CN114860862A

CN114860862A - 一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法

Info

Publication number: CN114860862A
Application number: CN202210616531.8A
Authority: CN
Inventors: 孔纬国; 李鑫; 王宏峰
Original assignee: Shanghai Mt Networks Co ltd
Current assignee: Shanghai Mt Networks Co ltd
Priority date: 2022-06-01
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2042-06-01
Also published as: CN114860862B

Abstract

本发明公开了一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，包括以下步骤：根据实际机场建设图和NAIP数据，构建机场有向节点数字地图；接入管制语音信号，进行语音识别，获取管制指令意图；利用定制的寻路算法进行全局路径规划，生成飞机滑行路径。本发明可以根据机场实时管制语音生成飞机滑行路径，提前了解飞机的运行状况，进行跑道冲突、机坪冲突的预判告警，减少运行冲突事件的发生，提高机场运行效率，提升管制安全水平。

Description

一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法

技术领域

本发明属于机场路径规划技术领域，尤其涉及一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法。

背景技术

狄克斯特拉算法（Dijkstra算法）是典型的最短路径规划算法，其最早是由荷兰计算机科学家狄克斯特拉于1959年提出的，该算法解决的是有权图中的最短路径问题，主要特点是从起始点开始，采用贪心的策略，每次遍历距离开始点最近且未访问过的邻接节点，直到扩展到终点为止。传统的路径规划算法往往都是根据节点间关系进行路径搜索的，其拥有明确的开始节点和目标节点。然而在机场管制中，获得的管制指令意图是基于业务的道路名称，一条道路都是由多个节点构成的“线段”；并没有明确的目标节点；同时，代价计算的影响因素复杂，不仅是路径最短，还涉及飞机元素与道路限制条件（机型限制、方向限制、速度限制、宽度限制、道路是否开放）的匹配程度。

所以，本单位发明人基于Dijkstra算法，建立了一种适用于机场路径规划的特定寻路算法，即一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明旨在构建一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，该方法基于管制指令意图，能够实时、准确地生成飞机滑行路径，提高机场场面运行的安全性。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，包括以下步骤：

S1：根据实际机场建设图和《中国民航国内航空资料汇编》数据即NAIP数据，构建机场有向节点数字地图；

具体方法为：

S1.1：提取机场建设图与NAIP数据完善地理信息系统即GIS系统；

S1.2：基于GIS系统编辑构建机场有向节点数字地图；

S2：接入管制语音信号，进行语音识别，获取管制指令意图；

S3：利用定制的寻路算法进行全局路径规划，生成飞机滑行路径；

其过程包含以下步骤：

S3.1：读取机场有向节点数字地图，选取道路相交点作为目标节点，得到了含有多组目标节点的目标节点池；

S3.2：应用定制的寻路算法进行分段路径的规划，得到多段路径池；

代价计算的影响因素不仅是路径最短，还涉及飞机元素与道路限制条件（包含机型限制、方向限制、速度限制、宽度限制、道路是否开放）的匹配程度；

所述定制的寻路算法为：先采用dijkstra算法计算目标节点池中某一起始节点到目标节点的最小代价路径，然后对飞机元素与道路限制条件的匹配程度进行判断，若不匹配，则代价为无穷大；

通过定制的寻路算法，进行分段路径的规划，遍历目标节点池进行代价计算，得到多段路径池；

在此过程中，对于第一组目标节点，其开始节点由后台传给算法；对于第二组及之后的目标节点，其开始节点为上段路径中的最后一个节点；

S3.3：拼接优化分段路径生成飞机滑行路径。

所述步骤S1.1提取机场建设图与NAIP数据完善地理信息系统即GIS系统，其实现方法是：提取机场建设图中的机场道路和内部建筑的轮廓形状，通过两个定位点将其覆盖到GIS系统的可视化地图上；提取NAIP数据中的停机位数据，包括停机位编号和经纬度坐标，并存入GIS系统的数据库中。

所述步骤S1.2基于GIS系统编辑构建机场有向节点数字地图，其实现方法是：通过GIS可视化地图，人工将机场建设图中的跑道、停机位、衔接跑道与停机位的滑行道，描绘成由线和点组成的几何网络图；同时，将与几何网络图对应的相关数据包括节点信息、边信息、道路信息、规则信息、道路-边关联信息，自动存入GIS数据库。

