基于語音信息分析的管制員負(fù)荷評(píng)估方法

王旋 王森 王晨旭 趙天宇

摘 要：管制員工作負(fù)荷決定著飛行安全和效率，當(dāng)管制員的工作負(fù)荷飽和或者超飽和時(shí)，就容易出現(xiàn)人為差錯(cuò)，造成不安全事故發(fā)生。為了保證空中交通安全有效運(yùn)行，急需對(duì)管制員工作進(jìn)行量化和分析，評(píng)估管制員工作負(fù)荷，對(duì)管制員工作進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。文章首先論述了管制負(fù)荷評(píng)估的背景，詳細(xì)介紹了端點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)管制員語音通話數(shù)據(jù)獲取，對(duì)某塔臺(tái)管制員工作語音進(jìn)行分析，判斷管制語音數(shù)據(jù)與管制員工作負(fù)荷的相關(guān)性，為管制員工作負(fù)荷的評(píng)估提供參考。

關(guān)鍵詞：空中交通管理；空中交通管制員；工作負(fù)荷；語音處理

中圖分類號(hào)：V355 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0030-03

Abstract： Controller workload determines flight safety and efficiency. When the workload of controller is saturated or oversaturated， it is easy to cause human error and lead to unsafe accidents. In order to ensure the effective operation of air traffic safety， there is an urgent need to quantify and analyze the work of the controller， assess the workload of the controller， and monitor and early warning the work of the controller. This paper first discusses the background of load control assessment， introduces in detail the method of endpoint detection to acquire voice call data of controller， and analyzes the voice of a tower controller. To judge the correlation between voice control data and controller workload， and to provide a reference for the assessment of controller workload.

Keywords： air traffic management； air traffic controller （ATC）； workload； voice processing

引言

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，我國已經(jīng)成為了世界民航業(yè)僅次于美國的第二個(gè)民航大國，不斷趨于飽和的空域容量所帶來的安全隱患和運(yùn)行效率影響是如今空中交通發(fā)展所面臨的最大挑戰(zhàn)。對(duì)管制員的工作負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估，并做出調(diào)整，對(duì)管制員身心健康和空中交通擁堵的緩解具有重要意義。

對(duì)管制員的工作負(fù)荷評(píng)估，有英國的“DORATASK”法和德國的“MBB”法，都是對(duì)管制員的客觀工作進(jìn)行分類，通過管制指令時(shí)間來評(píng)估管制員的工作負(fù)荷。R.A. Reaux和V.J.Gawron 等人[1]指出管制員工作負(fù)荷還包括除肉眼可見的負(fù)荷以外其他的工作負(fù)荷，并提出了對(duì)應(yīng)的負(fù)荷測(cè)量方法。2016年，孫瑞山[2]等對(duì)陸空通話音頻文件進(jìn)行處理，并結(jié)合NASA-TLX量表的自評(píng)值，分析管制員的疲勞狀況。本文采用端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)處理某機(jī)場塔臺(tái)管制錄音，獲取到管制工作的語音時(shí)長，通話次數(shù)，通話飽和度等能反應(yīng)工作負(fù)荷的特征參量，并對(duì)特征參量進(jìn)行方差同質(zhì)性檢驗(yàn)及S-N-K比較分析，得出管制員工作負(fù)荷與管制員話音之間的聯(lián)系。

1 管制語音信號(hào)分析

1.1 語音信號(hào)預(yù)處理

對(duì)管制員語音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先需要提取出表征語音本質(zhì)的參數(shù)，之后對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行有效處理。高質(zhì)量的語音數(shù)據(jù)的分析、特征參數(shù)的提取為語音信號(hào)處理的基礎(chǔ)，具有重要地位。

要想獲得語音信號(hào)特征參數(shù)，首先必須對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行分幀處理，對(duì)于長為N的語音信號(hào)按下式分幀：

1.2 短時(shí)能量

語音信號(hào)的能量隨時(shí)間變化而變化的重要參數(shù)，一般清音部分的能量比濁音部分的能量小。信號(hào)的短時(shí)能量分析給出了反應(yīng)這些幅度變化的一個(gè)合適的描述方法。對(duì)于信號(hào)x（n），第n幀語音信號(hào)的短時(shí)能量定義如下：

