基于語音管制意圖的場面風險預(yù)警研究應(yīng)用

黃 琰，陳文秀，王振飛

（1.南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局，上海 211100）

0 引言

隨著民航航班量的持續(xù)增長，多跑道運行機場越來越多，機場場面運行復(fù)雜度提高，對錯跑道、跑道侵入事件發(fā)生量成快速增長態(tài)勢。各地空管、機場將預(yù)防跑道侵入事件發(fā)生作為機場場面運行安全管理的重中之重［1］，并且在民航局建設(shè)“四強空管”的背景下，亟待尋求預(yù)防跑道侵入事件發(fā)生的有效技防方法。

目前，國內(nèi)外采用技防手段預(yù)防跑道侵入的技術(shù)研究及系統(tǒng)應(yīng)用有很多，例如高級場面活動引導(dǎo)與控制系統(tǒng)（A-SMGCS）［2-3］。但是采用A-SMGCS 系統(tǒng)僅通過航空器位置及運動趨勢判斷場面運行沖突，該種方法可能存在風險預(yù)判不及時等問題。針對以上問題，本文研究基于空中交通管制（ATC）陸空通話語音識別出的結(jié)構(gòu)化的管制意圖指令，結(jié)合A-SMGCS 系統(tǒng)的監(jiān)視、飛行計劃數(shù)據(jù)對航空器進近著陸對錯跑道、跑道侵入風險進行邏輯判斷計算的方法，提前向管制員發(fā)出預(yù)警提示，最大限度地提前預(yù)防因管制員、飛行員“錯、忘、漏”發(fā)生風險事件。

1 方法設(shè)計

利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習語音識別技術(shù)對空管陸空通話語音識別出結(jié)構(gòu)化的管制意圖指令［4］，結(jié)合A-SMGCS 系統(tǒng)的監(jiān)視、飛行計劃數(shù)據(jù)對航空器在進近著陸和跑道運行場景進行邏輯判斷計算，提前預(yù)判因管制員指令邏輯錯誤/口誤、飛行員復(fù)誦錯誤、飛行員操作錯誤等原因造成對錯跑道、跑道侵入等不安全事件，給管制員告警提醒，及時發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤。

系統(tǒng)引接塔臺管制單位的甚高頻語音記錄儀的空管語音信號，進入空管語音識別服務(wù)器進行空管語音識別，識別出原始語音文本數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化管制意圖指令數(shù)據(jù)等信息，然后輸出至A-SMGCS 等場面管理系統(tǒng)，進行管制意圖指令與監(jiān)視、計劃數(shù)據(jù)結(jié)合告警邏輯計算處理，在人機界面上顯示語音識別及告警信息。

1.1 空管語音識別

空管語音識別是通過智能空管語音識別技術(shù)對管制員與飛行員陸空通話語音進行識別形成結(jié)構(gòu)化的管制意圖指令信息。要識別的原始空管語音數(shù)據(jù)可引接塔臺管制單位的甚高頻語音記錄儀的語音數(shù)據(jù)，實時接入空管語音識別服務(wù)器，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習語音識別方法，識別形成原始語音文本，然后通過建立管制指令語音語料庫、數(shù)字語音規(guī)則庫，識別形成結(jié)構(gòu)化管制意圖指令文本信息。

針對塔臺管制員對場面運行管制指令的分析，重點識別的有關(guān)預(yù)防跑道侵入事件發(fā)生的關(guān)鍵管制意圖指令包括可以盲降、進跑道、可以起飛、可以落地、穿越跑道5 種指令。經(jīng)過空管語音識別后可形成和輸出的空管指令內(nèi)容包括：原始語音文本、結(jié)構(gòu)化管制意圖指令文本、復(fù)誦一致性標識等。其中識別出的結(jié)構(gòu)化語音指令樣例如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)化管制意圖指令信息樣例

空管語音識別形成的管制指令數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)接口輸出給A-SMGCS系統(tǒng)，與監(jiān)視、計劃數(shù)據(jù)結(jié)合做相關(guān)告警邏輯計算處理。

