地面火炮打擊下的戰(zhàn)斗減員建模研究*

郝梟雄，馬建威，王建民，賴西南，黃朝暉*，王云貴*

（1.中國(guó)人民解放軍中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院，武漢 430000；2.陸軍軍醫(yī)大學(xué)陸軍衛(wèi)勤訓(xùn)練基地衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)教研室，重慶 400038；3.陸軍軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所，重慶 400042）

0 引言

自1600 年熱兵器被用于戰(zhàn)場(chǎng)，槍械與火炮這兩類地面戰(zhàn)場(chǎng)的重要?dú)淦?，?jīng)歷了此消彼長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。在第二次世界大戰(zhàn)之前，火炮主要作為直瞄性武器使用，其間又以美國(guó)內(nèi)戰(zhàn)為劃分，內(nèi)戰(zhàn)之前火炮與槍械在戰(zhàn)場(chǎng)的作用可謂平分秋色，而1860 年后，隨著錐形槍彈的出現(xiàn)，火炮的地位一落千丈，直到第二次世界大戰(zhàn)，通訊手段的進(jìn)步使得大威力火炮間瞄射擊成為可能，火炮在戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位超越槍械，并持續(xù)至今［1］。

由火炮造成的減員過(guò)程不同于輕武器。在戰(zhàn)場(chǎng)上，輕武器減員基本是一個(gè)時(shí)空連續(xù)的過(guò)程，并且可以通過(guò)一定理想化的假設(shè)，在數(shù)理邏輯上較為準(zhǔn)確地還原戰(zhàn)斗減員過(guò)程；而火炮往往在特定的時(shí)空范圍內(nèi)集中使用，其造成的減員也更為集中［2-4］。外軍的實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)表明，火炮射擊開(kāi)始的15 s 內(nèi)，其造成的減員占總火炮毀傷減員的85%，也就是說(shuō)在地面火炮打擊下，主要減員在短時(shí)間內(nèi)集中發(fā)生［5］。

目前的武器毀傷模擬與計(jì)算多針對(duì)工事建筑，對(duì)人體或人群毀傷效果的研究較少，在我國(guó)西南邊境與南海諸島，受特殊地理因素影響，火炮和遠(yuǎn)程精確武器打擊是未來(lái)作戰(zhàn)的重要對(duì)抗手段，定量地描述炮火的生物毀傷規(guī)律，對(duì)作戰(zhàn)指揮決策與衛(wèi)勤保障籌劃具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地面火炮毀傷多智能體仿真模型構(gòu)建

地面火炮毀傷的建模計(jì)算本身是一復(fù)雜過(guò)程，包括射擊任務(wù)區(qū)分（殲滅、壓制）、射擊過(guò)程抽象（準(zhǔn)備、實(shí)施）、射擊諸元設(shè)置、射擊手段（彈種、引信、裝藥、持續(xù)時(shí)間、發(fā)射法）、火力分配（集火、適寬）、射擊目標(biāo)、射擊誤差等一系列參數(shù)的設(shè)定和行為的模擬［6-10］。

本研究是對(duì)現(xiàn)有火炮毀傷模擬研究的延伸，不在射擊過(guò)程仿真方面做重復(fù)性工作，而是從衛(wèi)勤的角度構(gòu)建模型算法，對(duì)火炮達(dá)成或部分達(dá)成射擊目的后的生物毀傷效應(yīng)進(jìn)行模擬和評(píng)估，突出衛(wèi)生專業(yè)需求并簡(jiǎn)化建模過(guò)程。以Anylogic 7.3.6 PLE 為仿真平臺(tái)，構(gòu)建地面火炮對(duì)作戰(zhàn)人群進(jìn)行毀傷的多智能體仿真模型，模型主要包含一個(gè)環(huán)境與兩類智能體群，即炮擊減員發(fā)生的空間環(huán)境，以及炮彈智能體群和士兵智能體群，構(gòu)建過(guò)程如下。

