基于语音管制意图的场面风险预警研究应用

黄 琰，陈文秀，王振飞

（1.南京莱斯信息技术股份有限公司，江苏 南京 210000；2.中国民用航空华东地区空中交通管理局，上海 211100）

0 引言

随着民航航班量的持续增长，多跑道运行机场越来越多，机场场面运行复杂度提高，对错跑道、跑道侵入事件发生量成快速增长态势。各地空管、机场将预防跑道侵入事件发生作为机场场面运行安全管理的重中之重［1］，并且在民航局建设“四强空管”的背景下，亟待寻求预防跑道侵入事件发生的有效技防方法。

目前，国内外采用技防手段预防跑道侵入的技术研究及系统应用有很多，例如高级场面活动引导与控制系统（A-SMGCS）［2-3］。但是采用A-SMGCS 系统仅通过航空器位置及运动趋势判断场面运行冲突，该种方法可能存在风险预判不及时等问题。针对以上问题，本文研究基于空中交通管制（ATC）陆空通话语音识别出的结构化的管制意图指令，结合A-SMGCS 系统的监视、飞行计划数据对航空器进近着陆对错跑道、跑道侵入风险进行逻辑判断计算的方法，提前向管制员发出预警提示，最大限度地提前预防因管制员、飞行员“错、忘、漏”发生风险事件。

1 方法设计

利用基于神经网络的深度学习语音识别技术对空管陆空通话语音识别出结构化的管制意图指令［4］，结合A-SMGCS 系统的监视、飞行计划数据对航空器在进近着陆和跑道运行场景进行逻辑判断计算，提前预判因管制员指令逻辑错误/口误、飞行员复诵错误、飞行员操作错误等原因造成对错跑道、跑道侵入等不安全事件，给管制员告警提醒，及时发现和纠正错误。

系统引接塔台管制单位的甚高频语音记录仪的空管语音信号，进入空管语音识别服务器进行空管语音识别，识别出原始语音文本数据、结构化管制意图指令数据等信息，然后输出至A-SMGCS 等场面管理系统，进行管制意图指令与监视、计划数据结合告警逻辑计算处理，在人机界面上显示语音识别及告警信息。

1.1 空管语音识别

空管语音识别是通过智能空管语音识别技术对管制员与飞行员陆空通话语音进行识别形成结构化的管制意图指令信息。要识别的原始空管语音数据可引接塔台管制单位的甚高频语音记录仪的语音数据，实时接入空管语音识别服务器，采用基于神经网络的深度学习语音识别方法，识别形成原始语音文本，然后通过建立管制指令语音语料库、数字语音规则库，识别形成结构化管制意图指令文本信息。

针对塔台管制员对场面运行管制指令的分析，重点识别的有关预防跑道侵入事件发生的关键管制意图指令包括可以盲降、进跑道、可以起飞、可以落地、穿越跑道5 种指令。经过空管语音识别后可形成和输出的空管指令内容包括：原始语音文本、结构化管制意图指令文本、复诵一致性标识等。其中识别出的结构化语音指令样例如表1所示。

表1 结构化管制意图指令信息样例

空管语音识别形成的管制指令数据可通过数据接口输出给A-SMGCS系统，与监视、计划数据结合做相关告警逻辑计算处理。

1.2 管制意图指令与监视、计划数据结合告警逻辑计算

A-SMGCS系统接收空管语音识别模块识别出的结构化管制指令数据后，结合航空器运行航迹、飞行计划等信息，对跑道运行过程中跑道侵入风险进行逻辑判断，及时发现因管制员指令错误、机组误听等造成跑道侵入事件，并在A-SMGCS 态势界面显示预警信息，提示管制员纠正错误，防止跑道侵入事件发生。

1.2.1 进近着陆误切盲降（ILS）航道告警处理

系统具有航空器进近着陆过程中误切盲降（ILS）航道告警处理功能。系统通过管制语音指令识别功能，识别航空器进近着陆过程中切盲降、落地指令，当满足以下条件之一时：

（1）识别的管制员指令中的跑道号信息与ASMGCS 系统中飞行计划信息中的降落跑道不一致；（2）识别的机组复诵指令中的跑道号信息与ASMGCS系统中飞行计划信息中的降落跑道不一致。发出告警提示，A-SMGCS系统发出声光告警，对管制员进行及时提醒，避免航空器落错跑道等不安全事件的发生。

1.2.2 跑道侵入告警处理

经过研究分析跑道侵入发生的原因和过程，跑道侵入发生原因可归纳分为多目标之间冲突、单目标管制语音与航迹/计划不一致等情况。跑道侵入告警计算可分为：（1）多目标冲突告警。多个目标之间的冲突分为以下几种类型。①目标航迹之间的冲突；②一航迹关联的空管语音指令与另一航迹运行态势冲突；③一航迹关联的空管语音指令与另一航迹关联的空管语音指令冲突。其中，类型a已在A-SMGCS 系统中多个目标航迹与航迹之间冲突计算中实现。本文对b，c 类冲突告警逻辑进行创新性逻辑计算阐述，该类冲突告警在下文中简称“语音指令与航迹/语音指令冲突告警”。（2）单目标语音指令与航迹、计划不一致告警，下文中简称“语音指令与航迹/计划不一致告警”。

