警察武力执法的虚拟仿真系统平台开发研究

张帅奇

(陕西警官职业学院警体部，陕西 西安 710023)

0 引言

警察武力执法是一种打击违法犯罪行为的强制性手段。由于武力训练存在一定的高风险性，目前执法训练基于基础训练，难以进行复杂压力环境下的实战演练和战术训练[1-3]。虚拟现实技术的发展，为警务实战训练提供了重要的技术补充手段。通过虚拟现实技术构建虚拟警情环境，辅助警务人员进行更具针对性、科学性的实战演练[4-6]，不仅降低了实战训练的风险性、提升了交互职能性，同时构成了“三位一体”的仿真教学模式，提升了警察武力执法质量和执法综合水平[7-9]。本文结合我国法律规范，基于虚拟现实技术设计警察武力训练系统，以提高警察武力培训效果、增强警察执法归范性，开创了警察武力使用训练新模式。

1 系统架构设计

1.1 系统功能需求

根据警察在武力实战及训练需求分析，仿真系统采用多层级、模块化、松耦合原则进行设计，要求虚拟仿真系统必须做到虚拟化、场景化、实战化，实现仿真训练可记录和考评功能。

虚拟情境是进行武力训练的主要空间。对于虚拟情境的仿真，首先是根据训练内容的差异，通过虚拟现实构建训练环境，满足学员不同操作需求[10]。当学员进入构建的仿真环境中，通过高度交互感来提升警务技能。警械武器仿真主要对执法过程中采用的催泪喷射器、手铐、警棍等实物建立精确的仿真模型。在实际执法过程中，由于执法对象、环境等不确定性，要求平台具有较强编辑能力，以满足场景多变性。同时，平台对训练全程产生的数据和影像进行记录保存，让学员能及时发现问题并纠正；对一些量化指标进行标准和处理和智能化评定，生成学员报告，对训练报告进行分析并不断优化评定标准。

1.2 体系结构设计

根据上述系统功能需求分析，将系统分为管理子系统、虚拟仿真训练、功能模块。各模块采用内部服务器相互连通。

仿真训练系统结构框架如图1所示。

图1 仿真训练系统结构框架Fig.1 Structure framework of simulation training system

管理控制子系统作为总中枢，需要满足情景构建的基本需求，包括对模块的优化、提供便利的交互性界面等功能；有功能模块构建仿真场景，通过输入终端获得学员动作满足情境交互。实时调整模块中，一方面基于大数据分析模块进行训练场景的设置，另一方面根据警情特征进行优化，保证贴近实战。交互界面通过终端交互界面进行信息的交互。

1.3 软件支持

仿真训练系统软件层采用四层体系结构，分为系统软件层、基础平台层、应用层和用户管理层。仿真训练系统软件框架如图2所示。

系统软件层作为软件运行基础，包括系统软件和数据库软件。本文仿真训练采用WindowsXP操作系统，MySQL数据库管理软件。用户层主要包括操作接口和应用界面，为学员和教官提供各功能模块的通道入口。应用层分为管理层和应用软件层，包括系统的控制管理软件(如运营软件、加密软件、检测修复软件等)，以及应用软件(如训练软件、情境构建软件、教学软件等)。基础平台层是系统的核心，由数据库和虚拟现实开发环境构成。数据库保存用户数据、学员训练数据、考评数据。虚拟开发环境则是通过编程开发构建虚拟情境和实物，并存入资源库。其一方面提供各类情境模型，另一方面提供虚拟模型的编辑和修改。

1.4 硬件系统

仿真训练系统硬件系统包括建模设备、交互设备和通用设备。建模设备主要为构建模型的应用软件和工具，包括实时三维空间重构设备和3D扫描仪等。

交互设备主要提供人机交互互联工具，包括仿真模拟警械武器、数据包、动作捕捉设备、虚拟现实头盔、力反馈震动马甲等。通用设备主要为系统应用提供服务设备，包括显示屏、服务器、感应器、视频监控设备、计算机、路由器等。

图2 仿真训练系统软件框架Fig.2 Software framework of simulation training system

2 系统功能模块设计

2.1 教学模块

根据我国警察武力使用情况，建立“基本训练、判定训练、战术训练”的“三段式”仿真训练模块，形成由低到高、由简单到复杂的客观学习规律。在训练模块中，武力课程包括语言、徒手、武器等基本动作和操作，以及情境训练、战术运用等。“三段式”武力训练模式如图3所示。

图3 “三段式”武力训练模式示意图Fig.3 “Three-stage” force training model

在“三段式”警察武力仿真训练中，第一阶段为基本训练。该阶段主要学习理论、动作、技能基础，掌握警务战术、法律知识体系。武力使用判定训练主要结合基础训练理论知识和动作技能，培养经常执法思维，满足现场复杂环境下的快速反应。战术训练则是在基本训练和判定训练基础上的综合应用。通过虚拟场景下的武力使用和战术对抗，能够满足复杂环境下的虚拟实战训练和考评，提升警察思维和心理能力，提高执法水平。

