綜述毀傷評估系統(tǒng)的建立

姜玉海 郭一諺 申航睿 吳宇超 王曉丹 王琳 楊賓 李政林

摘 要：文章綜述了在未來的戰(zhàn)爭中將會出現(xiàn)越來越多的精確控制和精確打擊的新概念武器，并以此為基礎(chǔ)，最終達(dá)成非對稱作戰(zhàn)、非接觸作戰(zhàn)、非線性作戰(zhàn)的“三非”目標(biāo)。目前，國際上傾向于目標(biāo)毀傷信息收集及毀傷效果評估的研究，文章通過分析建立一個快速處理和評估系統(tǒng)的流程，來了解國內(nèi)在毀傷效果評估方面的情況，并幫助決策分析人員根據(jù)多分散信息源得到的數(shù)據(jù)信息，對信息進(jìn)行快速綜合分析、處理，最終達(dá)到模擬實際戰(zhàn)爭、進(jìn)行目標(biāo)物毀傷的分析、評估新型武器的攻擊力、目標(biāo)物的防護(hù)能力，以及充分利用新型材料性能研制新式裝備和防護(hù)的目的。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)爭;評估：;材料;防護(hù)：毀傷：信息系統(tǒng)

中圖法分類號.TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在“世界和平，局部戰(zhàn)爭”的背景下，曾有發(fā)達(dá)國家提出，現(xiàn)代及未來，武裝力量應(yīng)通過交叉應(yīng)用制敵機(jī)動、精確打擊，聚焦式后勤和全維度保護(hù)，來實現(xiàn)全譜優(yōu)勢。這樣的思想引領(lǐng)了新一代、新概念全球軍事的發(fā)展競爭，呈現(xiàn)出更多、更新的技術(shù)應(yīng)用到未來軍事裝備中。由于網(wǎng)絡(luò)與通信集群技術(shù)、人與信息交互技術(shù)構(gòu)建以及可在任何角度攻擊目標(biāo)的高度智能化系統(tǒng)提出的“三非”作戰(zhàn)模式，對武器裝備綜合防護(hù)性能要求越來越高，新型材料的研究和應(yīng)用需要以采集試驗數(shù)據(jù)來支撐［１～２］ 。如今，信息收集技術(shù)基于各類高清晰探測技術(shù)，以更加精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測收集關(guān)于彈著點，攻擊威力等數(shù)據(jù)，技術(shù)的改進(jìn)帶來了目標(biāo)毀傷信息收集及毀傷效果評估的迅猛發(fā)展。

１ 國內(nèi)外毀傷評估現(xiàn)狀

面對全方位、精密配合、精確制導(dǎo)、精確打擊的“三非”式立體戰(zhàn)場，防護(hù)的概念和標(biāo)準(zhǔn)都受到了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)，如圖１ 所示。在矛與盾的這組關(guān)系中，當(dāng)矛變得越來越犀利時，盾的發(fā)展不得不緊跟其步伐。為了達(dá)到以“低毀傷”的目的，建筑物、裝備、武器和人員的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，促使原有材料性能得到提升，如高強(qiáng)度抗彈玻璃纖維、具抗蠕變性能的合金，以及各類新型材料（負(fù)折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面的超導(dǎo)材料和具有質(zhì)輕、柔韌性好、堅硬的納米材料、石墨烯與結(jié)構(gòu)功能一體化材料等）［３～４］ 。

１．１ 國外毀傷評估現(xiàn)狀

許多新型材料的出現(xiàn)都是出于軍方的需求，層出不窮的新式武器以及不斷提升的防護(hù)要求使得易損性的試驗條件也在不斷增加。新形勢的戰(zhàn)備競賽促使國外的各軍事強(qiáng)國針對不同目標(biāo)開展了較為系統(tǒng)的易損性試驗研究，并積累了豐富的數(shù)據(jù)。尤其是近年來微電子和信息技術(shù)的發(fā)展以及計算機(jī)對數(shù)據(jù)的計算、處理速度的提升，為處理分析數(shù)據(jù)性的研究提供了便利。隨著國際戰(zhàn)爭形式的演變、科技的發(fā)展，裝備遭受的打擊花樣越來越繁多，因此目標(biāo)毀傷效果分析系統(tǒng)應(yīng)運而生。

