基于管制語音負荷的容量評估研究

張 瓊

（1.南京航空航天大學，江蘇 南京210000；2.春秋航空股份有限公司，上海200000）

引言

管制部門是保證民航安全高效運行的基礎。為保證航空安全績效水平，對管制員的工作量和工作質量進行有效的評估具有重要意義，通過對管制負荷的有效評估，進而可以得出對應扇區(qū)的容量值，當扇區(qū)容量過大時，對一定時間內扇區(qū)的航空器數量進行有效的控制，從而確保民航在空管這一環(huán)的安全性和高效性。

國內外用于空域容量負荷評估的方法較多，包括有建立數學模型、快速模擬、動態(tài)模擬等等。目前最常用管制負荷評估方法包括英國研究的DORATASK 法，DORATASK 將管制員的工作負荷分為語音通話負荷，操作負荷和思考負荷，將這幾個負荷相加即得管制負荷。斯坦福研究中心研發(fā)的相對容量評估過程[1]（The Relative Capacity Estimating Process，RECEP），它將管制員所有可以考慮的管制行為都進行量化，包括通話時間、飛行進程單時間、集中于雷達屏幕上監(jiān)視的時間以及沖突解決的時間，從而得出一個小時內總的工作時間，RECEP 模型將空域容量定義為每小時內空域內的航空器架次，并且認為管制負荷的極限值極大決定了空域容量的大小，他們研究得出工作時間與每小時的航空器架次之間呈平方關系。2006 年，美國的Arthur P.Smith，Anand D.Mundra[2]等人對加裝ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，廣播式自動相關監(jiān)視）設備對管制員工作負荷的影響。Peng Wei，Chittayong Surakitbanbarn 等人[3]利用動態(tài)密度對管制負荷進行評估，動態(tài)密度是指影響空中交通管制復雜度和難度的各種因素或者說各種變量。本文主要研究通過對管制員的語音負荷進行定量評估，利用得到的管制員負荷進一步得出該空域的容量，得到更加科學的空域容量評估后，有利于空域的安全和管制員的身心健康。

1 管制語音信號分析

語音信號分析，是為了從收集到的語音信號中提取出研究所需要的特征參數，從而可以找出各變量與指標之間的關系，進行后續(xù)的研究。

1.1 語音信號預處理

首先要對原始語音信號進行讀入，把音頻信號轉化為計算機可以處理的數字信號，在MATLAB 中通常用wavread 函數完成，得到的數字化音頻信號通常存貯在列向量中。對語音信號的預處理，通常包含兩步：分幀和加窗。

語音信號進行分幀處理就是基于語音信號的“準穩(wěn)態(tài)”特征，將其在分割成極短時間的多個語音片段，在穩(wěn)定狀態(tài)下逐幀提取出特征參數。同時為了使各幀之間可以平穩(wěn)過渡，防止由于超過能保持穩(wěn)定狀態(tài)的極短時間，導致參數發(fā)生變化，通常分幀技術會引入幀移的概念（inc），使相鄰兩幀之間部分重疊，幀移圖如圖1 所示。

圖1 幀移圖

幀移是指[4]后一幀對前一幀的位移量（inc），而相鄰兩幀之間的重疊部分overlap=wlen-inc。對于長為N 的語音信號，分幀公式為：

其 中，N 為 信 號 長 度，wlen 為 幀 長，inc 為 幀 移，overlap 為相鄰幀重疊部分，該長為N 的語音信號將被分為fn 幀。本文中，分幀的實現(xiàn)主要是：首先調用wavread函數，將格式為.wav 的音頻文件讀入轉化為數字信號。分幀主要利用enframe 函數，每一幀的數據順序儲存在數組的每一列中，列數即為幀數。加窗則是加在設定的幀長wlen 上，hamming（wlen）。

1.2 端點檢測法

特征參數提取主要運用語音信號單參數雙門限端點檢測法檢測出是否有話音部分，因此，需要提前設定區(qū)分背景噪音和實際話音的閾值，以及判斷靜默段是否為短暫停頓以及話音段長度是否足以構成一句話的參數。

