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      面向新工科的空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

      2020-09-02 06:31:23陳寬明劉長炎梁海軍
      軟件導(dǎo)刊 2020年8期
      關(guān)鍵詞:系統(tǒng)架構(gòu)空中交通管制在線學(xué)習(xí)

      陳寬明 劉長炎 梁海軍

      摘 要:快速增長的培訓(xùn)需求與現(xiàn)行緊張的師資、設(shè)備之間的矛盾日趨激烈,為有效緩解民航院校管制模擬機(jī)設(shè)備與管制教員不足的壓力,培養(yǎng)能適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式的新型工科人才,建設(shè)產(chǎn)教融合的實(shí)踐教學(xué)模式,打造“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的線上“金課”,設(shè)計(jì)了面向新工科的空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)體系,具有擴(kuò)展性好、兼容性強(qiáng)和系統(tǒng)維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn);后臺(tái)采用MySQL開源數(shù)據(jù)庫,可以實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)遷移。結(jié)合管制員理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐培訓(xùn)需求,設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)子系統(tǒng)、教師管理子系統(tǒng)、管理員子系統(tǒng)、智能學(xué)習(xí)子系統(tǒng)4個(gè)功能模塊,通過深度學(xué)習(xí)算法及云計(jì)算,精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)分析陸空通話指令,計(jì)算其工作負(fù)荷,并通過與機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行對比,最終對管制員的指揮水平進(jìn)行客觀評價(jià)。該系統(tǒng)豐富了管制學(xué)員的訓(xùn)練方式,有利于提高訓(xùn)練效率,為保障飛行安全奠定基礎(chǔ)。

      關(guān)鍵詞:空中交通管制;在線學(xué)習(xí);系統(tǒng)架構(gòu);新工科

      DOI:10. 11907/rjdk. 192646 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

      中圖分類號(hào):TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展,不斷增長的學(xué)生數(shù)量與行業(yè)要求之間的矛盾越來越嚴(yán)重。目前管制員培訓(xùn)需求持續(xù)增長,但受培訓(xùn)模式、培訓(xùn)場景、培訓(xùn)師資、培訓(xùn)設(shè)備和場所匱乏所限,培訓(xùn)壓力較大、效率較低,難以達(dá)到預(yù)期效果[1]。對比國外管制員培養(yǎng)模式[2],為強(qiáng)化新工科人才質(zhì)量培養(yǎng)和一流工科教學(xué)教育,淘汰原有的低階性、陳舊性的“水課”,建設(shè)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(shè)計(jì)探索在線學(xué)習(xí)平臺(tái)。

      在線學(xué)習(xí)是一種通過互聯(lián)網(wǎng)獲取知識(shí)的新型學(xué)習(xí)方式,該方式解決了傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)在時(shí)間和空間上的限制,學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過網(wǎng)絡(luò)獲取學(xué)習(xí)資源[4]。在線學(xué)習(xí)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,特別是教育領(lǐng)域。隨著大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開放課程(Massive Open Online Course,MOOC)平臺(tái)[5]、基于云計(jì)算的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)[6]的發(fā)展,越來越多的名師和網(wǎng)絡(luò)精品課程開始進(jìn)入各種教育培訓(xùn)平臺(tái),大中型校園也開始建立自己的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)、教育資源庫,建設(shè)優(yōu)質(zhì)課程,提高教育質(zhì)量。為解決管制培訓(xùn)面臨的問題,培養(yǎng)能適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式的新型工科人才[7],建設(shè)產(chǎn)教融合的實(shí)踐教學(xué)模式,由教師“教”轉(zhuǎn)向?qū)W生“學(xué)”,打造“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的線上“金課”,設(shè)計(jì)探索空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)很有必要。

      1 空管發(fā)展現(xiàn)狀

      1.1 空管理論在線學(xué)習(xí)平臺(tái)

      交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程有20門,這些理論課程基本上采用課堂授課,教學(xué)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(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上找到的線上資源除相關(guān)規(guī)章外,與空中交通管理有關(guān)的MOOC學(xué)習(xí)資源少之又少[8]。因此,學(xué)生如無法在課堂授課過程中掌握相關(guān)知識(shí),課后線上資源自我強(qiáng)化提升基本無法實(shí)現(xiàn),從而造成學(xué)生質(zhì)量難以提升。目前的教學(xué)方式注重內(nèi)容建設(shè),在推進(jìn)過程中受到法規(guī)限制,相關(guān)法規(guī)尚未明確MOOC學(xué)習(xí)能否充當(dāng)一定比例學(xué)時(shí)的課堂教學(xué),民航各類培訓(xùn)的學(xué)時(shí)要求也沒有提供可以用視頻教學(xué)代替的折算辦法。基于這種現(xiàn)狀,本文提出構(gòu)建面向新工科的空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái),形成以學(xué)生為中心的教學(xué)模式,促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)的理解和掌握[9]。

