目標(biāo)毀傷評估方法研究?

王力超 喬勇軍 李永勝 王 寧

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）（2.31004部隊 北京 100089）

（3.中國國際工程咨詢公司國防業(yè)務(wù)部 北京 100080）

1 引言

對目標(biāo)毀傷評估（Battle Damage Assessment，BDA）的研究可以追溯到第一次世界大戰(zhàn)時期。由于指揮員無法得到對目標(biāo)打擊后的反饋情況，從而無法準(zhǔn)確的制定下一步作戰(zhàn)計劃，因此對BDA且定量化描述的需求開始產(chǎn)生。近年來，精確制導(dǎo)武器的大量投入戰(zhàn)場，使得戰(zhàn)爭時間縮短、節(jié)奏加快，在這個過程中，目標(biāo)毀傷效果評估發(fā)揮了非常重要的作用。BDA的準(zhǔn)確度、時效性關(guān)系到戰(zhàn)爭的進(jìn)程，能夠準(zhǔn)確、及時地對打擊目標(biāo)進(jìn)行評估，不僅能夠為作戰(zhàn)指揮員后續(xù)作戰(zhàn)指揮提供輔助決策支持，而且能夠合理安排打擊方案，對于提高整體作戰(zhàn)效能，節(jié)省作戰(zhàn)資源，提高作戰(zhàn)效率有著重大價值，是作戰(zhàn)進(jìn)程中不可缺少的環(huán)節(jié)。圖1是表示BDA作用的示意圖。本文梳理和歸納了主流的毀傷評估方法，評價各種方法的適用場景，指出存在的不足和發(fā)展方向。

圖1 BDA的作用

2 毀傷評估方法

毀傷評估的主要內(nèi)容是描述目標(biāo)毀傷效果評估工作的三個階段，即初始評估（物理毀傷）、補(bǔ)充評估（功能毀傷）和目標(biāo)系統(tǒng)評估。目前，主流的目標(biāo)毀傷評估方法可分為理論計算、試驗以及計算機(jī)仿真。

2.1 理論計算

理論計算方法首先構(gòu)建武器彈藥威力、目標(biāo)易損性以及影響毀傷評估的戰(zhàn)場環(huán)境等因素的分析模型，結(jié)合毀傷理論，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)公式推導(dǎo)得出結(jié)果進(jìn)行評估。理論計算法進(jìn)行毀傷評估研究的核心是評估模型的選取，目前國內(nèi)外BDA研究的主要模型有層次分析法、模糊綜合評價法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、蒙特卡洛方法及圖像處理方法等。

2.1.1 層次分析法

層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是一種定性判斷和定量分析相結(jié)合的的分析方法。其優(yōu)點是系統(tǒng)性強(qiáng)、決策簡單和數(shù)據(jù)量少，解決問題的思想與人認(rèn)識一個多層次、多因素的復(fù)雜問題的思維過程相一致，用數(shù)量形式表達(dá)人的主觀偏好，用于評價因素難以量化且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的評價問題，基本步驟如圖2。顏仲新等［1］通過分析沖擊波效應(yīng)、熱效應(yīng)、破片效應(yīng)、窒息效應(yīng)等戰(zhàn)斗部對船艙毀傷方式，建立了戰(zhàn)斗部等效船艙毀傷效果評估層次體系，采用AHP對船艙毀傷進(jìn)行了綜合評估。丁永麗等［2］把導(dǎo)彈武器系統(tǒng)效能分為導(dǎo)彈系統(tǒng)效能、保障系統(tǒng)效能和指控系統(tǒng)效能三大指標(biāo)，運(yùn)用AHP方法建立導(dǎo)彈武器系統(tǒng)效能評估體系，由專家組構(gòu)造了判斷矩陣，給各因素分配了權(quán)重，通過計算得到了結(jié)果。

圖2 層次分析法分析流程

AHP在評估決策的過程中，從建立層次結(jié)構(gòu)模型到構(gòu)造判斷矩陣存在人的主觀因素，計算結(jié)果不精確，在評價目標(biāo)毀傷效果的指標(biāo)較多時，數(shù)據(jù)量大，并且指標(biāo)的權(quán)重也很難準(zhǔn)確確定。用傳統(tǒng)精確的AHP處理不確定問題會出現(xiàn)評估不準(zhǔn)確的結(jié)果，王海坤等［3］運(yùn)用了區(qū)間層次分析法（IAHP）來提高BDA準(zhǔn)確性。IAHP是對AHP的一種改進(jìn)，它將AHP中的判斷矩陣用區(qū)間判斷矩陣代替，包含更多專家決策偏好和經(jīng)驗，根據(jù)實際問題的特點取用數(shù)據(jù)，它能有效降低評估過程中的偏差。