閾值設定：根據前導無話段的短時平均能量也就是背景噪音的能量設置出兩個門限值，一個較大為T2，一個較小為T1。噪聲的估計通常依據前導無話段來實現(xiàn)。根據波形圖估計出前導無話段的時長IS（單位：s），則前導無話段的幀數NIS 為公式2 所示[4]：

其中，IS 為前導無話段時長。由于管制員工作環(huán)境的特殊性，本文將其閾值看為定值。本文閾值的確定是先取前導無話段長度IS 為0.25 秒，根據式（2）得出前導無話段的幀數NIS，對無話段逐幀求短時平均能量，存入矩陣eis 中，顯示eis 中各幀的能量，根據這些能量值取T1，T2。本文選取塔臺通話錄音的前導無話段短時平均能量大小設定T1 和T2 分別為0.0001 和0.05。然后對語音信號特征參數進行提取（提取的語音信號特征參數為短時能量、短時平均過零率、通話次數和時長以及飽和度）。

1.3 語言信號分析

分幀后的語音信號，按列存儲在數組中，幀數為fn，按照求過零率的思路，求每幀的過零率。首先對分幀后的矩陣逐列調用，讀取每列的數據，即得到每幀的所有采樣點信息，按幀長循環(huán)，判斷相鄰取樣點之間的符號變化情況，當相鄰取樣點乘積為負，則說明信號過零一次，計數加一，繼續(xù)循環(huán)，一幀循環(huán)完后將該幀過零情況存入行向量中。最終求和可得該段語音信號的過零率。對數字化音頻信號求列向量長度，得到采樣點數N，結合采樣頻率可求得信號的時間坐標time，在繪制語音波形圖和后續(xù)求飽和度時會用上。對分幀后的信號逐幀點平方求和，分別得到每幀的短時平均能量etemp，求和可得語音信號能量setemp。

最后基于短時平均能量的單參數雙門限端點檢測法，檢測出該段語音中的通話次數并得到voiceseg 結構數據?？傻玫酵ㄔ捳Z音次數，通話時長和飽和度。流程圖2 為本文語音信號分析程序實現(xiàn)的整體思路。

2 管制語音特征參數分析

本文選擇使用SPSS 軟件進行因子分析，找出各參數之間的內在聯(lián)系，最終實現(xiàn)用語音參數表示出管制負荷的大小，用少數幾個因子去描述原資料的大部分信息[5]。

2.1 因子分析

因子分析是將有內在聯(lián)系的幾個變量，找到支撐它們相互關系的公共因子，使變量能用公共因子和特殊因子這兩部分來表示的多變量統(tǒng)計分析方法。本文的思路是將語音分析得到的五項特征參數（通話語音的次數、能量、時長、飽和度、過零率）用SPSS 進行因子分析，設它們分別為x1，x2，x3，x4，x5作為五個隨機變量。

關系式3 就是因子模型，表示各變量之間的關系，fi為公共因子，ei為特殊因子，bij（i=1，2，…，5，j=1，2，…，m）為因子的載荷，表示變量xi對公共因子fi的影響。其中，公共因子和特殊因子各自內部之間以及兩者之間都是互不相關，相互獨立的。特殊因子與各自對應的變量有關，用于補齊公共因子無法完全表示出來的部分。

2.2 語音特征參數因子分析運用

提取9 段不同繁忙時刻的管制錄音，每段3 分鐘，分別提取特征參數，進行因子分析。在SPSS 軟件上的操作步驟具體如下：

圖2 語音信號分析流程

（1）數據的輸入，在軟件中分別輸入9 段管制語音的特征參數。

（2）按順序點擊分析→降維→因子分析→選擇要分析的變量→在“描述”中選擇KMO 和Bartlett 球度檢驗→在“抽取”中選擇“主要成分提取法”→在“旋轉”中選擇“最大方差法（varimax）”→開始分析。

