空中交通管理系統(tǒng)建模與仿真課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

王濤波　王超

[摘 要]目前空中交通管理系統(tǒng)建模與仿真課程存在教學(xué)觀念陳舊、考核方式單一的問(wèn)題。應(yīng)該從課程設(shè)置的目的出發(fā)，通過(guò)空管系統(tǒng)建模與仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，針對(duì)導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)和結(jié)合雷達(dá)模擬機(jī)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)三個(gè)階段，從實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的建議，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程考核改革進(jìn)行分析，并提出新的實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)方法。

[關(guān)鍵詞]空中交通管理；系統(tǒng)建模與仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

[中圖分類號(hào)] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）03-0144-02

空中交通管理系統(tǒng)建模與仿真課程（下稱空管系統(tǒng)建模與仿真課程）是中國(guó)民航大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)的專業(yè)選修課程，通過(guò)對(duì)本門課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解現(xiàn)代建模與仿真技術(shù)的方法和應(yīng)用。本專業(yè)學(xué)生[1]畢業(yè)后基本圍繞民航行業(yè)就業(yè)，包括空中交通管制單位、航空公司運(yùn)行控制部門和機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行部門，這些實(shí)際工作涉及大量的建模仿真的問(wèn)題，比如空域航路航線的調(diào)整，機(jī)場(chǎng)滑行路徑的優(yōu)化等。目前應(yīng)用于空中交通管理的仿真軟件較多，有SIMMOD、TAAM、RAMS等，使用這些軟件建模需要較強(qiáng)的專業(yè)背景，大量的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)等，不適合本科課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。Matlab是一種高級(jí)的編程語(yǔ)言，函數(shù)多且可直接調(diào)用，因此選用Matlab作為本門課程的仿真工具。

卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和研究能力?？展芟到y(tǒng)建模與仿真課程以建模求解和仿真實(shí)踐為手段，旨在使學(xué)生能夠結(jié)合實(shí)際空管中的典型問(wèn)題進(jìn)行建模與仿真實(shí)踐，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

一、目前存在的問(wèn)題

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、課時(shí)不足等諸多限制因素，目前空管系統(tǒng)建模與仿真課程存在兩個(gè)問(wèn)題：教學(xué)觀念陳舊，考核方式單一。

實(shí)驗(yàn)課程以教師講授為中心，教學(xué)主要強(qiáng)調(diào)仿真理論、Matlab語(yǔ)言入門知識(shí)等。這種教學(xué)方式不僅浪費(fèi)了有限的課程時(shí)間，而且極大地束縛了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

現(xiàn)階段本課程采用以期末實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主的考核方式，可選擇的實(shí)驗(yàn)課題數(shù)目較少，缺乏對(duì)學(xué)生自身實(shí)踐能力的考核。在這種考核機(jī)制下，很多學(xué)生上課不積極主動(dòng)，考試“臨時(shí)抱佛腳”的情況并不少見。

二、實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該具有引導(dǎo)性、可操作性和提高性。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的基礎(chǔ)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容分成導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)和結(jié)合雷達(dá)模擬機(jī)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)三部分。

（一）導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生開始學(xué)習(xí)的第一階段，因此案例選擇以趣味性為主。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行更改，用符號(hào)“->-”表示飛機(jī)，修改成出交叉航路上按相同間隔排列的飛機(jī)水平視角圖，如圖1。

（二）計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)階段要選用可操作性的案例，保證學(xué)生能夠完成實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)習(xí)的信心?？展芟到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要設(shè)計(jì)多個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，如離散事件建模仿真、連續(xù)系統(tǒng)建模仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等。

離散事件是由事件驅(qū)動(dòng)的，在建模與仿真的設(shè)計(jì)中，先以生活中常見的超市收銀臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)入手；然后在超市收銀臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入機(jī)場(chǎng)單跑道起飛系統(tǒng)，將跑道看作特殊的服務(wù)臺(tái)；為簡(jiǎn)化空管模型，飛機(jī)的到達(dá)間隔服從負(fù)指數(shù)分布；航班起飛后，連續(xù)起飛的飛機(jī)之間增加了2分鐘的放行間隔時(shí)間，具體流程圖見圖2。

連續(xù)系統(tǒng)是按照時(shí)間連續(xù)推進(jìn)的方式進(jìn)行仿真的，在飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡等均可以看作連續(xù)系統(tǒng)。如以機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)為原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)，縱向?yàn)閆軸；已知航空器在t時(shí)刻的位置狀態(tài)（x，y，z），t時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（V，θ，δ），其中V表示航空器的運(yùn)行速度，θ表示航向，δ表示升降率。按照航空器現(xiàn)在的位置狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以預(yù)測(cè)其在t+？薺t時(shí)刻的位置。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，給出同一航空器一組時(shí)間間隔為？薺t的（x，y，z，V，θ，δ），讓學(xué)生根據(jù)前面時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算后面時(shí)刻的位置狀態(tài)，并用已知數(shù)據(jù)更新航空器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。按照不同時(shí)間間隔對(duì)航空器位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算不同時(shí)間間隔在x、y軸的預(yù)測(cè)偏差。

