警察武力執(zhí)法的虛擬仿真系統(tǒng)平臺開發(fā)研究

張帥奇

(陜西警官職業(yè)學院警體部，陜西 西安 710023)

0 引言

警察武力執(zhí)法是一種打擊違法犯罪行為的強制性手段。由于武力訓練存在一定的高風險性，目前執(zhí)法訓練基于基礎訓練，難以進行復雜壓力環(huán)境下的實戰(zhàn)演練和戰(zhàn)術(shù)訓練[1-3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，為警務實戰(zhàn)訓練提供了重要的技術(shù)補充手段。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬警情環(huán)境，輔助警務人員進行更具針對性、科學性的實戰(zhàn)演練[4-6]，不僅降低了實戰(zhàn)訓練的風險性、提升了交互職能性，同時構(gòu)成了“三位一體”的仿真教學模式，提升了警察武力執(zhí)法質(zhì)量和執(zhí)法綜合水平[7-9]。本文結(jié)合我國法律規(guī)范，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)設計警察武力訓練系統(tǒng)，以提高警察武力培訓效果、增強警察執(zhí)法歸范性，開創(chuàng)了警察武力使用訓練新模式。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

1.1 系統(tǒng)功能需求

根據(jù)警察在武力實戰(zhàn)及訓練需求分析，仿真系統(tǒng)采用多層級、模塊化、松耦合原則進行設計，要求虛擬仿真系統(tǒng)必須做到虛擬化、場景化、實戰(zhàn)化，實現(xiàn)仿真訓練可記錄和考評功能。

虛擬情境是進行武力訓練的主要空間。對于虛擬情境的仿真，首先是根據(jù)訓練內(nèi)容的差異，通過虛擬現(xiàn)實構(gòu)建訓練環(huán)境，滿足學員不同操作需求[10]。當學員進入構(gòu)建的仿真環(huán)境中，通過高度交互感來提升警務技能。警械武器仿真主要對執(zhí)法過程中采用的催淚噴射器、手銬、警棍等實物建立精確的仿真模型。在實際執(zhí)法過程中，由于執(zhí)法對象、環(huán)境等不確定性，要求平臺具有較強編輯能力，以滿足場景多變性。同時，平臺對訓練全程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和影像進行記錄保存，讓學員能及時發(fā)現(xiàn)問題并糾正；對一些量化指標進行標準和處理和智能化評定，生成學員報告，對訓練報告進行分析并不斷優(yōu)化評定標準。

1.2 體系結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)上述系統(tǒng)功能需求分析，將系統(tǒng)分為管理子系統(tǒng)、虛擬仿真訓練、功能模塊。各模塊采用內(nèi)部服務器相互連通。

仿真訓練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 仿真訓練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Structure framework of simulation training system

管理控制子系統(tǒng)作為總中樞，需要滿足情景構(gòu)建的基本需求，包括對模塊的優(yōu)化、提供便利的交互性界面等功能；有功能模塊構(gòu)建仿真場景，通過輸入終端獲得學員動作滿足情境交互。實時調(diào)整模塊中，一方面基于大數(shù)據(jù)分析模塊進行訓練場景的設置，另一方面根據(jù)警情特征進行優(yōu)化，保證貼近實戰(zhàn)。交互界面通過終端交互界面進行信息的交互。

1.3 軟件支持

仿真訓練系統(tǒng)軟件層采用四層體系結(jié)構(gòu)，分為系統(tǒng)軟件層、基礎平臺層、應用層和用戶管理層。仿真訓練系統(tǒng)軟件框架如圖2所示。

系統(tǒng)軟件層作為軟件運行基礎，包括系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫軟件。本文仿真訓練采用WindowsXP操作系統(tǒng)，MySQL數(shù)據(jù)庫管理軟件。用戶層主要包括操作接口和應用界面，為學員和教官提供各功能模塊的通道入口。應用層分為管理層和應用軟件層，包括系統(tǒng)的控制管理軟件(如運營軟件、加密軟件、檢測修復軟件等)，以及應用軟件(如訓練軟件、情境構(gòu)建軟件、教學軟件等)?；A平臺層是系統(tǒng)的核心，由數(shù)據(jù)庫和虛擬現(xiàn)實開發(fā)環(huán)境構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫保存用戶數(shù)據(jù)、學員訓練數(shù)據(jù)、考評數(shù)據(jù)。虛擬開發(fā)環(huán)境則是通過編程開發(fā)構(gòu)建虛擬情境和實物，并存入資源庫。其一方面提供各類情境模型，另一方面提供虛擬模型的編輯和修改。

