治安防控空间规划虚拟仿真实验设计与开发＊

2023-03-16郑滋椀陈鹏史进李树礼

数字技术与应用 2023年2期

郑滋椀陈鹏史进李树礼

1.浙江警察学院大数据与网络安全研究院；2.中国人民公安大学信息网络安全学院；3.浙江警察学院现代教育技术实验中心；4.浙江警察学院治安系

针对传统治安防控空间规划实验教学存在着规划场景单一、缺乏实践操作、不够形象直观、学习效率低等问题，利用三维地理信息、三维建模等技术，研发了基于Cesium地图引擎和B/S框架的治安防控空间规划虚拟仿真实验教学系统，包含防控技术学习、治安防控演示和治安防控空间规划3个模块。学生利用该系统能在三维模拟场景中学习、掌握治安防控技术知识以及空间规划教学内容，制作治安防控空间规划方案，该系统有效提高了学生学习体验和实验教学效果。

2015年4月，中共中央办公厅、国务院办公厅联合印发了《关于加强社会治安防控体系建设的意见》，明确要求建立点线面结合、网上网下结合、人防物防技防结合、打防管控结合的立体化社会治安防控体系。在建设过程中，各地公安机关开展了一系列社会治安防控空间规划实践，如视频监控空间规划[1]、重大活动安保规划[2]、警务巡逻路线规划[3]、智慧平安校区建设[4]等。为了培养适应新时代治安防控工作要求的专业人才，治安防控空间规划已经成为我国治安学专业相关课程的重点教学内容。

目前，治安防控空间规划实验教学方式主要采用案例研讨、公安机关现场观摩、线下图纸式规划等方式，存在着规划场景单一、缺乏实践操作、不够形象直观、学习效率低等问题，严重影响实验教学效果。虚拟仿真实验教学由于具有实验技术先进、实验做法灵活、形象展现抽象、拓展实验教学的广度和深度等新时代的教学特征，并且有利于学生的探究性学习、自主学习和创新实践，因此已经成为新时代高校人才培养模式的作用载体，广泛应用于各专业课程实验教学[5]。

因此，针对治安防控空间规划实验教学中存在的问题，在分析视频监控、重大活动安保、警务巡逻等治安防控工作的基础上，综合利用三维地理信息平台、三维建模等信息技术，研发了治安防控空间规划虚拟仿真实验教学系统，实现学生以交互式、沉浸式的方式快速、高效地学习、掌握治安防控空间规划知识点，并在不同三维模拟场景中制作出直观、形象、立体的治安防控空间规划方案，提高实验教学效果。

1 系统总体架构

系统以治安防控空间规划为理论参考，以三维地理信息、三维建模、数据库、网络等技术为支撑，形成了以“三维模拟场景、三维设备模型、虚拟仿真实验模块”为核心内容的系统总体架构。

系统采用通用的B/S架构，学生无须安装客户端，通过Web网页即可实现对系统的远程交互访问，同时支持学生、教师双角色模式，实现统一身份认证登录。教师端登录可以增加、删除、修改治安防控技术学习内容，创建治安防控演示方案，查阅学生学习动态和测试情况，同时可查阅、批改或退还学生在线提交的治安防控空间规划方案。学生端登录可以学习各类治安防控技术、设备、方案，制作警务巡逻、重大活动安保、视频监控等空间规划方案，并可以在线修改、提交规划方案作业。

2 仿真实验模块设计

系统仿真实验模块由防控技术学习、治安防控演示和治安防控空间规划3个模块构成。每个模块侧重不同的知识点和实验内容，依次引导学生循序渐进地完成知识点学习和实验内容操作。

2.1 防控技术学习模块

该模块梳理、展现治安防控工作中常用的设备、技术，包括各种类型的视频监控、周界防护、报警器、无人机、报警柱、防爆车等。每类设备通过文字、文档、图片、语音、视频等多媒体形式全方位、多维度展示其功能、性能、参数、应用场景、注意事项等教学内容。同时，利用三维建模技术，建立每类设备的三维模型，还原其外观形状。

该模块具有知识点测试功能，学生在学习完每类治安防控设备、技术后，需要通过题目测试，检测其对治安防控设备、技术知识点的掌握程度，为治安防控演示模块和空间规划模块奠定基础知识。

2.2 治安防控演示模块

防控技术学习模块是以技术、设备为核心，组织相关知识内容帮助学生开展学习，而治安防控演示模块则进一步以不同类型的三维模拟场景为核心，以知识融合为原则，突出场景化应用教学，提高学生对各类治安防控技术内在逻辑、应用机理等内容的理解、掌握程度，形成治安防控技术应用的系统性、整体性思维。

