基于语音信息分析的管制员负荷评估方法

王旋 王森 王晨旭 赵天宇

摘 要：管制员工作负荷决定着飞行安全和效率，当管制员的工作负荷饱和或者超饱和时，就容易出现人为差错，造成不安全事故发生。为了保证空中交通安全有效运行，急需对管制员工作进行量化和分析，评估管制员工作负荷，对管制员工作进行监控和预警。文章首先论述了管制负荷评估的背景，详细介绍了端点检测方法对管制员语音通话数据获取，对某塔台管制员工作语音进行分析，判断管制语音数据与管制员工作负荷的相关性，为管制员工作负荷的评估提供参考。

关键词：空中交通管理；空中交通管制员；工作负荷；语音处理

中图分类号：V355 文献标志码：A 文章编号：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

随着航空技术的不断发展，我国已经成为了世界民航业仅次于美国的第二个民航大国，不断趋于饱和的空域容量所带来的安全隐患和运行效率影响是如今空中交通发展所面临的最大挑战。对管制员的工作负荷进行评估，并做出调整，对管制员身心健康和空中交通拥堵的缓解具有重要意义。

对管制员的工作负荷评估，有英国的“DORATASK”法和德国的“MBB”法，都是对管制员的客观工作进行分类，通过管制指令时间来评估管制员的工作负荷。R.A. Reaux和V.J.Gawron 等人[1]指出管制员工作负荷还包括除肉眼可见的负荷以外其他的工作负荷，并提出了对应的负荷测量方法。2016年，孙瑞山[2]等对陆空通话音频文件进行处理，并结合NASA-TLX量表的自评值，分析管制员的疲劳状况。本文采用端点检测技术处理某机场塔台管制录音，获取到管制工作的语音时长，通话次数，通话饱和度等能反应工作负荷的特征参量，并对特征参量进行方差同质性检验及S-N-K比较分析，得出管制员工作负荷与管制员话音之间的联系。

1 管制语音信号分析

1.1 语音信号预处理

对管制员语音数据进行分析，首先需要提取出表征语音本质的参数，之后对特征参数进行有效处理。高质量的语音数据的分析、特征参数的提取为语音信号处理的基础，具有重要地位。

要想获得语音信号特征参数，首先必须对语音信号进行分帧处理，对于长为N的语音信号按下式分帧：

1.2 短时能量

语音信号的能量随时间变化而变化的重要参数，一般清音部分的能量比浊音部分的能量小。信号的短时能量分析给出了反应这些幅度变化的一个合适的描述方法。对于信号x（n），第n帧语音信号的短时能量定义如下：

1.3 噪声估计及阈值

在处理语音数据时，首先利用前部前导无话段估计噪声特性，然后根据噪声特性设定能量阈值T1、T2，阈值的设定随噪声特性而变动，由于管制员工作环境单一，其门限值可看作为定值，通过能量阈值对管制员通话语音信息进行双门限检测。

2 语音端点检测方法

语音端点的检测是指从包含语音的一段信号中确定出起始点和结束点。本文采用基于短时能量的单参数双门限的检测方法[3]进行端点检测，双门限法是指利用两级判决判定声音的起始点位置。在声音信号的短时能量包络线上选取一个较高阈值（门限）T2进行一次粗判，能量高于T2的是声音，起始点位置应在该阈值与短时能量包络交点的时间点之外。在平均能量上确定一个较低的阈值T1，并向两端往外搜索，分别找到短时能量包络与阈值T1相交的两点，为一级判决所判定的声音段的起止点位置。再以短時平均过零率为准，从一级判定的两点向两端搜索，找到短时平均过零率低于某个阈值T3的两点，这便是第二级判定的声音段的起止点。分析声音的短时平均过零率，有别于语音信号，噪音和敲击声音的过零率分辨不是特别明显。因此，在数据处理过程中选择了基于短时平均能量的单参数双门限判定方法。图1为基于短时能量的双门限判定流程图。

3 算例分析

基于上文的端点检测算法，对某塔台语音通话数据进行Matlab 仿真处理，以三分钟为一阶段，提取三分钟的塔台语音数据，进行程序代码运行，得到其语音波形图及通话频次通话饱和度，通话时长等参数，进行管制员负荷评估图2为某一时段某塔台语音运行结果。

在实际处理中，通过航班时刻表选取六天中相同的三个不同繁忙程度的时段进行数据分析，语音通话数据统计结果如表1所示。

对三类任务难度对应通话次数、时长、饱和度分别进行方差同质性检验，各参数三类方差齐次（P>0.05），满足方差分析条件。

使用 S-N-K 法对各组通话次数进行两两比较，结果见下表2，三组通话次数两两之间均存在显著差异，结合均值图可得结论：工作负荷越大，被试每分钟内通话次数越多。

用类似的方法分析得出结论：即工作负荷越大，被试管制员每分钟内通话时长越长，通话饱和度越大。

4 结束语

管制员的语音指令极其复杂，如何有效提取语音数据是对管制员的工作负荷进行评估的基础，本文通过端点检测方法对管制员语音数据进行处理，提取出了管制员的通话次数，通话时长，并对不同工作时段的数据进行方差同质性检验，通过这个方法可以评估任意扇区、时段管制员工作负荷的大小，通过分析可知，当管制员的通话次数和通话时间增加时，管制员的工作负荷也随之增加，二者具有较大相关性。

参考文献：

[1]Gawron V J. Human performance measures handbook[M].Human Performance Measures Handbook. Lawrence Erlbaum Associates， 2000.

[2]孙瑞山，马广福，袁乐平.语音反应时特性的管制员疲劳风险分析[J].中国安全科学学报，2016，26（12）：7-12.

[3]薛胜尧.基于改进型双门限语音端点检测算法的研究[J].电子设计工程，2015，23（4）：78-81.

[4]邹 .SPSS软件单因素方差分析的应用[J].价值工程，2016，35（34）：219-222.