集群装备目标毁伤仿真与数据分析

郝永锋， 付　正， 王广彦

(1.军械工程学院训练部， 河北 石家庄 050003； 2.军械工程学院科研部， 河北 石家庄 050003；3. 军械工程学院装备指挥与管理系， 河北 石家庄 050003)



集群装备目标毁伤仿真与数据分析

郝永锋1， 付正2， 王广彦3

(1.军械工程学院训练部， 河北 石家庄 050003； 2.军械工程学院科研部， 河北 石家庄 050003；3. 军械工程学院装备指挥与管理系， 河北 石家庄 050003)

摘要：针对集群装备目标毁伤评估不精确的问题，采用系统仿真技术研究了地面炮兵火力打击中集群装备目标毁伤仿真技术与数据分析方法。基于最有利火力分配理论构建了地面炮兵火力打击模型，从装备目标、弹药威胁和破片3个层次对装备目标的毁伤效应构建了集群装备目标毁伤仿真模型，探讨了装备目标毁伤数据分析方法，并通过集群装备目标毁伤仿真案例分析了发射弹药数量和弹群中心偏移对毁伤效果的影响程度。研究结果表明：构建的模型、提出的数据分析方法能够满足目标毁伤效果精确评估的要求。

关键词：地面炮兵； 火力打击； 集群装备； 目标毁伤

集群装备目标是地面炮兵火力打击的重要目标，由于火力使用的目的、任务和规模，以及弹药的种类、数量、发射方式和组织指挥方式不同，目标的毁伤程度与效果也不相同[1]。目前，主要采用解析方法来研究地面炮兵火力打击效果，如采用命中概率、覆盖概率和毁伤概率等参数描述火力打击效果[2-3]，但解析方法的研究粒度相对较粗，一般仅在集群装备或整装层面进行描述，难以精确描述装备目标的具体毁伤程度，火力打击效果评估精度相对较低，不利于实现地面炮兵火力的精确运用。为此，笔者对地面炮兵火力打击集群装备目标毁伤仿真技术进行研究，通过详细地描述弹群空间散布规律和装备目标各组成部分的毁伤程度，为更精确地预测地面炮兵火力打击效果提供支持。

1地面炮兵火力打击方式建模

通过构建地面炮兵火力打击方式模型，确定火力打击弹群的空间散布情况，并结合集群装备目标阵地配置，进一步确定弹群与集群装备之间的相互位置关系。

1.1地面炮兵火力打击弹群散布基本假定

在地面炮兵射击过程中，当给定弹药消耗量、重复误差和非重复误差时，火力打击效果主要取决于火力分配。火力分配是指采用的表尺和方向装定分划数、表尺(距离)差、方向差、射向和射向间隔，以及弹药在各分划上的分配等，即火力分配是指瞄准点的数目和位置，以及弹药在各瞄准点上的分配。对于小幅员目标射击，若决定诸元精度很差，可直观地判断，则应实施适当的人工散布射击，而不采用集火射击，因为前者的炸点将更多地覆盖目标，平均能取得较好的打击效果。最有利火力分配是指在一定条件下，保证获得最大打击效果的火力分配。

地面炮兵对集群装备目标实施火力打击的毁伤效果，受到诸多随机因素的影响，随机性较强，确定弹群空间散布形式难度较大。为了便于衡量集群装备目标毁伤效果，假设地面炮兵采用最有利火力分配方式，即认为地面炮兵预达成最佳的火力毁伤效果，根据最有利火力分配原则来建立弹群空间散布模型，并将各项火力打击计划参数量化为相应的模型参数。

1.2最有利弹群散布密度的一般形式

为了建立弹群散布密度的一般形式，假设如下：

2)目标为单个矩形目标或已转化为“单个矩形”目标，纵深为2lx，正面为2lz，面积为ν=2lx×2lz。

3)毁伤规律服从指数分布，毁伤目标命中弹数的数学期望为ω。

采用t个分划射击，在第i个分划上发射Ni发炮弹，第i分划的瞄准点对目标的距离偏差为ξi，方向偏差为ηi，发射N发的毁伤目标概率为

(1)

式中：p(xc+ξi,zc+ηi)为第i个分划发射1发炮弹的毁伤条件概率。

令

(2)

H(xc,zc)还可表示为

(3)

(4)

