基于VR的警務(wù)執(zhí)法處突模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究＊

張云明

（中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000）

1 引言

近年來隨著社會治安形勢的變化，人民警察執(zhí)法處突環(huán)境日趨復(fù)雜。執(zhí)法隊伍專業(yè)化、執(zhí)法行為標準化、執(zhí)法管理系統(tǒng)化、執(zhí)法流程信息化是“科技興警”的時代要求和必然趨勢。提升警務(wù)執(zhí)法規(guī)范化水平，需要實戰(zhàn)化的警務(wù)訓(xùn)練技術(shù)支持。

長期以來警務(wù)訓(xùn)練受安全性、對抗度及成本等因素制約，實戰(zhàn)化實景實裝實彈訓(xùn)練一直存在安全隱患多、實訓(xùn)成本高、拓展資源少、臨戰(zhàn)時效差、實戰(zhàn)對抗性低等問題，警務(wù)訓(xùn)練大多局限在業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)、警械操作、射擊模擬等基礎(chǔ)技能操練階段，知識講解、動作示范、技能操練、擊靶練習(xí)等手段仍是主要訓(xùn)練形式，實戰(zhàn)警情下的執(zhí)法規(guī)范養(yǎng)成和戰(zhàn)術(shù)協(xié)同訓(xùn)練缺乏，突發(fā)事件時臨戰(zhàn)承壓下的警情研判、紅藍對抗處突訓(xùn)練缺失。如何實現(xiàn)警務(wù)訓(xùn)練由傳統(tǒng)理論學(xué)習(xí)、技能操作向規(guī)范執(zhí)法、實戰(zhàn)抗壓、迎戰(zhàn)應(yīng)變等綜合能力訓(xùn)練，成為提高警務(wù)執(zhí)法規(guī)范性和實戰(zhàn)能力的技術(shù)難題和問題關(guān)鍵。

實物訓(xùn)練和虛擬訓(xùn)練是兩種主要組訓(xùn)模式，警務(wù)訓(xùn)練“能實不虛”的訓(xùn)練模式在器材裝備和技能訓(xùn)練上具有優(yōu)勢，但是對于營造真實訓(xùn)練警情，尤其是突發(fā)警情下實戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境，僅用真實的裝備器材和實彈訓(xùn)練通常難以達到沉浸感和真實感的實戰(zhàn)訓(xùn)練要求，甚至不能開展相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容和訓(xùn)練科目。由于現(xiàn)有警務(wù)訓(xùn)練系統(tǒng)沉浸感不強、實戰(zhàn)化警情編輯能力不足，難以實現(xiàn)真實警情下的抗壓應(yīng)戰(zhàn)和綜合對抗訓(xùn)練，因此需要構(gòu)建真實場景下的實戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境，實現(xiàn)臨戰(zhàn)警情下的技戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練。

為了解決警務(wù)訓(xùn)練中存在的痛點和短板，急需從警務(wù)執(zhí)法處突實戰(zhàn)角度出發(fā)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和半實物仿真技術(shù)，開發(fā)滿足近似實戰(zhàn)的交互式技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練和心理適應(yīng)性訓(xùn)練要求的警務(wù)訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)，通過模擬公安執(zhí)法處突現(xiàn)場典型警情，使公安干警在仿真環(huán)境中如臨真實現(xiàn)場，實現(xiàn)人和裝備的有機結(jié)合，開展近似實戰(zhàn)的技能訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練、心理適應(yīng)性訓(xùn)練。