所述步骤S2接入管制语音信号，进行语音识别，获取管制指令意图，其过程主要包含以下步骤：

S2.1：获取实时的管制语音信号；

S2.2：利用语音识别引擎获得管制语音信号对应的文字表达；

实时的管制语音信号通过快速傅里叶变换进行语音切分，得到处理后的有效音频片段，再将有效音频片段输入语音识别引擎，输出文字识别结果；

S2.3：解析文字表达获得管制指令意图；

首先，根据预先建立的字典，将管制语音信号对应的文字表达即指令文本进行文字切换，转换为字典中相应的规范表达；然后，按照预先设置的正则表达式提取规则对指令文本中各组成单元进行匹配，匹配成功后做相应的规范化转换；最后在指令文本的各组成单元间以空格隔开，形成规范化的意图序列。

所述步骤S3.3拼接优化分段路径生成飞机滑行路径，需经过三步处理：

（1）选择衔接节点；

第一段路径的实际目标节点，也是后一段路径的开始节点；

（2）选择结束节点，即最终滑行路径的最后一个点；

此处主要根据实际业务情况进行确定；

（3）去除重复节点；

前一段路径的目标节点是后一段路径的开始节点，拼接多段路径时需要进行去重操作。

本发明具有以下有益效果：

由于飞机航班的增多和机场的扩建，机场地面滑行道路日趋复杂，同时由于培训时间和资源的缺乏，新进管制人员往往经验不足。航空器的频繁起降，地面滑行路径的复杂，管制人员高强度的脑力劳动，会导致当前以管制员主观为主的决策失误频发，极易发生场面安全事故。

本发明根据机场实际滑行路径构建有向节点数字地图，基于管制语音提取的指令意图，通过定制的寻路算法生成飞机滑行路径，能够实时、清晰、准确地显示航空器在管制整体阶段中所处的进度。对于管制员的培训来说，可以通过电脑、pad进行云练习，大大减少了对于传统培训机器的依赖；对于实际管制现场来说，不仅可以使得管制员有全局的把控，降低管制失误的几率，而且可以用于跑道冲突、机坪冲突的预判告警，减少运行冲突事件的发生，提高机场运行效率，提升管制安全水平。

附图说明

图1是本发明基于管制指令意图生成机场地面飞机滑行路径的整体流程示意图；

图2是本发明构建机场有向节点数字地图的流程示意图；

图3是本发明获取管制指令意图的流程示意图；

图4是本发明某个机场道路结构几何网络示意图；

图5是本发明利用定制的寻路算法进行全局路径规划，生成飞机滑行路径的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作清楚完整的说明。实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，包括以下步骤：

S3：利用定制的寻路算法进行全局路径规划，生成飞机滑行路径。

图2为是本发明构建机场有向节点数字地图的流程示意图；如图2所示，本发明步骤S1的具体实现方法为：

将机场建设图的背景透明化，并去掉标注的无用说明，只保留机场道路和内部建筑的轮廓形状，通过两个定位点将其覆盖到GIS系统的可视化地图上；NAIP数据主要为停机位数据，包括停机位的编号和基于WGS-84的经纬度坐标，将其提取并存入GIS系统的数据库中。

：基于GIS系统编辑构建机场有向节点数字地图；

机场场面运行系统中包括跑道、停机位、衔接跑道与停机位的滑行道，需要将它们抽象成由线和点组成的几何网络图。具体操作主要通过GIS可视化地图，手动将飞机运行道路用线标出，并将道路相交点标出作为节点。同时GIS系统会自动将节点信息（名称、经纬度坐标、所属机场）、边信息（边名称、起始点名称、终止点名称、所属机场）、道路信息（唯一id、道路名称、所属机场）、规则信息（机型限制、方向限制、速度限制、宽度限制）、道路-边关联信息等存入数据库。

图3是本发明获取管制指令意图的流程示意图；如图3所示，本发明步骤S2获取管制指令意图的过程主要包含以下步骤：

S2.1：获取实时的管制语音信号：待识别的语音信号将以实时语音流的形式进行读取。实时语音流是指通过声卡等设备将模拟音频信号转化为数字信息，数字信号为连续的字节串16bit 16kHz PCM格式。

：利用语音识别引擎获得管制语音信号对应的文字表达：实时的管制语音信号通过快速傅里叶变换进行语音切分，得到处理后的有效音频片段，再将有效音频片段输入语音识别引擎，输出文字识别结果。

：解析文字表达获得管制指令意图：语音识别得到的文本只是语音指令的机器表达，对于指令的实际意图展示不够清晰，为此需要对指令意图进行规范化提取：首先，根据预先建立的字典，将管制语音信号对应的文字表达即指令文本进行文字切换，转换为字典中相应的规范表达；然后，按照预先设置的正则表达式提取规则对指令文本中各组成单元进行匹配，匹配成功后做相应的规范化转换；最后在指令文本的各组成单元间以空格隔开，形成规范化的意图序列。如：文字表达“海南拐两洞八 WHISKEY 五加入 TANGO 四 ECHO 前等待”，意图规范化提取后变为“CHH7208 W5 加入 T4 E前等待”。