2.1.2 模糊綜合評價

模糊綜合評價法是一種在評價決策中以模糊推理為基礎(chǔ)的綜合評判方法，可以較好地處理模糊的、不確定問題，通過定性評價和定量評價相結(jié)合的方式建立較為準(zhǔn)確的毀傷效果表征指標(biāo)體系，從多個因素對被評判目標(biāo)隸屬情況進(jìn)行綜合性評判的一種方法。適用于處理一些多因素影響的難以用傳統(tǒng)精確數(shù)學(xué)方法解決的問題。

BDA在指標(biāo)設(shè)置和毀傷等級劃分都有很大不確定性和主觀性，模糊理論能有效將這種不確定性轉(zhuǎn)化為較為精確的定量評價，廣泛應(yīng)用于BDA領(lǐng)域。模糊綜合評價法多與AHP相結(jié)合進(jìn)行目標(biāo)毀傷效果的評估［4～7］。流程主要包括評估指標(biāo)構(gòu)建和模糊綜合評判兩部分，如圖3。苗啟廣等［5～6］結(jié)合圖像識別技術(shù)，將幾何、紋理和整體特征3個特征作為機(jī)場與建筑物BDA指標(biāo)，確定不同的評估因素對評價等級的隸屬函數(shù)，建立模糊評價模型并計算，得出了對機(jī)場目標(biāo)和建筑物目標(biāo)打擊效果的結(jié)果。王晉平等［7］對坑道目標(biāo)特性合理假設(shè)，建立二級毀傷評判因素集，把模糊綜合評價和層次分析法結(jié)合，評估了三型不同戰(zhàn)斗部打擊坑道目標(biāo)毀傷效果。楊青青等［8］選取建筑物毀傷前后高分辨率遙感圖像特征構(gòu)建評估指標(biāo)體系，利用SMAA-2方法自下而上逐層合成評語集，沒有定量設(shè)置權(quán)重，減少了主觀性。

模糊綜合評價法通過構(gòu)建評估指標(biāo)體系，綜合評判毀傷效果，能夠較為準(zhǔn)確反映目標(biāo)毀傷程度，但是由于專家打分確定節(jié)點值和隸屬度函數(shù)形式，在權(quán)重設(shè)置上具有較強(qiáng)的主觀性，且無法識別由于評價因素間相關(guān)而造成的評判重復(fù)問題需要根據(jù)具體毀傷評估問題來確定。

圖3 模糊綜合評價分析流程

2.1.3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian Network）是一種將知識直覺轉(zhuǎn)化為可視網(wǎng)絡(luò)圖的方法。它的優(yōu)點是具有雙向推理功能，能夠根據(jù)不確定、不完整的數(shù)據(jù)，使用有向圖方法，通過概率關(guān)系描述數(shù)據(jù)之間的因果關(guān)系及其的強(qiáng)弱，對所要研究的問題做出相對準(zhǔn)確的推理與計算，邏輯性清晰，綜合各種來源信息對目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行可靠推理。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)和節(jié)點參數(shù)兩個部分組成，一個簡單的網(wǎng)絡(luò)模型如圖4。樊勝利等［9］將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分為靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)2類。區(qū)別是后者考慮到戰(zhàn)場中毀傷數(shù)據(jù)獲取時動態(tài)的，引入了時間變量，使得毀傷評估更加準(zhǔn)確，接近真實情況。馬志軍等［10］建立對機(jī)場跑道的BDA模型，從戰(zhàn)前進(jìn)行BDA預(yù)測和利用收集到的目標(biāo)毀傷信息進(jìn)行戰(zhàn)中目標(biāo)毀傷評估，驗證了貝葉斯方法的準(zhǔn)確性。李望西等［11］考慮現(xiàn)代戰(zhàn)場影響毀傷評估因素，結(jié)合模糊理論和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，得到了各因素對毀傷的影響程度。

但貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立是一項比較復(fù)雜的、困難的工作，面對不同的毀傷評估目標(biāo)（如裝甲類目標(biāo)、建筑類目標(biāo)、水利目標(biāo)等），只能根據(jù)實際情況，考慮目標(biāo)的特點，綜合專家經(jīng)驗來建立。

