鄭滋椀 陳鵬 史進 李樹禮

1.浙江警察學院大數(shù)據(jù)與網絡安全研究院；2.中國人民公安大學信息網絡安全學院；3.浙江警察學院現(xiàn)代教育技術實驗中心；4.浙江警察學院治安系

針對傳統(tǒng)治安防控空間規(guī)劃實驗教學存在著規(guī)劃場景單一、缺乏實踐操作、不夠形象直觀、學習效率低等問題，利用三維地理信息、三維建模等技術，研發(fā)了基于Cesium地圖引擎和B/S框架的治安防控空間規(guī)劃虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，包含防控技術學習、治安防控演示和治安防控空間規(guī)劃3個模塊。學生利用該系統(tǒng)能在三維模擬場景中學習、掌握治安防控技術知識以及空間規(guī)劃教學內容，制作治安防控空間規(guī)劃方案，該系統(tǒng)有效提高了學生學習體驗和實驗教學效果。

2015年4月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳聯(lián)合印發(fā)了《關于加強社會治安防控體系建設的意見》，明確要求建立點線面結合、網上網下結合、人防物防技防結合、打防管控結合的立體化社會治安防控體系。在建設過程中，各地公安機關開展了一系列社會治安防控空間規(guī)劃實踐，如視頻監(jiān)控空間規(guī)劃[1]、重大活動安保規(guī)劃[2]、警務巡邏路線規(guī)劃[3]、智慧平安校區(qū)建設[4]等。為了培養(yǎng)適應新時代治安防控工作要求的專業(yè)人才，治安防控空間規(guī)劃已經成為我國治安學專業(yè)相關課程的重點教學內容。

目前，治安防控空間規(guī)劃實驗教學方式主要采用案例研討、公安機關現(xiàn)場觀摩、線下圖紙式規(guī)劃等方式，存在著規(guī)劃場景單一、缺乏實踐操作、不夠形象直觀、學習效率低等問題，嚴重影響實驗教學效果。虛擬仿真實驗教學由于具有實驗技術先進、實驗做法靈活、形象展現(xiàn)抽象、拓展實驗教學的廣度和深度等新時代的教學特征，并且有利于學生的探究性學習、自主學習和創(chuàng)新實踐，因此已經成為新時代高校人才培養(yǎng)模式的作用載體，廣泛應用于各專業(yè)課程實驗教學[5]。

因此，針對治安防控空間規(guī)劃實驗教學中存在的問題，在分析視頻監(jiān)控、重大活動安保、警務巡邏等治安防控工作的基礎上，綜合利用三維地理信息平臺、三維建模等信息技術，研發(fā)了治安防控空間規(guī)劃虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，實現(xiàn)學生以交互式、沉浸式的方式快速、高效地學習、掌握治安防控空間規(guī)劃知識點，并在不同三維模擬場景中制作出直觀、形象、立體的治安防控空間規(guī)劃方案，提高實驗教學效果。

1 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)以治安防控空間規(guī)劃為理論參考，以三維地理信息、三維建模、數(shù)據(jù)庫、網絡等技術為支撐，形成了以“三維模擬場景、三維設備模型、虛擬仿真實驗模塊”為核心內容的系統(tǒng)總體架構。

系統(tǒng)采用通用的B/S架構，學生無須安裝客戶端，通過Web網頁即可實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程交互訪問，同時支持學生、教師雙角色模式，實現(xiàn)統(tǒng)一身份認證登錄。教師端登錄可以增加、刪除、修改治安防控技術學習內容，創(chuàng)建治安防控演示方案，查閱學生學習動態(tài)和測試情況，同時可查閱、批改或退還學生在線提交的治安防控空間規(guī)劃方案。學生端登錄可以學習各類治安防控技術、設備、方案，制作警務巡邏、重大活動安保、視頻監(jiān)控等空間規(guī)劃方案，并可以在線修改、提交規(guī)劃方案作業(yè)。

2 仿真實驗模塊設計

系統(tǒng)仿真實驗模塊由防控技術學習、治安防控演示和治安防控空間規(guī)劃3個模塊構成。每個模塊側重不同的知識點和實驗內容，依次引導學生循序漸進地完成知識點學習和實驗內容操作。

