一种增强地空通话管制员情景意识感知的方法与装置与流程
本发明涉及空中交通管制领域，特别涉及一种增强地空通话管制员情景意识感知的方法与装置。
背景技术：
现有空管指挥模式是一种人在回路的模式，即管制员根据空管自动化系统(atc)提供的融合监视信息、飞行计划、气象信息等的实时空情态势，依靠地空vhf电台以语音对话方式进行指挥控制。
空管自动化系统提供的空情态势显示为二维方式，在航路/航线图上显示航班的位置，以数据标牌方式显示航班号、高度、速度等文字信息。这需要管制员在大脑中形成四维(三维位置+时间)航空器动态来判断安全间隔是否可控以及为保持安全间隔需要发布的各种调控指令，以地空vhf电台通话形式下达管制指令，并通过监听飞行员的复诵来确认飞行员是否准确无误理解指令。
现有技术中，罗德施瓦茨公司生产了一种空中交通管制的数字式测向机—
但是，采用无线电测向的方式获取正在通话的航班信息，需要布设三台以上的数字式测向机，才能定位无线电的方向，并且还需要配套的服务器、显示单元和局域网，购买并维护该系统，价格不菲，成本较高。另外，在高空空域，航班之间间隔20公里以上，该系统的定位是较为准确的，但是在低空空域，各航班之间距离较近，现有的数字式测向机对航班的准确定向会存在误差，可靠性不高。
技术实现要素：
为增强管制员地空通话时的态势情景感知能力，给管制员实时提供正在通话航班的提醒，并且克服上述技术中的不足，本发明设计了基于空管语音识别的增强地空通话管制员情景意识感知的一种方法与装置，充分利用现有的地空通信设施，减少建设成本，提高空管安全水平与管制效率。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种增强地空通话管制员情景意识感知的方法，步骤包括：
获取受管制航班列表，受管制航班列表包括管制扇区内的受管航空器的航班号；
当管制员上行通话或飞行员下行通话时，按照计算周期采集通话语音，并且将采集到的通话语音累积为语音流；
按照计算周期将语音流转换为文本信息；
提取文本信息中的数字文本，并转换为实时通话航班号；
当受管制航班列表中存在实时通话航班号时，输出包括实时通话航班号的提醒信息。
本发明方法的步骤还包括：
当管制员上行通话结束时或者飞行员下行通话结束时，将整段语音转换为整段本文信息；
提取整段本文信息中的数字，并转换为通话航班号；
当受管制航班列表中存在通话航班号时，输出包括通话航班号的提醒信息。
作为一种优选方案，提取文本信息中的数字文本，并转换为实时通话航班号步骤包括：
提取数字文本前的字符，在预设的航空公司呼号对应表中，查找出数字文本前的字符对应的航空公司呼号；
根据预设的航班编号中的数字与呼叫数字的对应表，将数字文本转换为航班数字编号；
将查找到的航空公司呼号与航班数字编号组合成实时通话航班号。
作为一种优选方案，获取受管制航班列表是根据飞行数据生成的，飞行数据包括监视航迹数据、管制扇区配置数据、飞行计划。
作为一种优选方案，计算周期的取值范围为20ms≤t≤60ms。
基于相同的构思，本发明还提出了一种增强地空通话管制员情景意识感知的装置，包括：地空通话语音与控制信号接入模块、空管语音识别模块、空管数据处理模块、航班号解析模块、通话航班目标显示模块，其中：
地空通话语音与控制信号接入模块通过空管内话系统实时接收管制员与飞行员之间的上行通话语音或下行通话语音，并将上行通话语音或下行通话语音实时输出到空管语音识别模块；地空通话语音与控制信号接入模块还接收ptt按键状态信息，根据ptt按键状态信息，判断管制员与飞行员之间的通话语音是管制员上行通话或飞行员下行通话；
空管数据处理模块通过空管内话系统接收飞行数据，根据飞行数据生成管制扇区受管制航班列表，并将管制扇区受管制航班列表输出到通话航班目标显示模块，飞行数据包括监视航迹数据、管制扇区配置数据、飞行计划；