2 虛擬現(xiàn)實警務(wù)訓(xùn)練技術(shù)概述

國際上計算機模擬仿真一直被認為是專業(yè)教學(xué)和模擬訓(xùn)練的有效手段，一些發(fā)達國家高度重視仿真技術(shù)與教育訓(xùn)練的結(jié)合發(fā)展，將虛擬仿真技術(shù)發(fā)展作為推動教育訓(xùn)練發(fā)展的重要領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實與半實物仿真是一種虛實結(jié)合的系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事、電力、化工、通信，在合成指揮、技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練和裝備訓(xùn)練等方面有著舉足輕重的作用。在警務(wù)訓(xùn)練領(lǐng)域，歐美一些發(fā)達國家非常重視計算機仿真技術(shù)在警務(wù)模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用。美國在21世紀初就開設(shè)了警用仿真模擬實戰(zhàn)射擊課程，在訓(xùn)練中采用基于視頻的“高級交互系統(tǒng)”來模擬各種臨戰(zhàn)情景，以幫助警察提高警情判斷能力；VirTra公司基于CAVE虛擬模式，設(shè)計了一套警用VR訓(xùn)練系統(tǒng)V-300，通過該系統(tǒng)提供的300°模擬場景和仿真半實物裝備，受訓(xùn)警察可以在虛擬世界中演練真實罪案現(xiàn)場；美國警察培訓(xùn)部門最新引進BEST的VR訓(xùn)練系統(tǒng)，通過在虛擬空間中打造復(fù)雜的訓(xùn)練空間來開展警務(wù)交互模擬訓(xùn)練，使警察更加真實地感受復(fù)雜警情，降低警察的處置行為和誤傷概率，最大限度地強化培訓(xùn)的實際效果。德國SECOTRON公司和AIS公司也為本國警察訓(xùn)練開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實的射擊訓(xùn)練系統(tǒng)。

在國內(nèi)從20世紀90年開始對分布式交互仿真、虛擬現(xiàn)實等先進仿真技術(shù)進行研究，開展了較大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)仿真應(yīng)用。在信息產(chǎn)業(yè)飛速背景下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的興起與發(fā)展引領(lǐng)仿真技術(shù)朝著高智能化、分布式、合成化、沉浸式方向發(fā)展。國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)也已經(jīng)深入應(yīng)用到航天、軍事、能源、醫(yī)療等尖端科技領(lǐng)域，在教學(xué)培訓(xùn)上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地位和作用也越來越明顯。虛擬仿真技術(shù)在警務(wù)訓(xùn)練中的應(yīng)用是隨著國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其裝備的進步逐漸發(fā)展起來的。北京、上海等地一些科技公司從警察射擊訓(xùn)練科目入手開發(fā)虛擬設(shè)計模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。國內(nèi)部分警察院校也非常重視模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和教學(xué)課程開發(fā)，例如公安大學(xué)、浙江警察學(xué)院等的開設(shè)的VR教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)、現(xiàn)場勘查訓(xùn)練考核系統(tǒng)和槍械綜合培訓(xùn)VR虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。

從國內(nèi)總體情況來看，警務(wù)模擬仿真系統(tǒng)研究和應(yīng)用總體偏少，現(xiàn)有系統(tǒng)也主要集中在槍支使用技能培訓(xùn)和犯罪痕跡現(xiàn)場識別與記錄上，基于真實場景的虛擬現(xiàn)實與半實物仿真模擬系統(tǒng)的研究和應(yīng)用還處于起步階段?；诘湫途榈奶摂M場景和貼近實戰(zhàn)的交互式虛擬教學(xué)與培訓(xùn)必然成為警務(wù)訓(xùn)練的改革趨勢和發(fā)展方向。