该模块具体包括设备演示、技术演示、方案演示等功能。技术、设备演示是以仿真的形式将治安防控技术、设备以三维模型的形式融入到不同的三维模拟场景中，学生在三维模拟场景中进行漫游、查看、学习相关技术、设备的知识点。方案演示则是学生在不同治安防控场景中学习治安防控空间规划方案，掌握空间规划的原则、规则、要点等内容。在每类演示结束后，学生需要通过一定的题目测试才能进入下一个演示内容。

该模块具有两种学习模式：（1）自动学习模式，即按照事先设定好的路线，在三维场景中自动依次漫游到相应技术点，开展相关内容学习，然后再漫游到下一个技术点；（2）自主学习模式，即学生通过自主操作，在三维模拟场景中漫游，寻找相应知识点，进行自主学习。

2.3 治安防控空间规划模块

该模块是系统最核心的模块。在上述两个模块学习的基础上，学生利用该模块，根据实验教学内容和要求，选择一定的三维模拟场景，运用治安防控空间规划知识，通过添加、调试、删除视频监控、无人机、巡逻机器人等治安防控设备模型以及点、先、面等图形、图标，最终制作形成治安防控空间规划方案。

在制作好规划方案后，该模块具备在线保存、编辑、删除、提交方案功能，学生可将完成的规划方案以三维模拟场景的方式在线提交至对应教师。同时，具备图片导出功能，帮助学生完成规划方案报告。

3 系统开发与演示

3.1 系统开发基础

系统的基础平台是三维地理信息平台，并在该平台上开发了一系列三维模拟场景和设备模型。系统开发的基础主要是：

（1）三维地理信息平台。其基于Cesium开源框架。Cesium使用WebGL作为图形渲染引擎，擅长动态数据可视化，可添加三维模型以倾斜摄影数据，能在Web浏览器中不需要任何插件支持就能创建三维虚拟地球，并且具有跨平台跨浏览器的优点，能为系统研发提供强大的三维地图展现功能[6]。三维地理信息平台能实现视角场景一键切换、室内外模型流畅转换、全景点无缝衔接浏览，最大程度提升三维操作的用户友好性，同时能控制全景点图层显隐，支持地图图标点击查看3D实景。另外，能利用建筑统计树形列表管理三维场景中的建筑模型，更直观地了解场景中各个建筑物所在区域。

（2）三维模拟场景。三维模拟场景是实验教学的场景基础。在实际治安防控中，公安机关需要围绕不同的现实场景，如重点区域、社区、体育馆、楼宇、街道等，制定治安防控方案。因此，针对治安防控中常见的场景，通过倾斜摄影和室内三维建模技术，将各类现实场景建成三维模拟场景，为治安防控空间规划实验提供多样化、定制化的虚拟场景，即可根据现实场景进行建模，也可根据课程实验教学需要定制化开发。

（3）三维设备模型。由于不同的治安防控设备具有不同的功能和外观形状，为了更加直观地区分具备不同功能的治安防控设备。系统梳理治安防控中常用的设备，按照其外观形状建立三维设备模型，并形成三维设备模型库。目前，已经建立了视频监控、无人机、防爆车、巡逻机器人、报警器、报警柱等十多类治安防控设备模型，如图1所示。

图1 三维治安防控设备模型Fig.1 Three dimensional security prevention and control equipment model

3.2 系统演示

在上述基础上，主要研发了安防技术学习、治安防控演示和治安防控空间规划3个模块，具体界面如下所示：

（1）安防技术学习模块。该模块展现各类安防设备和技术，包括人脸识别摄像机、车辆识别摄像机、鹰眼、周界防护、无人机、机器人、报警器等，如图2所示。通过单击详情，学生可以学习相应技术、设备的知识点，查看文字、图片、视频、文档等资料。

图2 防控技术学习界面Fig.2 Prevention and control technology learning interface

（2）治安防控演示模块。在三维模拟场景中，学生采用自动学习或自主学习模式，通过不断漫游，学习相应治安防控技术、设备知识或场景规划方案。以重大活动安保为例，该规划方案展现了安保人员、车辆轨迹、出入标识、人数分布、重要楼宇等信息，如图3所示。

图3 治安防控演示界面Fig.3 Public security prevention and control demonstration interface

（3）治安防控空间规划模块。在三维地理信息平台中，学生选定虚拟三维模拟场景，然后通过在三维场景中制作治安防控空间规划方案。以添加视频监控为例，学生首先单击视频监控图标，然后在三维场景中选定安装位置，并调试位置、高度、朝向、俯仰角、锥长等参数，最后单击确定，添加的视频监控如图4所示。除此之外，还能添加无人机、巡逻机器人等三维模型，并绘制其运行轨迹，添加防控人员三维模型以及点、线、面等元素。