基于VR的警務執法處突模擬訓練系統研究＊

張云明

（中國人民警察大學，河北 廊坊 065000）

1 引言

近年來隨著社會治安形勢的變化，人民警察執法處突環境日趨復雜。執法隊伍專業化、執法行為標準化、執法管理系統化、執法流程信息化是“科技興警”的時代要求和必然趨勢。提升警務執法規范化水平，需要實戰化的警務訓練技術支持。

長期以來警務訓練受安全性、對抗度及成本等因素制約，實戰化實景實裝實彈訓練一直存在安全隱患多、實訓成本高、拓展資源少、臨戰時效差、實戰對抗性低等問題，警務訓練大多局限在業務學習、警械操作、射擊模擬等基礎技能操練階段，知識講解、動作示范、技能操練、擊靶練習等手段仍是主要訓練形式，實戰警情下的執法規范養成和戰術協同訓練缺乏，突發事件時臨戰承壓下的警情研判、紅藍對抗處突訓練缺失。如何實現警務訓練由傳統理論學習、技能操作向規范執法、實戰抗壓、迎戰應變等綜合能力訓練，成為提高警務執法規范性和實戰能力的技術難題和問題關鍵。

實物訓練和虛擬訓練是兩種主要組訓模式，警務訓練“能實不虛”的訓練模式在器材裝備和技能訓練上具有優勢，但是對于營造真實訓練警情，尤其是突發警情下實戰訓練環境，僅用真實的裝備器材和實彈訓練通常難以達到沉浸感和真實感的實戰訓練要求，甚至不能開展相應教學內容和訓練科目。由于現有警務訓練系統沉浸感不強、實戰化警情編輯能力不足，難以實現真實警情下的抗壓應戰和綜合對抗訓練，因此需要構建真實場景下的實戰訓練環境，實現臨戰警情下的技戰術模擬訓練。

為了解決警務訓練中存在的痛點和短板，急需從警務執法處突實戰角度出發，利用虛擬現實技術和半實物仿真技術，開發滿足近似實戰的交互式技戰術訓練和心理適應性訓練要求的警務訓練虛擬仿真系統，通過模擬公安執法處突現場典型警情，使公安干警在仿真環境中如臨真實現場，實現人和裝備的有機結合，開展近似實戰的技能訓練、戰術訓練、心理適應性訓練。

2 虛擬現實警務訓練技術概述

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

在國內從20世紀90年開始對分布式交互仿真、虛擬現實等先進仿真技術進行研究，開展了較大規模的復雜系統仿真應用。在信息產業飛速背景下，虛擬現實技術的興起與發展引領仿真技術朝著高智能化、分布式、合成化、沉浸式方向發展。國內虛擬現實技術也已經深入應用到航天、軍事、能源、醫療等尖端科技領域，在教學培訓上，虛擬現實技術的地位和作用也越來越明顯。虛擬仿真技術在警務訓練中的應用是隨著國內虛擬現實技術及其裝備的進步逐漸發展起來的。北京、上海等地一些科技公司從警察射擊訓練科目入手開發虛擬設計模擬訓練系統。國內部分警察院校也非常重視模擬訓練系統和教學課程開發，例如公安大學、浙江警察學院等的開設的VR教學培訓系統、現場勘查訓練考核系統和槍械綜合培訓VR虛擬現實系統等。

從國內總體情況來看，警務模擬仿真系統研究和應用總體偏少，現有系統也主要集中在槍支使用技能培訓和犯罪痕跡現場識別與記錄上，基于真實場景的虛擬現實與半實物仿真模擬系統的研究和應用還處于起步階段。基于典型警情的虛擬場景和貼近實戰的交互式虛擬教學與培訓必然成為警務訓練的改革趨勢和發展方向。

3 警務虛擬訓練技術選擇

目前基于虛擬現實技術的模擬訓練系統主要有CAVE式三維立體現實顯示系統和頭盔式虛擬現實顯示系統兩大類。CAVE式三維顯示系統（非頭盔模式）通過產生一個三維立體畫面包圍的訓練空間，使訓練人員在虛擬空間內開展模擬訓練；頭盔式虛擬現實系統以虛擬現實頭盔為主要硬件設備，實現全沉浸式虛擬警情呈現和訓練環境仿真，兩種技術方法各有優點和局限性。基于真實警情訓練環境呈現與虛實結合交互訓練功能需求，單獨采用其中一種虛擬訓練模式難以滿足實戰化訓練要求，因此需要集成開發三維立體弧屏（非頭盔模式）與虛擬現實頭盔相融合的虛擬訓練呈現系統，配合光慣融合運動捕捉技術、萬向移動裝置和半實物模擬裝置，實現同一場景多警種、多角色、多模式兼容訓練環境與虛實結合訓練功能統一。該集成技術方法有效解決現有模擬訓練系統呈現方式單一、可參與虛擬訓練空間有限、可用警械武器裝備單一、缺乏有效對抗訓練、沉浸感和真實性體驗差等問題。系統除了滿足知識學習、技能訓練和單警戰術訓練外，還可實現典型處突警情下抗壓處置紅藍對抗訓練和多模戰術小組協同訓練需求。

