“5G+教學練戰一體化”信息平臺設計與實現

張培晶，牛麗波，宋 蕾，陳天祥，張 桐*

（1.中國人民公安大學網絡信息中心，北京 100038；2. 北京警察學院網絡安全保衛系，北京 102202）

0 引言

“教學練戰一體化”模式是公安院校人才培養和教學實踐的標志性成果。該模式旨在通過從教、學、練、戰四個方面來設計教學過程，將知識講解、學習思考、技能訓練和實戰應對有機結合，促進公安專業學生能力素養與綜合技能的同步提升［1］。

近年來，新一輪科技革命帶來社會治安環境與警務模式的深刻變革，公安工作智慧化水平日新月異，公安教育工作面臨著巨大機遇與挑戰。在此背景下，適應新時期政法公安工作對專業人才培養的新需求和新要求，積極引入5G、虛擬現實、云計算和人工智能等新一代信息技術，構建虛實結合的創新性公安實戰化教學環境和平臺，推進公安實戰化教學訓練設施和平臺向數字化、智慧化升級，促進形成公安執法實踐教學和實戰訓練新模式，已經成為提升公安教育訓練實戰化水平的必然選擇。

1 現狀與趨勢分析

1.1 信息平臺現狀分析

“教學練戰一體化”教學模式的開展，需要配套的教學設施和平臺支撐。當前，相關實驗實訓設施和仿真教學系統不同程度地存在以下問題：

（1）無線網絡接入和適配能力凸顯不足，制約了移動泛在學習和高清視頻傳輸、虛擬現實、人工智能等新技術在教學練戰中的應用。傳統無線網絡并發接入能力和傳輸速率、時延等瓶頸問題，無法有效支撐學生開展沉浸式的在線學習。對于傳輸帶寬和實時性要求較高的虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等設備的使用，卡頓和延時嚴重影響參訓者的體驗。盡管Wi-Fi 6 等新一代無線網絡在帶寬方面有所改善，但是廣域空間的接入能力仍然受限。

（2）數據傳輸安全與共享問題，導致模擬訓練與實戰應用的協同度不夠。一方面，由于公安實戰數據的敏感性高，難以實現向公安院校實驗實訓系統的開放共享，導致實驗實訓數據的鮮活度不夠。另一方面，公安院校自身智慧校園建設所形成的平臺能力與真實數據，由于缺少相應的轉換接口和銜接機制，在實戰化教學訓練中未得到有效利用。

（3）多元化上層應用缺少統一的支撐平臺。各專業應用建設所用的技術選型、基礎平臺復雜多樣，每類應用與平臺多為強關聯模式，“多平臺+多應用”模式制約了平臺整合、應用遷移和數據共享，導致實驗實訓系統建設成本高、復用度低、可持續性差。

1.2 5G技術給智慧公安教育帶來的影響

5G 技術將促進云計算、人工智能、虛擬現實、物聯網、超高清直播等技術深度融入教育各領域，為公安教育訓練改革帶來機遇。具體表現為：

（1）5G 技術的分布架構和特點，賦予5G 網絡極佳的移動性，增強了移動視頻采集和移動直播的靈活性，能夠有效支撐高品質的泛在學習訓練。

（2）憑借5G 超高速、低延時等特點，可將3D模型、虛擬仿真、VR等資源無損耗地高速傳輸與利用，促進“人機交互、虛實結合”的教學環境創設，使得教育訓練的內容更加多樣、形式更加豐富、流轉更加便利［2］。

（3）5G 網絡的廣聯接特性能夠實現廣域空間有效覆蓋，使物聯接入更便捷和廣泛，虛實空間的物理映射更實時，讓實驗實訓系統的數據獲取更及時。

（4）5G 切片技術與邊緣計算能力相結合，能夠有效構建邏輯隔離的專用網絡，服務公安院校與實戰部門之間的數據安全傳輸與共享。

（5）5G 讓云觸手可及，加速數據向云端匯集，促進教學練戰業務的云化整合，支撐數字化教學資源的內部流動以及跨地區共建共享［3］。

2 信息平臺總體設計

2.1 總體建設目標

針對公安專業實踐教學和綜合訓練需要，以5G 網絡為牽引，構建支撐智慧教學實驗實訓和智慧校園運行管理的開放信息平臺，建設支持教師靈活創設情景和學生自主學習訓練的實戰化教學應用系統。信息平臺總體建設目標如圖1所示。平臺通過與學校智慧校園建設的軟硬件基礎設施共享、技術共享、數據共享、模型共享與引擎共享復用，支撐教學練戰各環節的整合應用，實現教育訓練與實戰應用互相促進。一方面，豐富的校園管理運行數據可以為實驗實訓平臺提供鮮活數據。另一方面，公安專業最新智慧警務應用可以為學校的安全保衛、應急處突和預警研判等提供模型與系統支撐。