1.2 管制意圖指令與監(jiān)視、計劃數(shù)據(jù)結(jié)合告警邏輯計算

A-SMGCS系統(tǒng)接收空管語音識別模塊識別出的結(jié)構(gòu)化管制指令數(shù)據(jù)后，結(jié)合航空器運行航跡、飛行計劃等信息，對跑道運行過程中跑道侵入風險進行邏輯判斷，及時發(fā)現(xiàn)因管制員指令錯誤、機組誤聽等造成跑道侵入事件，并在A-SMGCS 態(tài)勢界面顯示預(yù)警信息，提示管制員糾正錯誤，防止跑道侵入事件發(fā)生。

1.2.1 進近著陸誤切盲降（ILS）航道告警處理

系統(tǒng)具有航空器進近著陸過程中誤切盲降（ILS）航道告警處理功能。系統(tǒng)通過管制語音指令識別功能，識別航空器進近著陸過程中切盲降、落地指令，當滿足以下條件之一時：

（1）識別的管制員指令中的跑道號信息與ASMGCS 系統(tǒng)中飛行計劃信息中的降落跑道不一致；（2）識別的機組復(fù)誦指令中的跑道號信息與ASMGCS系統(tǒng)中飛行計劃信息中的降落跑道不一致。發(fā)出告警提示，A-SMGCS系統(tǒng)發(fā)出聲光告警，對管制員進行及時提醒，避免航空器落錯跑道等不安全事件的發(fā)生。

1.2.2 跑道侵入告警處理

經(jīng)過研究分析跑道侵入發(fā)生的原因和過程，跑道侵入發(fā)生原因可歸納分為多目標之間沖突、單目標管制語音與航跡/計劃不一致等情況。跑道侵入告警計算可分為：（1）多目標沖突告警。多個目標之間的沖突分為以下幾種類型。①目標航跡之間的沖突；②一航跡關(guān)聯(lián)的空管語音指令與另一航跡運行態(tài)勢沖突；③一航跡關(guān)聯(lián)的空管語音指令與另一航跡關(guān)聯(lián)的空管語音指令沖突。其中，類型a已在A-SMGCS 系統(tǒng)中多個目標航跡與航跡之間沖突計算中實現(xiàn)。本文對b，c 類沖突告警邏輯進行創(chuàng)新性邏輯計算闡述，該類沖突告警在下文中簡稱“語音指令與航跡/語音指令沖突告警”。（2）單目標語音指令與航跡、計劃不一致告警，下文中簡稱“語音指令與航跡/計劃不一致告警”。

經(jīng)過研究分析管制運行場景，以上兩大類告警可以根據(jù)管制指令不同細分為若干告警類型。跑道侵入告警分類結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 跑道侵入告警分類結(jié)構(gòu)

（1）語音指令與航跡/語音指令沖突告警。

若一語音指令匹配的航跡目標與另一航跡目標運動態(tài)勢或與另一航跡目標的語音指令存在沖突時，系統(tǒng)發(fā)出語音指令與航跡/語音指令沖突告警。以下舉例描述沖突邏輯計算。

①落地指令與航跡/語音指令沖突。當系統(tǒng)接收到結(jié)構(gòu)化落地語音指令，且可將該語音指令與降落目標A相匹配時，若目標A對準的該跑道保護區(qū)內(nèi)探測到地面目標B 占用跑道，則系統(tǒng)發(fā)出告警；當目標B脫離跑道保護區(qū)范圍內(nèi)，該告警解除。目標A對準的該跑道保護區(qū)內(nèi)或附近接收到目標B 已發(fā)布穿越跑道、進跑道或起飛語音指令（尚未起飛離地），則系統(tǒng)發(fā)出告警。當告警基于的語音指令被取消或自動失效后，系統(tǒng)不再發(fā)出告警。

②穿越指令與航跡/語音指令沖突。當系統(tǒng)接收到結(jié)構(gòu)化穿越語音指令，且可將該語音指令與地面目標A 相匹配時，如果A 位于穿越道口范圍（可靈活配置）內(nèi)，該語音指令中描述的跑道上有目標B，若：a. 目標B 已下達起飛指令，且目標A 位于目標B 前方；b.目標B 滑行速度大于系統(tǒng)設(shè)置的可變參數(shù)，且目標A與B為接近狀態(tài)。滿足以上條件之一，則系統(tǒng)發(fā)出告警。