目前，發(fā)達(dá)國家在相關(guān)會議正式提出目標(biāo)毀傷效果評估能夠及時、準(zhǔn)確地評估因軍事力量造成的預(yù)設(shè)目標(biāo)的毀傷效果［５～９］ 。目標(biāo)毀傷效果評估可用于各種武器裝備系統(tǒng)（包括空中、陸地、海上和一些特殊的武器系統(tǒng)）的防護(hù)。國外某些國家基于信息集成技術(shù)的易損性、毀傷性的評估可達(dá)到真實、全方位的模擬多維度實戰(zhàn)演練。軍事航天裝備的發(fā)展也加強(qiáng)了戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力，這使實戰(zhàn)數(shù)據(jù)的收集更方便，有利于排除模糊、不確定的影響因素。

基于立體空間的模擬評估技術(shù)和安全評估機(jī)制，可對新材料性能進(jìn)行全方位的評估、測試，并基于現(xiàn)有材料的參數(shù)基礎(chǔ)，對新型材料的構(gòu)成和性能進(jìn)行預(yù)估，為防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、新型裝備設(shè)計提供技術(shù)支撐。

１．２ 國內(nèi)毀傷評估現(xiàn)狀

國內(nèi)自２０ 世紀(jì)８０ 年代開始進(jìn)行目標(biāo)易損性研究，在理論方面對建立和完善目標(biāo)易損性評估，有了一定的研究，也提出了一些易損性評估的新算法、新方法，并在特定目標(biāo)的易損性分析中得到應(yīng)用。如今，國內(nèi)信息技術(shù)發(fā)展步伐緊跟世界強(qiáng)國，并在數(shù)學(xué)經(jīng)典統(tǒng)計和模糊計算方面較為領(lǐng)先，初步實現(xiàn)了計算機(jī)模擬實戰(zhàn)，但由于受到數(shù)據(jù)收集、保存手段等因素的限制，導(dǎo)致目標(biāo)毀傷效能評估的試驗數(shù)據(jù)，以及不同毀傷形式和不同目標(biāo)的易損性試驗數(shù)據(jù)缺乏，嚴(yán)重地制約了毀傷評估的發(fā)展。

２ 簡述建立毀傷評估的流程

２．１ 建立毀傷評估系統(tǒng)的目的

建立毀傷評估系統(tǒng)的最終目的是達(dá)到輸入?yún)?shù)的組合方案的效能評估指標(biāo)。該系統(tǒng)可以模擬實際戰(zhàn)爭的真實情況，提升針對各式新型武器攻擊力的目標(biāo)物的防護(hù)能力，以及進(jìn)行新型材料的應(yīng)用模擬（如目標(biāo)物易損件的幾何體表征、材料模型和毀傷率模型），來滿足未來對各種先進(jìn)武器進(jìn)攻的防護(hù)需求，同時還能為戰(zhàn)術(shù)決策提供即時化的信息支撐；更進(jìn)一步的目的是根據(jù)用戶的要求，對新材料性能進(jìn)行拓展，對未來材料性能預(yù)估和對毀傷情況進(jìn)行評估，進(jìn)而形成信息化下的綜合防護(hù)技術(shù)應(yīng)用體系，建立完整的武器和材料的參數(shù)和效應(yīng)數(shù)據(jù)庫，最終能夠完善毀傷評估方法和模型及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)體系［１０～１１］ 。

２．２ 建立毀傷評估的流程

毀傷評估需要預(yù)先對目標(biāo)的防損傷能力進(jìn)行預(yù)估，為裝備系統(tǒng)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)?；趯崗椩囼灥臍芰εc毀傷效果的度量、分析，建立評估平臺和數(shù)據(jù)庫是裝備防護(hù)結(jié)構(gòu)研制、戰(zhàn)略部署乃至實戰(zhàn)應(yīng)用全過程中至關(guān)重要的技術(shù)平臺。