圖4 典型貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

2.1.4 蒙特卡洛法

蒙特卡羅法又稱概率模擬法，是一種以概率統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ)的計算方法，主要用于理論和模型的驗證，能夠比較逼真地描述事物的特點及物理實驗過程，幾乎可以找出任何事件的概率及任何隨機(jī)變量的平均值，特別適用于一些解析法難以求解甚至不可能求解的問題，在誤差與問題的維數(shù)無關(guān)，對于連續(xù)行問題不必進(jìn)行離散化處理，并當(dāng)試驗次數(shù)足夠多時可以獲得很高的精確度。它適用于描述BDA過程中各種隨機(jī)現(xiàn)象，目標(biāo)被毀傷的程度如何、毀傷的部位等具有不確定性，也就是說目標(biāo)的毀傷具有隨機(jī)性，這樣采用蒙特卡洛法對BDA建模并模擬計算就具有很大的優(yōu)越性。利用蒙特卡洛法進(jìn)行BDA的一般步驟如圖5。李建明等［12］提出了運(yùn)用蒙特卡洛法對目標(biāo)進(jìn)行毀傷概率模擬計算過程。范志峰等［13］分析并建立了對某型榴彈攻擊堅固掩體毀傷模型模型，運(yùn)用蒙特卡洛方法，通過Matlab進(jìn)行了仿真計算得到了在一定條件下毀傷堅固掩體所需某型榴彈數(shù)量。菅魯京等［14］考慮目標(biāo)毀傷不確定、隨機(jī)性，結(jié)合模糊推理，運(yùn)用蒙特卡洛法對目標(biāo)進(jìn)行的毀傷量化評估。

但是蒙特卡洛法缺點是計算量大，對于某些確定性問題需要轉(zhuǎn)化成隨機(jī)問題，誤差是概率誤差，收斂速度較慢，較難直接地看出各種因素對所得結(jié)果的影響。

2.1.5 圖像變化檢測法

圖像法最早是以人工判圖的方式進(jìn)行，但是該方式速度慢、效率低下且嚴(yán)重受情報人員的水平和經(jīng)驗制約，評估的結(jié)果不夠準(zhǔn)確甚至與實際背道而馳，無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭指揮決策需求。圖像變化檢測法是通過拍攝的目標(biāo)受打擊前后的圖像，利用計算機(jī)技術(shù)提取圖像中目標(biāo)幾何特征、紋理特征、灰度變化以及與目標(biāo)有關(guān)的地理位置等信息，定量分析這些數(shù)據(jù)，綜合分析得到目標(biāo)毀傷程度的方法［15］，是重要的戰(zhàn)時毀傷評估方法。圖6表示運(yùn)用圖像變化檢測法進(jìn)行BDA的一般步驟。王代智等［16］根據(jù)對目標(biāo)結(jié)構(gòu)功能以及外形特征分析，通過建立毀傷因素指標(biāo)體系，利用AHP法求各指標(biāo)權(quán)重，然后確定毀傷等級與毀傷信息，提出了目標(biāo)毀傷程度與圖像特征變化之間的關(guān)系式?；趫D像變化檢測法中毀傷圖像的來源主要由衛(wèi)星、偵察飛機(jī)、電視制導(dǎo)炸彈、無人機(jī)、偵察兵拍攝等方式，在通過圖像的變化進(jìn)行目標(biāo)毀傷效果評估時，由于戰(zhàn)斗部毀傷機(jī)理和目標(biāo)特性的不同組合，圖像呈現(xiàn)不同的毀傷現(xiàn)象和效果，如侵徹彈頭對目標(biāo)內(nèi)部破壞巨大，但是在目標(biāo)表面只有很小的彈洞；石墨炸彈與前者相反，會對目標(biāo)表面留下很大的洞，但對內(nèi)部破壞效果有限，因此該方法極度依賴高質(zhì)量的圖像，要求較高的情報保障，毀傷評估組織困難。另外它沒有考慮目標(biāo)本身材質(zhì)結(jié)構(gòu)和易損性，這些都會影響毀傷效果評估的準(zhǔn)確性，不能真實反映目標(biāo)毀傷情況。

