治安防控空間規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)＊

鄭滋椀 陳鵬 史進(jìn) 李樹(shù)禮

1.浙江警察學(xué)院大數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)安全研究院；2.中國(guó)人民公安大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院；3.浙江警察學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心；4.浙江警察學(xué)院治安系

針對(duì)傳統(tǒng)治安防控空間規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著規(guī)劃場(chǎng)景單一、缺乏實(shí)踐操作、不夠形象直觀、學(xué)習(xí)效率低等問(wèn)題，利用三維地理信息、三維建模等技術(shù)，研發(fā)了基于Cesium地圖引擎和B/S框架的治安防控空間規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包含防控技術(shù)學(xué)習(xí)、治安防控演示和治安防控空間規(guī)劃3個(gè)模塊。學(xué)生利用該系統(tǒng)能在三維模擬場(chǎng)景中學(xué)習(xí)、掌握治安防控技術(shù)知識(shí)以及空間規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，制作治安防控空間規(guī)劃方案，該系統(tǒng)有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2015年4月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)社會(huì)治安防控體系建設(shè)的意見(jiàn)》，明確要求建立點(diǎn)線面結(jié)合、網(wǎng)上網(wǎng)下結(jié)合、人防物防技防結(jié)合、打防管控結(jié)合的立體化社會(huì)治安防控體系。在建設(shè)過(guò)程中，各地公安機(jī)關(guān)開(kāi)展了一系列社會(huì)治安防控空間規(guī)劃實(shí)踐，如視頻監(jiān)控空間規(guī)劃[1]、重大活動(dòng)安保規(guī)劃[2]、警務(wù)巡邏路線規(guī)劃[3]、智慧平安校區(qū)建設(shè)[4]等。為了培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代治安防控工作要求的專業(yè)人才，治安防控空間規(guī)劃已經(jīng)成為我國(guó)治安學(xué)專業(yè)相關(guān)課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。

目前，治安防控空間規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式主要采用案例研討、公安機(jī)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)觀摩、線下圖紙式規(guī)劃等方式，存在著規(guī)劃場(chǎng)景單一、缺乏實(shí)踐操作、不夠形象直觀、學(xué)習(xí)效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于具有實(shí)驗(yàn)技術(shù)先進(jìn)、實(shí)驗(yàn)做法靈活、形象展現(xiàn)抽象、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度等新時(shí)代的教學(xué)特征，并且有利于學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐，因此已經(jīng)成為新時(shí)代高校人才培養(yǎng)模式的作用載體，廣泛應(yīng)用于各專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5]。

因此，針對(duì)治安防控空間規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，在分析視頻監(jiān)控、重大活動(dòng)安保、警務(wù)巡邏等治安防控工作的基礎(chǔ)上，綜合利用三維地理信息平臺(tái)、三維建模等信息技術(shù)，研發(fā)了治安防控空間規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生以交互式、沉浸式的方式快速、高效地學(xué)習(xí)、掌握治安防控空間規(guī)劃知識(shí)點(diǎn)，并在不同三維模擬場(chǎng)景中制作出直觀、形象、立體的治安防控空間規(guī)劃方案，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)以治安防控空間規(guī)劃為理論參考，以三維地理信息、三維建模、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為支撐，形成了以“三維模擬場(chǎng)景、三維設(shè)備模型、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K”為核心內(nèi)容的系統(tǒng)總體架構(gòu)。

系統(tǒng)采用通用的B/S架構(gòu)，學(xué)生無(wú)須安裝客戶端，通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程交互訪問(wèn)，同時(shí)支持學(xué)生、教師雙角色模式，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證登錄。教師端登錄可以增加、刪除、修改治安防控技術(shù)學(xué)習(xí)內(nèi)容，創(chuàng)建治安防控演示方案，查閱學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)和測(cè)試情況，同時(shí)可查閱、批改或退還學(xué)生在線提交的治安防控空間規(guī)劃方案。學(xué)生端登錄可以學(xué)習(xí)各類治安防控技術(shù)、設(shè)備、方案，制作警務(wù)巡邏、重大活動(dòng)安保、視頻監(jiān)控等空間規(guī)劃方案，并可以在線修改、提交規(guī)劃方案作業(yè)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K由防控技術(shù)學(xué)習(xí)、治安防控演示和治安防控空間規(guī)劃3個(gè)模塊構(gòu)成。每個(gè)模塊側(cè)重不同的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，依次引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地完成知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容操作。