（2）語音指令與航跡/計劃不一致告警。

當系統(tǒng)監(jiān)測到語音指令中攜帶的跑道/道口與航跡實際正在使用的跑道/道口不一致時，或與飛行計劃中計劃使用的跑道/道口不一致時，系統(tǒng)發(fā)出指令與航跡/計劃不一致告警。

①落地指令與航跡/計劃不一致告警。當落地指令匹配的空中目標對準的跑道或飛行計劃中跑道號與語音指令中攜帶的跑道名不一致時，系統(tǒng)發(fā)出指令與航跡不一致告警。

②進跑道指令與航跡/計劃不一致告警。當進跑道指令匹配的目標位于的跑道等待區(qū)關(guān)聯(lián)的跑道或飛行計劃中跑道號與進跑道語音指令中攜帶的跑道名不一致時，系統(tǒng)發(fā)出指令與航跡不一致告警。

2 語音識別及告警顯示

提供語音識別窗口顯示識別出的原始語音指令文本信息、結(jié)構(gòu)化語音指令信息。系統(tǒng)人機界面提供綜合性的告警提示顯示方法，全方位展現(xiàn)告警發(fā)生情景、告警發(fā)生原因，全面、便捷地提醒管制員關(guān)注告警問題和分析原因，為管制員快捷地提前發(fā)現(xiàn)風險問題、分析原因、進行糾錯處置提供決策工具。當產(chǎn)生告警時，在態(tài)勢顯示界面的航班航跡標牌上顯示告警信息，在語言識別窗口同步將導(dǎo)致該告警的空管語音指令高亮變色顯示，同時產(chǎn)生告警聲音，提醒管制員注意和及時處置，防止不安全事件發(fā)生。

3 管制現(xiàn)場驗證運行應(yīng)用

基于空管語音識別的場面管理風險預(yù)警方法已在上海浦東塔臺管制現(xiàn)場驗證運行應(yīng)用。經(jīng)過驗證運行，與管制員反饋使用體驗以及統(tǒng)計分析，較現(xiàn)有依靠航空器位置及運行趨勢、電子進程單上人工操作指令結(jié)合航空器運行態(tài)勢等風險判斷方法，有以下優(yōu)點。

3.1 風險預(yù)判更加及時，防控關(guān)口前移

采用基于管制員語音指令識別的風險邏輯判斷方法，可以最及時地獲知管制意圖以及航空器下一步的運動意圖，相對依靠航空器當前位置及運行趨勢判斷已經(jīng)或即將發(fā)生沖突告警方法，風險預(yù)判更加及時，將跑道侵入風險防控關(guān)口最大限度前移，大幅提高安全裕度。

3.2 預(yù)防“錯、忘、漏”，防控更加全面、智能

可以智能地識別出管制員指令與指令/航跡/計劃邏輯錯誤、飛行員復(fù)誦錯誤，提供一道智能安全壁壘?？梢越鉀Q當前采用電子進程單結(jié)合航空器運行態(tài)勢風險判斷方法時，管制員忘記電子進程單狀態(tài)指令操作造成沖突的安全漏洞，使得風險防控更加智能、全面。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于空管語音識別的場面管理風險預(yù)警方法。針對對錯跑道、跑道侵入風險場景，研究提煉出與之相關(guān)的5種關(guān)鍵管制指令，并采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習語音識別技術(shù)識別出上述5種結(jié)構(gòu)化的管制意圖指令，作為告警邏輯計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。創(chuàng)建了與預(yù)防進近對錯跑道、跑道侵入風險相關(guān)一系列告警邏輯計算方法，比較完備、精細化地將識別管制語音意圖指令引入應(yīng)用于預(yù)防場面管理風險領(lǐng)域，使得風險預(yù)判更加及時，防控關(guān)口前移，提供一道智能安全壁壘，使得跑道侵入風險防控更加及時、智能、全面。