陳寬明 劉長炎 梁海軍

摘 要：快速增長的培訓需求與現(xiàn)行緊張的師資、設備之間的矛盾日趨激烈，為有效緩解民航院校管制模擬機設備與管制教員不足的壓力，培養(yǎng)能適應新技術、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式的新型工科人才，建設產(chǎn)教融合的實踐教學模式，打造“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的線上“金課”，設計了面向新工科的空管智能學習平臺系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務器）架構體系，具有擴展性好、兼容性強和系統(tǒng)維護成本低的優(yōu)點;后臺采用MySQL開源數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)多操作系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)遷移。結合管制員理論學習和實踐培訓需求，設計學生學習子系統(tǒng)、教師管理子系統(tǒng)、管理員子系統(tǒng)、智能學習子系統(tǒng)4個功能模塊，通過深度學習算法及云計算，精準統(tǒng)計分析陸空通話指令，計算其工作負荷，并通過與機器學習進行對比，最終對管制員的指揮水平進行客觀評價。該系統(tǒng)豐富了管制學員的訓練方式，有利于提高訓練效率，為保障飛行安全奠定基礎。

關鍵詞：空中交通管制;在線學習;系統(tǒng)架構;新工科

DOI：10. 11907/rjdk. 192646 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）008-0143-04

Abstract： The contradiction between the rapid growth of training demand and the current tense teachers and equipment is becoming increasingly fierce. In order to effectively alleviate the pressure of civil aviation institutions to control the shortage of simulators and control teachers， we train new engineering talents who can adapt to new technologies， new products， new formats and new modes， and build a practical teaching mode of integration of production and teaching so as to create “Internet plus education” online “golden class”. The air traffic control intelligent learning platform system for new engineering is designed. The system adopts B / S （Browser / server） architecture system， which has the advantages of good expansibility， strong compatibility and low system maintenance cost; MySQL open source database is used in the background， which can realize data migration among multiple operating systems. Combined with the theoretical learning and practical training needs of controllers， four functional modules of student learning subsystem， teacher management subsystem， administrator subsystem and intelligent learning subsystem are designed. Through in-depth learning algorithm and cloud computing， accurate statistics and analysis of land and air call instructions are carried out， and the workload is calculated. Finally， the command level of controllers is compared with that of machine learning evaluation. The system enriches the training mode of control trainees， improves the training efficiency and lays the foundation for ensuring flight safety.

Key Words：air traffic control;online learning;system structure;emerging engineering education

0 引言

隨著航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，不斷增長的學生數(shù)量與行業(yè)要求之間的矛盾越來越嚴重。目前管制員培訓需求持續(xù)增長，但受培訓模式、培訓場景、培訓師資、培訓設備和場所匱乏所限，培訓壓力較大、效率較低，難以達到預期效果[1]。對比國外管制員培養(yǎng)模式[2]，為強化新工科人才質(zhì)量培養(yǎng)和一流工科教學教育，淘汰原有的低階性、陳舊性的“水課”，建設高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性金課[3]，依托 “互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式，設計探索在線學習平臺。

在線學習是一種通過互聯(lián)網(wǎng)獲取知識的新型學習方式，該方式解決了傳統(tǒng)課堂學習在時間和空間上的限制，學生可以隨時隨地通過網(wǎng)絡獲取學習資源[4]。在線學習現(xiàn)已廣泛應用于各個領域，特別是教育領域。隨著大規(guī)模網(wǎng)絡開放課程（Massive Open Online Course，MOOC）平臺[5]、基于云計算的在線學習平臺[6]的發(fā)展，越來越多的名師和網(wǎng)絡精品課程開始進入各種教育培訓平臺，大中型校園也開始建立自己的在線學習系統(tǒng)、教育資源庫，建設優(yōu)質(zhì)課程，提高教育質(zhì)量。為解決管制培訓面臨的問題，培養(yǎng)能適應新技術、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式的新型工科人才[7]，建設產(chǎn)教融合的實踐教學模式，由教師“教”轉向?qū)W生“學”，打造“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的線上“金課”，設計探索空管智能學習平臺很有必要。

1 空管發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 空管理論在線學習平臺

交通運輸專業(yè)學生的專業(yè)基礎理論課程有20門，這些理論課程基本上采用課堂授課，教學形式單一，由于專業(yè)理論課程融合了行業(yè)規(guī)章，故內(nèi)容上較為枯燥。此外，學生在網(wǎng)絡上找到的線上資源除相關規(guī)章外，與空中交通管理有關的MOOC學習資源少之又少[8]。因此，學生如無法在課堂授課過程中掌握相關知識，課后線上資源自我強化提升基本無法實現(xiàn)，從而造成學生質(zhì)量難以提升。目前的教學方式注重內(nèi)容建設，在推進過程中受到法規(guī)限制，相關法規(guī)尚未明確MOOC學習能否充當一定比例學時的課堂教學，民航各類培訓的學時要求也沒有提供可以用視頻教學代替的折算辦法?；谶@種現(xiàn)狀，本文提出構建面向新工科的空管智能學習平臺，形成以學生為中心的教學模式，促進學生對知識的理解和掌握[9]。