圖5 蒙特卡洛法一般步驟

圖6 圖像變化檢測法一般流程

2.2 計算機(jī)仿真

計算機(jī)仿真法主要用于毀傷評估預(yù)測，應(yīng)用ANSYS、LS-DYNA、AUTODYN、Matlab等仿真軟件建立所需的毀傷模型，對目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行模擬，根據(jù)所得的仿真結(jié)果對對目標(biāo)毀傷效果進(jìn)行評估。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，評估人員對BDA方法也在改變，傳統(tǒng)基于試驗結(jié)果、經(jīng)驗分析以及理論計算逐漸轉(zhuǎn)化為大量采用計算機(jī)數(shù)值模擬方式進(jìn)行BDA分析。美國在計算機(jī)仿真軟件方面起步較早，積累了很多技術(shù)，并已經(jīng)開發(fā)了很多成熟的商業(yè)目標(biāo)毀傷評估軟件，COM-GEOM模型用來對目標(biāo)進(jìn)行計算機(jī)描述；瑞典也進(jìn)行了大量有益工作，如LMP-3軟件可以計算已知炸點下戰(zhàn)斗部對飛機(jī)的毀傷效能。由于計算機(jī)仿真的靈活性及可重復(fù)性，已成為目前應(yīng)用最為廣泛的毀傷評估研究方法。不僅能夠節(jié)省大量的人力、物力，而且能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析，獲得較為客觀的研究結(jié)果。歐陽春等［17］利用有限元分析仿真程序LS-DYNA，建立長桿彈對陶瓷復(fù)合裝甲侵徹模型并仿真計算，對彈藥的侵徹性能與裝甲的易損性進(jìn)行了研究。馮順山等［18］利用Matlab軟件，建立內(nèi)置沖擊反應(yīng)材料彈丸的侵徹模型并進(jìn)行了編程仿真，得到了沖擊速度對彈丸侵蝕與鈍化的影響結(jié)果。劉彤等［19］結(jié)合計算機(jī)數(shù)據(jù)庫和仿真可視化技術(shù)，對毀傷評估的目標(biāo)易損性、戰(zhàn)斗部威力兩方面進(jìn)行分析，的編程實現(xiàn)了BDA的評估仿真程序。

但計算機(jī)仿真對模型的依賴性非常高，毀傷模型的粒度、粗細(xì)度對仿真結(jié)果影響很大，而不準(zhǔn)確的模型將會造成巨大的誤差，甚至產(chǎn)生完全錯誤的仿真結(jié)果，建模是計算機(jī)仿真研究中的關(guān)鍵一環(huán)。通常此方法多用于毀傷評估預(yù)測以及武器裝備的驗證，它也常常與其他方法結(jié)合使用。

2.3 試驗

BDA需要大量的真實、可靠毀傷數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)，因此試驗成為不可或缺的手段，其次它也是驗證理論計算及計算機(jī)仿真實驗有效方法。試驗可分成歷史經(jīng)驗和等效試驗。歷史經(jīng)驗可分為兩類，軍事行動（作戰(zhàn)、演習(xí)），武器試驗（見圖7），指的是從歷次戰(zhàn)場中發(fā)射武器分別命中不同目標(biāo)，通過圖像判斷以及各種彈載、機(jī)載傳感器收集來的數(shù)據(jù)，以及武器試射，裝備驗收等采集數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)庫中信息匹配進(jìn)行BDA，在這方面，美國起步最早，已經(jīng)建立了較為豐富的BDA數(shù)據(jù)庫。這種方法可以用于作戰(zhàn)實施前對目標(biāo)毀傷效果進(jìn)行預(yù)測以及戰(zhàn)后沒有獲取目標(biāo)毀傷反饋信息前的預(yù)測性評估，但是，歷史經(jīng)驗方法由于實施起來工程浩大，涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣、流程復(fù)雜，需要協(xié)調(diào)大量的人力、物力、財力，而且不論是在戰(zhàn)場中還是試驗中想要獲取準(zhǔn)確毀傷信息都具有較高的危險性，有的對環(huán)境影響很大，實際的操作受很大限制，特別是對于新武器的研制需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在較大的障礙，等效試驗法可以提供較為近似的數(shù)據(jù)，若試驗設(shè)計科學(xué)，相對于原型試驗，結(jié)果可以逼近真實數(shù)據(jù)，其成本低、簡單和可控受到廣大技術(shù)科研人員的青睞。趙國志、楊玉林［20～22］在目標(biāo)等效靶方面進(jìn)行有益研究，文獻(xiàn)［21］通過對裝備目標(biāo)的防護(hù)裝甲、內(nèi)部部件、乘員進(jìn)行分析，建立科學(xué)合理的等效靶模型，通過實例驗證了此方式BDA的結(jié)果可信度高。文獻(xiàn)［22］建立了裝甲目標(biāo)等效靶，通過特定彈對其進(jìn)行毀傷分析，得到的結(jié)果與原模型具有一致性。但是替代等效試驗與原型試驗之間存在不可忽視的差異。如果對試驗整理實際過程了解不夠或者對試驗中一些情形粗略的處理會導(dǎo)致試驗結(jié)果與真實情況相差甚遠(yuǎn)。因此在進(jìn)行替代等效試驗前，應(yīng)對試驗對象分析和進(jìn)行等效理論研究，科學(xué)設(shè)計替代試驗的條件，彌補(bǔ)與原型試驗之間的差異。