2.2 信息采集和考评模块

信息采集模块采集和储存相关数据信息，包括学员执法语言、武力动作、枪支弹点坐标等，以实现训练的可视化记录。同时，该模块将采集的数据与数据库标准数据比较，生成判定报告，以保证训练实效性。

考评模块是在原始标准数据、能力参数和实际信息采集模块基础上建立的考核评判模型。其主要通过分析信息采集数据，对武力执法过程中的语言、武器应用、制暴手段等进行实时考核，并对压力环境下训练者所表现的战术意识进行评估。

2.3 大数据分析模块

大数据分析模块将训练过程中的观测数据保存在数据库系统中，以丰富武力使用训练对比数据、提升学员训练效果。仿真训练系统中可对该类数据进行分析，以制定训练量化指标和方案。此外，大数据模块对多元数据进行整合分析，发现功能模块缺陷，进一步对平台优化，实现系统的更新升级。

3 训练系统功能应用

3.1 基本训练的应用

基于情境认知理论，应用虚拟现实技术开展警察武力执法训练，将虚拟情景与传统讲述结合，对“三段式”的基本训练阶段进行训练，主要包括语言控制、徒手控制、催泪喷射器、伸缩警棍、手枪使用的基本训练。

以手枪使用训练为例。其目的是通过虚拟情境训练，让参训者掌握手枪使用的基础知识，并规范射击姿势、持枪戒备等基础动作。在训练过程中，建立虚拟情景展示手枪构造。

通过展示手枪击发全过程，使学员对枪械发射原理、发射流程，弹道学理论、瞄准点选择进行可视化学习。随后，通过虚拟情境，展示手枪各项操作。完成理论教学后，通过虚拟交互设备，练习手枪的基本操作动作，经考核合格后执行下一步训练。系统储存的课件以视频方式了解手枪射击应用技术，包括出枪收枪、持握姿态、概略瞄准等。教官可通过课件在虚拟情境中展示手枪处置警情案例，讲解手枪使用操作流程、法律规范和射击注意事项等理论知识，并利用系统对学员操作流程进行考核。对于未通过考核学员，通过系统分析评估，寻找到手枪训练过程中的弱项，并进行针对性改进。

手枪训练基本动作如图4所示。

图4 手枪训练基本动作Fig.4 Basic action of pistol training

3.2 判定训练的应用

警察使用武力是基于法律框架下执行的，因此根据实际警情把握武力使用程度，要求警察具备良好的判定能力。根据我国目前实际警情以及相关操作规程，对警察使用武力等级进行划分，确定适当的警察武力使用程度。在仿真过程中，判定不同等级的违法抗击行为情境，并作出相应的武力处置。随着武力对抗的升级，涉及的武力使用手段也越多。因此，在判定武力使用训练时要按照由简单到复杂顺序，对武力使用方法进行判定训练。基于武力使用等级，设置六类典型的虚拟情境，并针对不同等级暴力抵抗行为制定武力使用手段，以提升学员判定决策能力[11]。武力控制情境如表1所示。

表1 武力控制情境表Tab.1 Situation table of force control

3.3 战术训练的应用

战术阶段训练中，采用单一场景或复杂武力使用模拟训练对参训人员进行模拟实战训练和综合考核，提升执法水平。如针对复杂场景下武力等级变化下的虚拟警情处理。以下为一起模拟不同执法等级下的徒手强硬抵抗情境。首先，在虚拟情境展现徒手强硬抵抗情境。训练者优先采用催泪喷射器制止犯罪人员。训练过程中，虚拟情境出现多种变化，执法对象可能改变攻击意图，采取其他行事攻击。当犯罪人由徒手强硬抵抗改为持刀或持枪意图攻击，参训学员需要由使用催泪喷射及时改为枪械控制。参训学员完成不同虚拟环境下的模拟实战训练后，系统记录全部训练信息，并基于大数据分析模块对学员进行考核，寻找其中的训练弱项，有针对性地改进训练计划，直至学员训练合格。

4 结论

武力执法是公安机关打击犯罪行为的有效强制手段，直接关系到行为人身安全和法律尊严。近年来，警务执法过程中出现的不会、不敢和不能使用武器的情况，已成为制约执法规范化和实战化重要瓶颈。科学、合理地开展警察武力使用执法，成为警察实战训练重要课题。虚拟仿真技术的警察武力执法实训平台具备逼真性、风险可控和实施交互性。本文将模拟训练和考核评估融合，建立“教、学、练、战”一体实现训练模拟，建立基础训练、判定和战术应用的“三段式”武力训练框架。同时，对警察武力执法虚拟仿真平台采用“渐进式”教学模式，通过个性化与系统性相耦合射击，实现复杂环境下的模拟实战训练和综合考核，提升了执法水平。