沉浸式3D 虚拟仿真实训在公安教育中的应用

2021-03-09张双狮

辽宁警察学院学报 2021年2期

张宁，王娟，张双狮，张鹏

（中国人民警察大学智慧警务学院，河北廊坊 065000）

以信息技术为核心的高新技术迅猛发展并不断与公安高等院校教育训练深度融合，逐步拉开了公安院校传统教学训练模式向信息技术支撑的警务教学训练模式转变的大幕。在这其中，沉浸式3D 虚拟仿真实训成为风口浪尖的“弄潮儿”。本文以当前国内外警务领域 3D 虚拟仿真实训现实状况为基础，从基本概念认知、3D 虚拟仿真实训的价值内涵，以及3D 虚拟仿真实训的组织实施形式等对3D 虚拟仿真实训在公安高等教育中的应用进行分析、研究和展望。

一、沉浸式3D 虚拟仿真实训的基本认知

20 世纪80 年代末至90 年代初，外国军警设想利用商业电脑游戏软件实施模拟训练并付诸实践，由此，沉浸式警务虚拟仿真实训作为模拟训练的一种新形式开始兴起和发展。但是，商业电脑游戏固有的休闲娱乐功能导致人们对沉浸式警务虚拟仿真实训始终心存偏见。为此，有必要首先对其基本概念、本质特征等理论问题进行探讨，以期形成较为全面和客观的观点，并为后续研究框定语境。

沉浸式3D 虚拟仿真实训源自电脑3D 游戏在警务教育训练领域的创新应用。追根溯源，对于沉浸式3D 虚拟仿真实训的认识需按电脑游戏—严肃游戏—沉浸式3D 虚拟仿真实训的顺序逐步展开。

在人类漫长的进化历史中，游戏一直与人类相伴相随。人类游戏的历史几乎和人类的进化史等长。最初它来源于动物游戏，而后在人类自身的发展历程中，跟随技术形态、社会形态、文明形态的变迁而不断演绎和进化，成为反映人类存在状态的一种重要形式。游戏的本质可能固化，但游戏的形式一定会随着社会和技术的变化而变化。信息时代的数字化、比特化在游戏世界引发的革命再一次验证了这一道理。1946 年世界上第一台电子计算机在美国问世,可能彼时人们尚未认识到这个庞然大物将产生的巨大影响，但在1962 年，一个名为“Space War”（太空战争）的软件问世之后，基于二进制的数字化游戏方式由此兴起并一路高歌猛进，成为今时今日一种主流的娱乐方式。从没有哪一个时代的游戏活动如此依赖一种外在手段。这一切都源于一种被称为电脑游戏的事物。

何谓电脑游戏现在并无统一的权威定义。一般认为电脑游戏是“在电子计算机上运行的游戏软件”，又称为计算机游戏。这一定义强调了电脑游戏的物质形态和载体形式。在此基础上，以电脑游戏（软件）为媒介的活动，也就是通常所说的“打游戏”，就成为了以计算机为操作平台，通过人机互动形式实现的能够体现当前计算机技术较高水平的一种新形式的娱乐方式。作为游戏的下位概念，电脑游戏也同样能作为一种手段或方式方法在各种领域发挥效用。这种应用的直接后果就是产生了下文所谓的严肃游戏。

在计算机技术如此发达的今天，人们越来越依赖神奇的0/1。不仅娱乐，就连工作与学习也深受电脑游戏的影响。“严肃游戏”这一术语正是在这样的背景下被重新创造出来。之所以说重新创造是因为“严肃游戏”并非首次出现的新词，只是词义随着时间的推移而有所变化。根据考证，“严肃游戏”一词最初来自文学领域，在作品中指代有违人们常规观念中的严肃但又异常吸引人的事件或活动。彼时该词没有实际意义和特指，只是一种文学描写手法。20 个世纪70 年代，学术界赋予了“严肃游戏”一词实体化的意义，严肃游戏就是用于教育目的而非单纯娱乐的游戏。