空管语音识别模块接收地空通话语音与控制信号接入模块实时输出的上行通话语音或下行通话语音，按照计算周期采集通话语音，并且将采集到的通话语音累积为语音流，按照计算周期将语音流转换为文本信息，并将文本信息输出到航班号解析模块；
航班号解析模块接收空管语音识别模块输出的文本信息，从文本信息中提取出航班号，输出航班号到通话航班目标显示模块，航班号包括航空公司呼号和航班数字编号；
通话航班目标显示模块接收航班号解析模块输出的航班号，并且接收空管数据处理模块输出的管制扇区受管制航班列表，用于在管制扇区受管制航班列表中查找是否有航班号，当查找到航班号时，输出包括航班号的提醒信息。
作为一种优选方案，地空通话语音与控制信号接入模块还接收ptt按键状态信息，根据ptt按键状态信息，判断管制员与飞行员之间的通话语音是管制员上行通话或飞行员下行通话。
作为一种优选方案，空管数据处理模块生成管制扇区受管制航班列表的步骤包括：
对飞行数据进行解码，并提取出航迹号、航班号、位置信息，形成航迹列表；
实时接收现有空管系统的管制扇区配置信息；
根据管制扇区配置信息中管制扇区的物理几何体，在航迹列表中选出受管制航班，生成管制扇区受管制航班列表。
作为一种优选方案，航班号解析模块根据预先存储的航空公司呼号对应表、航班编号中的数字与呼叫数字的对应表、航班号中的字母与呼叫单词的对应表和本管制单位名称与呼号简称的对应表，从文本信息中提取出航班号，步骤包括：
将航空公司呼号对应表中的航空公司呼号作为关键字，依次查找文本信息中是否有匹配的航空公司呼号，当查询到文本信息中有匹配的航空公司呼号时，将存储匹配的航空公司呼号；
提取出文本信息中匹配的航空公司呼号后面的数字，存储匹配的航空公司呼号后面的数字；
将匹配的航空公司呼号和匹配的航空公司呼号后面的数字转换为飞行计划中的航班号形式。
本发明还提出了一种增强地空通话管制员情景意识感知的电子设备，包括：电源、处理器，存储器、内置显示器、声音采集卡和外部接口，其中，
电源用于为电子设备供电；
处理器执行上述任一方法；
存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述任一方法；
内置显示器用于显示地图、航迹目标及实时通话航班号的提醒信息；
声音采集卡用于采集输入的地空通话语音；
外部接口与空管内话系统连接，用于获取受管制航班列表。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)采用空管语音识别与语音特征识别技术，对上行通话或下行通话的语音转换为文本，根据文本提取出航班号，并将航班号作为提示信息，实时显示出来，本方法为管制员指挥飞机时的地空通话增强了空情态势感知，可有效防止管制员误发指令，并及时发现飞行员误听误答等情况，提高管制安全水平。
(2)本发明通过向现有系统中接入一种增强地空通话管制员情景意识感知的装置即可达到通过无线电测向的方式提醒航班号的效果，不用额外增加昂贵的通信设备，不用对现有通信系统及空管系统做大量改造，成本低。
(3)本发明方法和装置的使用，在低空空域，仍能准确实现以醒目方式提醒正在通话中的航班号，在低空空域优于现有的技术方案。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种增强地空通话管制员情景意识感知的方法的流程图；
图2为本发明实施例1中一种增强地空通话管制员情景意识感知的方法的流程图的逻辑处理流程图；
图3为本发明实施例1中装置功能模块组成示意图；
图4为本发明实施例1中装置的结构示意图；
图5为本发明实施例1中增强态势感知的显示示意图；