1.4 硬件系統(tǒng)

仿真訓練系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包括建模設備、交互設備和通用設備。建模設備主要為構(gòu)建模型的應用軟件和工具，包括實時三維空間重構(gòu)設備和3D掃描儀等。

交互設備主要提供人機交互互聯(lián)工具，包括仿真模擬警械武器、數(shù)據(jù)包、動作捕捉設備、虛擬現(xiàn)實頭盔、力反饋震動馬甲等。通用設備主要為系統(tǒng)應用提供服務設備，包括顯示屏、服務器、感應器、視頻監(jiān)控設備、計算機、路由器等。

圖2 仿真訓練系統(tǒng)軟件框架Fig.2 Software framework of simulation training system

2 系統(tǒng)功能模塊設計

2.1 教學模塊

根據(jù)我國警察武力使用情況，建立“基本訓練、判定訓練、戰(zhàn)術(shù)訓練”的“三段式”仿真訓練模塊，形成由低到高、由簡單到復雜的客觀學習規(guī)律。在訓練模塊中，武力課程包括語言、徒手、武器等基本動作和操作，以及情境訓練、戰(zhàn)術(shù)運用等?！叭问健蔽淞τ柧毮Ｊ饺鐖D3所示。

圖3 “三段式”武力訓練模式示意圖Fig.3 “Three-stage” force training model

在“三段式”警察武力仿真訓練中，第一階段為基本訓練。該階段主要學習理論、動作、技能基礎，掌握警務戰(zhàn)術(shù)、法律知識體系。武力使用判定訓練主要結(jié)合基礎訓練理論知識和動作技能，培養(yǎng)經(jīng)常執(zhí)法思維，滿足現(xiàn)場復雜環(huán)境下的快速反應。戰(zhàn)術(shù)訓練則是在基本訓練和判定訓練基礎上的綜合應用。通過虛擬場景下的武力使用和戰(zhàn)術(shù)對抗，能夠滿足復雜環(huán)境下的虛擬實戰(zhàn)訓練和考評，提升警察思維和心理能力，提高執(zhí)法水平。

2.2 信息采集和考評模塊

信息采集模塊采集和儲存相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括學員執(zhí)法語言、武力動作、槍支彈點坐標等，以實現(xiàn)訓練的可視化記錄。同時，該模塊將采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫標準數(shù)據(jù)比較，生成判定報告，以保證訓練實效性。

考評模塊是在原始標準數(shù)據(jù)、能力參數(shù)和實際信息采集模塊基礎上建立的考核評判模型。其主要通過分析信息采集數(shù)據(jù)，對武力執(zhí)法過程中的語言、武器應用、制暴手段等進行實時考核，并對壓力環(huán)境下訓練者所表現(xiàn)的戰(zhàn)術(shù)意識進行評估。

2.3 大數(shù)據(jù)分析模塊

大數(shù)據(jù)分析模塊將訓練過程中的觀測數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，以豐富武力使用訓練對比數(shù)據(jù)、提升學員訓練效果。仿真訓練系統(tǒng)中可對該類數(shù)據(jù)進行分析，以制定訓練量化指標和方案。此外，大數(shù)據(jù)模塊對多元數(shù)據(jù)進行整合分析，發(fā)現(xiàn)功能模塊缺陷，進一步對平臺優(yōu)化，實現(xiàn)系統(tǒng)的更新升級。

3 訓練系統(tǒng)功能應用

3.1 基本訓練的應用

基于情境認知理論，應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展警察武力執(zhí)法訓練，將虛擬情景與傳統(tǒng)講述結(jié)合，對“三段式”的基本訓練階段進行訓練，主要包括語言控制、徒手控制、催淚噴射器、伸縮警棍、手槍使用的基本訓練。

以手槍使用訓練為例。其目的是通過虛擬情境訓練，讓參訓者掌握手槍使用的基礎知識，并規(guī)范射擊姿勢、持槍戒備等基礎動作。在訓練過程中，建立虛擬情景展示手槍構(gòu)造。