      1.2 空管實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)

      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(xùn)已經(jīng)建成涵蓋雷達(dá)管制模擬訓(xùn)練、程序管制模擬訓(xùn)練、機(jī)場塔臺(tái)模擬訓(xùn)練、進(jìn)近雷達(dá)模擬訓(xùn)練以及區(qū)域雷達(dá)模擬訓(xùn)練的全方位培訓(xùn)體系[10]。但這種培訓(xùn)模式效率不高,設(shè)備購買和維護(hù)成本很高,教員的工作負(fù)荷和教學(xué)壓力很大,培訓(xùn)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(guān)研究較多。如繆志新等[12]詳細(xì)分析我國民航院校管制模擬機(jī)訓(xùn)練教學(xué)模式,提出管制模擬機(jī)訓(xùn)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(xùn)練中的可應(yīng)用性;楊萬龍[14]通過分析空管塔臺(tái)模擬機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的問題,介紹了塔臺(tái)模擬機(jī)的設(shè)計(jì)原理與工作流程;朱曉波等[15]重點(diǎn)分析了院校雷達(dá)管制模擬機(jī)訓(xùn)練和實(shí)際管制工作中的差異并提出建議;楊越等[16]為實(shí)現(xiàn)民航院?;A(chǔ)培訓(xùn)和管制單位崗前培訓(xùn)的有效銜接,提出技能模塊化教學(xué)改革方案;張曉燕、陳亞青等[17]開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)管制模擬機(jī),豐富了管制模擬機(jī)教學(xué)方式,使其不受時(shí)間、地點(diǎn)限制;李海涼[18]結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行數(shù)字建模,提出構(gòu)建新型雷達(dá)管制模擬機(jī)的設(shè)想。雖然研究很多,但目前為止還沒有理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐培訓(xùn)相結(jié)合的一體化空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)。

      2 空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      本文設(shè)計(jì)的空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)體系[19],如圖1所示。

      2.1 基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)與應(yīng)用支撐服務(wù)

      基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)是整個(gè)架構(gòu)的基礎(chǔ)層,決定了空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)的服務(wù)水平和服務(wù)范圍,向用戶提供服務(wù)器、存儲(chǔ)空間、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件資源,主要包括服務(wù)器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、虛擬服務(wù)器、虛擬存儲(chǔ)等;應(yīng)用支撐服務(wù)主要包括Webservice、CTI中間件、應(yīng)用服務(wù)中間件等;后臺(tái)開發(fā)平臺(tái)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(yīng)時(shí)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(wù)器較理想的選擇。

      2.2 MySQL數(shù)據(jù)庫

      后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用文件方式直接存儲(chǔ)或使用數(shù)據(jù)庫方式存儲(chǔ)。文件方式直接存儲(chǔ)易于維護(hù),方便更新及遷移,但相比數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化程度較低,軟件開發(fā)難度較大,維護(hù)成本較高,故本平臺(tái)采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能為空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加工整理、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)管理等服務(wù),并根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)與類別設(shè)計(jì)出多個(gè)子庫分別進(jìn)行管理,包括基礎(chǔ)信息庫、地理信息庫、訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫、知識(shí)資源庫、練習(xí)習(xí)題庫、考試試題庫、案例庫等。

      MySQL數(shù)據(jù)庫是一個(gè)支持多線程、多用戶的開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[20]。關(guān)系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到不同的表中,能夠滿足依據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)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(guān)系型數(shù)據(jù)庫更適合本平臺(tái)。

      2.3 綜合應(yīng)用系統(tǒng)

      該系統(tǒng)主要為空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)提供業(yè)務(wù)支撐服務(wù),主要包括課程學(xué)習(xí)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(xùn)練子系統(tǒng)、PDA移動(dòng)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(wù)器部署采用輕量級(jí)http服務(wù)器Nginx,理論上一臺(tái)服務(wù)器就可以支撐平臺(tái)運(yùn)行。本平臺(tái)采用兩臺(tái)服務(wù)器提供Web服務(wù),利用重定向技術(shù)進(jìn)行部署,可以在一臺(tái)Web服務(wù)器崩潰時(shí)重定向到另一臺(tái)Web服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)宕機(jī)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(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖2所示。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、課程資源數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,用戶使用客戶端瀏覽器登錄前端Web服務(wù)器,Web服務(wù)器會(huì)對用戶輸入數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理,將數(shù)據(jù)庫里的基礎(chǔ)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(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、訓(xùn)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(jī)。管理員主機(jī)加工處理后,將更新數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、編輯數(shù)據(jù)等傳輸給Web服務(wù)器,智能策略數(shù)據(jù)傳輸給智能評判服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給智能評判服務(wù)器,經(jīng)數(shù)據(jù)整理、更新后傳輸給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,并將智能評判結(jié)果數(shù)據(jù)輸出給管理員主機(jī)。