1.1 關(guān)于炮擊減員發(fā)生的空間環(huán)境

衛(wèi)勤保障籌劃的核心在于，明確在什么樣的時(shí)空范圍內(nèi)發(fā)生多大規(guī)模的傷員，以及這些傷員的傷情分布有怎樣的特點(diǎn)。將其抽象轉(zhuǎn)化為模型算法，即在一定空間范圍內(nèi)，部署一定密度的士兵，該空間在某一時(shí)段遭到一定火力密度的炮火打擊，空間內(nèi)距離落彈點(diǎn)小于一定距離的士兵被炸傷或炸死?；鹆γ芏葐挝蝗　鞍l(fā)/hm2”［11］，考慮到現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)兵力分散程度大，1 hm2的空間內(nèi)兵力絕對(duì)數(shù)量不多，模型運(yùn)算誤差較大，將炮擊減員發(fā)生的空間環(huán)境設(shè)置為10 hm2，這一面積也基本對(duì)應(yīng)原編制下1 個(gè)炮兵營(yíng)的火力覆蓋極限。為便于一般情況的模擬和討論，將炮彈智能體群和士兵智能體群在該空間范圍內(nèi)的分布規(guī)律定義為隨機(jī)分布，并將模型的隨機(jī)數(shù)生成模式設(shè)置為“隨機(jī)種子”。

1.2 關(guān)于炮彈智能體群

在本研究模型中，炮彈智能體群是一類行為相對(duì)復(fù)雜的智能體，其主要參數(shù)為炮彈數(shù)量、殺傷半徑和致死半徑，該參數(shù)可隨研究需要進(jìn)行調(diào)整，其爆炸行為采用循環(huán)語(yǔ)句定義，即對(duì)全部士兵依次進(jìn)行判斷，并識(shí)別與自己距離小于參數(shù)半徑范圍內(nèi)的士兵，并向其發(fā)送傷亡信息，行為規(guī)則定義如圖1所示。模型程序編寫(xiě)采用java 語(yǔ)言，每一個(gè)炮彈智能體通過(guò)“for（Soldier s：soldiers）”語(yǔ)句對(duì)全部被打擊士兵，依次判定其與自身的距離，如距離小于相應(yīng)半徑參數(shù)，則通過(guò)“send（"you are wounded"，s）”語(yǔ)句向該士兵發(fā)出毀傷判定信息，士兵可接受該信息并由健康狀態(tài)轉(zhuǎn)入傷亡狀態(tài)。

除以上基本行為外，炮彈智能體還可以通過(guò)“collectionofdistance.add（distanceTo（s））”和“collectionoftime.add（main.time（））”等語(yǔ)句記錄被炸死或炸傷的士兵距離自己的具體距離以及傷死時(shí)刻，這些信息記錄功能是為后續(xù)模型功能延展設(shè)計(jì)的，并不構(gòu)成對(duì)本研究的直接支撐關(guān)系。

圖1 炮彈智能體行為定義圖

1.3 關(guān)于士兵智能體群

在本研究模型中，士兵智能體群的行為相對(duì)簡(jiǎn)單，主要參數(shù)為智能體數(shù)量，其行為采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)定義，即每一個(gè)士兵都有健康和傷亡兩個(gè)狀態(tài)，初始狀態(tài)為健康，當(dāng)接收到來(lái)自炮彈智能體的毀傷信息“you are wounded”時(shí)，則轉(zhuǎn)入傷亡狀態(tài)，并對(duì)智能體形象進(jìn)行調(diào)整，行為規(guī)則定義如下頁(yè)圖2 所示。士兵智能體可以通過(guò)炮彈智能體行為規(guī)則中的“s.collectionofdistance.add（distanceTo（s））”語(yǔ)句，記錄炸彈與自己之間的距離，由此輔助傷或亡的判定。