2.1 防控技術(shù)學(xué)習(xí)模塊

該模塊梳理、展現(xiàn)治安防控工作中常用的設(shè)備、技術(shù)，包括各種類型的視頻監(jiān)控、周界防護(hù)、報(bào)警器、無(wú)人機(jī)、報(bào)警柱、防爆車等。每類設(shè)備通過(guò)文字、文檔、圖片、語(yǔ)音、視頻等多媒體形式全方位、多維度展示其功能、性能、參數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景、注意事項(xiàng)等教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，利用三維建模技術(shù)，建立每類設(shè)備的三維模型，還原其外觀形狀。

該模塊具有知識(shí)點(diǎn)測(cè)試功能，學(xué)生在學(xué)習(xí)完每類治安防控設(shè)備、技術(shù)后，需要通過(guò)題目測(cè)試，檢測(cè)其對(duì)治安防控設(shè)備、技術(shù)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，為治安防控演示模塊和空間規(guī)劃模塊奠定基礎(chǔ)知識(shí)。

2.2 治安防控演示模塊

防控技術(shù)學(xué)習(xí)模塊是以技術(shù)、設(shè)備為核心，組織相關(guān)知識(shí)內(nèi)容幫助學(xué)生開(kāi)展學(xué)習(xí)，而治安防控演示模塊則進(jìn)一步以不同類型的三維模擬場(chǎng)景為核心，以知識(shí)融合為原則，突出場(chǎng)景化應(yīng)用教學(xué)，提高學(xué)生對(duì)各類治安防控技術(shù)內(nèi)在邏輯、應(yīng)用機(jī)理等內(nèi)容的理解、掌握程度，形成治安防控技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)性、整體性思維。

該模塊具體包括設(shè)備演示、技術(shù)演示、方案演示等功能。技術(shù)、設(shè)備演示是以仿真的形式將治安防控技術(shù)、設(shè)備以三維模型的形式融入到不同的三維模擬場(chǎng)景中，學(xué)生在三維模擬場(chǎng)景中進(jìn)行漫游、查看、學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)、設(shè)備的知識(shí)點(diǎn)。方案演示則是學(xué)生在不同治安防控場(chǎng)景中學(xué)習(xí)治安防控空間規(guī)劃方案，掌握空間規(guī)劃的原則、規(guī)則、要點(diǎn)等內(nèi)容。在每類演示結(jié)束后，學(xué)生需要通過(guò)一定的題目測(cè)試才能進(jìn)入下一個(gè)演示內(nèi)容。

該模塊具有兩種學(xué)習(xí)模式：（1）自動(dòng)學(xué)習(xí)模式，即按照事先設(shè)定好的路線，在三維場(chǎng)景中自動(dòng)依次漫游到相應(yīng)技術(shù)點(diǎn)，開(kāi)展相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)，然后再漫游到下一個(gè)技術(shù)點(diǎn)；（2）自主學(xué)習(xí)模式，即學(xué)生通過(guò)自主操作，在三維模擬場(chǎng)景中漫游，尋找相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

2.3 治安防控空間規(guī)劃模塊

該模塊是系統(tǒng)最核心的模塊。在上述兩個(gè)模塊學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生利用該模塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和要求，選擇一定的三維模擬場(chǎng)景，運(yùn)用治安防控空間規(guī)劃知識(shí)，通過(guò)添加、調(diào)試、刪除視頻監(jiān)控、無(wú)人機(jī)、巡邏機(jī)器人等治安防控設(shè)備模型以及點(diǎn)、先、面等圖形、圖標(biāo)，最終制作形成治安防控空間規(guī)劃方案。

在制作好規(guī)劃方案后，該模塊具備在線保存、編輯、刪除、提交方案功能，學(xué)生可將完成的規(guī)劃方案以三維模擬場(chǎng)景的方式在線提交至對(duì)應(yīng)教師。同時(shí)，具備圖片導(dǎo)出功能，幫助學(xué)生完成規(guī)劃方案報(bào)告。

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與演示

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)

系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)是三維地理信息平臺(tái)，并在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一系列三維模擬場(chǎng)景和設(shè)備模型。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)主要是：

（1）三維地理信息平臺(tái)。其基于Cesium開(kāi)源框架。Cesium使用WebGL作為圖形渲染引擎，擅長(zhǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化，可添加三維模型以傾斜攝影數(shù)據(jù)，能在Web瀏覽器中不需要任何插件支持就能創(chuàng)建三維虛擬地球，并且具有跨平臺(tái)跨瀏覽器的優(yōu)點(diǎn)，能為系統(tǒng)研發(fā)提供強(qiáng)大的三維地圖展現(xiàn)功能[6]。三維地理信息平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)視角場(chǎng)景一鍵切換、室內(nèi)外模型流暢轉(zhuǎn)換、全景點(diǎn)無(wú)縫銜接瀏覽，最大程度提升三維操作的用戶友好性，同時(shí)能控制全景點(diǎn)圖層顯隱，支持地圖圖標(biāo)點(diǎn)擊查看3D實(shí)景。另外，能利用建筑統(tǒng)計(jì)樹(shù)形列表管理三維場(chǎng)景中的建筑模型，更直觀地了解場(chǎng)景中各個(gè)建筑物所在區(qū)域。