图6为本发明实施例1中受管制航班列表组成示意图；
图7本发明实施例1中航班末位数字替换表。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本发明的目的是设计一种基于空管语音识别来增强地空通话管制员情景意识感知的方法，采用空管语音识别技术持续识别管制员上行通话和飞行员下行通话对应的航班号，只要识别出对应航班号而不用等待对话完毕就以醒目方式显示来提醒管制员当前正在通话的航班，避免出现通话误听误答等情况，方法流程如图1所示。本实施例中，详细的一种增强地空通话管制员情景意识感知的方法的流程图的逻辑处理流程图如图2所示，主要过程为：
步骤1:空管数据接收：循环接收空管指挥所需的实时监视航迹、飞行计划和空管语音数据，如果是监视航迹和飞行计划数据，则转步骤2处理，如果为空管语音数据则转步骤3处理。
步骤2:空管监视航迹和计划处理：对接收到的监视航迹和飞行计划，结合管制扇区的配置，进行综合处理，更新本管制扇区的受管航空器列表，受管制航班列表组成示意图如图6所示。转步骤1。
步骤3:空管通话语音属性判断：判断接收到的空管语音数据的通话属性，如为管制员通话则转步骤4处理，否则转步骤5处理。
步骤4：管制上行通话语音识别处理：对持续收到管制员通话语音累计进行语音识别，只要识别出文本中包含航班号，则转步骤6处理；如果检测到管制员通话结束，则将整句管制员通话进行语音识别，若识别出的文本中包括航班号，则转步骤6处理，否则转步骤1。
步骤5:飞行员下行通话语音识别处理：对持续收到飞行员通话语音累计进行语音识别，只要识别出的文本中包含航班号，则转步骤6处理；如果检测到飞行员通话结束，则将整句飞行员通话进行语音识别，若识别出的文本中包括航班号，则转步骤6处理，否则转步骤1。
步骤6:当前通话航班显示：对识别出的航班号，在本管制扇区的受管航迹列表中查找，如果存在，则以醒目的方式显示，提醒管制员注意。转步骤1。
本发明的系统功能模块组成如图3所示。各模块组成、详细处理方式如下：
1、地空通话语音与控制信号接入模块101：通过空管内话系统实时接入管制员与飞行员之间的上行与下行通话语音，并接收通话手柄ptt(pushtotalk)按键通断状态信号用于区分上行与下行语音的起止时间。包括如下处理过程：
1.1语音数据录取：空管语音数据为模拟音频信号，采用计算机自带的声卡line-in或外置声卡方式录取，设置为16000bps(适应性参数)采样率，16位(适应性参数)量化音频信号。
1.2地空通话控制信号接收：地空通话一般采用甚高频(vhf)电台，是一种半双工通信模式，采用e&m第5类控制信令来控制上下行通话，在空管系统中管制员利用空管内话终端通过内话服务器与外部电台通信。如图3所示，当管制员需要通话时，按下地空通话手柄的ptt按键，通话完毕松开按键。ptt按键信号线是一个物理开关，按下则与信号地短接，松开则与信号地开路，ptt按键信号线开路时维持3v-5v电平。为避免影响正常的通信控制，本方案采用光电耦合方式以获取该通断信号，如为低电平(按下)，则判断为管制员通话，如为高电平(松开)则管制员通话结束(未通话)，其它情况为飞行员通话。
1.3语音数据输出：录取语音数据达到设置的缓冲区长度(10～40毫秒，即160～640个采样值，适应性参数)则将该数据通过网络或者共享内存等方式发送给空管语音识别模块103和空管数据处理模块102进行处理。
2、空管数据处理模块102：接收现有空管系统输出的监视航迹数据和管制扇区配置数据、地空通话语音与控制信号接入模块101输出的空管语音数据，综合处理形成管制扇区受管制航班列表，用于后续处理。包括：
2.1监视航迹数据处理：实时接收现有空管系统的综合航迹输出(一般为4～12秒的更新周期)，并按asterixcat62格式进行解码，将航迹号、航班号、位置等信息提取出来，形成航迹列表并实时更新。