图5是本发明利用定制的寻路算法进行全局路径规划，生成飞机滑行路径的流程示意图。如图所示，本发明步骤S3利用寻路算法进行全局路径规划，生成飞机滑行路径，其过程包含以下步骤：

传统的路径规划算法往往都是根据节点间关系进行路径搜索的，其拥有明确的开始节点和目标节点。然而在机场管制中，获得的管制指令意图是基于业务的道路名称，一条道路都是由两个以上节点组成，并没有明确的目标节点，所以在读取机场有向节点数字地图数据后，需要先根据指管制指令意图将道路相交点选取出来，作为目标节点；

图4是本发明某个机场道路结构几何网络示意图；如对于管制意图“CHH7208 W5加入 T4 E前等待”，如图4所示，选取W5与T4在T4道路上的两个相交节点a、b，选取T4与E在E道路上的两个相交节点c、d，a、b和c、d组成了含有两组目标节点的目标节点池。

：应用定制的寻路算法进行分段路径的规划，得到多段路径池；

S3.3：拼接优化分段路径生成飞机滑行路径；

最终滑行路径的获取还需经过三步处理：（1）选择衔接节点：对于单段路径，其目标节点往往是两个，但通过其后一段路径，可以从这两个节点中选择那个确定点。如管制意图“CHH7208 W5 加入 T4 E前等待”，第一段路径的目标节点为a、b，第二段路径从T4道路至目标节点c、d，那么由此可以确定b才是第一段路径的实际目标节点，也是后一段路径的开始节点；（2）选择结束节点，即最终滑行路径的最后一个点，此处主要根据实际业务情况进行确定。如管制意图“CHH7208 W5 加入 T4 E前等待”，在E前等待，那么c、d都不需要；（3）去除重复节点，前一段路径的目标节点是后一段路径的开始节点，拼接多段路径时需要进行去重操作。

本发明实施例的方法，基于语音识别和意图识别结果，结合改进的路径规划算法，充分利用起管制员语音指令，能够实时生成飞机将要滑行的路径，为机坪冲突、跑道冲突的预判告警提供依据，减少运行冲突事件的发生。

以上显示了本方案优选的实施方式。应当指出，本方案不受上述实施例的限制，任何本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案和发明构思加以等同或近似替换或改变，也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，其特征是，包括以下步骤：

（S1）：根据实际机场建设图和《中国民航国内航空资料汇编》数据即NAIP数据，构建机场有向节点数字地图；具体实现方法为：

（S1.1）：提取机场建设图与NAIP数据完善地理信息系统即GIS系统；

（S1.2）：基于GIS系统编辑构建机场有向节点数字地图；

（S2）：接入管制语音信号，进行语音识别，获取管制指令意图；

（ S3）：利用定制的寻路算法进行全局路径规划，生成飞机滑行路径；其过程包含以下步骤：

（S3.1）：读取机场有向节点数字地图，选取道路相交点作为目标节点，得到了含有多组目标节点的目标节点池；

（S3.2）：应用定制的寻路算法进行分段路径的规划，得到多段路径池；

（S3.3）：拼接优化分段路径生成飞机滑行路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，其特征是，所述步骤（S1.1）的实现方法是：提取机场建设图中的机场道路和内部建筑的轮廓形状，通过两个定位点将其覆盖到GIS系统的可视化地图上；提取NAIP数据中的停机位数据，包括停机位编号和经纬度坐标，并存入GIS系统的数据库中。

3.根据权利要求1所述的一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，其特征是，所述步骤（S1.2）的实现方法是：通过GIS可视化地图，人工将机场建设图中的跑道、停机位、衔接跑道与停机位的滑行道，描绘成由线和点组成的几何网络图；同时，将与几何网络图对应的相关数据包括节点信息、边信息、道路信息、规则信息、道路-边关联信息，自动存入GIS数据库。

4.根据权利要求1所述的一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，其特征是，所述步骤（S2）的过程主要包含以下步骤：

（S2.1）：获取实时的管制语音信号；

（S2.2）：利用语音识别引擎获得管制语音信号对应的文字表达；

（S2.3）：解析文字表达获得管制指令意图；

5.根据权利要求1所述的一种基于管制指令意图的机场地面飞机滑行路径生成方法，其特征是，所述步骤（S3.3）拼接优化分段路径生成飞机滑行路径，需经过三步处理：

（1）选择衔接节点；

（2）选择结束节点，即最终滑行路径的最后一个点；

（3）去除重复节点。