圖7 目標(biāo)毀傷試驗流程

3 發(fā)展趨勢

3.1 對于試驗法的需求不會減少

未來戰(zhàn)場復(fù)雜多變，越來越多的新式武器裝備列裝軍隊，且由于難以運(yùn)送專業(yè)毀傷評估人員到戰(zhàn)場中采集信息，只能利用衛(wèi)星、機(jī)載、彈載傳感器等獲取毀傷數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)或多或少與實際有些偏差，比如可能受到煙霧、粉塵等環(huán)境的干擾，因此BDA對于不同的戰(zhàn)斗部對不同的目標(biāo)毀傷效果的需求也愈加旺盛。試驗不同于實驗，是指為了了解試驗對象而進(jìn)行的操作，不論是理論計算法還是利用計算機(jī)技術(shù)仿真實驗都離不開戰(zhàn)斗部對目標(biāo)毀傷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有了基本的毀傷信息數(shù)據(jù)才能使評估方法更接近真實情況，而試驗法是獲取數(shù)據(jù)以及驗證理論的不可或缺的方式。

3.2 越來越多的使用計算機(jī)仿真法

隨著計算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，以計算機(jī)仿真為方式的實驗在各行各業(yè)得到了充分發(fā)展，同很多領(lǐng)域一樣，BDA需要分析戰(zhàn)斗部毀傷機(jī)理和目標(biāo)易損性以及大量的科學(xué)計算，但是現(xiàn)如今戰(zhàn)斗部與目標(biāo)種類很多，隨著技術(shù)的發(fā)展它們的組合更是千變?nèi)f化，如果綜合考慮復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境，僅通過試驗法，將耗費巨大的資源，難以能一一試驗。而計算機(jī)仿真憑借它的可重復(fù)性、高效、經(jīng)濟(jì)等特點，可以作為目標(biāo)毀傷評估預(yù)測或者理論驗證的的重要手段，剔除一些不必要的試驗情況或者得出近似的毀傷評估結(jié)果，對于研究人員的研究以及指揮員的決策將會發(fā)揮巨大作用。

3.3 多種評估手段相結(jié)合

從第二節(jié)可以得出，任何一種目標(biāo)毀傷評估方法都有其優(yōu)缺點。無論是在BDA研究還是作戰(zhàn)中的毀傷評估保障都不能僅僅依靠一種方法就得出結(jié)論，否者評估的結(jié)果可能與實際真實情況相差甚遠(yuǎn)。靈活根據(jù)實際情況，針對不同研究對象，建立準(zhǔn)確的評估模型，從毀傷評估流程入手（BDA預(yù)測、驗證等），高效地運(yùn)用多種方法進(jìn)行毀傷評估是未來發(fā)展方向。

4 結(jié)語

本文對目標(biāo)毀傷評估方法的研究情況進(jìn)行了系統(tǒng)的概括總結(jié)，將毀傷評估分為理論計算、計算機(jī)仿真、試驗三大類，在此基礎(chǔ)上對各毀傷評估方法進(jìn)行了分析，得出各方法優(yōu)缺點。另一方面，隨著作戰(zhàn)理念與方式深刻變革，現(xiàn)代戰(zhàn)爭由傳統(tǒng)的消滅有生力量到破壞關(guān)鍵目標(biāo)轉(zhuǎn)變，以便消耗最小作戰(zhàn)資源用點破面的方式，最大程度達(dá)成作戰(zhàn)目的，打擊目標(biāo)也有傳統(tǒng)的典型目標(biāo)向多層次，多功能的系統(tǒng)目標(biāo)演變，因此，在實際運(yùn)用毀傷評估方法時，并沒有嚴(yán)格意義上的類別區(qū)分，往往多種方法交叉使用，例如在進(jìn)行理論計算或者計算機(jī)仿真時需要用到戰(zhàn)斗部對目標(biāo)毀傷的真實數(shù)據(jù)才能進(jìn)行毀傷預(yù)測；圖像法也從人工判圖到現(xiàn)在利用計算機(jī)提取圖像特征，再建立計算模型，通過數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)得到逼近真實情況的毀傷結(jié)果。所以，進(jìn)行目標(biāo)毀傷評估時，需要根據(jù)對象的特點及需求，將理論計算、計算機(jī)仿真及試驗相結(jié)合使用，取長補(bǔ)短，相互依托，是目標(biāo)毀傷評估研究的一種重要手段，可以獲得更為可靠的毀傷評估結(jié)果，有效提高目標(biāo)毀傷評估的準(zhǔn)確性、可靠性及效費比。