1.3 噪聲估計(jì)及閾值

在處理語音數(shù)據(jù)時(shí)，首先利用前部前導(dǎo)無話段估計(jì)噪聲特性，然后根據(jù)噪聲特性設(shè)定能量閾值T1、T2，閾值的設(shè)定隨噪聲特性而變動(dòng)，由于管制員工作環(huán)境單一，其門限值可看作為定值，通過能量閾值對(duì)管制員通話語音信息進(jìn)行雙門限檢測(cè)。

2 語音端點(diǎn)檢測(cè)方法

語音端點(diǎn)的檢測(cè)是指從包含語音的一段信號(hào)中確定出起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。本文采用基于短時(shí)能量的單參數(shù)雙門限的檢測(cè)方法[3]進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)，雙門限法是指利用兩級(jí)判決判定聲音的起始點(diǎn)位置。在聲音信號(hào)的短時(shí)能量包絡(luò)線上選取一個(gè)較高閾值（門限）T2進(jìn)行一次粗判，能量高于T2的是聲音，起始點(diǎn)位置應(yīng)在該閾值與短時(shí)能量包絡(luò)交點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)之外。在平均能量上確定一個(gè)較低的閾值T1，并向兩端往外搜索，分別找到短時(shí)能量包絡(luò)與閾值T1相交的兩點(diǎn)，為一級(jí)判決所判定的聲音段的起止點(diǎn)位置。再以短時(shí)平均過零率為準(zhǔn)，從一級(jí)判定的兩點(diǎn)向兩端搜索，找到短時(shí)平均過零率低于某個(gè)閾值T3的兩點(diǎn)，這便是第二級(jí)判定的聲音段的起止點(diǎn)。分析聲音的短時(shí)平均過零率，有別于語音信號(hào)，噪音和敲擊聲音的過零率分辨不是特別明顯。因此，在數(shù)據(jù)處理過程中選擇了基于短時(shí)平均能量的單參數(shù)雙門限判定方法。圖1為基于短時(shí)能量的雙門限判定流程圖。

3 算例分析

基于上文的端點(diǎn)檢測(cè)算法，對(duì)某塔臺(tái)語音通話數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab 仿真處理，以三分鐘為一階段，提取三分鐘的塔臺(tái)語音數(shù)據(jù)，進(jìn)行程序代碼運(yùn)行，得到其語音波形圖及通話頻次通話飽和度，通話時(shí)長等參數(shù)，進(jìn)行管制員負(fù)荷評(píng)估圖2為某一時(shí)段某塔臺(tái)語音運(yùn)行結(jié)果。

在實(shí)際處理中，通過航班時(shí)刻表選取六天中相同的三個(gè)不同繁忙程度的時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，語音通話數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

對(duì)三類任務(wù)難度對(duì)應(yīng)通話次數(shù)、時(shí)長、飽和度分別進(jìn)行方差同質(zhì)性檢驗(yàn)，各參數(shù)三類方差齊次（P>0.05），滿足方差分析條件。

使用 S-N-K 法對(duì)各組通話次數(shù)進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果見下表2，三組通話次數(shù)兩兩之間均存在顯著差異，結(jié)合均值圖可得結(jié)論：工作負(fù)荷越大，被試每分鐘內(nèi)通話次數(shù)越多。

用類似的方法分析得出結(jié)論：即工作負(fù)荷越大，被試管制員每分鐘內(nèi)通話時(shí)長越長，通話飽和度越大。

4 結(jié)束語

管制員的語音指令極其復(fù)雜，如何有效提取語音數(shù)據(jù)是對(duì)管制員的工作負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)，本文通過端點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)管制員語音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出了管制員的通話次數(shù)，通話時(shí)長，并對(duì)不同工作時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差同質(zhì)性檢驗(yàn)，通過這個(gè)方法可以評(píng)估任意扇區(qū)、時(shí)段管制員工作負(fù)荷的大小，通過分析可知，當(dāng)管制員的通話次數(shù)和通話時(shí)間增加時(shí)，管制員的工作負(fù)荷也隨之增加，二者具有較大相關(guān)性。

參考文獻(xiàn)：

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