圖2 士兵智能體行為定義圖

2 模型仿真運(yùn)行結(jié)果

以我軍某型殺傷爆破炮彈為火力毀傷標(biāo)準(zhǔn)彈藥，通過(guò)整理我校野戰(zhàn)外科研究所近十年該型號(hào)炮彈的武器毀傷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定炮彈的殺傷半徑和致死半徑兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而對(duì)不同兵力密度（2、4、6、8、10 人/hm2）遭受不同強(qiáng)度（2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 枚/hm2）火炮打擊的情況進(jìn)行1 000 次模擬，利用excel 對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理，并繪制減員率-火力密度曲線如圖3～圖5 所示。

圖3 地面火炮打擊下的戰(zhàn)斗減員率-火力密度曲線

圖4 地面火炮打擊下的陣亡率-火力密度曲線

圖5 地面火炮打擊下的戰(zhàn)傷減員率-火力密度曲線

從曲線圖中可以看出：不同密度的兵力在遭受火炮打擊的情況下，盡管減員絕對(duì)數(shù)量不同，但率值隨火力密度的變化規(guī)律基本一致；戰(zhàn)斗減員率-火力密度曲線近似對(duì)數(shù)曲線，斜率存在由高到低的變化，變化相對(duì)平緩；陣亡率-火力密度曲線基本是線性的，斜率基本沒(méi)有變化；衛(wèi)勤保障最關(guān)注的戰(zhàn)傷減員率-火力密度曲線也近似對(duì)數(shù)曲線，并且在火力密度在6 發(fā)/hm2～8 發(fā)/hm2之間有一相對(duì)明顯的折點(diǎn)，折點(diǎn)之前減員率隨火力密度上升迅速，折點(diǎn)之后則明顯緩和。

3 應(yīng)用與討論

本研究模型結(jié)論屬一般性結(jié)論，是對(duì)減員隨火力密度變化這一單一規(guī)律的客觀呈現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，須綜合諸方信息對(duì)本研究模型結(jié)論進(jìn)行運(yùn)用。

3.1 由火力密度理論極值計(jì)算最大減員率

衛(wèi)勤部門在做減員預(yù)計(jì)的過(guò)程中，為了便于足量籌備衛(wèi)生資源，往往會(huì)考慮最大減員量的問(wèn)題，本模型提供了一般情況下最大減員量的理論解?；鹋谏鋼羟?5 s 造成的減員占總火炮打擊減員的85 %，國(guó)際范圍內(nèi)榴彈炮平均射速約6 發(fā)/min～8 發(fā)/min，最多10 發(fā)/min［12］，以此計(jì)算，單門火炮在15 s 內(nèi)最多發(fā)射2 發(fā)～3 發(fā)炮彈，一個(gè)炮營(yíng)在10 hm2范圍內(nèi)可有效發(fā)射40 發(fā)～50 發(fā)炮彈，火力密度約4 發(fā)/hm2～5 發(fā)/hm2，與之對(duì)應(yīng)的戰(zhàn)斗減員率和戰(zhàn)傷減員率約為50 %與35%，此為一般情況下敵炮火覆蓋區(qū)域理論最大減員率。

3.2 關(guān)于模型結(jié)論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義

在我軍歷次戰(zhàn)爭(zhēng)總結(jié)中，專門針對(duì)火炮毀傷減員的記錄較少，較為典型的是上甘嶺戰(zhàn)役?？姑涝瘧?zhàn)爭(zhēng)中，美軍曾對(duì)志愿軍約4 km2的陣地實(shí)施了極高火力密度的炮擊，盡管有坑道工事掩護(hù)，陣地官兵傷亡依舊達(dá)到90%以上。上甘嶺戰(zhàn)役屬于極端戰(zhàn)例，本研究50%的理論最大人員戰(zhàn)損率，應(yīng)該說(shuō)是相當(dāng)高的減員比例，史料中還沒(méi)有查詢到造成類似減員率的炮擊毀傷數(shù)據(jù)記錄。