1.2 空管實踐訓練平臺

管制模擬仿真系統(tǒng)能仿真管制環(huán)境，可交互、可重建、可反演、可定制多種特情下的管制指揮，是管制員培養(yǎng)過程中不可或缺的重要手段。

國外管制模擬培訓已經(jīng)建成涵蓋雷達管制模擬訓練、程序管制模擬訓練、機場塔臺模擬訓練、進近雷達模擬訓練以及區(qū)域雷達模擬訓練的全方位培訓體系[10]。但這種培訓模式效率不高，設備購買和維護成本很高，教員的工作負荷和教學壓力很大，培訓效果不明顯 [11]。

國內(nèi)的管制模擬仿真系統(tǒng)發(fā)展較為完善，相關研究較多。如繆志新等[12]詳細分析我國民航院校管制模擬機訓練教學模式，提出管制模擬機訓練過程中存在的問題和對策;張曉燕等[13]通過對ATC3軟件的分析對比，研究了該軟件在管制模擬訓練中的可應用性;楊萬龍[14]通過分析空管塔臺模擬機系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的問題，介紹了塔臺模擬機的設計原理與工作流程;朱曉波等[15]重點分析了院校雷達管制模擬機訓練和實際管制工作中的差異并提出建議;楊越等[16]為實現(xiàn)民航院?；A培訓和管制單位崗前培訓的有效銜接，提出技能模塊化教學改革方案;張曉燕、陳亞青等[17]開發(fā)了基于網(wǎng)絡的雷達管制模擬機，豐富了管制模擬機教學方式，使其不受時間、地點限制;李海涼[18]結合當前大數(shù)據(jù)挖掘進行數(shù)字建模，提出構建新型雷達管制模擬機的設想。雖然研究很多，但目前為止還沒有理論學習和實踐培訓相結合的一體化空管智能學習平臺。

2 空管智能學習平臺系統(tǒng)結構

本文設計的空管智能學習平臺系統(tǒng)總體結構采用B/S（瀏覽器/服務器）架構體系[19]，如圖1所示。

2.1 基礎支撐系統(tǒng)與應用支撐服務

基礎支撐系統(tǒng)是整個架構的基礎層，決定了空管智能學習平臺的服務水平和服務范圍，向用戶提供服務器、存儲空間、網(wǎng)絡設備等硬件資源，主要包括服務器設備、存儲設備、網(wǎng)絡系統(tǒng)、虛擬服務器、虛擬存儲等;應用支撐服務主要包括Webservice、CTI中間件、應用服務中間件等;后臺開發(fā)平臺選用Linux，其作為宏內(nèi)核的操作系統(tǒng)，相比其它操作系統(tǒng)在響應時間、支持并發(fā)能力、穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出色，是系統(tǒng)服務器較理想的選擇。

2.2 MySQL數(shù)據(jù)庫

后臺數(shù)據(jù)存儲采用文件方式直接存儲或使用數(shù)據(jù)庫方式存儲。文件方式直接存儲易于維護，方便更新及遷移，但相比數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構化程度較低，軟件開發(fā)難度較大，維護成本較高，故本平臺采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能為空管智能學習平臺提供數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)加工整理、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)管理等服務，并根據(jù)數(shù)據(jù)特點與類別設計出多個子庫分別進行管理，包括基礎信息庫、地理信息庫、訓練數(shù)據(jù)庫、知識資源庫、練習習題庫、考試試題庫、案例庫等。

MySQL數(shù)據(jù)庫是一個支持多線程、多用戶的開源關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[20]。關系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)存儲到不同的表中，能夠滿足依據(jù)數(shù)據(jù)特點分類并分別管理的需求。相比大型數(shù)據(jù)庫Oracle、DB2等，MySQL中型關系型數(shù)據(jù)庫更適合本平臺。

2.3 綜合應用系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要為空管智能學習平臺提供業(yè)務支撐服務，主要包括課程學習子系統(tǒng)、課程資源管理子系統(tǒng)、輔助工具子系統(tǒng)、考核子系統(tǒng)、模擬訓練子系統(tǒng)、PDA移動辦公子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)、智能評判子系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)等。Web程序開發(fā)采用php7，Web服務器部署采用輕量級http服務器Nginx，理論上一臺服務器就可以支撐平臺運行。本平臺采用兩臺服務器提供Web服務，利用重定向技術進行部署，可以在一臺Web服務器崩潰時重定向到另一臺Web服務器，實現(xiàn)宕機情況下的無縫銜接。

