基于虚拟现实的监狱应急管理仿真教学研究

王子贤 马国富

摘要：监狱突发事件的发生，暴露出应急事件处置中管理人员观念落后、处置策略运用不当等问题。为实现虚拟环境下的监狱突发事件应急处置训练，通过构建包括交互层、应用模块层和数据层的三层框架，建立基于虚拟现实技术的监狱突发事件应急管理仿真实训平台。用户可以通过该平台实现理论学习、流程构建、仿真实训、数据分析与反馈，最终加强对突发事件应急处置的认识，改进突发事件应急处理的观念，提升应对突发事件的能力。

关键词： 应急管理；突发事件；虚拟现实；仿真；教学

中图分类号：TP391        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）35-0142-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

近年来，监狱中公共卫生事件、自然灾害、脱逃等安全事件偶有发生，在这些应急事件处置中暴露出管理人员观念、处置对策的运用等方面的问题。随着司法警察招录体制改革，司法警察院校毕业生将大量进入监狱系统，而由于行业的特殊性，实训资源紧张，上学期间只有部分学生可以进入监狱实习，且在实习过程中基本不会遇到突发事件。鉴于以上情况，需要采用一种新的方式、新的技术仿真监狱突发事件，在日常教学中锻炼。

英国牛津大学、德国Ruhr大学等国外高校均开发了虚拟实验平台进行实验；在国内，北京师范大学、浙江大学、上海交通大学等也相继开发了远程虚拟实验系统，将虚拟现实技术应用到实训实验教学中。在探讨将VR技术应用于教学实践尤其是一些特殊行业、特殊课程方面，王振华、张谦等对基于VR技术的反恐训练平台构建进行了研究[1-2]；马丽研究了VR技术在航空应急处置中的应用，利用VR技术构建沙漠迫降、水上迫降、雪地迫降、陆地撤离、劫机处置等逼真的情景，增强互动性[3]；高仲亮等对VR 技术在消防与应急救援课程中的应用进行了研究[4]，VR技术已经在公安实训中发挥了作用[5]。

本文拟对基于虚拟现实技术的监狱应急管理仿真实训教学进行研究。利用虚拟现实、3D构图等一系列技术，通过编写脚本在数字世界一对一重现现实世界，实现现实世界的数字孪生。实验者在虚拟的仿真实训环境动态生成的案例中通过视觉、听觉、触觉等多种感知以及与虚拟对象的交互、处理，最终完成虚拟环境下的监狱突发事件应急处理，达到实训的目的。本文拟探讨利用虚拟现实技术建立监狱突发事件应急处理仿真教学实训平台解决这一问题，提升监狱警察的专业化队伍建设。

1 监狱突发事件应急管理

1.1 监狱突发事件的定义

监狱突发事件近年来成为学术界的研究热点，衣奋强[6]等人认为，监狱突发事件是指突然发生，对监狱甚至政府、社会造成或者可能造成严重危害，需要采取紧急处置措施予以应对的自然灾害、事故灾害、公共卫生事件和社会安全事件。周静茹[7]认为，广义的监狱突发事件是指由人的主观因素或者环境的客观因素而导致的在监所内突然发生的、后果严重的、影响和破坏正常（生活、劳动、学习、休息）秩序，甚至危害公共安全，需要及时处置的事件；狭义监狱突发事件是指罪犯在监狱内故意制造和实施的破坏监管秩序，危及监狱和他人安全，有巨大危害性和较大影响的突发性事件，主要包括：监管对象脱逃、暴动、骚乱、聚众斗殴、集体绝食、行凶伤害、劫持人质、纵火、自杀以及其他破坏活动。徐为霞[8]等人认为监狱突发事件是指监狱内突然发生，造成或者可能造成重大人员伤亡、财产损失、生态环境破坏和严重危害监狱安全及社会安全的紧急事件。

1.2 监狱重大突发事件分类分级

通过对监狱突发事件的共性和特性的认识，可以更有效地研究监狱突发事件的应急管理机制。基于《国家突发公共事件总体应急预案》中的突发事件分类，结合监狱实际情况，在借鉴前人学术研究成果的基础上，根据监狱突发事件的性质将监狱突发事件分为4类，如表1所示。

根据不同类型监狱突发事件的性质、严重程度、可控性和影响范围，依据《国家突发公共事件总体应急预案》内容和《中华人民共和国突發事件应对法》中第三条规定，将监狱突发事件分为4级，如表2所示。

