基于VR的警务执法处突模拟训练系统研究＊

张云明

（中国人民警察大学，河北 廊坊 065000）

1 引言

近年来随着社会治安形势的变化，人民警察执法处突环境日趋复杂。执法队伍专业化、执法行为标准化、执法管理系统化、执法流程信息化是“科技兴警”的时代要求和必然趋势。提升警务执法规范化水平，需要实战化的警务训练技术支持。

长期以来警务训练受安全性、对抗度及成本等因素制约，实战化实景实装实弹训练一直存在安全隐患多、实训成本高、拓展资源少、临战时效差、实战对抗性低等问题，警务训练大多局限在业务学习、警械操作、射击模拟等基础技能操练阶段，知识讲解、动作示范、技能操练、击靶练习等手段仍是主要训练形式，实战警情下的执法规范养成和战术协同训练缺乏，突发事件时临战承压下的警情研判、红蓝对抗处突训练缺失。如何实现警务训练由传统理论学习、技能操作向规范执法、实战抗压、迎战应变等综合能力训练，成为提高警务执法规范性和实战能力的技术难题和问题关键。

实物训练和虚拟训练是两种主要组训模式，警务训练“能实不虚”的训练模式在器材装备和技能训练上具有优势，但是对于营造真实训练警情，尤其是突发警情下实战训练环境，仅用真实的装备器材和实弹训练通常难以达到沉浸感和真实感的实战训练要求，甚至不能开展相应教学内容和训练科目。由于现有警务训练系统沉浸感不强、实战化警情编辑能力不足，难以实现真实警情下的抗压应战和综合对抗训练，因此需要构建真实场景下的实战训练环境，实现临战警情下的技战术模拟训练。

为了解决警务训练中存在的痛点和短板，急需从警务执法处突实战角度出发，利用虚拟现实技术和半实物仿真技术，开发满足近似实战的交互式技战术训练和心理适应性训练要求的警务训练虚拟仿真系统，通过模拟公安执法处突现场典型警情，使公安干警在仿真环境中如临真实现场，实现人和装备的有机结合，开展近似实战的技能训练、战术训练、心理适应性训练。

2 虚拟现实警务训练技术概述

国际上计算机模拟仿真一直被认为是专业教学和模拟训练的有效手段，一些发达国家高度重视仿真技术与教育训练的结合发展，将虚拟仿真技术发展作为推动教育训练发展的重要领域。虚拟现实与半实物仿真是一种虚实结合的系统，广泛应用于航空、航天、军事、电力、化工、通信，在合成指挥、技战术训练和装备训练等方面有着举足轻重的作用。在警务训练领域，欧美一些发达国家非常重视计算机仿真技术在警务模拟训练中的应用。美国在21世纪初就开设了警用仿真模拟实战射击课程，在训练中采用基于视频的“高级交互系统”来模拟各种临战情景，以帮助警察提高警情判断能力；VirTra公司基于CAVE虚拟模式，设计了一套警用VR训练系统V-300，通过该系统提供的300°模拟场景和仿真半实物装备，受训警察可以在虚拟世界中演练真实罪案现场；美国警察培训部门最新引进BEST的VR训练系统，通过在虚拟空间中打造复杂的训练空间来开展警务交互模拟训练，使警察更加真实地感受复杂警情，降低警察的处置行为和误伤概率，最大限度地强化培训的实际效果。德国SECOTRON公司和AIS公司也为本国警察训练开发了基于虚拟现实的射击训练系统。

在国内从20世纪90年开始对分布式交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真应用。在信息产业飞速背景下，虚拟现实技术的兴起与发展引领仿真技术朝着高智能化、分布式、合成化、沉浸式方向发展。国内虚拟现实技术也已经深入应用到航天、军事、能源、医疗等尖端科技领域，在教学培训上，虚拟现实技术的地位和作用也越来越明显。虚拟仿真技术在警务训练中的应用是随着国内虚拟现实技术及其装备的进步逐渐发展起来的。北京、上海等地一些科技公司从警察射击训练科目入手开发虚拟设计模拟训练系统。国内部分警察院校也非常重视模拟训练系统和教学课程开发，例如公安大学、浙江警察学院等的开设的VR教学培训系统、现场勘查训练考核系统和枪械综合培训VR虚拟现实系统等。

从国内总体情况来看，警务模拟仿真系统研究和应用总体偏少，现有系统也主要集中在枪支使用技能培训和犯罪痕迹现场识别与记录上，基于真实场景的虚拟现实与半实物仿真模拟系统的研究和应用还处于起步阶段。基于典型警情的虚拟场景和贴近实战的交互式虚拟教学与培训必然成为警务训练的改革趋势和发展方向。

3 警务虚拟训练技术选择

目前基于虚拟现实技术的模拟训练系统主要有CAVE式三维立体现实显示系统和头盔式虚拟现实显示系统两大类。CAVE式三维显示系统（非头盔模式）通过产生一个三维立体画面包围的训练空间，使训练人员在虚拟空间内开展模拟训练；头盔式虚拟现实系统以虚拟现实头盔为主要硬件设备，实现全沉浸式虚拟警情呈现和训练环境仿真，两种技术方法各有优点和局限性。基于真实警情训练环境呈现与虚实结合交互训练功能需求，单独采用其中一种虚拟训练模式难以满足实战化训练要求，因此需要集成开发三维立体弧屏（非头盔模式）与虚拟现实头盔相融合的虚拟训练呈现系统，配合光惯融合运动捕捉技术、万向移动装置和半实物模拟装置，实现同一场景多警种、多角色、多模式兼容训练环境与虚实结合训练功能统一。该集成技术方法有效解决现有模拟训练系统呈现方式单一、可参与虚拟训练空间有限、可用警械武器装备单一、缺乏有效对抗训练、沉浸感和真实性体验差等问题。系统除了满足知识学习、技能训练和单警战术训练外，还可实现典型处突警情下抗压处置红蓝对抗训练和多模战术小组协同训练需求。

