“5G+教学练战一体化”信息平台设计与实现

张培晶，牛丽波，宋 蕾，陈天祥，张 桐*

（1.中国人民公安大学网络信息中心，北京 100038；2. 北京警察学院网络安全保卫系，北京 102202）

0 引言

“教学练战一体化”模式是公安院校人才培养和教学实践的标志性成果。该模式旨在通过从教、学、练、战四个方面来设计教学过程，将知识讲解、学习思考、技能训练和实战应对有机结合，促进公安专业学生能力素养与综合技能的同步提升［1］。

近年来，新一轮科技革命带来社会治安环境与警务模式的深刻变革，公安工作智慧化水平日新月异，公安教育工作面临着巨大机遇与挑战。在此背景下，适应新时期政法公安工作对专业人才培养的新需求和新要求，积极引入5G、虚拟现实、云计算和人工智能等新一代信息技术，构建虚实结合的创新性公安实战化教学环境和平台，推进公安实战化教学训练设施和平台向数字化、智慧化升级，促进形成公安执法实践教学和实战训练新模式，已经成为提升公安教育训练实战化水平的必然选择。

1 现状与趋势分析

1.1 信息平台现状分析

“教学练战一体化”教学模式的开展，需要配套的教学设施和平台支撑。当前，相关实验实训设施和仿真教学系统不同程度地存在以下问题：

（1）无线网络接入和适配能力凸显不足，制约了移动泛在学习和高清视频传输、虚拟现实、人工智能等新技术在教学练战中的应用。传统无线网络并发接入能力和传输速率、时延等瓶颈问题，无法有效支撑学生开展沉浸式的在线学习。对于传输带宽和实时性要求较高的虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等设备的使用，卡顿和延时严重影响参训者的体验。尽管Wi-Fi 6 等新一代无线网络在带宽方面有所改善，但是广域空间的接入能力仍然受限。

（2）数据传输安全与共享问题，导致模拟训练与实战应用的协同度不够。一方面，由于公安实战数据的敏感性高，难以实现向公安院校实验实训系统的开放共享，导致实验实训数据的鲜活度不够。另一方面，公安院校自身智慧校园建设所形成的平台能力与真实数据，由于缺少相应的转换接口和衔接机制，在实战化教学训练中未得到有效利用。

（3）多元化上层应用缺少统一的支撑平台。各专业应用建设所用的技术选型、基础平台复杂多样，每类应用与平台多为强关联模式，“多平台+多应用”模式制约了平台整合、应用迁移和数据共享，导致实验实训系统建设成本高、复用度低、可持续性差。

1.2 5G技术给智慧公安教育带来的影响

5G 技术将促进云计算、人工智能、虚拟现实、物联网、超高清直播等技术深度融入教育各领域，为公安教育训练改革带来机遇。具体表现为：

（1）5G 技术的分布架构和特点，赋予5G 网络极佳的移动性，增强了移动视频采集和移动直播的灵活性，能够有效支撑高品质的泛在学习训练。

（2）凭借5G 超高速、低延时等特点，可将3D模型、虚拟仿真、VR等资源无损耗地高速传输与利用，促进“人机交互、虚实结合”的教学环境创设，使得教育训练的内容更加多样、形式更加丰富、流转更加便利［2］。

（3）5G 网络的广联接特性能够实现广域空间有效覆盖，使物联接入更便捷和广泛，虚实空间的物理映射更实时，让实验实训系统的数据获取更及时。

（4）5G 切片技术与边缘计算能力相结合，能够有效构建逻辑隔离的专用网络，服务公安院校与实战部门之间的数据安全传输与共享。

（5）5G 让云触手可及，加速数据向云端汇集，促进教学练战业务的云化整合，支撑数字化教学资源的内部流动以及跨地区共建共享［3］。

2 信息平台总体设计

2.1 总体建设目标

针对公安专业实践教学和综合训练需要，以5G 网络为牵引，构建支撑智慧教学实验实训和智慧校园运行管理的开放信息平台，建设支持教师灵活创设情景和学生自主学习训练的实战化教学应用系统。信息平台总体建设目标如图1所示。平台通过与学校智慧校园建设的软硬件基础设施共享、技术共享、数据共享、模型共享与引擎共享复用，支撑教学练战各环节的整合应用，实现教育训练与实战应用互相促进。一方面，丰富的校园管理运行数据可以为实验实训平台提供鲜活数据。另一方面，公安专业最新智慧警务应用可以为学校的安全保卫、应急处突和预警研判等提供模型与系统支撑。