经过研究分析管制运行场景，以上两大类告警可以根据管制指令不同细分为若干告警类型。跑道侵入告警分类结构如图1所示。

图1 跑道侵入告警分类结构

（1）语音指令与航迹/语音指令冲突告警。

若一语音指令匹配的航迹目标与另一航迹目标运动态势或与另一航迹目标的语音指令存在冲突时，系统发出语音指令与航迹/语音指令冲突告警。以下举例描述冲突逻辑计算。

①落地指令与航迹/语音指令冲突。当系统接收到结构化落地语音指令，且可将该语音指令与降落目标A相匹配时，若目标A对准的该跑道保护区内探测到地面目标B 占用跑道，则系统发出告警；当目标B脱离跑道保护区范围内，该告警解除。目标A对准的该跑道保护区内或附近接收到目标B 已发布穿越跑道、进跑道或起飞语音指令（尚未起飞离地），则系统发出告警。当告警基于的语音指令被取消或自动失效后，系统不再发出告警。

②穿越指令与航迹/语音指令冲突。当系统接收到结构化穿越语音指令，且可将该语音指令与地面目标A 相匹配时，如果A 位于穿越道口范围（可灵活配置）内，该语音指令中描述的跑道上有目标B，若：a. 目标B 已下达起飞指令，且目标A 位于目标B 前方；b.目标B 滑行速度大于系统设置的可变参数，且目标A与B为接近状态。满足以上条件之一，则系统发出告警。

（2）语音指令与航迹/计划不一致告警。

当系统监测到语音指令中携带的跑道/道口与航迹实际正在使用的跑道/道口不一致时，或与飞行计划中计划使用的跑道/道口不一致时，系统发出指令与航迹/计划不一致告警。

①落地指令与航迹/计划不一致告警。当落地指令匹配的空中目标对准的跑道或飞行计划中跑道号与语音指令中携带的跑道名不一致时，系统发出指令与航迹不一致告警。

②进跑道指令与航迹/计划不一致告警。当进跑道指令匹配的目标位于的跑道等待区关联的跑道或飞行计划中跑道号与进跑道语音指令中携带的跑道名不一致时，系统发出指令与航迹不一致告警。

2 语音识别及告警显示

提供语音识别窗口显示识别出的原始语音指令文本信息、结构化语音指令信息。系统人机界面提供综合性的告警提示显示方法，全方位展现告警发生情景、告警发生原因，全面、便捷地提醒管制员关注告警问题和分析原因，为管制员快捷地提前发现风险问题、分析原因、进行纠错处置提供决策工具。当产生告警时，在态势显示界面的航班航迹标牌上显示告警信息，在语言识别窗口同步将导致该告警的空管语音指令高亮变色显示，同时产生告警声音，提醒管制员注意和及时处置，防止不安全事件发生。

3 管制现场验证运行应用

基于空管语音识别的场面管理风险预警方法已在上海浦东塔台管制现场验证运行应用。经过验证运行，与管制员反馈使用体验以及统计分析，较现有依靠航空器位置及运行趋势、电子进程单上人工操作指令结合航空器运行态势等风险判断方法，有以下优点。

3.1 风险预判更加及时，防控关口前移

采用基于管制员语音指令识别的风险逻辑判断方法，可以最及时地获知管制意图以及航空器下一步的运动意图，相对依靠航空器当前位置及运行趋势判断已经或即将发生冲突告警方法，风险预判更加及时，将跑道侵入风险防控关口最大限度前移，大幅提高安全裕度。

3.2 预防“错、忘、漏”，防控更加全面、智能

可以智能地识别出管制员指令与指令/航迹/计划逻辑错误、飞行员复诵错误，提供一道智能安全壁垒。可以解决当前采用电子进程单结合航空器运行态势风险判断方法时，管制员忘记电子进程单状态指令操作造成冲突的安全漏洞，使得风险防控更加智能、全面。

4 结语

本文提出了一种基于空管语音识别的场面管理风险预警方法。针对对错跑道、跑道侵入风险场景，研究提炼出与之相关的5种关键管制指令，并采用基于神经网络的深度学习语音识别技术识别出上述5种结构化的管制意图指令，作为告警逻辑计算的关键基础。创建了与预防进近对错跑道、跑道侵入风险相关一系列告警逻辑计算方法，比较完备、精细化地将识别管制语音意图指令引入应用于预防场面管理风险领域，使得风险预判更加及时，防控关口前移，提供一道智能安全壁垒，使得跑道侵入风险防控更加及时、智能、全面。