人工智能飛行通信員系統(tǒng)方案設(shè)計

雷國志，代紅

(1.西南電子技術(shù)研究所 航空部， 成都 610036)(2.陸軍航空軍代局駐成都地區(qū)軍代室， 成都 610036)

0 引 言

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的突破，利用人工智能技術(shù)降低操作者負(fù)荷，提高系統(tǒng)安全性已成為民航發(fā)展的方向。國內(nèi)外圍繞人工智能在機(jī)器人替代副駕駛、替代空管等方面進(jìn)行了大量的研究工作。例如，Aurora公司研發(fā)了ALIAS機(jī)器人并進(jìn)行飛行測試[1]；楊紅雨等[2]研究利用人工智能代替空管人員的方法。但上述研究卻未涉及關(guān)于人工智能替代飛行通信員方面的研究。

雖然隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，新的航電設(shè)備的出現(xiàn)，專職飛行通訊員崗位已經(jīng)消失，但其陸空通信的職責(zé)仍然存在，并由飛行駕駛員承擔(dān)。張璐[3]通過統(tǒng)計歷年來民航所發(fā)生的不安全事件，總結(jié)發(fā)生在通話過程中的不安全事件要高于其他技術(shù)原因，而目前空管領(lǐng)域采用人工“對關(guān)鍵指令進(jìn)行抄收和復(fù)誦”[4]的方法，該方法耗時長且效率低。

本文用人工智能技術(shù)替代飛行通信員(或飛行駕駛員的通信職責(zé))，從飛行員操作過程、系統(tǒng)內(nèi)外部接口、系統(tǒng)的功能架構(gòu)、機(jī)載電子系統(tǒng)的可實現(xiàn)性等角度進(jìn)行綜合設(shè)計，針對系統(tǒng)的安全性和通信效率進(jìn)行充分地分析評估。

1 方案設(shè)計

1.1 過程設(shè)計

陸空通話過程包括5個子過程：話音接收、語義理解、指令執(zhí)行、指令復(fù)誦和話音發(fā)射，其中語義理解和指令復(fù)誦是單純的人類活動，而話音接收、指令執(zhí)行和話音發(fā)射則是人機(jī)在環(huán)行為。人工智能飛行通信員系統(tǒng)(ACPS)代替飛行通信員(或飛行駕駛員的通信職責(zé))的通話過程如圖1所示[5]，通話過程為：

(1) 話音接收不變，將原先送給機(jī)組成員的接收音頻同步發(fā)送給ACPS。

(2) 語義理解過程在原先的聽覺認(rèn)知基礎(chǔ)上增加了視覺認(rèn)知，通過視覺、聽覺跨模態(tài)交互促進(jìn)機(jī)組認(rèn)知。

(3) 當(dāng)視覺聽覺認(rèn)知一致既語義理解無誤時，ACPS自動執(zhí)行指令，并自動進(jìn)行指令復(fù)誦；當(dāng)視聽認(rèn)知不一致既語義理解不清時，不執(zhí)行指令，機(jī)組成員完成復(fù)誦，因此原先的指令執(zhí)行和指令復(fù)誦過程合并為一個過程。

(4) 話音發(fā)射過程增加ACPS音頻發(fā)送和機(jī)組音頻發(fā)送的切換。

圖1 人工智能飛行通信員系統(tǒng)(ACPS)陸空通話過程

1.2 接口設(shè)計

ACPS過程中有許多機(jī)器活動，ACPS需要操控機(jī)載航電系統(tǒng)完成帶飛、天氣解讀、飛行計劃和航行通告等陸空通話活動，而飛行通信員的這些操作都可以包含在機(jī)載通信導(dǎo)航監(jiān)視(Communication Navigation System，簡稱CNS)系統(tǒng)中?，F(xiàn)代飛機(jī)CNS系統(tǒng)基本作為一個整體進(jìn)行設(shè)計的，ACPS可以通過統(tǒng)一的總線實現(xiàn)CNS系統(tǒng)的互操作。ARINC660A推薦的CNS系統(tǒng)架構(gòu)與ACPS的交聯(lián)關(guān)系如圖2所示[6]，具體包括：