沉浸式3D 虚拟仿真实训则是3D 游戏和警务教学训练领域相结合的产物，是严肃游戏在警务领域的具体体现。技术形态的进化使得游戏形态也发生了进化，从而出现了电脑游戏。电脑游戏也有作为本体还是作为手段之分，作为手段的电脑游戏服务于外在目的时就产生了严肃游戏，而严肃游戏在警务领域特别是警务教学训练领域的具体应用就产生了沉浸式虚拟仿真实训，沉浸式 3D 虚拟仿真实训即以警务训练题材为内容，以计算机3D 虚拟仿真为技术基础，以严肃类游戏为设计背景，旨在完成特定训练内容，实现特定训练目标的警务实训活动。

二、沉浸式3D 虚拟仿真实训的内涵

沉浸式3D 虚拟仿真实训借重娱乐的外在形式，以训练为内在神髓，两者相辅相成，辩证统一。由于娱-训双重性的存在，沉浸式 3D 虚拟仿真实训呈现出多元化内涵。

（一）是一种基于LVC 框架的虚拟仿真训练

实战是最好的训练，在无法实战的情况下，仿真实训就是最佳选择。仿真的基本要求是贴近实战。根据贴近程度及技术手段的不同，仿真训练可以分为三种不同的形式：实况仿真（Live），虚拟仿真（Virtual）和构造仿真（Constructive）。三种仿真训练的定义及区别如表1 所示。

如表1 所示，实况仿真是真人（real people）操作真系统（real systems），虚拟仿真是真人（real people）操作“假”系统（simulated systems），构造仿真是“假”人（simulated people）操作“假”系统（simulated systems）。三者之间的区别就产生在这“真”与“假”之上。

实况仿真和虚拟仿真的相同在于都使用实物形态的系统，不同则在于前者的系统具有实际功能而后者只具有模拟功能，而且一般前者在现实环境中展开，后者在合成环境中展开。虚拟仿真和构造仿真的相同在于都是使用模拟系统，都在合成环境中展开，但前者的模拟在于功能的模拟，后者的模拟则是功能和形态均为模拟。除此之外，构造仿真的人员也为模拟形态。需要注意的是构造仿真也有真人参与，否则仿真根本无法运行。但是，真人的功能是给仿真输入初始条件，一旦仿真开始运行，人工干预就无法再进行。

其实，从实警仿真到虚拟仿真再到构造仿真的过程就是从实物仿真向计算机仿真的转变，不过其间缺少了一环，即真人操控虚拟人而虚拟人又操作模拟系统。这一仿真形式是从虚拟仿真向构造仿真的过渡状态。与原有虚拟仿真相比，其仿真的灵活性有所提升，因为不用受系统实物形态的约束。与构造仿真相比，人工干预的程度有所增强，因为虚拟人不完全由规则控制，某些行动可依照受训人员的指令行事。这恰恰与警务游戏训练的行为方式相同。所以，实况—虚拟—构造（LVC）变为了实况—虚拟—游戏—构造（LVGC），也就是说，沉浸式3D 虚拟仿真实训是基于LVC 框架的一种仿真训练。也可以看作是虚拟仿真的高级形态。

表1 实况、虚拟、构造仿真的定义

（二）是一种寓训于乐的复合式训练

沉浸式3D 虚拟仿真实训是一种“娱训相融”的复合式训练。它借助严肃游戏内在的游戏性来实现外在的训练目的，可以使受训者在进行复杂枯燥训练活动的同时感受诸如愉悦、兴奋、刺激等多元化情绪，从而调动受训者的训练积极性，并保持训练意愿的持续性。具体说来，严肃游戏训练为受训者提供了两种不同层次的“娱乐”享受，每一层次都和训练紧密融合在一起。