（三）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)

結(jié)合雷達(dá)模擬機(jī)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)學(xué)有余力、對(duì)科研項(xiàng)目感興趣的學(xué)生，要選用有一定難度、與實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合的案例。

Matlab編程語(yǔ)言已應(yīng)用于空中交通管理的各種科研項(xiàng)目中，如飛行沖突、空管數(shù)據(jù)的挖掘分析等。根據(jù)課程內(nèi)容的需要，學(xué)校的雷達(dá)模擬機(jī)已經(jīng)對(duì)智能管制員模塊預(yù)留接口，可以采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)。

三、實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師在備課時(shí)要思考、總結(jié)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決方法。針對(duì)不同階段的教學(xué)課程內(nèi)容，需要選擇不用的教學(xué)方法。

（一）導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)階段

在導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)階段，重點(diǎn)是引起學(xué)生的興趣，因此要采用統(tǒng)一引導(dǎo)，典型示范的教學(xué)方法。主要通過(guò)教師講解，在吸引學(xué)生興趣的條件下，引導(dǎo)學(xué)生思考與之相關(guān)的空中交通管理案例。因此，實(shí)際運(yùn)行的模型抽象十分重要，這個(gè)抽象的過(guò)程就是建模中的基礎(chǔ)。

（二）計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)階段

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)階段設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)較多，針對(duì)Matlab語(yǔ)言涵蓋范圍廣、函數(shù)多等特點(diǎn)，重點(diǎn)教授學(xué)生查看help文檔的方法和技巧，以達(dá)到“授人以魚不如授人以漁”的目的。通過(guò)舉例分析，了解Matlab函數(shù)或工具箱的作用。這一階段可以通過(guò)教師的講授和提問(wèn)來(lái)引發(fā)學(xué)生的思考。

根據(jù)教學(xué)目的的要求，選擇常見的Matlab典型案例，不僅鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)化、抽象建模的過(guò)程進(jìn)行討論和分析，還要鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)編程技巧進(jìn)行交流。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)建模抽象和簡(jiǎn)化過(guò)程的理解，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

（三）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)階段

此階段，學(xué)生要針對(duì)空中交通管理的實(shí)際問(wèn)題，提出解決方案并加以實(shí)施，因此要采用合作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。教師在這一階段要從建模開始全程注意觀察學(xué)生團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)。完成實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的概括、評(píng)價(jià)和總結(jié)。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核

以往課程最后采用期末大作業(yè)的考核方式，使有些學(xué)生容易渾水摸魚。因此，針對(duì)本課程的內(nèi)容和性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有必做、選做、自選三種，其中必做題目是學(xué)生獨(dú)立完成的實(shí)驗(yàn)；對(duì)選做題目或自選題目，學(xué)生可以根據(jù)興趣自由選擇實(shí)驗(yàn)。本題目允許學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、合作完成。

分組實(shí)驗(yàn)的好處是可以讓學(xué)生的興趣得到發(fā)揮，體會(huì)到團(tuán)隊(duì)的合作，但是也有不足。因此在最后的評(píng)價(jià)中要有學(xué)生的自我評(píng)價(jià)和對(duì)本組其他學(xué)生的評(píng)價(jià)。成績(jī)?cè)u(píng)定后，教師根據(jù)這四個(gè)部分的成績(jī)，以優(yōu)、良、中、差給出學(xué)生的成績(jī)等級(jí)。

五、結(jié)束語(yǔ)

目前空管系統(tǒng)建模與仿真課程存在教學(xué)觀念陳舊、考核方式單一的問(wèn)題。本文對(duì)中國(guó)民航大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)本科空管系統(tǒng)建模與仿真課程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討。針對(duì)導(dǎo)入性實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)和結(jié)合雷達(dá)模擬機(jī)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)三個(gè)階段，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面對(duì)其進(jìn)行了分析，最后提出新的實(shí)驗(yàn)課程考核評(píng)價(jià)方法。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[3] 周律，周克寧.“卓越計(jì)劃”專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室功能定位及實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（12）.

[4] 吳鵬.MATLAB高校編程技巧與應(yīng)用：25個(gè)案例分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[5] 劉飛.Petri網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（12）.

[6] 王濤波，黃寶軍.基于改進(jìn)卡爾曼濾波的四維飛行航跡預(yù)測(cè)模型[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014（6）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]