圖1 “5G+教學練戰一體化”信息平臺總體功能

2.2 平臺邏輯架構

平臺遵循層次化、結構化、構件化與可擴展的軟件架構設計，平臺邏輯架構由基礎設施層、數據層、服務層、應用層組成，如圖2 所示。

圖2 “5G+教學練戰一體化”信息平臺邏輯架構

2.3 平臺技術架構

圍繞信息平臺總體建設目標，平臺采用面向服務（SOA）的體系設計和基于B/S/D 三層結構的技術架構，使用前后端分離模式開發，如圖3所示。前端表現層基于Vue 框架搭建Web 應用程序，結合HTML5-WebGL、Canvas 等技術對瀏覽器渲染進行深度優化，既能滿足現階段數據展示又具備應對未來大數據擴展的需求［4］。數據服務層與業務邏輯處理層為SpringBoot+MyBatis開發的微服務架構，具有高擴展、高復用、低耦合、部署便捷、自嵌入容器等特點。

圖3 “5G+教學練戰一體化”信息平臺技術架構

3 基礎設施層設計與實現

基層設施層包括云網設施、物聯數據采集設施、融合通信與指揮控制設施等。

3.1 云網設施

“5G+教學練戰一體化”平臺采取“云網協同”的部署模式，保障內容的便捷更新與安全傳輸。通過融合5G 網、Wi-Fi 6和光纖寬帶等技術，構建高速泛在、安全可靠的網絡環境，提供高可靠、低成本、大并發的網絡接入能力，保障移動接入和高清視頻、VR/AR 等大數據量傳輸需求；同時，結合云計算、邊緣計算等技術，滿足教學練戰應用對泛在連接、泛在計算、泛在存儲等需求。

3.2 物聯數據采集設施

依托5G 和校園有線網，建設智慧教室、智慧實驗室、智慧訓練場所視頻采集和物聯接入設施，實現課堂教學、現場訓練的實況高清采集，實現智慧教學環境監測數據、智能穿戴采集數據的實時接入，實現校園一卡通數據、門禁數據、校情數據、教務數據的全面匯集，為各類教學練戰應用與分析評價提供數據支持。

3.3 融合通信與指揮控制設施

根據公安指揮調度和校園安全管理需要，建設PDT 集群窄帶網絡和5G 寬帶網絡的融合通信系統。在指揮調度實戰應用或實景訓練中，通過對通信指令和語音進行標準化、數字化、IP 化處理，實現窄帶調度；同時利用5G 寬帶網絡把實訓全景展現在學校綜合指揮大廳，最終實現指令可達、現場可視。此外，建立5G+智能巡航定位與控制系統，支撐智能巡邏機器人、無人駕駛車輛、無人機等應用。

4 服務層設計與實現

平臺服務層采用中臺技術，通過對服務、數據和模型的封裝，形成可復用的能力，支撐上層教學練戰應用的實景化情景創設、交互式操作引導和動態化推演分析。平臺提供組件化的引擎調用，引擎之間也支持相互調用。

4.1 環境和實體仿真引擎

仿真引擎是情景化應用創設的基礎，可以為仿真資源的建模、標注、管理和模擬運行提供支撐。

（1）環境類仿真。該仿真模塊用來描述作戰過程所涉及的現場環境屬性和特征，可以為演練提供高精度的環境數據，提高演練的可信性和逼真性。主要包括現場環境模擬、氣象環境模擬、交通流模擬等。①現場環境仿真模塊在地理信息系統支持下，生成現場三維空間模型以及表層紋理影像；②氣象環境模擬具備任務區氣象環境模擬能力，包括溫度、濕度、氣壓、風向、風速、能見度和天氣現象（如云、雨、雪）的模擬；③交通環境模擬基于人工智能，以想定條件作為輸入對任務區內的交通環境進行模擬，可模擬通暢、擁堵、阻塞等交通狀況。

（2）人車物實體仿真。根據公安專業實踐教學中有關犯罪現場重建、交通事故現場、大型活動現場重現等方面的應用需要，構建可復用的三維實體模型。實體模型包括人員模型、車輛模型、警用設施模型、犯罪實物模型等。

根據建模技術和實現方式的不同，仿真資源建模分別采用基于建模軟件的人工標繪幾何建模和基于人工智能算法的生成式建模。前者主要用于初始化階段的靜態建模，形成標準化、可共享的三維模型（如OBJ、FBX、DAE等）；后者主要用于數字孿生場景下的動態生成建模。

