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觀念陳舊、考核方式單一的問題。應(yīng)該從課程設(shè)置的目的出發(fā)，通過空管系統(tǒng)建模與仿真實驗教學將課程教學與實驗教學緊密結(jié)合，針對導入性實驗、計算機實驗和結(jié)合雷達模擬機項目實驗三個階段，從實驗的教學內(nèi)容和教學方法進行探討，并提出相應(yīng)的建議，最后對實驗教學的課程考核改革進行分析，并提出新的實驗課程評價方法。

[關(guān)鍵詞]空中交通管理；系統(tǒng)建模與仿真；實驗教學方法

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 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）是中國民航大學交通運輸專業(yè)的專業(yè)選修課程，通過對本門課的學習，學生可以了解現(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、航空公司運行控制部門和機場現(xiàn)場運行部門，這些實際工作涉及大量的建模仿真的問題，比如空域航路航線的調(diào)整，機場滑行路徑的優(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的專業(yè)背景，大量的項目經(jīng)驗等，不適合本科課程的實驗教學要求。Matlab是一種高級的編程語言，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)計劃的重點是培養(yǎng)學生的實踐能力、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踐為手段，旨在使學生能夠結(jié)合實際空管中的典型問題進行建模與仿真實踐，提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

一、目前存在的問題

由于實驗設(shè)備、課時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問題：教學觀念陳舊，考核方式單一。

實驗課程以教師講授為中心，教學主要強調(diào)仿真理論、Matlab語言入門知識等。這種教學方式不僅浪費了有限的課程時間，而且極大地束縛了學生的創(chuàng)新精神。

現(xiàn)階段本課程采用以期末實驗報告為主的考核方式，可選擇的實驗課題數(shù)目較少，缺乏對學生自身實踐能力的考核。在這種考核機制下，很多學生上課不積極主動，考試“臨時抱佛腳”的情況并不少見。

二、實驗的教學內(nèi)容

實驗教學內(nèi)容應(yīng)該具有引導性、可操作性和提高性。根據(jù)教學目標和學生的基礎(chǔ)，整個實驗的教學內(nèi)容分成導入性實驗、計算機實驗和結(jié)合雷達模擬機項目實驗三部分。

（一）導入性實驗

導入性實驗是學生開始學習的第一階段，因此案例選擇以趣味性為主。在此基礎(chǔ)之上進行更改，用符號“->-”表示飛機，修改成出交叉航路上按相同間隔排列的飛機水平視角圖，如圖1。

（二）計算機實驗

計算機實驗階段要選用可操作性的案例，保證學生能夠完成實驗，增加學習的信心?？展芟到y(tǒng)實驗教學需要設(shè)計多個計算機實驗，如離散事件建模仿真、連續(xù)系統(tǒng)建模仿真的設(shè)計與實現(xiàn)等。

離散事件是由事件驅(qū)動的，在建模與仿真的設(shè)計中，先以生活中常見的超市收銀臺服務(wù)系統(tǒng)入手；然后在超市收銀臺服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入機場單跑道起飛系統(tǒng)，將跑道看作特殊的服務(wù)臺；為簡化空管模型，飛機的到達間隔服從負指數(shù)分布；航班起飛后，連續(xù)起飛的飛機之間增加了2分鐘的放行間隔時間，具體流程圖見圖2。

連續(xù)系統(tǒng)是按照時間連續(xù)推進的方式進行仿真的，在飛機運行過程中，其運動軌跡等均可以看作連續(xù)系統(tǒng)。如以機場基準點為原點的空間直角坐標，縱向為Z軸；已知航空器在t時刻的位置狀態(tài)（x，y，z），t時刻的運動狀態(tài)（V，θ，δ），其中V表示航空器的運行速度，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)和運動狀態(tài)可以預(yù)測其在t+？薺t時刻的位置。