图1 “5G+教学练战一体化”信息平台总体功能

2.2 平台逻辑架构

平台遵循层次化、结构化、构件化与可扩展的软件架构设计，平台逻辑架构由基础设施层、数据层、服务层、应用层组成，如图2 所示。

图2 “5G+教学练战一体化”信息平台逻辑架构

2.3 平台技术架构

围绕信息平台总体建设目标，平台采用面向服务（SOA）的体系设计和基于B/S/D 三层结构的技术架构，使用前后端分离模式开发，如图3所示。前端表现层基于Vue 框架搭建Web 应用程序，结合HTML5-WebGL、Canvas 等技术对浏览器渲染进行深度优化，既能满足现阶段数据展示又具备应对未来大数据扩展的需求［4］。数据服务层与业务逻辑处理层为SpringBoot+MyBatis开发的微服务架构，具有高扩展、高复用、低耦合、部署便捷、自嵌入容器等特点。

图3 “5G+教学练战一体化”信息平台技术架构

3 基础设施层设计与实现

基层设施层包括云网设施、物联数据采集设施、融合通信与指挥控制设施等。

3.1 云网设施

“5G+教学练战一体化”平台采取“云网协同”的部署模式，保障内容的便捷更新与安全传输。通过融合5G 网、Wi-Fi 6和光纤宽带等技术，构建高速泛在、安全可靠的网络环境，提供高可靠、低成本、大并发的网络接入能力，保障移动接入和高清视频、VR/AR 等大数据量传输需求；同时，结合云计算、边缘计算等技术，满足教学练战应用对泛在连接、泛在计算、泛在存储等需求。

3.2 物联数据采集设施

依托5G 和校园有线网，建设智慧教室、智慧实验室、智慧训练场所视频采集和物联接入设施，实现课堂教学、现场训练的实况高清采集，实现智慧教学环境监测数据、智能穿戴采集数据的实时接入，实现校园一卡通数据、门禁数据、校情数据、教务数据的全面汇集，为各类教学练战应用与分析评价提供数据支持。

3.3 融合通信与指挥控制设施

根据公安指挥调度和校园安全管理需要，建设PDT 集群窄带网络和5G 宽带网络的融合通信系统。在指挥调度实战应用或实景训练中，通过对通信指令和语音进行标准化、数字化、IP 化处理，实现窄带调度；同时利用5G 宽带网络把实训全景展现在学校综合指挥大厅，最终实现指令可达、现场可视。此外，建立5G+智能巡航定位与控制系统，支撑智能巡逻机器人、无人驾驶车辆、无人机等应用。

4 服务层设计与实现

平台服务层采用中台技术，通过对服务、数据和模型的封装，形成可复用的能力，支撑上层教学练战应用的实景化情景创设、交互式操作引导和动态化推演分析。平台提供组件化的引擎调用，引擎之间也支持相互调用。

4.1 环境和实体仿真引擎

仿真引擎是情景化应用创设的基础，可以为仿真资源的建模、标注、管理和模拟运行提供支撑。

（1）环境类仿真。该仿真模块用来描述作战过程所涉及的现场环境属性和特征，可以为演练提供高精度的环境数据，提高演练的可信性和逼真性。主要包括现场环境模拟、气象环境模拟、交通流模拟等。①现场环境仿真模块在地理信息系统支持下，生成现场三维空间模型以及表层纹理影像；②气象环境模拟具备任务区气象环境模拟能力，包括温度、湿度、气压、风向、风速、能见度和天气现象（如云、雨、雪）的模拟；③交通环境模拟基于人工智能，以想定条件作为输入对任务区内的交通环境进行模拟，可模拟通畅、拥堵、阻塞等交通状况。

（2）人车物实体仿真。根据公安专业实践教学中有关犯罪现场重建、交通事故现场、大型活动现场重现等方面的应用需要，构建可复用的三维实体模型。实体模型包括人员模型、车辆模型、警用设施模型、犯罪实物模型等。

根据建模技术和实现方式的不同，仿真资源建模分别采用基于建模软件的人工标绘几何建模和基于人工智能算法的生成式建模。前者主要用于初始化阶段的静态建模，形成标准化、可共享的三维模型（如OBJ、FBX、DAE等）；后者主要用于数字孪生场景下的动态生成建模。

