，如航班號+指令動作+狀態(tài)[3]，而且一條準確、有效的指令必定會包含一個航班號，所以本系統(tǒng)依據(jù)指令中是否存在一個有效的航班號來判斷該指令是否有效。但有時管制員會僅用航班號的后四位數(shù)字來呼叫飛機，例如“南方5873”航班，管制員發(fā)指令時可能會直接呼叫“5873”，省略“南方”二字，這種情況下也應(yīng)視為存在有效的航班號。本系統(tǒng)將“南方5873”這樣的航班號定義為完整航班號，將“5873”這樣省略“南方”二字的航班號定義為簡略航班號。完整的航班號識別流程如圖2所示。

利用正則表達式對指令中的航班號進行匹配，具體的代碼如下：

match=re.search（r'（'+st r（cn_hbh）+'）d{3，4}'，command）

代碼中的“re.search”表示使用正則表達式的“search”方法，“cn_hbh”用于匹配航班號前面的兩個中文字符；“d{3，4}”用于匹配航班號后面的數(shù)字，對于一般的航班號而言，其后面的數(shù)字一般為三位或四位，運用正則表達式可以很方便地寫出對應(yīng)的匹配規(guī)則；“command”為管制指令。

圖2 管制指令解析流程

3.2 QNH 與QNE 的提取

利用正則表達式對指令中的QNH 和QNE 信息進行匹配，具體的代碼如下：

match1 = re.search（r'標 壓|標 準 氣 壓|標 準 大 氣 壓'，command）

match2= re.search（r '（修正海壓是?）（dd）（10d{2}）|（修正海壓是?）（dd）（9d{2}）'，

command）

match3=re .search（r'（修正海壓是?）（10d{2}）|（修正海壓是?）（9d{2}）'，command）

在識別和解析管制指令中的QNH 信息時，遇到的問題主要是管制指令用語的不統(tǒng)一和不規(guī)范。例如，對于管制指令中的“標準大氣壓”來說，管制員發(fā)指令時一般會說“標壓”或者“標準氣壓”，少數(shù)情況會說“標準大氣壓”。而對于管制指令用語不規(guī)范的情況，此處可以舉出如下一個例子：

“南方5873下到修正海壓271009?！?/p>

在此指令中，管制員把高度下降的指令“下到27”和QNH信息“修正海壓1009”混合在一起，這對指令的識別帶來了一定的困難。由于修正海壓的數(shù)值范圍一般為900至1099，本系統(tǒng)對此類指令的識別方法是把“修正海壓”四個字與符合修正海壓范圍的后四個數(shù)字“1009”提取出來作為QNH 信息，中間的“27”兩個數(shù)字留待下一步提取高度信息時使用。

3.3 高度信息的提取

利用正則表達式對指令中的高度信息進行匹配，具體的代碼如下：

match1=re.search（r'上高?度?d 千?d?'，command）

match2=re.search（r'上到高?度?d 千?d?'，command）

match3=re.search（r'上升至高?度?d 千?d?'，command）

match4=re.search（r'下高?度?d 千?d?'，command）

match5=re.search（r'下到高?度?d 千?d?'，command）

match6=re.search（r'下降至高?度?d 千?d?'，command）

在識別和解析管制指令中的高度信息時，若匹配到關(guān)鍵字“上”，說明該指令是高度上升指令，若匹配到關(guān)鍵字“下”，說明該指令是高度下降指令。由于管制指令用語的不統(tǒng)一，管制員可能會使用“上”、“上到”、“上升至”等不同的關(guān)鍵字，在匹配程序中需要對各種關(guān)鍵字按照一定的順序進行匹配，才能準確提取出指令中的高度信息。

另外，管制指令中的某些問候語，如“上午好”、“下午好”等，會跟關(guān)鍵字“上”和“下”發(fā)生沖突，在提取管制指令中的高度信息之前，要先對管制指令進行預(yù)處理，將問候語等無用信息刪除，避免在提取信息時發(fā)生錯誤。

3.4 速度信息的提取

利用正則表達式對指令中的速度信息進行匹配，具體的代碼如下：

match1=re.search（r'調(diào)速到?ddd'，command）

match2=re.search（r'增速到?ddd'，command）

match3=re.search（r'減速度?到?ddd'，command）

match4=re.search（r'（保持）?速度ddd'，command）

管制指令中，速度信息的表達有多種方式，除了以上“調(diào)速”、“增速”、“減速”、“保持速度”之外，還會出現(xiàn)“大速度”、“大表速”等，提取速度信息時需要分析和統(tǒng)計指令中出現(xiàn)的各種關(guān)鍵字，制定出相應(yīng)的匹配規(guī)則，才能得到準確的速度信息。

3.5 航向信息的提取

利用正則表達式對指令中的航向信息進行匹配，具體的代碼如下：

match1=re.search（r'飛?航向飛?（[0-3]d[05]）'，command）

match2=re.search（r'飛?（[0-3]d[05]）'，command）

match3=re.search（r'（保持）?航向先?飛?到?是?（[0-3]d[05]）'，command）

航向的范圍是0度到360度，而且管制指令中的航向信息一般只會精確到5度，在提取航向信息時，先匹配關(guān)鍵字“航向”，然后匹配百位數(shù)字為0至3，個位數(shù)字為0或5的三位數(shù)字，就能提取出管制指令中的航向信息。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用了Python 編程語言和正則表達式，制定了多條匹配規(guī)則，對管制指令中的各種關(guān)鍵信息進行提取。針對管制指令用語不統(tǒng)一、不規(guī)范的難題，利用正則表達式靈活多變的優(yōu)點，對各條匹配規(guī)則進行優(yōu)化和細化，提高了識別各種關(guān)鍵信息的成功率。本系統(tǒng)可以將管制員發(fā)出的管制指令進行記錄與實時反饋，通過本系統(tǒng)，管制員可以更好地掌握已發(fā)出的指令，降低“錯忘漏”的發(fā)生概率，能有效避免因管制指揮不當引發(fā)的航空不安全事件的發(fā)生。