2.4 系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)流

面向新工科的空管智能學習平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖2所示?；A數(shù)據(jù)、課程資源數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、學習數(shù)據(jù)和訓練數(shù)據(jù)等存儲到數(shù)據(jù)庫服務器，用戶使用客戶端瀏覽器登錄前端Web服務器，Web服務器會對用戶輸入數(shù)據(jù)和基礎數(shù)據(jù)等進行處理，將數(shù)據(jù)庫里的基礎數(shù)據(jù)、課程資源數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、學習數(shù)據(jù)、訓練數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)等數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給管理員主機。管理員主機加工處理后，將更新數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、編輯數(shù)據(jù)等傳輸給Web服務器，智能策略數(shù)據(jù)傳輸給智能評判服務器，數(shù)據(jù)庫服務器提供基礎數(shù)據(jù)給智能評判服務器，經(jīng)數(shù)據(jù)整理、更新后傳輸給數(shù)據(jù)庫服務器，并將智能評判結果數(shù)據(jù)輸出給管理員主機。

2.5 系統(tǒng)性能需求

空管智能學習平臺設計綜合考慮了系統(tǒng)負載、系統(tǒng)可擴展性、系統(tǒng)升級、魯棒性和安全性等多方面要求。系統(tǒng)采用B/S架構，軟件更新只需要更新服務器上的服務程序，不同于C/S模式需要更新client端軟件，具有較好的可擴展性。采用的數(shù)據(jù)庫軟件、Web服務器和Web開發(fā)語言都是開源的，對于后期功能拓展有很好的彈性。在Web端采用HTML5標準，腳本語言采用php7，后臺數(shù)據(jù)庫采用MySQL開源數(shù)據(jù)庫，中間件系統(tǒng)采用C/C++語言進行開發(fā)，Web端程序不需要重新編譯即可運行。整個系統(tǒng)平臺能夠很好地跨平臺運行，兼容性強。平臺系統(tǒng)ATMAIL采用數(shù)據(jù)庫中間件ATMTC（空管數(shù)據(jù)庫緩存技術），在分發(fā)更新數(shù)據(jù)時進行多目標寫入，多臺計算機的MySQL數(shù)據(jù)庫進行動態(tài)實時的數(shù)據(jù)更新。如果一臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫主機崩潰，備份數(shù)據(jù)將自動啟用，保證系統(tǒng)具有很好的魯棒性。采用MD加密，在Web端程序和數(shù)據(jù)庫中間采用中間件模式進行隔離，用戶無法直接訪問數(shù)據(jù)庫，保證了數(shù)據(jù)安全。平臺采用深度學習及蒙特卡洛樹搜索算法，對學習過程數(shù)據(jù)進行智能化分析，自動生成個性化學習資源。

3 空管智能學習平臺功能

通過對自主學習平臺需求分析，將在線學習平臺劃分為學生學習子系統(tǒng)、教師管理子系統(tǒng)、管理員子系統(tǒng)、智能學習子系統(tǒng)幾個功能模塊?？展苤悄軐W習平臺功能如圖3所示。

3.1 學生學習子系統(tǒng)

學生學習子系統(tǒng)包括理論學習和實踐培訓兩方面功能，理論學習包括課程預習、在線學習、習題和考試;實踐培訓包括模擬訓練、復習及熟練培訓等功能。除此之外，還支持學習資源查詢功能。

3.2 教師管理子系統(tǒng)

教師管理子系統(tǒng)主要包括課程資源管理、學習任務管理、在線授課、習題考核管理、在線打分講評管理以及模擬訓練數(shù)據(jù)管理6個子模塊。課程資源管理主要包括教師上傳、更新、分類和刪除學習資源功能;教師可以布置學習任務，在線授課，在線查看和管理習題;考核管理供教師添加學習班級、考試科目和隨機抽取考題生成考試試卷，并對學習班級、考試科目以及考題進行管理;在線打分講評包括教師對考題打分、考試薄弱環(huán)節(jié)講解以及教師在線解答問題等功能;模擬訓練數(shù)據(jù)管理主要包括空域結構、航路航線、導航臺、航空器的飛行性能、航空公司、機場四字代碼等基礎數(shù)據(jù)管理。

3.3 管理員子系統(tǒng)

管理員子系統(tǒng)由學員管理、教員管理、資料數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)維護4個模塊組成。其中，學員管理和教員管理包括學員或教員注冊、登錄和修改密碼等基礎功能，學員管理模塊可以查看學員本人的訓練時間及訓練成績;教員管理模塊可以通過選擇學生姓名，查看學員作答記錄、訓練時間和訓練成績;資料數(shù)據(jù)管理主要包括對教學課件、教學視頻、習題和考核等教學資料的上傳、修改和刪除，還包括學員和教員的信息管理、公告管理;系統(tǒng)維護指針對系統(tǒng)存在的一些問題進行系統(tǒng)升級維護。