（2）三維模擬場(chǎng)景。三維模擬場(chǎng)景是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的場(chǎng)景基礎(chǔ)。在實(shí)際治安防控中，公安機(jī)關(guān)需要圍繞不同的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，如重點(diǎn)區(qū)域、社區(qū)、體育館、樓宇、街道等，制定治安防控方案。因此，針對(duì)治安防控中常見(jiàn)的場(chǎng)景，通過(guò)傾斜攝影和室內(nèi)三維建模技術(shù)，將各類現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建成三維模擬場(chǎng)景，為治安防控空間規(guī)劃實(shí)驗(yàn)提供多樣化、定制化的虛擬場(chǎng)景，即可根據(jù)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行建模，也可根據(jù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要定制化開(kāi)發(fā)。

（3）三維設(shè)備模型。由于不同的治安防控設(shè)備具有不同的功能和外觀形狀，為了更加直觀地區(qū)分具備不同功能的治安防控設(shè)備。系統(tǒng)梳理治安防控中常用的設(shè)備，按照其外觀形狀建立三維設(shè)備模型，并形成三維設(shè)備模型庫(kù)。目前，已經(jīng)建立了視頻監(jiān)控、無(wú)人機(jī)、防爆車、巡邏機(jī)器人、報(bào)警器、報(bào)警柱等十多類治安防控設(shè)備模型，如圖1所示。

圖1 三維治安防控設(shè)備模型Fig.1 Three dimensional security prevention and control equipment model

3.2 系統(tǒng)演示

在上述基礎(chǔ)上，主要研發(fā)了安防技術(shù)學(xué)習(xí)、治安防控演示和治安防控空間規(guī)劃3個(gè)模塊，具體界面如下所示：

（1）安防技術(shù)學(xué)習(xí)模塊。該模塊展現(xiàn)各類安防設(shè)備和技術(shù)，包括人臉識(shí)別攝像機(jī)、車輛識(shí)別攝像機(jī)、鷹眼、周界防護(hù)、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、報(bào)警器等，如圖2所示。通過(guò)單擊詳情，學(xué)生可以學(xué)習(xí)相應(yīng)技術(shù)、設(shè)備的知識(shí)點(diǎn)，查看文字、圖片、視頻、文檔等資料。

圖2 防控技術(shù)學(xué)習(xí)界面Fig.2 Prevention and control technology learning interface

（2）治安防控演示模塊。在三維模擬場(chǎng)景中，學(xué)生采用自動(dòng)學(xué)習(xí)或自主學(xué)習(xí)模式，通過(guò)不斷漫游，學(xué)習(xí)相應(yīng)治安防控技術(shù)、設(shè)備知識(shí)或場(chǎng)景規(guī)劃方案。以重大活動(dòng)安保為例，該規(guī)劃方案展現(xiàn)了安保人員、車輛軌跡、出入標(biāo)識(shí)、人數(shù)分布、重要樓宇等信息，如圖3所示。

圖3 治安防控演示界面Fig.3 Public security prevention and control demonstration interface

（3）治安防控空間規(guī)劃模塊。在三維地理信息平臺(tái)中，學(xué)生選定虛擬三維模擬場(chǎng)景，然后通過(guò)在三維場(chǎng)景中制作治安防控空間規(guī)劃方案。以添加視頻監(jiān)控為例，學(xué)生首先單擊視頻監(jiān)控圖標(biāo)，然后在三維場(chǎng)景中選定安裝位置，并調(diào)試位置、高度、朝向、俯仰角、錐長(zhǎng)等參數(shù)，最后單擊確定，添加的視頻監(jiān)控如圖4所示。除此之外，還能添加無(wú)人機(jī)、巡邏機(jī)器人等三維模型，并繪制其運(yùn)行軌跡，添加防控人員三維模型以及點(diǎn)、線、面等元素。

圖4 治安防控空間規(guī)劃界面Fig.4 Public security prevention and control space planning interface

4 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)傳統(tǒng)治安防控空間規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，基于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式具有立體化、動(dòng)態(tài)化、形象化、多樣化、全程化等教學(xué)特征，能較好地解決規(guī)劃場(chǎng)景單一、缺乏實(shí)踐操作、不夠形象直觀等問(wèn)題。通過(guò)研發(fā)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，大大拓展了治安防控空間規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，極大提高了治安防控空間規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

引用

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