2.2管制扇区配置信息处理：通过网络实时接收现有空管系统的管制扇区配置信息，用于后续处理。
2.3受管制航班列表生成：根据2.2的管制扇区配置信息中的当前管制扇区的物理几何体(水平位置上的多边形加上高度上下限构成)将2.1的航迹列表中属于本管制扇区的航迹筛选出来形成受管制航班列表，并以图7所示的数据列表形式存储。
2.4受管制航班列表更新与维护：当收到新的监视航迹数据时或者管制扇区配置信息变化时，则更新受管制航班列表。并定期(1秒,适应性参数)检查受管制航班列表中的数据是否超过系统设置的数据存活时间(2～3个监视航迹更新周期，适应性参数)，如超过则从列表中移除。
3、空管语音识别模块103：对持续接收到的管制员上行通话语音和飞行员下行通话语音累积进行空管语音识别，当识别到三位或者四位数字时，立即将识别出来的三位或者四位数字发送到航班号解析模块进行航班号解析处理。在收到通话语音结束标志时，空管语音识别模块重新对整句通话进行空管语音识别，提取出数字信息发送到航班号解析模块进行航班号解析处理，并将相关结果送其他模块处理。根据接收到的地空通话控制信号，分管制员上行通话和飞行员下行通话两种情况分别处理。具体描述如下：
3.1管制员上行通话处理：根据ptt(pushtotalk)按键状态确定为管制员通话，实时接收录取地空通话语音流，为了保证处理的实时性，增量式将录取的语音数据送空管语音识别引擎，并按以下两种情况处理：
3.1.1持续通话中：管制员端ptt按键保持按下状态，空管语音识别引擎将从ptt按下时开始按照设定的计算周期(优选为30ms一帧，计算周期的取值范围为20ms≤t≤60ms)接收语音信息，并将语音进行累积，累积形成音频流，空管语音识别引擎实时对音频流进行语音识别，将识别出的文本发送到航班号解析模块104处理。特别地，空管语音识别引擎对累积的音频流进行语音转文字的识别时，当识别出的文本最后是三位或者四位的数字时，立即将包括该数字的文本发送到航班号解析模块104进行航班号解析处理。由于空管领域的特殊性，空管语音识别模块中语音识别出的数字如表1所示。
表1空管语音识别出的数字
3.1.2通话结束：管制员松开ptt按键结束通话时，将录取到的整段语音发送到空管语音识别引擎，空管语音识别引擎将从ptt按下到松开之间收到的语音累积进行语音识别出最终通话内容，并将最终识别出的文本发送到航班号解析模块处理104处理。同时清空本地管制员上行通话语音缓冲区。
3.2飞行员下行通话处理：若管制员端没有按下ptt按键情况，采用音量大小阈值(适应性参数，可设置)和静音持续时间(适应性参数，可设置)检测通话开始与结束时间，实时录取地空通话语音流，为了保证显示的实时性，增量式将接收到的语音数据送空管语音识别引擎，并按以下两种情况处理：
3.2.1持续通话中：对接收的下行飞行员通话语音流累积进行语音识别，并将识别出的文本发送航班号解析模块104，特别地，空管语音识别引擎对累积的音频流进行语音转文字的识别时，当识别出的文本最后是三位或者四位的数字时，立即将包括该数字的文本发送到航班号解析模块104进行航班号解析处理。
3.2.2通话结束：当录取的语音流中的静音时间达到设定的门限或者管制员端的ptt按键重新按下，则确定飞行员下行通话语音结束，将录取的整段语音发送空管语音语音识别引擎，识别出最终通话内容，并在最终识别文本发送到航班号解析模块104处理。同时清空本地飞行员下行通话语音缓冲区。