毀傷評估首先要選取與目的相關(guān)的實體目標(biāo)，對可能受到攻擊的方位、方式、種類等影響因素量化，再根據(jù)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及受攻擊目標(biāo)的材料相關(guān)性能指標(biāo)對評估數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、過濾，然后通過分析量化評估體系，提供毀傷評估算法所需的數(shù)據(jù)，建立目標(biāo)毀傷效能量化評估數(shù)學(xué)模型。分析量化流程圖如圖２ 所示。

在海拔高度對目標(biāo)體防護(hù)影響的實際研究中存在兩個主要的影響因素。

（１）目前公開的資料提出：射表經(jīng)驗公式計算修正值與實地實彈試驗的結(jié)果對比存在較大的誤差。

（２）（海拔／ 每）高度實彈試驗的數(shù)據(jù)難以收集，且費用太高。因此，在實際的研究流程中，首先，選取相關(guān)的實體目標(biāo)，估計攻擊類型、威力、攻擊角度和方式等影響因素并量化，如１ ０００ ｍ／４５°防???穿甲彈，彈速??? ｍ／ ｓ。其次，根據(jù)考核的標(biāo)準(zhǔn)、受攻擊目標(biāo)的結(jié)構(gòu)（如“三明治”結(jié)構(gòu)），以及材料性能對評估數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、分類。例如，???型號鋼、陶瓷復(fù)合材料等。最后，通過分析量化的數(shù)據(jù)，建立目標(biāo)毀傷效能量化評估數(shù)學(xué)模型。常用的有限元分析模型采用網(wǎng)格劃分和拉格朗日算法（如圖３ 所示的有限元模型）和基于非局部作用思想的近場動力學(xué)理論（如圖３ 所示的近場動力理論模型），其通過求解空間積分方程描述物質(zhì)力學(xué)行為，解決奇異性和復(fù)雜性的不連續(xù)問題。

在毀傷評估體系建立的過程中，需要考慮以下幾點。

２．２．１ 影響分析評估的因素

目標(biāo)毀傷前后的信息采集是目標(biāo)毀傷效果評估的基礎(chǔ)。通過查閱資料、調(diào)查、現(xiàn)場實地觀察等可以獲得目標(biāo)的相關(guān)基礎(chǔ)信息和歷史資料，也可以通過實驗室實驗、現(xiàn)場試驗和現(xiàn)場偵探獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)，探究數(shù)據(jù)、參量之間的相互關(guān)系（如圖３ 所示的距離和彈丸入射角關(guān)系）。

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，全球衛(wèi)星定位、探測技術(shù)已經(jīng)克服了時域延遲和精確度的問題，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源多手段、多平臺、全方位的偵察手段能提供大量實時、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場信息，對目標(biāo)毀傷效果評估起著重要作用，基于特定目標(biāo)的實彈試驗?zāi)M收集的信息，更具有針對性意義。目前，主要通過衛(wèi)星、戰(zhàn)略偵察機(jī)、無人機(jī)、主戰(zhàn)平臺配備的偵察設(shè)備等獲取信息，科技力量促進(jìn)了信息采集技術(shù)，以及目標(biāo)毀傷信息采集及目標(biāo)毀傷效果評估的迅猛發(fā)展。

目標(biāo)毀傷程度的量化，是綜合考慮在目標(biāo)區(qū)域的概率密度及命中某點后的相應(yīng)目標(biāo)毀傷程度，以命中概率為權(quán)值，將計算概率加權(quán)意義下的目標(biāo)毀傷程度（又稱之為毀傷指數(shù)）進(jìn)行計算，即目標(biāo)毀傷程度是對命中概率和目標(biāo)毀傷程度的綜合度量，通常以毀傷指數(shù)來度量對復(fù)雜目標(biāo)的毀傷效能，如公式（１）所示：

