基于語音管制意圖的場面風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)行機(jī)場越來越多，機(jī)場場面運(yùn)行復(fù)雜度提高，對(duì)錯(cuò)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(jī)場將預(yù)防跑道侵入事件發(fā)生作為機(jī)場場面運(yùn)行安全管理的重中之重［1］，并且在民航局建設(shè)“四強(qiáng)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(jí)場面活動(dòng)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(yùn)動(dòng)趨勢判斷場面運(yùn)行沖突，該種方法可能存在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判不及時(shí)等問題。針對(duì)以上問題，本文研究基于空中交通管制（ATC）陸空通話語音識(shí)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(jì)劃數(shù)據(jù)對(duì)航空器進(jìn)近著陸對(duì)錯(cuò)跑道、跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行邏輯判斷計(jì)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(cuò)、忘、漏”發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事件。

1 方法設(shè)計(jì)

利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)語音識(shí)別技術(shù)對(duì)空管陸空通話語音識(shí)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(jì)劃數(shù)據(jù)對(duì)航空器在進(jìn)近著陸和跑道運(yùn)行場景進(jìn)行邏輯判斷計(jì)算，提前預(yù)判因管制員指令邏輯錯(cuò)誤/口誤、飛行員復(fù)誦錯(cuò)誤、飛行員操作錯(cuò)誤等原因造成對(duì)錯(cuò)跑道、跑道侵入等不安全事件，給管制員告警提醒，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤。

系統(tǒng)引接塔臺(tái)管制單位的甚高頻語音記錄儀的空管語音信號(hào)，進(jìn)入空管語音識(shí)別服務(wù)器進(jìn)行空管語音識(shí)別，識(shí)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(jìn)行管制意圖指令與監(jiān)視、計(jì)劃數(shù)據(jù)結(jié)合告警邏輯計(jì)算處理，在人機(jī)界面上顯示語音識(shí)別及告警信息。

1.1 空管語音識(shí)別

空管語音識(shí)別是通過智能空管語音識(shí)別技術(shù)對(duì)管制員與飛行員陸空通話語音進(jìn)行識(shí)別形成結(jié)構(gòu)化的管制意圖指令信息。要識(shí)別的原始空管語音數(shù)據(jù)可引接塔臺(tái)管制單位的甚高頻語音記錄儀的語音數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接入空管語音識(shí)別服務(wù)器，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)語音識(shí)別方法，識(shí)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(shí)別形成結(jié)構(gòu)化管制意圖指令文本信息。

針對(duì)塔臺(tái)管制員對(duì)場面運(yùn)行管制指令的分析，重點(diǎn)識(shí)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(jìn)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(shí)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(biāo)識(shí)等。其中識(shí)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(shí)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(jì)劃數(shù)據(jù)結(jié)合做相關(guān)告警邏輯計(jì)算處理。

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

A-SMGCS系統(tǒng)接收空管語音識(shí)別模塊識(shí)別出的結(jié)構(gòu)化管制指令數(shù)據(jù)后，結(jié)合航空器運(yùn)行航跡、飛行計(jì)劃等信息，對(duì)跑道運(yùn)行過程中跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行邏輯判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)因管制員指令錯(cuò)誤、機(jī)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(cuò)誤，防止跑道侵入事件發(fā)生。

1.2.1 進(jìn)近著陸誤切盲降（ILS）航道告警處理

系統(tǒng)具有航空器進(jìn)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(shí)別功能，識(shí)別航空器進(jìn)近著陸過程中切盲降、落地指令，當(dāng)滿足以下條件之一時(shí)：

（1）識(shí)別的管制員指令中的跑道號(hào)信息與ASMGCS 系統(tǒng)中飛行計(jì)劃信息中的降落跑道不一致；（2）識(shí)別的機(jī)組復(fù)誦指令中的跑道號(hào)信息與ASMGCS系統(tǒng)中飛行計(jì)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(duì)管制員進(jìn)行及時(shí)提醒，避免航空器落錯(cuò)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(biāo)之間沖突、單目標(biāo)管制語音與航跡/計(jì)劃不一致等情況。跑道侵入告警計(jì)算可分為：（1）多目標(biāo)沖突告警。多個(gè)目標(biāo)之間的沖突分為以下幾種類型。①目標(biāo)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(yùn)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(gè)目標(biāo)航跡與航跡之間沖突計(jì)算中實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)b，c 類沖突告警邏輯進(jìn)行創(chuàng)新性邏輯計(jì)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(biāo)語音指令與航跡、計(jì)劃不一致告警，下文中簡稱“語音指令與航跡/計(jì)劃不一致告警”。