4、航班号解析模块104：对持续收到的识别文本按航班呼号关键字匹配并提取其后相应的航班数字编号，转换成有效的航班号(将英文文本或者汉字文本的数字转换成阿拉伯数字)，并与空管数据处理模块102输出的受管制航班列表中的航班号比对后，将结果发送到通话航班目标显示模块105和空管数据处理模块102中。其中，航班计划中的航班号由两部分组成，第一部分国际民航组织(icao)为每个航空公司统一编码的唯一三字码，比如中国国航为“cca”，四川航空为“csc”，第二部分为航班编号，一般由4位数字(国内航班)或3位数字(国际航班)组成。同时根据空管地空通话相关规范，为避免地空通信中引起歧义，在航班号的呼叫过程中的语音对话做特殊规定，一是航空公司呼号是作为地空通话的呼叫名称，比如中国国航的中文呼号为“国航”，英文呼号为“airchina”、成都航空的中文呼号为“锦绣”，英文呼号为“unitedeagle”，并与icao三字码具有一一对应关系。航班编号的中文呼叫中对四个数字做了特殊对应，比如0＝“洞”，1＝“幺”，2＝“两”，7＝“拐”，英文呼叫中对三个数字做了特殊对应，three(3)＝“tree”，five(5)＝“fife”，nine(9)＝“niner”。具体功能描述如下：
4.1初始化：建立以下4个基本数据表：
(1)建立航空公司呼号对应表：包括航空公司名称、icao三字码、中文呼号、英文呼号等数据项；
(2)建立航班编号中的数字与呼叫数字的对应表：中文数字对应关系为：洞＝0，幺＝1，两＝2，三＝3，四＝4，五＝5，六＝6，拐＝7，八＝8，九＝9；英文对应关系为：zero＝0，one＝1，two＝2，tree＝3，four＝4，fife＝5，six＝6，seven＝7，eight＝8，niner＝9；
(3)建立航班号中的字母与呼叫单词的对应表：根据民航相关规定，存在因航班取消等原因需要次日补班的航班号最后一位用字母替代，即取航班号最后一位数字(0-9)按z-q顺序替换为字母，并在呼叫时字母用对应单词表示。对应表包括单词，字母，数字三个数据项。航班号最后一位对应关系见图7所示。
(4)建立本管制单位名称与呼号简称的对应表，包括管制单位名称、中文呼号简称、英文呼号简称三项数据。比如成都区域管制中心简称“成都”和“chengdu”、成都进近管制中心简称“进近”和“approach”、成都双流机场塔台管制中心简称“塔台”和“tower”等。
4.2管制员上行的通话航班号解析：管制员上行通话的呼叫格式为：“航空公司呼号航班编号指令类型指令参数”，如“国航1408下高度4200保持”。
解析方法如下：
4.2.1预处理：对接收到的空管语音识别部分文本，判断是中文还是英文文本，判断规则为如果文本中的字符仅由a-z、空格等组成，则为英文，否则为中文。
4.2.2航班呼号匹配：对接收的文本用4.1(1)中建立的航空公司中文呼号或英文呼号(根据4.2.1的判断结果)作为关键字从左至右扫描，若有匹配的航空公司呼号，则转4.2.3处理，否则返回结果为空。
4.2.3航班编号匹配：对接收的文本从4.2.2匹配的航空公司呼号的下一个字符开始用4.1(2)建立的航班呼叫数字和4.1(3)建立的航班补班呼叫单词作为关键字扫描，将符合条件的文本顺序累积暂存，若扫描的文本不是4.1(2)和4.1(3)中的关键字或文本结束则终止扫描，将结果送4.2.4处理。
4.2.4航班号转换：将上面几个步骤的输出“航班呼号+航班编号呼叫”形式的文本转换为航班计划中的航班号形式，如“国航幺四洞八”转化为“cca1408”。
4.3飞行员下行通话航班号解析：飞行员下行通话的呼叫格式主要分为两种，一是复诵管制员的指令，格式为：“指令类型指令参数航空公司呼号航班编号”，如“下高度4200保持国航1408”；二是主动向管制员报告，格式为：“管制单位简称航空公司呼号航班编号状态报告”，如“成都国航1408高度4800应答机1011听你指挥”。具体转换方式同4.2。