3 警務(wù)虛擬訓(xùn)練技術(shù)選擇

目前基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要有CAVE式三維立體現(xiàn)實顯示系統(tǒng)和頭盔式虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)兩大類。CAVE式三維顯示系統(tǒng)（非頭盔模式）通過產(chǎn)生一個三維立體畫面包圍的訓(xùn)練空間，使訓(xùn)練人員在虛擬空間內(nèi)開展模擬訓(xùn)練；頭盔式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實頭盔為主要硬件設(shè)備，實現(xiàn)全沉浸式虛擬警情呈現(xiàn)和訓(xùn)練環(huán)境仿真，兩種技術(shù)方法各有優(yōu)點和局限性?；谡鎸嵕橛?xùn)練環(huán)境呈現(xiàn)與虛實結(jié)合交互訓(xùn)練功能需求，單獨采用其中一種虛擬訓(xùn)練模式難以滿足實戰(zhàn)化訓(xùn)練要求，因此需要集成開發(fā)三維立體弧屏（非頭盔模式）與虛擬現(xiàn)實頭盔相融合的虛擬訓(xùn)練呈現(xiàn)系統(tǒng)，配合光慣融合運動捕捉技術(shù)、萬向移動裝置和半實物模擬裝置，實現(xiàn)同一場景多警種、多角色、多模式兼容訓(xùn)練環(huán)境與虛實結(jié)合訓(xùn)練功能統(tǒng)一。該集成技術(shù)方法有效解決現(xiàn)有模擬訓(xùn)練系統(tǒng)呈現(xiàn)方式單一、可參與虛擬訓(xùn)練空間有限、可用警械武器裝備單一、缺乏有效對抗訓(xùn)練、沉浸感和真實性體驗差等問題。系統(tǒng)除了滿足知識學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練和單警戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練外，還可實現(xiàn)典型處突警情下抗壓處置紅藍對抗訓(xùn)練和多模戰(zhàn)術(shù)小組協(xié)同訓(xùn)練需求。

4 警務(wù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

實戰(zhàn)化虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)是一套軟硬件結(jié)合的分布式訓(xùn)練系統(tǒng)，內(nèi)容包括構(gòu)建一套虛擬訓(xùn)練環(huán)境，研制一套虛實結(jié)合交互設(shè)備，編制一套訓(xùn)練系統(tǒng)軟件，通過軟硬件集成建設(shè)一套多功能虛擬訓(xùn)練平臺。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

4.2 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件裝置設(shè)計

4.2.1 仿真訓(xùn)練場景沉浸環(huán)境呈現(xiàn)

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)首要任務(wù)是為受訓(xùn)警員構(gòu)建一個沉浸感強、逼真度高、體驗感好的模擬警情虛擬訓(xùn)練環(huán)境?；诔两泻图嫒菪孕枨?，系統(tǒng)同時提供CAVE式和虛擬頭盔式兩種仿真訓(xùn)練環(huán)境呈現(xiàn)方式：①CAVE式采用多幕弧形顯示系統(tǒng)，配以環(huán)繞立體聲音響，搭配光慣融合定位系統(tǒng)，開發(fā)無頭盔式三維立體場景呈現(xiàn)單元，實現(xiàn)無約束沉浸式訓(xùn)練環(huán)境。②虛擬頭盔式以HTCVive頭盔顯示器為基礎(chǔ)，研制警用虛擬現(xiàn)實仿真訓(xùn)練的一體化頭盔，滿足全沉浸式警用訓(xùn)練需求。

4.2.2 警務(wù)虛擬訓(xùn)練交互設(shè)備研發(fā)

交互設(shè)備是虛擬環(huán)境中用于模擬真實裝備器材的仿真實物裝置，目的為為警務(wù)模擬訓(xùn)練研發(fā)一套虛實結(jié)合警械武器實物仿真裝備。根據(jù)警務(wù)裝備使用需要，系統(tǒng)需要研發(fā)模擬警械裝備、模擬武器裝備和模擬移動裝置三類：①模擬警械裝備。系統(tǒng)主要研制模擬訓(xùn)練專用警棍、盾牌、催淚器等實戰(zhàn)裝備，在模擬警械上通過加裝定位傳感器、慣性傳感器和開關(guān)量采集器，采用單片機技術(shù)實時采集警械位置、姿態(tài)、使用狀態(tài)等動態(tài)信息，并通過無線方式傳輸給訓(xùn)練主機，實現(xiàn)實物裝備與虛實場景的映射與交互。②模擬武器裝備。武器使用是公安民警執(zhí)法過程中面對暴力抗拒或攻擊時武力使用的強制手段，系統(tǒng)主要開發(fā)警用仿真槍械，采用光慣融合技術(shù)為槍械定位定向，裝配多數(shù)據(jù)融合傳感器，采集槍械操作過程和狀態(tài)，利用振動裝置模擬槍械擊發(fā)反作用力，通過無線傳輸實時獲取槍械位置、姿態(tài)、瞄準情況和中靶狀態(tài)，實現(xiàn)模擬實裝武器與虛擬場景的映射與交互。③模擬移動裝置。通過研制虛擬現(xiàn)實萬向移動平臺，獲取控制數(shù)據(jù)并推送入主機，控制虛擬警員在場景中運動和定位，或者利用光慣融合運動捕捉技術(shù)和模式識別算法，確定受訓(xùn)人員的動作和姿態(tài)（移動、跳躍、下蹲），為受訓(xùn)對象在虛擬警情中漫游、觀察、行動戰(zhàn)術(shù)行為提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)大場景自由空間虛擬警情中的人員定位定姿。