4 警务虚拟训练系统设计与实现

4.1 虚拟训练系统架构设计

实战化虚拟训练系统是一套软硬件结合的分布式训练系统，内容包括构建一套虚拟训练环境，研制一套虚实结合交互设备，编制一套训练系统软件，通过软硬件集成建设一套多功能虚拟训练平台。系统架构如图1所示。

图1 虚拟训练系统技术架构

4.2 虚拟训练系统硬件装置设计

4.2.1 仿真训练场景沉浸环境呈现

虚拟训练系统首要任务是为受训警员构建一个沉浸感强、逼真度高、体验感好的模拟警情虚拟训练环境。基于沉浸感和兼容性需求，系统同时提供CAVE式和虚拟头盔式两种仿真训练环境呈现方式：①CAVE式采用多幕弧形显示系统，配以环绕立体声音响，搭配光惯融合定位系统，开发无头盔式三维立体场景呈现单元，实现无约束沉浸式训练环境。②虚拟头盔式以HTCVive头盔显示器为基础，研制警用虚拟现实仿真训练的一体化头盔，满足全沉浸式警用训练需求。

4.2.2 警务虚拟训练交互设备研发

交互设备是虚拟环境中用于模拟真实装备器材的仿真实物装置，目的为为警务模拟训练研发一套虚实结合警械武器实物仿真装备。根据警务装备使用需要，系统需要研发模拟警械装备、模拟武器装备和模拟移动装置三类：①模拟警械装备。系统主要研制模拟训练专用警棍、盾牌、催泪器等实战装备，在模拟警械上通过加装定位传感器、惯性传感器和开关量采集器，采用单片机技术实时采集警械位置、姿态、使用状态等动态信息，并通过无线方式传输给训练主机，实现实物装备与虚实场景的映射与交互。②模拟武器装备。武器使用是公安民警执法过程中面对暴力抗拒或攻击时武力使用的强制手段，系统主要开发警用仿真枪械，采用光惯融合技术为枪械定位定向，装配多数据融合传感器，采集枪械操作过程和状态，利用振动装置模拟枪械击发反作用力，通过无线传输实时获取枪械位置、姿态、瞄准情况和中靶状态，实现模拟实装武器与虚拟场景的映射与交互。③模拟移动装置。通过研制虚拟现实万向移动平台，获取控制数据并推送入主机，控制虚拟警员在场景中运动和定位，或者利用光惯融合运动捕捉技术和模式识别算法，确定受训人员的动作和姿态（移动、跳跃、下蹲），为受训对象在虚拟警情中漫游、观察、行动战术行为提供数据接口，实现大场景自由空间虚拟警情中的人员定位定姿。

4.3 虚拟训练系统软件功能设计

警务虚拟训练系统软件部分主要包括训练系统开发与训练科目内容设计两部分内容。

4.3.1 训练系统软件设计

训考一体的模拟训练软件系统开发，系统主要研发以下四个模块：虚拟场景生成与显示模块，根据训练科目内容设置需要情况，实时生成各类基础场景和警情，借助沉浸式呈现单元呈现于受训对象；虚拟交互控制与通讯模块，完成模拟设备的数据传输与通讯，实现虚拟场景和实物装备映射和反馈；训练科目生成与管理模块，通过结构化的训练科目数据库，实现训练场景库与训练科目库融合应用；训练结果评价与考核模块，具备基于特定警情和任务的分层、分级考核，客观记录、评价受训对象训练效果。

4.3.2 训练内容与科目设计

公安执法处突业务仿真训练内容和科目研发突出实战需要，具体内容以《公安机关人民警察训练条令》《公安系统人民警察实战基础训练教程》《公安机关人民警察基本素质考试考核暂行办法》等为指南，设计科目内容主要包含技能训练和战术训练：①对典型警情和突发事件现场危险性、复杂性、危害性的认知与体验，帮助训练对象掌握个人防护基本知识，开展心理素质训练，提高面对突发警情时的感知、判断和应变能力；②利用各类半实物或虚拟枪械装备，开展警告、徒手防卫或制止、警械使用、武器使用、盘查、搜索、抓捕、战术配合等交互式仿真训练，掌握执勤处突行动的单警技能和警组战术，强化个人基本能力，固化安全作战行为。

5 结束语

以警务训练实战化、模拟化、基地化需求为牵引，创新训练方法手段，探索虚拟现实、模式识别、情景教学、嵌入式和半实物仿真等技术在警务模拟训练设施开发中的关键技术，通过系统软硬件架构设计和科目内容设计，建立体验式学习、心理训练、交互式技战术训练相结合的警务人员沉浸式、半实物、高仿真的训练环境，构建理论教学、基础技能模拟训练、综合战术协同演练、处突对抗仿真训练之间的技术桥梁，为警务教学训练提供一种沉浸感体验好、实战化程度高、成本低廉的新技术手段。