4.4识别航班号与受管制航班列表匹配：识别出航班号与空管数据处理模块102输出的受管制航班列表中的航班号进行比对，并将结果发送到通话航班目标显示模块105和空管数据处理模块102中。
5、通话航班目标显示模块105：接收航班号解析模块104输出的通话中或刚结束通话的航班号、空管数据处理模块102输出的实时航迹数据，以态势地图方式显示当前受管制的航班列表航迹，以醒目方式显示当前正在通话的航班以及当前的通话识别的文本，并保持显示一段时间(适应性参数)，同时提供通话航班号数据输出接口，供集成到其它系统使用。显示示意图如图5所示，具体功能描述如下：
5.1空情态势地图显示：空情态势显示符合管制席位工作要求，显示地图、飞行计划、航迹等，航迹显示由航迹符号、航迹标牌、引线、尾迹、历史轨迹、速度矢量线、航迹圈等元素构成。
5.2管制员上行通话航班号显示：航迹符号向上的箭头表示上行通话，“c”表示管制员。当前正在通话航班的航迹符号闪烁方式显示，并保持至通话结束后适应性时间(默认3秒)，如图5所示的“cca1408”航班。
5.3飞行员下行通话航班号显示：航迹符号向下的箭头表示下行通话，“p”表示飞行员。当前正在通话航班的航迹符号闪烁方式显示，并保持至通话结束后适应性时间(默认3秒)，如图5所示“csc8888”航班。
5.4上下行通话航班号同时显示：如果5.2和5.3显示的适应时间内，则同时叠加显示，如图5所示“ces2826”所示。
5.4地空通话文本显示：以空情态势地图下方显示管制区、扇区，当前地空通话话音对应的文本及当前时间。如图5中，通话文本为“cca1408下高度8100保持”，表示当前管制员正在与航班cca1408上行通话，指令意图为让该航班下降至8100米。
5.5受管制航班列表中地空通话列表更新维护：将接收处理的所有管制员上行语音及语音识别文本按航班号存储在受管制航班列表的管制员通话项中；将接收处理的所有飞行员下行语音及语音识别文本按航班号存储到受管制航班列表的飞行员通话项中。
图4为本发明装置的组成结构示意图，即电子设备301(例如具备程序执行功能的计算机及相关附件)，其硬件组成包括：
(1)至少一个电源302、处理器303，存储器304、内置显示器305、声音采集卡306和外部接口307；
(2)电源302采用内置蓄电池或交流电源适配器，用于为电子设备301提供电能；
(3)处理器303执行空管语音识别、显示等相关应用处理功能；
(4)存储器304存储有可被所述至少一个处理器302执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器302执行，以使所述至少一个处理器302能够执行前述方法；
(5)内置显示器305用于显示地图、航迹目标及空管语音识别相关结果及提示，采用8寸～10寸液晶显示器，也可与外部接口307的usb接口集成使用触摸式液晶显示器；
(6)声音采集卡306用于采集输入的地空通话语音及ptt按键的松开/按下状态(高低电平判断)；
(7)外部接口307为装置提供其他输入输出接口，包括usb接口，用于连接鼠标/键盘等通用设备；网络接口，rj45物理接口形式，用于监视数据和飞行计划等数据的输入；外置显示接口，支持vga/hdmi等接口形式，用于外接显示器使用。
图4是本装置的一个基本组成示意图，根据同时支持空管语音识别通道数以及监视航迹和飞行计划数量的多少，可以通过适当的增加组件或接口数量以及相应处理性能。
本发明实施例所提供的装置为安装于设备上的软件或固件等。本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
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