(1) 機(jī)組控制：耳機(jī)、話筒、音頻、發(fā)話使能(PTT)等；

(2) 導(dǎo)航接收機(jī)：導(dǎo)航數(shù)據(jù)、自動調(diào)諧指令；

(3) 傳感器：高度、空速、航姿等；

(4) 通信電臺：自動調(diào)諧指令；

(5) 飛行顯示器：飛機(jī)位置、航圖、數(shù)據(jù)鏈信息等；

(6) 飛行控制：飛行計劃、自動調(diào)諧指令等；

(7) 監(jiān)視設(shè)備：應(yīng)答機(jī)、高度表、雷達(dá)。

圖2 CNS系統(tǒng)與ACPS交聯(lián)圖

1.3 架構(gòu)設(shè)計

不同的CNS系統(tǒng)架構(gòu)可以有不同的ACPS設(shè)計方案[7]，采用綜合模塊化航空電子(IMA)架構(gòu)的CNS系統(tǒng)理論可以采用“純軟件”的方式予以實現(xiàn)，但由于現(xiàn)行的IMA計算機(jī)并沒有考慮深度學(xué)習(xí)等人工智能計算需求。因此本文在典型CNS系統(tǒng)架構(gòu)上，通過增加ACPS主機(jī)的方式，給出ACPS的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

該架構(gòu)以語音識別和指令生成兩個深度信念網(wǎng)絡(luò)(Deep Belief Network,簡稱DBN)為核心構(gòu)建，語音識別功能將來自CNS系統(tǒng)的音頻輸入進(jìn)行降噪處理后提取特征參數(shù)，通過DBN后生成語義序列；其后的指令生成功能將語義序列與來自機(jī)載總線的飛行計劃、飛行參數(shù)、航行位置、航圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合并提取特征參數(shù)，通過第二個DBN生成執(zhí)行指令和復(fù)誦指令，其中執(zhí)行指令通過機(jī)載總線發(fā)送給CNS系統(tǒng)，復(fù)誦指令在通過韻律處理后讀取語音庫生成復(fù)誦話音，最后輸出到CNS系統(tǒng)。

圖3 ACPS原理架構(gòu)

由于機(jī)載航電系統(tǒng)對實時性要求很高，為提高效率，ACPS在離線的情況下對兩個DBN進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)[8]，訓(xùn)練好的聲學(xué)、語言模型和指令模型加載到機(jī)載環(huán)境中進(jìn)行快速計算。

1.4 硬件設(shè)計

ACPS計算機(jī)作為機(jī)載嵌入式平臺，應(yīng)同時滿足數(shù)據(jù)實時性和可計算性能的需求。相對于單個服務(wù)器CPU而言嵌入式計算機(jī)性能普遍較弱，ACPS計算機(jī)系統(tǒng)采用分布式異構(gòu)架構(gòu)，主控模塊采用事務(wù)型處理器，DBN計算模塊采用多片計算型CPU并行計算，并通過Rapid IO直接與主控模塊互聯(lián)，接口模塊采用IO型處理器，多種CPU構(gòu)成了ACPS的計算系統(tǒng)，其硬件架構(gòu)如圖4所示，主要模塊功能如下：

(1) 主控模塊完成ACPS功能，系統(tǒng)內(nèi)的維護(hù)等；

(2) 接口模塊將總線、模擬、離散接口數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)給主控模塊，并將主控模塊的指令通過總線、模擬、離散接口發(fā)送給其他系統(tǒng)；

(3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模塊實現(xiàn)語音識別、自動指令控制等功能所需的DBN計算；

(4) 大容量存儲器用于保存數(shù)據(jù)模型、新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、ACPS工作參數(shù)等。

圖4 ACPS硬件架構(gòu)

