基于语音识别的管制模拟机机长系统设计

钟如秀 民航中南空管局 广东广州市 510545

一. 引言

管制模拟机培训作为航空安全前移的一道关口，在管制员培养中有着非常重要的作用，通过模拟机真实的环境，管制学员与模拟机机长通话，模拟机机长在获取管制口令后，在机长操作软件中输入相应的指令来控制对应的飞机，实现对飞机的调度，使得学员能够体验真实的管制工作。目前模拟机机长主要靠人工来模拟，但存在多种弊端：

(一) 入职后做简单培训即上岗，本身没有专业基础，不熟悉机舱设备操作，对管制知识理解不深，对管制意图把握不到位。

(二) 培训周期长，至少半年才能放单。随着模拟机数量的增加，需要配备的模拟机机长数量也按比例增加，经济性较差。

(三) 每位模拟机机长要控制多达几十架航空器，做不到模拟机多种发音的效果，不能贴近实际场景。

(四) 做不了对管制学员包括通话标准、语速、语调等方面的语音评测。

上述问题的存在严重地影响了管制培训的质量。因此，非常有必要设计基于语音识别的模拟机长语音处理系统来解决实际管制培训工作中的问题。

二. 设计目标

模拟机长语音处理系统应包含语音识别、语音合成、语义理解等核心技术，以局域网内提供服务形式，为每个管制学员席位提供模拟机长的服务，应具备以下功能：

(一) 语种识别。自动区分中文和英文管制指令，准确率≥95%。；

(二) 语音识别。1）支持连续语音识别；（2）支持常规读法数字串、航空管制读法数字串等数字语音指令语音识别；（3）支持非特定人语音识别，使用前无需对用户发音人进行录音定制；（4）中文指令字识别率≥95%；英文指令字识别率≥93%；

(三) 语义理解。按照管制指令的语法规则对识别后的文本结果进行语义分析，格式化输出语义关键信息；可根据复述的要求，可以进行语义重组。语义输出准确率≥95%，句平均识别响应时间≤1秒。

(四) 语音合成。（1）提供四个发音人（中文、英文男、女声各两个）；（2）支持中文、英文两种语种的语音合成；（3）支持对合成音量、语速的调整；（4）合成语音自然度≥4分（五分制）。；

(五) 自动操作。语音处理系统通过预先建立好的操作指令规则库识别出来操作指令，并在模拟机机长软件中输入操作指令进行控制飞行目标，正确率达≥95%。

三. 设计思路

本文以川大智胜ATCSIM-DRS型雷达模拟机为基础，设计了一个基于科大讯飞语音识别引擎的智能管制模拟机机长系统。

图1 智能管制模拟机机长系统原理图

即在原有管制模拟机系统的基础上，在模拟机机长端增加一个智能语音处理系统，该系统利用语音识别引擎和预先建立好的业务知识库对管制席位发送过来的语音指令进行语义理解、语义分析，识别出管制意图后，根据已经提前获取的管制模拟机通讯包数据格式，利用模块控制川大智胜模拟机机长软件完成指令的自动输入和执行，再利用语音合成技术复诵管制席位的意图，完成一个管制流程。

例如，该系统在收到来自管制学员的一条指令“海南 7854，上升到5100米保持，调速到叁洞洞”后的处理流程具体表现为：

(一) 对该指令进行语音识别后的基础分析，包括词库及关系、知识库及关系、词向量模型、句法分析模型。得到目标：海南7854，目标高度是5100米，速度是300节。

(二) 对话理解，与对话规则逻辑进行比对，理解该指令。得到意图：上升高度和调节速度。

(三) 语义理解，在已建立好的业务知识库中根据规则特征模型、深度特征模型搜索出理解好的指令，识别出语义。得到意图：海南7854，上升到5100米，调速至300节。

(四) 语音合成，将识别出来的语义，利用语音合成技术通过中英文复述反馈给管制席位。得到结果：上升到5100米保持，调速至叁洞洞，海南7854。

(五) 自动操作，利用识别出来的语义关键字，比对操作指令规则库，自动在机长软件界面输入指令，得到结果：LVL 0510；SPD 300。

四. 关键技术设计与实现

（一）业务知识库的建立

业务知识库的建立需收集川大ATCSIM-DRS雷达管制模拟机上管制员中、英文通话各约500小时语料，语料需要涵盖所有管制员培训中的常用说法，且应是管制员培训时实际使用的通话信道下的。通过收集到的语料进行标注、词库建设、知识点挖掘、句式挖掘等把所有可能出现的空管专用术语、数字、航班号、航空公司、英文代号等建立起知识库，比如管制中的“1”念“幺”，“2”念“两”，“7”念“拐”，很多英文字母也有独特的读法，每个练习剧本还存在很多导航台、过台点等内容，所有这些内容都要进行词库建设，且需要遵循如下程序：（1）资源获取。收集雷达管制培训现场语料；（2）词库建设。发现新的词、短语；（3）知识点挖掘。发现未覆盖的知识点；（4）句式挖掘。确认需优化知识点，挖掘新句式；（5）验证上线。新知识效果优化、入库、上线。并将上述五个步骤不断进行迭代优化。

（二）操作指令规则库的建立

智能机长语音处理系统识别出管制意图后，除了复诵给管制席位，还要通过操作指令规则库识判断出相应的操作指令，形成相应的操作命令在机长操作界面的输入框上输入并通知模拟机服务器执行，从而控制航空器的飞行姿态。这就需要语音系统识别出语义后，根据语义去读取操作指令规则库的对应关系。该规则库的建立需参考川大ATCSIM-DRS型雷达模拟的操作指令和格式建立，操作指令主要包括高度、速度、航向、建立盲降等共33个指令。

五. 结语

本文就目前空管管制模拟机培训中人工机长存在的问题进入了深入分析，在此基础上，提出了一种替代目前人工模拟机机长的智能语音处理系统设计方案，并对系统实现的关键技术进行了研究分析。分析表明，智能模拟机机长系统能够带来更真实的模拟机培训效果，极大地降低人力成本，提升培训质量，具有广阔的应用前景和推广价值。