1.感官层面

感官层面的娱乐是通过刺激人的视觉、听觉、触觉等生理机能使人感受愉悦的方式。这种方式创造的愉悦感虽然持续时间不长，特别是在人们产生耐受性后可能对人再无一丝一毫影响，但它是让人获得满足的一种最简便最直接的方法。沉浸式3D 虚拟仿真实训尤其重视感官娱乐氛围的建立，这是引人注目的必备手段。在计算机3D 技术的支持下，沉浸式3D 虚拟仿真已可以创造电影级别的视听效果。此外，用于控制的人机交互设备从带有简单按键的手柄发展到了具有动态实时捕捉和力反馈的体感设备。它们不仅能辨识各种人体动作，还能感应空间深度，令训练者恍如置身在现实中，轻松感受逼真的愉悦体验。可以说体感设备的出现在相当大程度上弥补了在鼠标键盘敲打方式下只能借助感觉映射不能亲身感受游戏的缺陷。当上述高新技术和本就素材丰富多样、易于可视化的警务实战环境相遇时，在沉浸式3D 虚拟仿真中再现逼真的警务行动环境已非难事。以技术为助力，受训者可以直接面对传说中的“行动现场”，甚至能亲历其中获得真实的参与感。例如，振聋发聩的实战音效，近似真实的3D 实战画面，困难重重的实战任务，跌宕起伏的行动进程。这一切都能够强烈刺激受训者的感官神经，振奋其心情，激发其参与训练的热忱。

2.思维层面

积极情感的产生不是空穴来风，受训者之所以能在游戏中获得“心流”体验，是受训者进行积极思维活动的结果。沉浸式3D 虚拟仿真实训常常将训练任务进行巧妙编排，以通过关卡的形式展现在受训者面前，当受训者完成相应任务后就可过关或升级。而在完成任务的过程中，受训者可能会遭遇各式各样的难题，或者面临进退维谷的情况，只有强化思维、开动脑筋、运用策略才能解决问题。对于受训者而言，征服困难带来的自豪感和荣誉感就是不可比拟的内在驱动力。

（三）是一种面向受训者的个性化训练

警务实训是为实施警务实战进行的准备过程，其根本目的在于生成有效战斗力。作为主体，受训者理应居于训练的中心地位。即使是在信息技术及其物化的武器装备无比先进的信息化训练中，也要时刻注意秉持“训人”而不是“训系统”的训练理念。就这点而言，很多基于信息系统的训练做得并不到位，这与常规信息化训练系统面向“警务模型”的设计思路有关。常规的信息化训练系统侧重追求客观真实，注重利用数学、运筹学、警务模拟、系统仿真等技术建立尽量符合实战规律的警务模型，并据此实现训练所需的各种功能，但较少考虑受训者的主观感受。

沉浸式3D 虚拟仿真实训在尊重客观事实的基础上，还要借助3D 虚拟现实、数字媒体、游戏等各类技术的支持，以极具娱乐趣味的形式来反映训练诉求。训练任务被分解隐匿到游戏关卡之中，面向的主体是受训者。受训者既是游戏的主体也是训练的主体，其行为推进着游戏进程即训练过程的层层展开，直至最终训练任务的完成。鉴于游戏呈现训练内容的灵活性和选择训练任务的自由性，不同受训者可以根据自身的训练水平选择进入适合自我需求的训练场景，拥有较强的训练自主性。

因此，沉浸式3D 虚拟仿真实训游走在真实与虚拟之间，尊重人的认知和情感，通过对训练过程进行合理的艺术再现，强化了受训者的主体地位，弱化了“间离效应”造成的影响。较之其他实训方式，可以提供“以个体为中心”的个性化训练体验。

三、沉浸式3D 虚拟仿真实训实施的主要形式

由于沉浸式3D 虚拟仿真实训脱离不了游戏化训练系统的支持，因此从组织形式上看，沉浸式3D 虚拟仿真实训基本表现为人机交互式的虚拟训练实践。根据交互双方的性质一般可分为“自然人—虚拟人”交互式训练和“自然人—自然人”交互式训练。根据交互双方的人员数量，两者又都可细分为“单人—单人”“单人—多人”“多人—多人”等形式。