在實驗設(shè)計中，給出同一航空器一組時間間隔為？薺t的（x，y，z，V，θ，δ），讓學生根據(jù)前面時刻的運動狀態(tài)計算后面時刻的位置狀態(tài)，并用已知數(shù)據(jù)更新航空器的運動狀態(tài)。按照不同時間間隔對航空器位置進行預(yù)測，計算不同時間間隔在x、y軸的預(yù)測偏差。

（三）項目實驗

結(jié)合雷達模擬機項目實驗主要針對學有余力、對科研項目感興趣的學生，要選用有一定難度、與實際項目結(jié)合的案例。

Matlab編程語言已應(yīng)用于空中交通管理的各種科研項目中，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，學校的雷達模擬機已經(jīng)對智能管制員模塊預(yù)留接口，可以采用Matlab編程實現(xiàn)算法設(shè)計。

三、實驗的教學方法

在實驗教學過程中，教師在備課時要思考、總結(jié)學生在實驗過程中容易出現(xiàn)的問題以及解決方法。針對不同階段的教學課程內(nèi)容，需要選擇不用的教學方法。

（一）導入性實驗階段

在導入性實驗階段，重點是引起學生的興趣，因此要采用統(tǒng)一引導，典型示范的教學方法。主要通過教師講解，在吸引學生興趣的條件下，引導學生思考與之相關(guān)的空中交通管理案例。因此，實際運行的模型抽象十分重要，這個抽象的過程就是建模中的基礎(chǔ)。

（二）計算機實驗階段

計算機實驗階段設(shè)計的實驗較多，針對Matlab語言涵蓋范圍廣、函數(shù)多等特點，重點教授學生查看help文檔的方法和技巧，以達到“授人以魚不如授人以漁”的目的。通過舉例分析，了解Matlab函數(shù)或工具箱的作用。這一階段可以通過教師的講授和提問來引發(fā)學生的思考。

根據(jù)教學目的的要求，選擇常見的Matlab典型案例，不僅鼓勵學生對簡化、抽象建模的過程進行討論和分析，還要鼓勵學生對編程技巧進行交流。重點培養(yǎng)學生對建模抽象和簡化過程的理解，培養(yǎng)學生的團隊合作精神。

（三）項目實驗階段

此階段，學生要針對空中交通管理的實際問題，提出解決方案并加以實施，因此要采用合作的實驗教學方法。教師在這一階段要從建模開始全程注意觀察學生團隊的實驗，及時發(fā)現(xiàn)問題，鼓勵學生主動完成實驗。完成實驗后，要求學生對實驗內(nèi)容進行系統(tǒng)的概括、評價和總結(jié)。

四、實驗教學的考核

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

分組實驗的好處是可以讓學生的興趣得到發(fā)揮，體會到團隊的合作，但是也有不足。因此在最后的評價中要有學生的自我評價和對本組其他學生的評價。成績評定后，教師根據(jù)這四個部分的成績，以優(yōu)、良、中、差給出學生的成績等級。

五、結(jié)束語

目前空管系統(tǒng)建模與仿真課程存在教學觀念陳舊、考核方式單一的問題。本文對中國民航大學交通運輸專業(yè)本科空管系統(tǒng)建模與仿真課程進行了實驗教學的探討。針對導入性實驗、計算機實驗和結(jié)合雷達模擬機項目實驗三個階段，從實驗教學的教學內(nèi)容和教學方法方面對其進行了分析，最后提出新的實驗課程考核評價方法。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王超，徐肖豪.國內(nèi)外空中交通管制專業(yè)教育的比較分析[J].大學教育，2015（2）.

[2] 周偉.終端區(qū)空中交通評估與規(guī)劃方法研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2007.

[3] 周律，周克寧.“卓越計劃”專業(yè)的實驗室功能定位及實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2014（12）.

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

[5] 劉飛.Petri網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真實驗課程教學探討[J].實驗技術(shù)與管理，2014（12）.

[6] 王濤波，黃寶軍.基于改進卡爾曼濾波的四維飛行航跡預(yù)測模型[J].計算機應(yīng)用，2014（6）.

[責任編輯：鐘 嵐]