4 警務虛擬訓練系統設計與實現

4.1 虛擬訓練系統架構設計

實戰化虛擬訓練系統是一套軟硬件結合的分布式訓練系統，內容包括構建一套虛擬訓練環境，研制一套虛實結合交互設備，編制一套訓練系統軟件，通過軟硬件集成建設一套多功能虛擬訓練平臺。系統架構如圖1所示。

圖1 虛擬訓練系統技術架構

4.2 虛擬訓練系統硬件裝置設計

4.2.1 仿真訓練場景沉浸環境呈現

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

4.2.2 警務虛擬訓練交互設備研發

交互設備是虛擬環境中用于模擬真實裝備器材的仿真實物裝置，目的為為警務模擬訓練研發一套虛實結合警械武器實物仿真裝備。根據警務裝備使用需要，系統需要研發模擬警械裝備、模擬武器裝備和模擬移動裝置三類：①模擬警械裝備。系統主要研制模擬訓練專用警棍、盾牌、催淚器等實戰裝備，在模擬警械上通過加裝定位傳感器、慣性傳感器和開關量采集器，采用單片機技術實時采集警械位置、姿態、使用狀態等動態信息，并通過無線方式傳輸給訓練主機，實現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，系統主要開發警用仿真槍械，采用光慣融合技術為槍械定位定向，裝配多數據融合傳感器，采集槍械操作過程和狀態，利用振動裝置模擬槍械擊發反作用力，通過無線傳輸實時獲取槍械位置、姿態、瞄準情況和中靶狀態，實現模擬實裝武器與虛擬場景的映射與交互。③模擬移動裝置。通過研制虛擬現實萬向移動平臺，獲取控制數據并推送入主機，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和模式識別算法，確定受訓人員的動作和姿態（移動、跳躍、下蹲），為受訓對象在虛擬警情中漫游、觀察、行動戰術行為提供數據接口，實現大場景自由空間虛擬警情中的人員定位定姿。

4.3 虛擬訓練系統軟件功能設計

警務虛擬訓練系統軟件部分主要包括訓練系統開發與訓練科目內容設計兩部分內容。

4.3.1 訓練系統軟件設計

訓考一體的模擬訓練軟件系統開發，系統主要研發以下四個模塊：虛擬場景生成與顯示模塊，根據訓練科目內容設置需要情況，實時生成各類基礎場景和警情，借助沉浸式呈現單元呈現于受訓對象；虛擬交互控制與通訊模塊，完成模擬設備的數據傳輸與通訊，實現虛擬場景和實物裝備映射和反饋；訓練科目生成與管理模塊，通過結構化的訓練科目數據庫，實現訓練場景庫與訓練科目庫融合應用；訓練結果評價與考核模塊，具備基于特定警情和任務的分層、分級考核，客觀記錄、評價受訓對象訓練效果。

4.3.2 訓練內容與科目設計

公安執法處突業務仿真訓練內容和科目研發突出實戰需要，具體內容以《公安機關人民警察訓練條令》《公安系統人民警察實戰基礎訓練教程》《公安機關人民警察基本素質考試考核暫行辦法》等為指南，設計科目內容主要包含技能訓練和戰術訓練：①對典型警情和突發事件現場危險性、復雜性、危害性的認知與體驗，幫助訓練對象掌握個人防護基本知識，開展心理素質訓練，提高面對突發警情時的感知、判斷和應變能力；②利用各類半實物或虛擬槍械裝備，開展警告、徒手防衛或制止、警械使用、武器使用、盤查、搜索、抓捕、戰術配合等交互式仿真訓練，掌握執勤處突行動的單警技能和警組戰術，強化個人基本能力，固化安全作戰行為。

5 結束語

以警務訓練實戰化、模擬化、基地化需求為牽引，創新訓練方法手段，探索虛擬現實、模式識別、情景教學、嵌入式和半實物仿真等技術在警務模擬訓練設施開發中的關鍵技術，通過系統軟硬件架構設計和科目內容設計，建立體驗式學習、心理訓練、交互式技戰術訓練相結合的警務人員沉浸式、半實物、高仿真的訓練環境，構建理論教學、基礎技能模擬訓練、綜合戰術協同演練、處突對抗仿真訓練之間的技術橋梁，為警務教學訓練提供一種沉浸感體驗好、實戰化程度高、成本低廉的新技術手段。