（一）“自然人—虚拟人”交互式训练

“自然人—虚拟人”交互式训练是指受训者借助常规或专业交互设备，控制由3D 游戏化训练系统软件产生并控制的虚拟人，与游戏训练软件展现的训练场景进行交互，在交互过程中完成既定训练科目和内容，实现特定训练目标的训练形式，也可称为人机交互式训练。在人机交互训练的过程中，受训者一般与按照特定功能要求构建的游戏训练系统进行指令输入和效果反馈的重复性活动。

人机交互式训练对交互设备的配置要求非常宽泛，从低端的常规交互设备，如鼠标键盘等，到高端的专业交互设备都可以用来开展训练。相比而言，高端交互设备能将受训者从非自然的交互方式中解脱出来，扩大了受训者的活动范围，能使受训者以真实的行为方式向训练系统发出各种指令，从而体会到更接近现实警务的训练体验。不过，专业设备的成本普遍较高，不利于短时间内大规模开展。低端设备则恰恰相反。其优势在于成本低，易普及，便于成规模地组织开展。

人机交互式训练通常以多人多机、人手一机的形式组织。这种方式既可以实现统一施训，又可以在统一施训的过程中允许受训者个体根据自己的训练进度和水平进行训练内容的微调。在这种训练方式中，不同受训者各自处在不同的训练场景中。需要注意的是，如果受训者的自由度过高，有可能出现训练进程参差不齐的现象，组训者应适当予以调控。

人机交互训练的双方始终是受训者和虚拟角色。虚拟角色的数量可多可少，少则为0，多则不计，可以根据训练要求进行调整。虽然训练过程中间或交织着人和虚拟角色的协作或对抗，但本质上改变不了受训者独自作战的状态，训练态势由受训者个体自行推动和解读。

（二）“自然人—自然人”交互式训练

所谓自然人—自然人交互式训练是指在借助3D 游戏软件进行训练的过程中，训练信息交互的双方不再是受训者和具有一定智能性的程序，而是具有同等智能水平的受训者。通过网络，他们实现了身处同一虚拟训练环境之中进行训练信息的传递，既可以协作也可以对抗。也可称为人人交互式训练，一般有单人与单人，单人与多人以及多人与多人三种形式。

1.单人—单人交互式训练

单人之间的交互是人人交互的基础，单人—单人交互式训练强调受训者在虚拟训练环境中都处在单警状态，没有团队归属。训练信息均由受训者个体产生并在其间进行传递。这就要求所有受训者都要全神投入训练，在协作或对抗中充分发挥个人的潜能，保证训练过程的流畅进行并最终实现训练目的。

单人—单人交互式训练常以多人参与、单人对战的形式出现，在很多游戏中都很常见。例如，严肃游戏《光荣使命》中就提供了以单人对战为主的个人竞技模式。在该模式中，每个受训者都各自为战，通过操作在游戏中的替身来击杀其他受训者的替身，以此获得积分。在规定时间内，积分最高者为胜。再比如在严肃游戏《闪点行动》中，通过游戏提供的“死亡模式”训练人员的射击对抗能力。《闪点行动》是一款包含了武器装备和一些即时战术元素的战术射击游戏，其中一种行动模式是将所有受训者置于同一战地空间中，受训者利用各种武器装备互相射击，每一轮中射杀人数最多的受训者获胜。单人—单人交互式训练的优点是可以多人参与，同时展开，单次受训规模较大；缺点是对抗模式较为单一，常常以射击为主，辅以各种任务，剧情较为简单，容易产生疲劳和厌倦感。应注意丰富训练想定的内容和方案，并由组训者调控训练难度以调节受训者的心理适应能力。