3.4 智能學習子系統(tǒng)

智能學習子系統(tǒng)主要包括教學資料智能化、學習過程智能化、教學效果智能化、平臺演進智能化以及考核智能評判5個模塊。教學資料智能化指訓練空域具有GIS功能，能夠?qū)崿F(xiàn)導航臺經(jīng)緯度坐標、類型的修改和刪除，按要求生成特定空域的SID和STAR程序;學習過程智能化指自動記錄學習進度、自動記錄習題練習、模擬訓練情況等功能;考核智能化指平臺自動生成考題，自動記錄學生考試情況并自動閱卷評分，幫助教師統(tǒng)計分析考試情況，辨別學生考試學習的薄弱環(huán)節(jié)。

4 結語

面向新工科的空管智能學習平臺能夠改變傳統(tǒng)教學和培訓模式，使得訓練學員不受時間和場地限制，緩解了民航管制員培訓壓力，豐富了管制員訓練模式，提高了培訓效率和質(zhì)量。未來可以融合語音識別技術替代目前的機長席位，實現(xiàn)標準無線陸空通話訓練，從而實現(xiàn)管制模擬機的單機運行。

參考文獻：

[1] 唐衛(wèi)貞，高俊超. 我國民航管制員職業(yè)化培養(yǎng)存在的問題與對策淺析[J]. 西安航空學院學報，2016，34（1）：86-89.

[2] 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）：28-30.

[3] 吳巖. 建設中國“金課”[J]. 中國大學教學，2018（12）：4-9.

[4] 諶志華. 人工智能技術下的在線學習系統(tǒng)設計[J]. 信息與電腦（理論版），2018（1）：46-47，51.

[5] LI W G，ZHU Y Z，MA X J. Influences and enlightenment of MOOC in higher education[C]. ?Singapore： The 5th International Conference on Social Science and Higher Education，2019.

[6] 趙鵬展. 云計算環(huán)境下的在線學習應用研究與系統(tǒng)設計[D]. 石家莊：河北師范大學，2018.

[7] 張小川，周龍福，凃飛，等. 面向新工科的軟件工程專業(yè)實踐教學模式的探索[J]. 軟件工程，2018，21（3）：60-62.

[8] 王威，王麗，陳博. 翻轉課堂理念對高職教學改革的啟示——以空中交通管理基礎課程為例[J]. 遼寧高職學報，2018，20（12）：25-29.

[9] 謝雅，王京文，唐志航，等. 新工科背景下軟件工程專業(yè)人才培養(yǎng)實踐——軟件工程課程教學改革[J]. 信息技術與信息化，2018（4）：35-38.

[10] RADOVANOVIC R，RADIVOJEVIC Z，CVTANOVC M. An implementation of air traffic control simulator[C]. Telecommunications Forum，2012：1681-1684.

[11] VAGNER J，PAPPOVA E. Comparison of radar simulator for air traffic control[J]. Nase More，2014（61）：1-2.

[12] 繆志新，劉永欣，張健. 民航院校管制模擬機訓練教學現(xiàn)狀分析[J]. 空中交通管理，2010（9）：52-53.

[13] 張曉燕，馬江濤. ATC3在管制員模擬培訓中的應用分析[J]. 中國民航大學學報，2013，31（3）：27-30.

[14] 楊萬龍. 空中交通管制塔臺模擬機的設計及開發(fā)[J]. 科技創(chuàng)新與應用，2015（17）：63-65.

[15] 朱曉波，黃龍楊. 院校雷達管制模擬機培訓情況分析及建議[J]. 科技創(chuàng)新與應用，2017（10）：95-102.

[16] 楊越，黃貽剛，宋祥波. 基于技能模塊化教學模式創(chuàng)新的雷達管制模擬訓練改革研究[J]. 實驗室研究與探索，2017，36（10）：199-204.

[17] 張曉燕，陳亞青，李宇華. 基于網(wǎng)絡的雷達管制模擬機培訓系統(tǒng)設計與開發(fā)[J]. 西安航空學院學報，2018，36（5）：35-40.

[18] 李海涼. 應用數(shù)字建模技術來推進新一代管制模擬機的建設[J]. 科技創(chuàng)新與應用，2019（24）：159-161.

[19] 史亞慶. 基于B/S架構的網(wǎng)絡學習平臺研究與實現(xiàn)[D]. 西安：西安理工大學，2018.

[20] 李霞. 基于MOOC理念的在線學習系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]. 北京：北京工業(yè)大學，2016.

（責任編輯：杜能鋼）