通過展示手槍擊發(fā)全過程，使學員對槍械發(fā)射原理、發(fā)射流程，彈道學理論、瞄準點選擇進行可視化學習。隨后，通過虛擬情境，展示手槍各項操作。完成理論教學后，通過虛擬交互設備，練習手槍的基本操作動作，經(jīng)考核合格后執(zhí)行下一步訓練。系統(tǒng)儲存的課件以視頻方式了解手槍射擊應用技術(shù)，包括出槍收槍、持握姿態(tài)、概略瞄準等。教官可通過課件在虛擬情境中展示手槍處置警情案例，講解手槍使用操作流程、法律規(guī)范和射擊注意事項等理論知識，并利用系統(tǒng)對學員操作流程進行考核。對于未通過考核學員，通過系統(tǒng)分析評估，尋找到手槍訓練過程中的弱項，并進行針對性改進。

手槍訓練基本動作如圖4所示。

圖4 手槍訓練基本動作Fig.4 Basic action of pistol training

3.2 判定訓練的應用

警察使用武力是基于法律框架下執(zhí)行的，因此根據(jù)實際警情把握武力使用程度，要求警察具備良好的判定能力。根據(jù)我國目前實際警情以及相關(guān)操作規(guī)程，對警察使用武力等級進行劃分，確定適當?shù)木煳淞κ褂贸潭?。在仿真過程中，判定不同等級的違法抗擊行為情境，并作出相應的武力處置。隨著武力對抗的升級，涉及的武力使用手段也越多。因此，在判定武力使用訓練時要按照由簡單到復雜順序，對武力使用方法進行判定訓練。基于武力使用等級，設置六類典型的虛擬情境，并針對不同等級暴力抵抗行為制定武力使用手段，以提升學員判定決策能力[11]。武力控制情境如表1所示。

表1 武力控制情境表Tab.1 Situation table of force control

3.3 戰(zhàn)術(shù)訓練的應用

戰(zhàn)術(shù)階段訓練中，采用單一場景或復雜武力使用模擬訓練對參訓人員進行模擬實戰(zhàn)訓練和綜合考核，提升執(zhí)法水平。如針對復雜場景下武力等級變化下的虛擬警情處理。以下為一起模擬不同執(zhí)法等級下的徒手強硬抵抗情境。首先，在虛擬情境展現(xiàn)徒手強硬抵抗情境。訓練者優(yōu)先采用催淚噴射器制止犯罪人員。訓練過程中，虛擬情境出現(xiàn)多種變化，執(zhí)法對象可能改變攻擊意圖，采取其他行事攻擊。當犯罪人由徒手強硬抵抗改為持刀或持槍意圖攻擊，參訓學員需要由使用催淚噴射及時改為槍械控制。參訓學員完成不同虛擬環(huán)境下的模擬實戰(zhàn)訓練后，系統(tǒng)記錄全部訓練信息，并基于大數(shù)據(jù)分析模塊對學員進行考核，尋找其中的訓練弱項，有針對性地改進訓練計劃，直至學員訓練合格。

4 結(jié)論

武力執(zhí)法是公安機關(guān)打擊犯罪行為的有效強制手段，直接關(guān)系到行為人身安全和法律尊嚴。近年來，警務執(zhí)法過程中出現(xiàn)的不會、不敢和不能使用武器的情況，已成為制約執(zhí)法規(guī)范化和實戰(zhàn)化重要瓶頸?？茖W、合理地開展警察武力使用執(zhí)法，成為警察實戰(zhàn)訓練重要課題。虛擬仿真技術(shù)的警察武力執(zhí)法實訓平臺具備逼真性、風險可控和實施交互性。本文將模擬訓練和考核評估融合，建立“教、學、練、戰(zhàn)”一體實現(xiàn)訓練模擬，建立基礎訓練、判定和戰(zhàn)術(shù)應用的“三段式”武力訓練框架。同時，對警察武力執(zhí)法虛擬仿真平臺采用“漸進式”教學模式，通過個性化與系統(tǒng)性相耦合射擊，實現(xiàn)復雜環(huán)境下的模擬實戰(zhàn)訓練和綜合考核，提升了執(zhí)法水平。