我們需要對(duì)本研究模型在保障實(shí)踐中的指導(dǎo)意義作一討論。該模型剝離了大量作戰(zhàn)背景因素，模型邏輯簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠，本身具有較高的可信度，但也是由于對(duì)背景因素的剝離，使得模型在應(yīng)用的過(guò)程中需要另行獲取相對(duì)應(yīng)的背景數(shù)據(jù)。

正如上文所說(shuō)，本研究是對(duì)現(xiàn)有火炮毀傷模擬的延伸，模型模擬的是火炮達(dá)成或部分達(dá)成射擊目的后的生物毀傷效應(yīng)，至于在綜合的戰(zhàn)場(chǎng)背景下，敵炮火可能以多大規(guī)模、何種概率、多高精度打擊我多大兵力密度的區(qū)域，本研究模型并不能予以定量，這些信息是需要通過(guò)作戰(zhàn)信息系統(tǒng)的運(yùn)算和部門間的有效協(xié)同才能夠明確或部分明確的。本研究除了對(duì)減員計(jì)算的理論指導(dǎo)意義，更重要的是指導(dǎo)衛(wèi)勤指揮員更有針對(duì)性地獲取衛(wèi)勤籌劃與組織的必要信息，以更加積極主動(dòng)的態(tài)度和科學(xué)準(zhǔn)確的方法推動(dòng)精準(zhǔn)衛(wèi)勤的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，研究結(jié)論與算法可作為目前大型軍事仿真模擬系統(tǒng)的補(bǔ)充模塊，借助綜合性平臺(tái)實(shí)現(xiàn)更大效益。

3.3 關(guān)于模型的校正與結(jié)論的深化

本研究模型基于一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一般情況假設(shè)，還存在一定的校正空間。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面，現(xiàn)階段的武器毀傷實(shí)驗(yàn)不可能用真人來(lái)做，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物多為山羊或綿羊，從既有實(shí)驗(yàn)評(píng)估模型結(jié)果來(lái)看，羊作為較理想的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，不僅容易獲取，其身體組織特性也與人體相近，同種武器在相同致傷條件下對(duì)羊造成的傷勢(shì)與人相近，但羊的身體器官分布，尤其四肢比例與人相差較大，需要結(jié)合受彈面積對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的傷部比例進(jìn)行校正；在受打擊情況方面，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，作戰(zhàn)人員有相當(dāng)比例是在車輛平臺(tái)中實(shí)施作業(yè)的，受限于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)量，有限的數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在一般車輛（如卡車）內(nèi)或在作戰(zhàn)車輛（如裝甲車、火炮等）旁時(shí)受傷程度與暴露狀態(tài)受傷程度沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，而實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在裝甲車輛內(nèi)部（包括裝甲較薄的步兵戰(zhàn)車和小型堡壘）時(shí)，一般的殺爆榴彈即使在車旁爆炸也不會(huì)對(duì)其造成明顯損傷，從這一點(diǎn)來(lái)看，本研究模型對(duì)暴露在外以及在通用車輛內(nèi)或大型武器裝備旁的作戰(zhàn)人員都是適用的，但實(shí)際上不完全暴露的士兵受傷風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該低于暴露的士兵，因此，本研究模型還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐和校正。

對(duì)研究結(jié)論的深化考慮，主要集中在從衛(wèi)勤保障需求的角度，探究火炮毀傷的傷情分布規(guī)律。模型目前只是將炮彈毀傷半徑區(qū)分為了致死半徑和殺傷半徑，而基礎(chǔ)的毀傷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，炮彈的威力隨距離遞減，不同距離的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物傷勢(shì)與傷部也同樣存在規(guī)律性變化，這些變化是與其到彈著點(diǎn)之間的距離相關(guān)的。在模型中，每一個(gè)炮彈智能體都能記錄被波及士兵與自己的距離，每一個(gè)士兵也能記錄自己附近炮彈的距離，由此可以更細(xì)致地統(tǒng)計(jì)傷員傷情的定量分布，進(jìn)而指導(dǎo)衛(wèi)勤保障的策略。