      2.5 系統(tǒng)性能需求

      空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)設(shè)計(jì)綜合考慮了系統(tǒng)負(fù)載、系統(tǒng)可擴(kuò)展性、系統(tǒng)升級(jí)、魯棒性和安全性等多方面要求。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu),軟件更新只需要更新服務(wù)器上的服務(wù)程序,不同于C/S模式需要更新client端軟件,具有較好的可擴(kuò)展性。采用的數(shù)據(jù)庫軟件、Web服務(wù)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(biāo)準(zhǔn),腳本語言采用php7,后臺(tái)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(jìn)行開發(fā),Web端程序不需要重新編譯即可運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)能夠很好地跨平臺(tái)運(yùn)行,兼容性強(qiáng)。平臺(tái)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(shù)),在分發(fā)更新數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行多目標(biāo)寫入,多臺(tái)計(jì)算機(jī)的MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)更新。如果一臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫主機(jī)崩潰,備份數(shù)據(jù)將自動(dòng)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(jìn)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(tái)采用深度學(xué)習(xí)及蒙特卡洛樹搜索算法,對學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析,自動(dòng)生成個(gè)性化學(xué)習(xí)資源。

      3 空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)功能

      通過對自主學(xué)習(xí)平臺(tái)需求分析,將在線學(xué)習(xí)平臺(tái)劃分為學(xué)生學(xué)習(xí)子系統(tǒng)、教師管理子系統(tǒng)、管理員子系統(tǒng)、智能學(xué)習(xí)子系統(tǒng)幾個(gè)功能模塊。空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)功能如圖3所示。

      3.1 學(xué)生學(xué)習(xí)子系統(tǒng)

      學(xué)生學(xué)習(xí)子系統(tǒng)包括理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐培訓(xùn)兩方面功能,理論學(xué)習(xí)包括課程預(yù)習(xí)、在線學(xué)習(xí)、習(xí)題和考試;實(shí)踐培訓(xùn)包括模擬訓(xùn)練、復(fù)習(xí)及熟練培訓(xùn)等功能。除此之外,還支持學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)任務(wù)管理、在線授課、習(xí)題考核管理、在線打分講評管理以及模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理6個(gè)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(xué)習(xí)資源功能;教師可以布置學(xué)習(xí)任務(wù),在線授課,在線查看和管理習(xí)題;考核管理供教師添加學(xué)習(xí)班級(jí)、考試科目和隨機(jī)抽取考題生成考試試卷,并對學(xué)習(xí)班級(jí)、考試科目以及考題進(jìn)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(xùn)練數(shù)據(jù)管理主要包括空域結(jié)構(gòu)、航路航線、導(dǎo)航臺(tái)、航空器的飛行性能、航空公司、機(jī)場四字代碼等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。

      3.3 管理員子系統(tǒng)

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

      3.4 智能學(xué)習(xí)子系統(tǒng)

      智能學(xué)習(xí)子系統(tǒng)主要包括教學(xué)資料智能化、學(xué)習(xí)過程智能化、教學(xué)效果智能化、平臺(tái)演進(jìn)智能化以及考核智能評判5個(gè)模塊。教學(xué)資料智能化指訓(xùn)練空域具有GIS功能,能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航臺(tái)經(jīng)緯度坐標(biāo)、類型的修改和刪除,按要求生成特定空域的SID和STAR程序;學(xué)習(xí)過程智能化指自動(dòng)記錄學(xué)習(xí)進(jìn)度、自動(dòng)記錄習(xí)題練習(xí)、模擬訓(xùn)練情況等功能;考核智能化指平臺(tái)自動(dòng)生成考題,自動(dòng)記錄學(xué)生考試情況并自動(dòng)閱卷評分,幫助教師統(tǒng)計(jì)分析考試情況,辨別學(xué)生考試學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)。

      4 結(jié)語

      面向新工科的空管智能學(xué)習(xí)平臺(tái)能夠改變傳統(tǒng)教學(xué)和培訓(xùn)模式,使得訓(xùn)練學(xué)員不受時(shí)間和場地限制,緩解了民航管制員培訓(xùn)壓力,豐富了管制員訓(xùn)練模式,提高了培訓(xùn)效率和質(zhì)量。未來可以融合語音識(shí)別技術(shù)替代目前的機(jī)長席位,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)無線陸空通話訓(xùn)練,從而實(shí)現(xiàn)管制模擬機(jī)的單機(jī)運(yùn)行。

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      (責(zé)任編輯:杜能鋼)

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