2 VR技术与教育

VR（Virtual Reality） 技术就是使用计算机系统构建一个三维虚拟世界，用户在其中与虚拟的信息进行交互并产生视觉、听觉、触觉等一系列虚拟反馈。它是一项结合了建模、多媒体技术、网络技术、系统集成等多项技术的综合性技术，包含3个重要特征：沉浸性（immersion） 、交互性（interaction） 和构想性（imagination） ，如图1所示。

传统教育经历了口授、“粉笔+黑板”传统式教学、投影仪电子白板教学视频等多媒体教学阶段，再到电子白板、VR技术引入教育领域后，打破了传统教育的禁锢，为新时代的教育注入了新的活力，带来了教育革命。

2018年教育部印发《教育信息化2.0行动计划》（教技〔2018〕6号），促进数字校园建设全面普及，并“加强职业院校、高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，服务信息化教学需要”。2020年9月，教育部等9部门印发了《职业教育提质培优行动计划（2020—2023） 》，明确提出，在全国范围内“遴选100个左右示范性虚拟仿真实训基地”，将虚拟仿真技术与人工智能、职业教育实训教学深度融合，解决职业教育“三高三难”痛点，即高投入、高损耗、高危险、难实施、难再现、难观摩的问题，利用示范性虚拟仿真实训基地的资源共享、辐射周边，解决实训教学资源不足问题。2021年7月，教育部确定职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目，全国共215个虚拟仿真实训基地项目入选，通过示范性虚拟仿真实训基地项目建设。教育部明确提出要重视虚拟仿真技术，将虚拟仿真技术作为改革传统教学方法、创新人才培养模式的重要手段。VR技术与教育的融合将充分发挥其独有的优势。

1） 沉浸性构建空间思维模式

人类天生具有很强的空间记忆力，无须理解机制也能更容易记住。VR技术用于教育可以将教学内容尤其是一些实践实训类课程内容通过计算机仿真技术构造出一种多源信息融合、交互式三维动态视景和实体行为的模拟环境。通过空间构象、空间定位、空间投影等为学习者建立起空间思维模式。用户对场景的记忆，只需要感受和体验，而无须过多学习和理解。这种利用VR技术建立的高维度媒介，更有利于学习者的吸收、理解和接受。

2） 多维交互性

在VR环境中，交互不再仅仅停留在师生间的语言互动。学生不仅是一个学习者，一个观察者，更是一个参与者。一个眼神、一个声音、一个手势、一个动作都可以完成与平台的互动，打破了单向传授知识的教学模式，最大限度地发挥学习者的主动性和积极性。

3） 构想性弥补实训教学场景不足

“构想性”即VR警务实训中所应用的教学情景是教师构想而成，教师的构想需要在计算机设备及其相关技术的支撑下转化为特定教学情景，实现“情景式教学”。教学情景的构想与实现，对警务实训任务和目标的达成具有重要意义。因此，当前的“VR+教育”警务实训模式已经不再局限于用户界面、应用软件的应用，而是形成了一种能够解决更多训练问题的教学系统。

3 基于VR技术的监狱应急管理仿真实训教学

3.1 框架

实训教学平台采用模块化设计，通过建立突发事件案例库让用户完成突发事件应急管理实训。该平台从层次上包括交互层、应用模块层和数据层三层；从功能上主要包括基础理论、仿真实训、素材管理、数据分析4个模块。层次间和模块间通过应用分析模型、程序语言、程序控件等实现数据库和各模块之间数据文件的调用、显示和操作编辑。通过数据库实现对整个系统数据的存储管理和更新维护，系统的总体架构如图 2 所示。

3.2 系统功能及实现

整个仿真实训平台由上而下分别为：交互层、应用模块层和数据层。最底层为数据层，是整个平台的基础，为上层提供最基础的用户数据、基础理论知识数据、实训素材数据、每个用户的实训情况数据以及对用户实训情况的分析数据等。

1） 数据层

数据层主要实现数据的存储和管理功能。数据包括用户数据、实训数据、知识库数据、网络设备数据以及学生操作实时追踪数据等，所有数据的存储和管理在这一层实现。将现实世界对应为数字世界的表示，以结构化数据、半结构化数据、非结构化数据的形式存储在平台中，并最终呈现给进入VR世界的用户。