1.5 飛行員操作程序設(shè)計

相對于原先飛行通信員完全依靠聽覺認(rèn)知的操作過程，ACPS增加了視覺認(rèn)知過程和聽視覺交互過程，這需要新的飛行員操作程序(Pilot Operational Procedures,簡稱POP)支撐。針對飛機(jī)離港和新管制頻率確認(rèn)兩個空管過程設(shè)計了空管指令確認(rèn)界面和調(diào)諧指令生成界面，分別如圖5～圖6所示。

圖5 空管指令確認(rèn)界面

圖6 調(diào)諧指令生成界面

對于空管指令確認(rèn)界面，ACPS將空管發(fā)送的語音指令轉(zhuǎn)化成文字顯示在屏幕上，同時自動生成所需復(fù)誦文字，當(dāng)機(jī)組確實視覺指令與聽覺指令一致后按壓確認(rèn)鍵(或PTT)即可執(zhí)行后續(xù)操作。

對于調(diào)諧指令生成界面，ACPS將空管發(fā)送的飛行計劃轉(zhuǎn)化自動調(diào)諧指令，當(dāng)機(jī)組確認(rèn)后錄入飛行管理系統(tǒng)，更新飛行計劃。

2 性能分析

2.1 安全性分析

航電系統(tǒng)是安全性相關(guān)的系統(tǒng)，從圖2可以看出ACPS和機(jī)組的陸空通話操作在機(jī)載設(shè)備操作需求方面是完全獨(dú)立的，同時ACPS硬件和軟件是獨(dú)立開發(fā)的，ACPS與原機(jī)載設(shè)備沒有直接耦合，是通過機(jī)組人員完成，滿足ARP4754A的獨(dú)立性要求。當(dāng)ACPS的研制保證等級與原機(jī)載設(shè)備的研制保證等級一致，根據(jù)ARP4754A，具備ACPS的通話功能喪失的失效狀態(tài)分類可以提升一個等級；如果ACPS的研制保證等級低于原機(jī)載設(shè)備一個等級，新的通話功能喪失的失效分類與原通話安全性等級一致。

因此ACPS不會導(dǎo)致陸空通話安全性下降，同時解決了語言、口音、注意力問題，也提升了系統(tǒng)安全性[9-10]，保證飛行安全[11]。

2.2 通信性能分析

DO284中95%RCP通信時間的過程分析如圖7所示[12]，其中人因性能包括地面管制員和飛行通信員兩部分，機(jī)器性能主要由通信設(shè)備提供，ACPS主要改善的飛行通信員的人員績效的反應(yīng)時間(人因性能)，因此本文采用ACPS后的反應(yīng)時間。

圖7 95%RCP通信時間

一般聽覺認(rèn)知短時記憶為tH1=3～5 s，而視覺認(rèn)知短時記憶一般為tH2=1～2 s[5]，語音識別tH3<1 s[13]，因此圖1中聽視覺交互確認(rèn)的時間tH5=max (tH1,tH2+tH3)=5 s。當(dāng)視聽一致情況下后續(xù)指令均為系統(tǒng)自動產(chǎn)生，僅需一次人工確認(rèn)tH6=tH2，且小于2 s，因此完整的人員績效的最大反應(yīng)時間tH7=tH5+tH6=7 s。當(dāng)視聽不一致情況，仍采用原陸空通話確認(rèn)方式，ACPS不會導(dǎo)致反應(yīng)時間的增加。

ACPS主要用于改善人員績效的反應(yīng)時間，可以將反應(yīng)時間由47～98 s[14]下降至7 s，進(jìn)而提高溝通效率。

3 結(jié) 論

(1) ACPS在不降低系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)上將通信時間縮減至7 s，提高了陸空通話效率。

(2) ACPS減少了機(jī)組人員工作量，進(jìn)而潛在地提高飛行員的表現(xiàn)，保證飛行安全；通過人工智能機(jī)器人進(jìn)行溝通，減少語言、口音和其他干擾因素的影響，減少二次確認(rèn)過程，提高了溝通效率。