（3）得到分析結果。

分析結果如表1，2，3 所示：

表1 結構效度分析結果

表2 因子載荷矩陣

根據結構效度分析結果看出，KMO 值大于0.7，根據Kaiser 的觀點，屬于中等，KMO 值越大表明越適合進行因子分析。

結合式3 中描述的因子模型，可以因子載荷矩陣表示出因子模型，如式4 所示：

其中，f1為公共因子，e1～e5為特殊因子。利用主要成分提取法抽取出因子得分系數矩陣，將公共因子表示為各變量的線性組合。

所以可得到

其中，x1～x5為選取的變量。語音信號的通話次數、時長等特征的變化是受語音負荷的變化而相應變化影響的，因此語音負荷就是這五項特征參數的公共因子。語音負荷因此依據表3 可得語音負荷的表達式為：

表3 因子得分系數矩陣

表4 為提取的不同通話錄音提取參數，并計算負荷所得結果。

由表4 可以看出，不同特征參數大小，語音負荷的大小有明顯差異。

3 空域容量評估

根據《空中交通服務規(guī)劃手冊》（DOC.9426）DORATASK 法所指出的：當航班量達到該扇區(qū)的容量值時，管制員的平均工作負荷不得超過工作負荷峰值的80%，并且工作負荷超過最大值的90%的時間不得超過總工作時間的2.5%。那么說明當負荷達到峰值的80%時，此時扇區(qū)內的航班量即為該扇區(qū)的容量。

3.1 最小二乘法回歸分析

為了得到負荷峰值80%時的航空器數量，需要得到管制負荷與航空器數量之間的關系式。因此，選用最小二乘法回歸分析，將多個管制負荷與航空器數量一一對應的散點擬合成方程。如式7 所示：

表4 語音段的特征參數及管制負荷

表5 不同飛機架次與對應語音負荷

其中的a，b 使F（a，b）最小，即函數F 分別對a，b 求偏導，令偏導等于零，得到方程組可求出a，b，得出的該條擬合函數就是最接近散點圖的直線，得到最小二乘法擬合的函數。

3.2 基于話音負荷的容量評估

本文空域容量評估主要的依據是國際民航組織《空中交通服務規(guī)劃手冊》（DOC.9426）[7]中的DORATASK 法所指出的:當航班量達到該扇區(qū)的容量值時，管制員的工作負荷不得超過負荷最大值的80%，并且工作負荷超過最大值的90%的時間不得超過總工作時間的2.5%。因此可以基本確定空域容量的評估方法。

基于話音負荷的空域容量評估過程基本如下：

（1）計算出多個時間片管制員的話音負荷。

（2）統(tǒng)計每個時間片對應的航空器架次。

（3）根據第（1）、（2）步的結果，做出散點圖，判斷負荷與航空器架次的大致關系。

（4）利用MATLAB 進行函數擬合，得到話音負荷與航空器架次之間的對應函數關系。

（5）由于目前大多使用雷達管制，管制員的通話相比程序管制有所減少，因此當平均工作負荷達到峰值的70%時對應的航空器架次即是空域容量[6]。

根據上述原理，收集某塔臺管制單位話音數據，首先計算管制員的22 個10 分鐘時間片的話音負荷，并統(tǒng)計相應航空器架次，得到飛機架次與話音負荷一一對應的多個散點，對應關系如表5 所示。

利用MATLAB 的polyfit 函數對散點圖進行回歸分析，由此得到擬合結果：

其中，N 為航空器架次。

由于本文選取的是塔臺席通話錄音，因此仍以峰值的80%進行計算，即工作負荷達到峰值的80%時，此時航空器的流量N 為扇區(qū)的容量值[7]。根據函數可以求得管制負荷的峰值和對應的航空器數量?？梢缘玫讲杉Z音數據的該塔臺管制單位塔臺席的語音負荷峰值Wmax為810107.6871，那么峰值80%時對應的航空器架數約為3 架，說明該管制單位塔臺席較合理的安排是10 分鐘的時間片內同時掌控的航空器架次不超過3 架。

4 結束語

本文從管制話音特征參數入手，對一線通話錄音進行語音分析，提取出特征參數。為了使特征參數具體量化出語音負荷的大小，利用因子分析的方法對數據進行分析，求出本文所確立的語音負荷。最后利用MATLAB 進行擬合可得到語音負荷與航空器架次之間關系的方程式，根據國際民航組織9426 號文件要求，確定對應的航空器架次即為空域容量，能夠有效提高空域容量評估的效率。