4.2 地理空間引擎

地理空間引擎為案例場景的空間建模和數字孿生建模提供地理信息模型、地理坐標系統和空間分析能力。

（1）地圖可視化功能。可以實現二維和三維地理空間渲染生成、地球模擬和地形分析，也支持不同類型空間數據的格式轉換。

（2）地理坐標功能。通過構建數字坐標體系和坐標轉換，將現實世界的地理空間信息轉換為數字空間信息，以實現數字模型中的空間關系與現實世界相一致。

（3）地理空間查詢與分析功能。能夠實現空間位置查詢、緩沖區分析、疊加分析、熱點分析、路徑規劃分析等功能。

地理空間引擎的實現采用Cesium 開源框架［5］，通過JavaScript 進行開發，基于Web 方式實現對地球表面的三維建模、導航漫游和路徑分析。

4.3 交互式渲染引擎

交互式渲染引擎提供圖形圖像渲染和人機交互導航能力。其中，可視化渲染模塊主要實現對虛擬世界中的物體、場景、光源等進行實時渲染，生成具有真實感的三維場景，準確地呈現出物體的紋理、光照等屬性。

為滿足參訓學員的多終端、跨平臺和輕量級應用需要，平臺采用WebGL2.0 技術，在瀏覽器中實現3D圖形渲染和導航建模。

4.4 流程編排和導控引擎

流程編排和導控引擎提供可交互的業務方案設定、運行推演和導調控制功能，實現流程邏輯設置、演練數據管理、演練運行控制等。

（1）方案設定。提供可視化流程編排工具，支持按照想定預案進行演化流程設定、基礎數據錄入、演練參數設定和導控節點設置，設置和編排人機交互規程和動態演進分支，支持在電子地圖上利用標繪實體形式來制定預設方案。

（2）運行推演。根據預設劇情進行裝備模型、物理模型和行為模型的運行及調度，實時產生結果數據，最終實現基于時間維度的典型案例或孿生現場可視化呈現。在應急處理仿真推演中，用路徑動畫、閃爍動畫、顯隱動畫、旋轉動畫、生長動畫形式按照時間進行發展推演，顯示方案推演效果。

（3）導調控制。根據交互式實驗實訓需要，提供參訓人員對演練進程予以干預和調整的功能。結合設立多個關鍵節點切分案例，預設發展分支，支持對案例進行介入性推演。

4.5 行為推演引擎

行為仿真引擎提供專業計算模型，實現各類參與實體的行為仿真和演化模擬。主要功能如下：

（1）運動模型。用來描述各類實體的運動特性，包括步行、自行車、摩托車、汽車、公交、地鐵等模型。通過輸出運載人數、軌跡、速度、乘降地點等信息，結合路徑分析和派警路徑規劃功能，實現路況信息展示、指揮員現場調度任務下達等場景。

（2）信息傳播模型。用來描述人際關系、互聯網、短信、電話、廣播等方式信息傳播過程。

（3）聚集響應模型。用來描述警方各類措施對目標地區人群聚集程度影響，包括對進入和離開目標地區人數的影響。警方措施包括信息發布、提示、預警、交通管制、封閉公共交通、設置柵欄及其他各類驅散措施。

（4）騷亂控制模型。通過建立紅藍蘭徹斯特方程，輸出雙方戰斗力，描述不同警力對目標地區人群騷亂的控制程度。

5 應用層設計與實現

公安專業不同類型實驗實訓應用的靈活創設，主要在應用層通過對系統資源、案例情景和參訓用戶的設置與管理予以實現。

5.1 系統配置與資源管理

主要實現系統配置、模型庫資源管理和服務資源的管理與監測，為進一步的實訓場景設定和運行提供支持。系統配置包括樣式設置、角色管理和授權管理等。模型庫資源管理提供對實踐教學所需的預案庫、場景庫、警械庫和犯罪實體庫等數據模型的管理。系統預設多種已經創建好的仿真場景數據模板。教師可以直接使用這些預設仿真場景，也可基于這些場景進行調整，從而快速創設實訓課程。

5.2 案例情景創設與管理

支持系統管理人員或指導教師，根據教學所需，自主設計虛擬現場和操作規程。通過利用服務層提供的各類引擎以及仿真標繪工具、全景標記工具、流程編輯工具，結合不同類型公安典型案事件的真實場景與發展規律，進行實踐教學仿真場景的搭建、編輯和制作形成相應的訓練模板，以支撐各類典型案事件的重現分析教學和操作技能訓練。

5.3 參訓用戶設置與管理

支持系統管理人員或指導教師針對不同的學生群體，進行組織機構設置、賬號創設，并授予相應的權限和實訓模組，不同專業的學生即可根據相應授權參與實訓演練，進行自主訓練。

6 結語

本文分析5G 網絡特性及其對公安教育的影響，圍繞新時期智慧化公安專業教學練戰需要，通過開放性的系統架構和一體化方案設計，構建教學練戰應用的基礎設施、支撐平臺和數據底座，以支持相關專業教師根據實戰化教學需要敏捷開發上層應用，靈活創設實驗實訓課程。該平臺有關主體功能已初步實現，并在應急指揮處置、犯罪現場勘察、交通事故處理等方面開展了試點應用。