在本层面涉及的工作是实物虚化，如图3所示。实物虚化是指将现实世界中的事物、场景投影到虚拟世界中。通过几何建模、物理行为建模等技术将现实世界中的事物从外观到物理特性进行建模，呈现在虚拟场景中。实物虚化是现实世界向虚拟世界的一种映射，做好实物虚化工作是为用户提供逼真的虚拟世界的前提。所用的技术包括几何造型建模和物理行为建模。几何造型建模即对虚拟环境中物体的形状和外观进行建模，物理行为建模即使虚拟世界中的物体具备和现实世界类似的物理特征（物理建模），并且使其运动方式遵循客观的物理规律（行为建模）。

2） 应用模块层

中间层为应用模块层，也是该平台的核心部分，除了在整个平台中上联交互层、下联数据层，起到承上启下的连接作用外，还提供了本实训平台最重要、最核心的功能。

基础理论模块：在该平台除了可以进行实训仿真之外，还可以通过授课视频、习题等形式进行应急管理相关理论知识的学习，如：监狱突发事件相关知识、协同理论知识、应急管理“一案三制”在监狱应急管理中的具体体现等。

仿真实训模块：一方面用户可以通过智能穿戴设备等，学生可选取相关素材，构建案例进行突发事件项目建设，然后以“第三者”的身份观看虚拟平台是如何进行应急处理的，通过观看进行分析、学习；另一方面，用户以“学生”身份完成平台预制的监狱突发事件应急管理处理，验证学习情况。

数据分析模块：实训平台将记录学生活动的所有轨迹，并对学习和操作的表现进行统计，帮助学生分析学习中存在的问题并进行查漏补缺。

3） 交互层

最上层为交互层，也称应用层，包括用户对象和设备终端。不同角色的用户，如教师、学生、听课人员可以通过VR穿戴设备（如VR头盔、操作杆、VR手套等）进入平台的仿真场景。本层要将建模好的虚拟世界呈现给用户，包括视觉、听觉、触觉等多感官的综合感受。视觉方面，根据人类视觉系统的特点，通过分色技术、分光技术、分时技术、光栅技术等提高用户视觉上的立体感，通过实时绘制技术提高虚拟物体对用户输入和反应的实时应对，增加视觉的“真实感”；听觉方面，利用三维虚拟声音技术模拟人类听觉系统，创建出符合人们在真实世界中的听觉方式，能够在虚拟场景中准确判断声源的精确位置，做到“声临其境”；觸觉方面，设计接触反馈和力度反馈两类，接触反馈指用户感知到虚拟对象接触表面的外形、纹理、硬度、粗糙程度等信息，力反馈指用户在虚拟环境进行交互时，通过抓手柄等操作得到虚拟系统给出力的作用反馈。

4 结束语

从1958年第1台VR模型-Sensorama诞生至今，经过多年的发展，VR技术已日渐成熟。其技术特点能更好地满足实训教学尤其是实现起来需要大量的时间、经济、人力成本并且容易受到环境等因素制约甚至在实训中出现意外的实训教学内容，如消防、反恐等场景的需求。本文对VR技术应用于监狱突发事件应急管理实训进行探索，通过VR技术建立的仿真实训平台能为培养新形势下监狱应对突发事件的技术型人才提供有力支撑，最大化提高学生实训水平，适应了未来监狱警察应对突发事件的需要。

参考文献：

[1] 张谦，刘彦翔.反恐VR实验实训平台建设——以新疆警察学院为例[J].广西警察学院学报，2020，33（5）：124-128.

[2] 王振华，黄冶，张光雨.VR反恐处突战术训练平台构建研究[J].江西警察学院学报，2017（4）：13-17.

[3] 马丽.VR技术在《航空应急处置与安全实务》教学中的应用[J].教育现代化，2020，7（17）：113-115.

[4] 高仲亮，唐瑞，龙腾腾，等.VR技术在消防与应急救援技术装备课程实践教学中的应用[J].中国教育技术装备，2021（2）：43-44，53.

[5] 宋小娇.公安实训VR技术应用探讨[J].电脑知识与技术，2018，14（28）：208-210.

[6] 衣奋强，闫志常，陈美涛.中国监狱新论[M].济南：济南出版社，2007.

[7] 周静茹.论监狱突发事件应急预警机制[J].中国人民公安大学学报（社会科学版），2008，24（3）：23-27.

[8] 徐为霞，孙延庆，胡巨章，等.监狱突发事件应对机制与处置实务[M].北京：中国检察出版社，2011.

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