2.1 防控技術學習模塊

該模塊梳理、展現(xiàn)治安防控工作中常用的設備、技術，包括各種類型的視頻監(jiān)控、周界防護、報警器、無人機、報警柱、防爆車等。每類設備通過文字、文檔、圖片、語音、視頻等多媒體形式全方位、多維度展示其功能、性能、參數(shù)、應用場景、注意事項等教學內容。同時，利用三維建模技術，建立每類設備的三維模型，還原其外觀形狀。

該模塊具有知識點測試功能，學生在學習完每類治安防控設備、技術后，需要通過題目測試，檢測其對治安防控設備、技術知識點的掌握程度，為治安防控演示模塊和空間規(guī)劃模塊奠定基礎知識。

2.2 治安防控演示模塊

防控技術學習模塊是以技術、設備為核心，組織相關知識內容幫助學生開展學習，而治安防控演示模塊則進一步以不同類型的三維模擬場景為核心，以知識融合為原則，突出場景化應用教學，提高學生對各類治安防控技術內在邏輯、應用機理等內容的理解、掌握程度，形成治安防控技術應用的系統(tǒng)性、整體性思維。

該模塊具體包括設備演示、技術演示、方案演示等功能。技術、設備演示是以仿真的形式將治安防控技術、設備以三維模型的形式融入到不同的三維模擬場景中，學生在三維模擬場景中進行漫游、查看、學習相關技術、設備的知識點。方案演示則是學生在不同治安防控場景中學習治安防控空間規(guī)劃方案，掌握空間規(guī)劃的原則、規(guī)則、要點等內容。在每類演示結束后，學生需要通過一定的題目測試才能進入下一個演示內容。

該模塊具有兩種學習模式：（1）自動學習模式，即按照事先設定好的路線，在三維場景中自動依次漫游到相應技術點，開展相關內容學習，然后再漫游到下一個技術點；（2）自主學習模式，即學生通過自主操作，在三維模擬場景中漫游，尋找相應知識點，進行自主學習。

2.3 治安防控空間規(guī)劃模塊

該模塊是系統(tǒng)最核心的模塊。在上述兩個模塊學習的基礎上，學生利用該模塊，根據(jù)實驗教學內容和要求，選擇一定的三維模擬場景，運用治安防控空間規(guī)劃知識，通過添加、調試、刪除視頻監(jiān)控、無人機、巡邏機器人等治安防控設備模型以及點、先、面等圖形、圖標，最終制作形成治安防控空間規(guī)劃方案。

在制作好規(guī)劃方案后，該模塊具備在線保存、編輯、刪除、提交方案功能，學生可將完成的規(guī)劃方案以三維模擬場景的方式在線提交至對應教師。同時，具備圖片導出功能，幫助學生完成規(guī)劃方案報告。

3 系統(tǒng)開發(fā)與演示

3.1 系統(tǒng)開發(fā)基礎

系統(tǒng)的基礎平臺是三維地理信息平臺，并在該平臺上開發(fā)了一系列三維模擬場景和設備模型。系統(tǒng)開發(fā)的基礎主要是：

（1）三維地理信息平臺。其基于Cesium開源框架。Cesium使用WebGL作為圖形渲染引擎，擅長動態(tài)數(shù)據(jù)可視化，可添加三維模型以傾斜攝影數(shù)據(jù)，能在Web瀏覽器中不需要任何插件支持就能創(chuàng)建三維虛擬地球，并且具有跨平臺跨瀏覽器的優(yōu)點，能為系統(tǒng)研發(fā)提供強大的三維地圖展現(xiàn)功能[6]。三維地理信息平臺能實現(xiàn)視角場景一鍵切換、室內外模型流暢轉換、全景點無縫銜接瀏覽，最大程度提升三維操作的用戶友好性，同時能控制全景點圖層顯隱，支持地圖圖標點擊查看3D實景。另外，能利用建筑統(tǒng)計樹形列表管理三維場景中的建筑模型，更直觀地了解場景中各個建筑物所在區(qū)域。