4.2 地理空间引擎

地理空间引擎为案例场景的空间建模和数字孪生建模提供地理信息模型、地理坐标系统和空间分析能力。

（1）地图可视化功能。可以实现二维和三维地理空间渲染生成、地球模拟和地形分析，也支持不同类型空间数据的格式转换。

（2）地理坐标功能。通过构建数字坐标体系和坐标转换，将现实世界的地理空间信息转换为数字空间信息，以实现数字模型中的空间关系与现实世界相一致。

（3）地理空间查询与分析功能。能够实现空间位置查询、缓冲区分析、叠加分析、热点分析、路径规划分析等功能。

地理空间引擎的实现采用Cesium 开源框架［5］，通过JavaScript 进行开发，基于Web 方式实现对地球表面的三维建模、导航漫游和路径分析。

4.3 交互式渲染引擎

交互式渲染引擎提供图形图像渲染和人机交互导航能力。其中，可视化渲染模块主要实现对虚拟世界中的物体、场景、光源等进行实时渲染，生成具有真实感的三维场景，准确地呈现出物体的纹理、光照等属性。

为满足参训学员的多终端、跨平台和轻量级应用需要，平台采用WebGL2.0 技术，在浏览器中实现3D图形渲染和导航建模。

4.4 流程编排和导控引擎

流程编排和导控引擎提供可交互的业务方案设定、运行推演和导调控制功能，实现流程逻辑设置、演练数据管理、演练运行控制等。

（1）方案设定。提供可视化流程编排工具，支持按照想定预案进行演化流程设定、基础数据录入、演练参数设定和导控节点设置，设置和编排人机交互规程和动态演进分支，支持在电子地图上利用标绘实体形式来制定预设方案。

（2）运行推演。根据预设剧情进行装备模型、物理模型和行为模型的运行及调度，实时产生结果数据，最终实现基于时间维度的典型案例或孪生现场可视化呈现。在应急处理仿真推演中，用路径动画、闪烁动画、显隐动画、旋转动画、生长动画形式按照时间进行发展推演，显示方案推演效果。

（3）导调控制。根据交互式实验实训需要，提供参训人员对演练进程予以干预和调整的功能。结合设立多个关键节点切分案例，预设发展分支，支持对案例进行介入性推演。

4.5 行为推演引擎

行为仿真引擎提供专业计算模型，实现各类参与实体的行为仿真和演化模拟。主要功能如下：

（1）运动模型。用来描述各类实体的运动特性，包括步行、自行车、摩托车、汽车、公交、地铁等模型。通过输出运载人数、轨迹、速度、乘降地点等信息，结合路径分析和派警路径规划功能，实现路况信息展示、指挥员现场调度任务下达等场景。

（2）信息传播模型。用来描述人际关系、互联网、短信、电话、广播等方式信息传播过程。

（3）聚集响应模型。用来描述警方各类措施对目标地区人群聚集程度影响，包括对进入和离开目标地区人数的影响。警方措施包括信息发布、提示、预警、交通管制、封闭公共交通、设置栅栏及其他各类驱散措施。

（4）骚乱控制模型。通过建立红蓝兰彻斯特方程，输出双方战斗力，描述不同警力对目标地区人群骚乱的控制程度。

5 应用层设计与实现

公安专业不同类型实验实训应用的灵活创设，主要在应用层通过对系统资源、案例情景和参训用户的设置与管理予以实现。

5.1 系统配置与资源管理

主要实现系统配置、模型库资源管理和服务资源的管理与监测，为进一步的实训场景设定和运行提供支持。系统配置包括样式设置、角色管理和授权管理等。模型库资源管理提供对实践教学所需的预案库、场景库、警械库和犯罪实体库等数据模型的管理。系统预设多种已经创建好的仿真场景数据模板。教师可以直接使用这些预设仿真场景，也可基于这些场景进行调整，从而快速创设实训课程。

5.2 案例情景创设与管理

支持系统管理人员或指导教师，根据教学所需，自主设计虚拟现场和操作规程。通过利用服务层提供的各类引擎以及仿真标绘工具、全景标记工具、流程编辑工具，结合不同类型公安典型案事件的真实场景与发展规律，进行实践教学仿真场景的搭建、编辑和制作形成相应的训练模板，以支撑各类典型案事件的重现分析教学和操作技能训练。

5.3 参训用户设置与管理

支持系统管理人员或指导教师针对不同的学生群体，进行组织机构设置、账号创设，并授予相应的权限和实训模组，不同专业的学生即可根据相应授权参与实训演练，进行自主训练。

6 结语

本文分析5G 网络特性及其对公安教育的影响，围绕新时期智慧化公安专业教学练战需要，通过开放性的系统架构和一体化方案设计，构建教学练战应用的基础设施、支撑平台和数据底座，以支持相关专业教师根据实战化教学需要敏捷开发上层应用，灵活创设实验实训课程。该平台有关主体功能已初步实现，并在应急指挥处置、犯罪现场勘察、交通事故处理等方面开展了试点应用。