毀傷指數(shù)＝?Ω概率密度函數(shù)× 目標(biāo)毀傷程度ｄｘｄｚ ＝?Ω概率密度函數(shù)（ Σ 目標(biāo)單元總數(shù)目標(biāo)單元損毀程度× 目標(biāo)單元影響因子） ｄｘｄｚ （１）

應(yīng)用近場動力學(xué)理論分析彈靶相互作用，其目標(biāo)單元影響因子包括初始條件（每個質(zhì)點處定義初始位移和初始速度）和約束條件（在沿著邊界的非零體積虛擬材料層中施加位移和速度場約束），還應(yīng)參考外載荷、工程材料常數(shù)、變形場、近場δ 范圍等參數(shù)。在考慮目標(biāo)單元損毀程度時，獲取適當(dāng)?shù)拿懈怕什⒖紡椡柽\動曲線（如圖４ 所示彈丸剩余速度與彈丸余速），這些要素是量化目標(biāo)毀傷對不同類型參數(shù)進(jìn)行綜合分類的基礎(chǔ)。

（１）數(shù)據(jù)處理常用的方法。

評估數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計計算通常使用的具體方法有：模糊綜合法、灰色白化權(quán)函數(shù)聚類、ＴＯＰＳＩＳ 法、支持向量機(jī)、環(huán)比系數(shù)法、ＡＤＣ 法、ＳＥＡ 法、數(shù)據(jù)一致性分析、平滑濾波法、窗譜分析法、最大熵譜分析等。通常歸類、分析涉及的方法有：主成分分析法、極差分析、方差分析、主成分分析、因子分析、點估計、單總體區(qū)間估計、兩個總體區(qū)間估計、單總體假設(shè)檢驗、兩個總體假設(shè)檢驗、偏度和峰度檢驗、正態(tài)性檢驗、奇異值過濾。

（２）材料特性參數(shù)。

材料特性是構(gòu)建物理模型的必要參數(shù)。建立目標(biāo)物理等效模型，還需確定材料參數(shù)：當(dāng)目標(biāo)體是陶瓷復(fù)合材料時，涉及陶瓷類型，目標(biāo)體的長、寬和厚度，質(zhì)量密度ρ，楊氏模量Ｅ，泊松比；彈丸類型、質(zhì)量，沖擊速度；時間步長Δｔ 取值?？紤]到全方位毀傷效應(yīng)數(shù)據(jù)和計算模型，以經(jīng)驗值為參考對部件毀傷程度量化評定，如歷次試驗數(shù)據(jù)（如圖４ 所示靶板的穿深），確定目標(biāo)關(guān)鍵部件的部件影響因子，依據(jù)目標(biāo)的特性建立易損性量化模型。

（３）影響數(shù)學(xué)模型的特性值。

構(gòu)建的評估數(shù)學(xué)模型從武器方面需確定武器的突防概率、可靠性因子，以及可能的瞄準(zhǔn)點，并針對目標(biāo)對迎彈面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后再針對進(jìn)攻方向建立數(shù)學(xué)模型，最終得到理想的數(shù)學(xué)模型（如圖５ 所示的兩類數(shù)學(xué)模型）。武器攻擊和裝備防護(hù)相互作用的特性值決定了計算結(jié)果。

為了確定武器的效能和對各類新型材料性能評估以及對理想材料所需參數(shù)的預(yù)估，需建立一個滿足通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化要求的共享信息處理平臺。分布式處理系統(tǒng)對毀傷評估的數(shù)據(jù)信息的傳輸與處理提供了便利，從而進(jìn)一步實現(xiàn)分析人員和軍事行動策劃人員在任何時刻，都可以通過操作系統(tǒng)確定所需目標(biāo)在當(dāng)前的運行狀況，而且可以進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獲取當(dāng)前的目標(biāo)信息，從多個分散的信息源綜合數(shù)據(jù)信息（如圖３ 所示的距離和彈丸入射角關(guān)系）。