4.3 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

警務(wù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件部分主要包括訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)與訓(xùn)練科目內(nèi)容設(shè)計兩部分內(nèi)容。

4.3.1 訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計

訓(xùn)考一體的模擬訓(xùn)練軟件系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)主要研發(fā)以下四個模塊：虛擬場景生成與顯示模塊，根據(jù)訓(xùn)練科目內(nèi)容設(shè)置需要情況，實時生成各類基礎(chǔ)場景和警情，借助沉浸式呈現(xiàn)單元呈現(xiàn)于受訓(xùn)對象；虛擬交互控制與通訊模塊，完成模擬設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與通訊，實現(xiàn)虛擬場景和實物裝備映射和反饋；訓(xùn)練科目生成與管理模塊，通過結(jié)構(gòu)化的訓(xùn)練科目數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)訓(xùn)練場景庫與訓(xùn)練科目庫融合應(yīng)用；訓(xùn)練結(jié)果評價與考核模塊，具備基于特定警情和任務(wù)的分層、分級考核，客觀記錄、評價受訓(xùn)對象訓(xùn)練效果。

4.3.2 訓(xùn)練內(nèi)容與科目設(shè)計

公安執(zhí)法處突業(yè)務(wù)仿真訓(xùn)練內(nèi)容和科目研發(fā)突出實戰(zhàn)需要，具體內(nèi)容以《公安機關(guān)人民警察訓(xùn)練條令》《公安系統(tǒng)人民警察實戰(zhàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練教程》《公安機關(guān)人民警察基本素質(zhì)考試考核暫行辦法》等為指南，設(shè)計科目內(nèi)容主要包含技能訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練：①對典型警情和突發(fā)事件現(xiàn)場危險性、復(fù)雜性、危害性的認知與體驗，幫助訓(xùn)練對象掌握個人防護基本知識，開展心理素質(zhì)訓(xùn)練，提高面對突發(fā)警情時的感知、判斷和應(yīng)變能力；②利用各類半實物或虛擬槍械裝備，開展警告、徒手防衛(wèi)或制止、警械使用、武器使用、盤查、搜索、抓捕、戰(zhàn)術(shù)配合等交互式仿真訓(xùn)練，掌握執(zhí)勤處突行動的單警技能和警組戰(zhàn)術(shù)，強化個人基本能力，固化安全作戰(zhàn)行為。

5 結(jié)束語

以警務(wù)訓(xùn)練實戰(zhàn)化、模擬化、基地化需求為牽引，創(chuàng)新訓(xùn)練方法手段，探索虛擬現(xiàn)實、模式識別、情景教學(xué)、嵌入式和半實物仿真等技術(shù)在警務(wù)模擬訓(xùn)練設(shè)施開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，通過系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計和科目內(nèi)容設(shè)計，建立體驗式學(xué)習(xí)、心理訓(xùn)練、交互式技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練相結(jié)合的警務(wù)人員沉浸式、半實物、高仿真的訓(xùn)練環(huán)境，構(gòu)建理論教學(xué)、基礎(chǔ)技能模擬訓(xùn)練、綜合戰(zhàn)術(shù)協(xié)同演練、處突對抗仿真訓(xùn)練之間的技術(shù)橋梁，為警務(wù)教學(xué)訓(xùn)練提供一種沉浸感體驗好、實戰(zhàn)化程度高、成本低廉的新技術(shù)手段。