（2）三維模擬場景。三維模擬場景是實驗教學的場景基礎。在實際治安防控中，公安機關需要圍繞不同的現(xiàn)實場景，如重點區(qū)域、社區(qū)、體育館、樓宇、街道等，制定治安防控方案。因此，針對治安防控中常見的場景，通過傾斜攝影和室內三維建模技術，將各類現(xiàn)實場景建成三維模擬場景，為治安防控空間規(guī)劃實驗提供多樣化、定制化的虛擬場景，即可根據(jù)現(xiàn)實場景進行建模，也可根據(jù)課程實驗教學需要定制化開發(fā)。

（3）三維設備模型。由于不同的治安防控設備具有不同的功能和外觀形狀，為了更加直觀地區(qū)分具備不同功能的治安防控設備。系統(tǒng)梳理治安防控中常用的設備，按照其外觀形狀建立三維設備模型，并形成三維設備模型庫。目前，已經建立了視頻監(jiān)控、無人機、防爆車、巡邏機器人、報警器、報警柱等十多類治安防控設備模型，如圖1所示。

圖1 三維治安防控設備模型Fig.1 Three dimensional security prevention and control equipment model

3.2 系統(tǒng)演示

在上述基礎上，主要研發(fā)了安防技術學習、治安防控演示和治安防控空間規(guī)劃3個模塊，具體界面如下所示：

（1）安防技術學習模塊。該模塊展現(xiàn)各類安防設備和技術，包括人臉識別攝像機、車輛識別攝像機、鷹眼、周界防護、無人機、機器人、報警器等，如圖2所示。通過單擊詳情，學生可以學習相應技術、設備的知識點，查看文字、圖片、視頻、文檔等資料。

圖2 防控技術學習界面Fig.2 Prevention and control technology learning interface

（2）治安防控演示模塊。在三維模擬場景中，學生采用自動學習或自主學習模式，通過不斷漫游，學習相應治安防控技術、設備知識或場景規(guī)劃方案。以重大活動安保為例，該規(guī)劃方案展現(xiàn)了安保人員、車輛軌跡、出入標識、人數(shù)分布、重要樓宇等信息，如圖3所示。

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

（3）治安防控空間規(guī)劃模塊。在三維地理信息平臺中，學生選定虛擬三維模擬場景，然后通過在三維場景中制作治安防控空間規(guī)劃方案。以添加視頻監(jiān)控為例，學生首先單擊視頻監(jiān)控圖標，然后在三維場景中選定安裝位置，并調試位置、高度、朝向、俯仰角、錐長等參數(shù)，最后單擊確定，添加的視頻監(jiān)控如圖4所示。除此之外，還能添加無人機、巡邏機器人等三維模型，并繪制其運行軌跡，添加防控人員三維模型以及點、線、面等元素。

圖4 治安防控空間規(guī)劃界面Fig.4 Public security prevention and control space planning interface

4 結語

相對傳統(tǒng)治安防控空間規(guī)劃實驗教學方式，基于虛擬仿真的實驗教學方式具有立體化、動態(tài)化、形象化、多樣化、全程化等教學特征，能較好地解決規(guī)劃場景單一、缺乏實踐操作、不夠形象直觀等問題。通過研發(fā)虛擬仿真教學實驗系統(tǒng)，大大拓展了治安防控空間規(guī)劃實驗教學的廣度和深度，極大提高了治安防控空間規(guī)劃實驗教學效果。

引用

[1]許延鑫,湯國寶.網格狀城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)布點布局模型研究[J].中國公共安全,2015(17):145-148.

[2]高超,張華,唐昕,潘文嘉.省運安保地理信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代測繪,2011,34(06):34-36.

[3]劉瑩,謝興林,程里平.大數(shù)據(jù)背景下的警察巡邏路徑規(guī)劃模型構建[J].中國刑警學院學報,2020(3):101-107.

[4]李志強,廖愷珣.武漢智慧平安小區(qū)平臺建設及應用[J].警察技術,2019(6):4-7.

[5]黃林沖,戚小童.新時代高校人才培養(yǎng)模式對學生的全面培養(yǎng)探討——基于虛擬仿真實驗教學項目的載體作用[J].實驗技術與管理,2020,37(6):1-4.

[6]高云成.基于Cesium的WebGIS三維客戶端實現(xiàn)技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2014.