為了能夠?qū)ξ磥淼脑O(shè)計、評估和系統(tǒng)分析提供歷史數(shù)據(jù)與知識，收集來自數(shù)據(jù)源的原始數(shù)據(jù)和歷來計算法得到的結(jié)果，按照不同類別構(gòu)建數(shù)據(jù)模塊，對一系列的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)集進(jìn)行管理，最終形成模塊化數(shù)據(jù)庫。整個評估平臺采用了模塊化設(shè)計，其算法和功能的模塊都以插件的形式存在，以便于維護(hù)、擴(kuò)充。模塊化評估系統(tǒng)如圖６ 所示。

２．２．２ 建立共享信息數(shù)據(jù)庫

（１）可以提高各個軍種對目標(biāo)毀傷信息的共享，方便各軍種的協(xié)作作戰(zhàn)。

（２）方便數(shù)據(jù)信息的傳輸與處理，可以執(zhí)行分布式的分析、處理以及發(fā)布信息。

（３）通過共享數(shù)據(jù)庫這個系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫實時更新，便于分析人員和軍事行動人員在任何時刻都可以確定當(dāng)前目標(biāo)運行狀況，而且顯著縮短了多個分散的信息源綜合數(shù)據(jù)信息的過程，這對分析、制定策略有很大幫助。

（４）研究人員可以通過一個授權(quán)的操作系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獲取目標(biāo)信息，這對武器裝備研制的發(fā)展有很大幫助。目前，毀傷分析與快速預(yù)估缺乏準(zhǔn)確性依據(jù)，試驗手段和測試方法都不能滿足動態(tài)毀傷的時空分布參數(shù)的要求。研究海拔高度對目標(biāo)體防護(hù)的影響就是通過對新型常規(guī)彈藥的破壞效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究，進(jìn)而形成信息化綜合防護(hù)技術(shù)體系，并建立完整的防護(hù)體系數(shù)據(jù)庫、精準(zhǔn)的仿真平臺，形成對防護(hù)損傷的精準(zhǔn)模擬和測試能力。最終，形成一套完整的毀傷判斷準(zhǔn)則與評估方法。

３ 結(jié)束語

近年來，國際上多個國家、地區(qū)掀起目標(biāo)毀傷效果評估的研究熱潮，并建立了多種評估模型———目標(biāo)毀傷效果評估模型、目標(biāo)毀傷評估概率模型、目標(biāo)毀傷效果評估系統(tǒng)。就目前多個國家的研究結(jié)果來看，毀傷效應(yīng)評估軟件存在以下不足：（１）缺乏工程算法的分析和比較精度；（２）缺乏試驗驗證多種毀傷元的耦合計算結(jié)果的方法；（３）缺乏毀傷分析與快速預(yù)估的準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)依據(jù)；（４）缺乏動態(tài)多效應(yīng)毀傷的時空分布參數(shù)的有效和可靠試驗與測試的手段及方法，如現(xiàn)有測試手段無法滿足動態(tài)沖擊波超壓空間分布測試的要求；（５）依靠專家經(jīng)驗主觀判斷的評估方法主觀性較強(qiáng)，缺少定量分析。

目前，國內(nèi)在毀傷和易損性評估方面的研究主要集中在以下幾點：（１）怎樣利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)搭建毀傷評估的平臺；（２）如何確定數(shù)據(jù)的有效性；（３）如何在現(xiàn)有的相關(guān)評估方案的基礎(chǔ)上選擇、確定控制目標(biāo)和實施的措施，使毀傷和易損性評估達(dá)到動態(tài)、系統(tǒng)的完善；（４）如何建立和維護(hù)毀傷和易損性評估。這一系列過程方法的研究可推動裝備評估標(biāo)準(zhǔn)的建立。今后，目標(biāo)毀傷效果評估將會成為裝備防護(hù)技術(shù)的研究重點。

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作者簡介：

姜玉海（ １９７８—）， 碩士， 高級工程師， 研究方向： 綜合防護(hù)。

郭一諺（１９７８—），碩士，研究方向：綜合防護(hù)（通信作者）。