經(jīng)過研究分析管制運(yùn)行場景，以上兩大類告警可以根據(jù)管制指令不同細(xì)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(biāo)與另一航跡目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢或與另一航跡目標(biāo)的語音指令存在沖突時(shí)，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(jì)算。

①落地指令與航跡/語音指令沖突。當(dāng)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(biāo)A相匹配時(shí)，若目標(biāo)A對(duì)準(zhǔn)的該跑道保護(hù)區(qū)內(nèi)探測到地面目標(biāo)B 占用跑道，則系統(tǒng)發(fā)出告警；當(dāng)目標(biāo)B脫離跑道保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，該告警解除。目標(biāo)A對(duì)準(zhǔn)的該跑道保護(hù)區(qū)內(nèi)或附近接收到目標(biāo)B 已發(fā)布穿越跑道、進(jìn)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(dāng)告警基于的語音指令被取消或自動(dòng)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(dāng)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(biāo)A 相匹配時(shí)，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(biāo)B，若：a. 目標(biāo)B 已下達(dá)起飛指令，且目標(biāo)A 位于目標(biāo)B 前方；b.目標(biāo)B 滑行速度大于系統(tǒng)設(shè)置的可變參數(shù)，且目標(biāo)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(jì)劃不一致告警。

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

①落地指令與航跡/計(jì)劃不一致告警。當(dāng)落地指令匹配的空中目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)的跑道或飛行計(jì)劃中跑道號(hào)與語音指令中攜帶的跑道名不一致時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令與航跡不一致告警。

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

2 語音識(shí)別及告警顯示

提供語音識(shí)別窗口顯示識(shí)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(jī)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(fēng)險(xiǎn)問題、分析原因、進(jìn)行糾錯(cuò)處置提供決策工具。當(dāng)產(chǎn)生告警時(shí)，在態(tài)勢顯示界面的航班航跡標(biāo)牌上顯示告警信息，在語言識(shí)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(shí)產(chǎn)生告警聲音，提醒管制員注意和及時(shí)處置，防止不安全事件發(fā)生。

3 管制現(xiàn)場驗(yàn)證運(yùn)行應(yīng)用

基于空管語音識(shí)別的場面管理風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法已在上海浦東塔臺(tái)管制現(xiàn)場驗(yàn)證運(yùn)行應(yīng)用。經(jīng)過驗(yàn)證運(yùn)行，與管制員反饋使用體驗(yàn)以及統(tǒng)計(jì)分析，較現(xiàn)有依靠航空器位置及運(yùn)行趨勢、電子進(jìn)程單上人工操作指令結(jié)合航空器運(yùn)行態(tài)勢等風(fēng)險(xiǎn)判斷方法，有以下優(yōu)點(diǎn)。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判更加及時(shí)，防控關(guān)口前移

采用基于管制員語音指令識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)邏輯判斷方法，可以最及時(shí)地獲知管制意圖以及航空器下一步的運(yùn)動(dòng)意圖，相對(duì)依靠航空器當(dāng)前位置及運(yùn)行趨勢判斷已經(jīng)或即將發(fā)生沖突告警方法，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判更加及時(shí)，將跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)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(cuò)、忘、漏”，防控更加全面、智能

可以智能地識(shí)別出管制員指令與指令/航跡/計(jì)劃邏輯錯(cuò)誤、飛行員復(fù)誦錯(cuò)誤，提供一道智能安全壁壘。可以解決當(dāng)前采用電子進(jìn)程單結(jié)合航空器運(yùn)行態(tài)勢風(fēng)險(xiǎn)判斷方法時(shí)，管制員忘記電子進(jìn)程單狀態(tài)指令操作造成沖突的安全漏洞，使得風(fēng)險(xiǎn)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(shí)別的場面管理風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法。針對(duì)對(duì)錯(cuò)跑道、跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)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(xí)語音識(shí)別技術(shù)識(shí)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(jì)算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。創(chuàng)建了與預(yù)防進(jìn)近對(duì)錯(cuò)跑道、跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)一系列告警邏輯計(jì)算方法，比較完備、精細(xì)化地將識(shí)別管制語音意圖指令引入應(yīng)用于預(yù)防場面管理風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域，使得風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判更加及時(shí)，防控關(guān)口前移，提供一道智能安全壁壘，使得跑道侵入風(fēng)險(xiǎn)防控更加及時(shí)、智能、全面。