2.多人—多人交互式训练

多人—多人交互式训练也是人人交互式训练的一种形式。在此类形式的训练中，受训者操纵的虚拟替身往往在虚拟训练环境中分别归属于不同的编组。受训者作为某团队一员，和队友并肩作战，与另外团队的受训者进行协作或对抗。这种模式其实是团队和团队的交互。团队的数量通常多于2 个（包含2 个在内）。

多人—多人交互式训练是游戏训练最为常用的形式之一。接受多人交互式训练的受训者首先要按照训练要求自行或由组训者指派进行编组，然后双方队员可以研究筹划行动方案和对敌之策，在组训者下达演练命令后，统一开始行动。在训练过程中，同一团队的成员可即时交流信息并根据态势调整行动计划直至行动结束。

譬如，在《光荣使命》的训练模式中就有“团队”“夺旗”和“排爆”三种模式。它们都是基于团队作战，训练的是协作意识和能力。在“团队”模式中，受训者分属红蓝两个阵营。双方阵营的受训者通过射杀对手和助攻队友获得奖励。与单警任务模式不同，“团队”模式虽然也以射杀为主，但是更强调受训者之间的战术配合，而不是一逞个人英雄主义。“夺旗”模式和“排爆”模式分别将任务从射杀改为夺旗和安装拆除炸弹。尽管目标不同，但双方战斗的模式大同小异，均是依靠团队成员的配合及突出的个人行动能力来遂行战斗任务。这三种模式在大多数严肃游戏中都必不可少。在《闪点行动》中，游戏模式根据受训者担当的角色而变化。受训者可以扮演指挥官也可以扮演战斗员。如果作为指挥官，受训者要带领一个为数 11 人的小队完成各种任务。这11 个队员可以完全是游戏人工智能系统控制的NPC 角色，也可以是不同受训者控制的自然智能角色。快速及时地发生在多人之间的信息传播可以磨练受训者的信息感知能力，提高其即时判断决策的水平。

多人—多人协作对抗的模式往往带有多种角色、多种任务和多种剧情，涉及的训练内容较多，可全面训练受训者的联合意识、对抗意识、指挥能力和组织能力，而且由于是自然智能间的对抗，能积极调动受训者发挥聪明才智。另外，伴随着逼真的视听觉效果，受训者可以感受到强烈的感官和情感刺激，能在一定程度上锻炼受训者的心理适应能力。缺点则是对受训者水平能力要求较高。组训者要采用相应的措施使各编组团队的竞争能力相差无几，否则，训练不易持续，甚至会挫伤某些受训者的训练积极性。

3.单人—多人交互式训练

单人—多人交互式训练可看作多人—多人交互式训练的一种特殊形式，交互双方分别处于单警和团队状态。

在联网对战盛行的时代，单人与多人交互的情况在单纯的游戏进程中并不多见，往往出现于一方力量即将被消灭殆尽之时。但是在游戏训练中，此形式可以在组训者有意识的干预下组织实施，即刻意为之。此举源于实战中也常常会有类似的局面出现：己方力量消耗，只剩一己之力对抗力量数倍大于自身的对手。此时实战人员所承受的现实困境和心理压力堪称达到极限，能否保有战斗力，继续正常行动成为关键。故而，在有明显强弱差异的训练环境中锻炼人员极端情况下的单警思维对抗能力以及紧张态势和凶险实战条件下的心理调节能力显得尤为必要。

单人对多人的形式就是为了达成上述训练目的而设置的训练方式。此类训练是常规训练方式的极端变异，组织实施的难度相对较高。主要体现在组训者要尽力维持“一对多”的动态平衡。为此，组训者要对训练想定及训练编组进行合理设置，从根本上保证对抗可顺利运行。除此之外，还可采用轮换、竞赛、回合制等多种手段调动受训者的训练热情，尽量使更多的受训者参与锻炼，以便实现预定目标。