为了实现弹群的最有利分布，应使毁伤目标概率R达到最大，将此时的H(xc,zc)记为Hm(xc,zc)。由于Hm(xc,zc)满足式(2)，所以这是一个求条件极值的问题。

构建辅助函数

G(xc,zc)=f(xc,zc)e-ντH(xc,zc)/ω+λH(xc,zc)，

(5)

式中：λ为常数，可根据分布密度函数的性质求出。

当式(5)满足尤拉方程

可得

(6)

Ω为满足约束条件H(xc,zc)>0的区域。

令最有利弹群散布密度为g(xs,zs)，最有利弹群密度条件下的命中概率为pm(xc,zc)，则有

应用积分中值定理，可得pm(xc,zc)≈νgm(xc,zc)。由式(3)可得

根据式(6)，可得最有利弹群散布密度为

(7)

1.3重复误差服从正态分布时的最有利火力分配弹群散布

图1最有利弹群散布抽样效果

图中：虚线矩形框为弹群的散布范围；实线矩形框为集群装备目标阵地配置范围。由式(8)可知：1)弹群散布存在一个中心点，在该中心点位置处，散布密度最大，距离中心点越远，散布密度越小，可将该中心点理解为地面炮兵火力打击群的整体瞄准点；2)可确定出影响弹群最有利散布程度的相关火力打击计划参数，包括火力打击发射弹药数量、射击瞄准中心位置、发射阵地与目标阵地的距离以及决定诸元精度等。根据集群装备目标阵地实际配置情况，灵活调整上述火力打击计划参数，可实现预定的火力打击效果。其中，发射弹药数量和射击瞄准中心位置是火力打击计划重点调整的作战参数，将在第4节重点分析其对集群装备目标毁伤效果的影响程度。

2集群装备目标毁伤仿真建模

构建集群装备目标毁伤仿真模型，实现精确确定集群装备目标的毁伤程度。

2.1装备目标建模

现代武器装备结构组成复杂、功能模块多元，为准确地预测装备目标功能丧失程度，需根据装备目标各组成部分所具有的功能特征分别对其进行描述。基于此，笔者提出一种分辨率可调的装备目标建模方法，该方法按照装备→基本单元→基本元素→几何元素的逻辑顺序，采用树状结构构建满足装备目标毁伤仿真预测需求的装备目标模型。该模型包含基本单元模型、基本元素模型和几何元素模型3个层次，具体如下：

1)基本单元模型在装备目标模型结构中位于上层，详细地描述了装备目标各组成单元之间的结构关系；

2)基本元素模型在装备目标模型结构中位于中间层次，主要从材质方面对基本单元模型进行详细的描述；

3)几何元素模型在装备目标模型结构中位于底层，主要从几何尺寸方面对基本元素模型进行进一步详细的描述。

图2某型高炮的目标模型

某型高炮的目标模型如图2所示。该模型采用可视化方式描述了某型高炮的基本单元模型和几何元素模型，基本元素模型依附于基本单元模型。采用上述建模方法，针对集群装备目标中每门装备分别构建目标模型，并进一步构建聚合级的集群装备目标模型。依托该装备目标模型，可精确地衡量地面炮兵火力打击条件下装备目标的毁伤程度等级。

该装备目标建模方法具有分辨率可灵活调整的特点，分辨率灵活调整主要体现在2方面：1)当装备目标建模过于细致时，可采用聚合方法将相关基本单元、基本元素和几何元素体进行合并，构建分辨率较低的装备目标模型；2)当装备目标建模过于粗略时，可采用解聚方法将相关基本单元、基本元素和几何元素体进行适当分解，构建分辨率较高的装备目标模型。装备目标模型分辨率调整原理如图3所示。

图3装备目标模型分辨率调整原理

2.2弹药威胁建模

弹药爆炸后形成的破片场是导致装备目标发生毁伤的重要威胁来源，笔者重点研究弹药破片场威胁建模方法。当弹药爆炸时，破片通过球面向四周飞散。根据有关实弹试验数据可知：沿各球瓣飞散出的破片数基本相同，表明破片的飞散规律与经角β无关；沿各球带飞散出的破片数随纬角φ的不同而不同，具有明显的正态分布特性。其他破片参数也具有类似的统计性。破片是最基本的效能单元，不同类型的弹丸爆炸可产生具有各种速度、方向和质量的破片，虽然破片的产生机理、过程可能不同，但其均可采用破片场来描述，而破片场可用破片数量FN0(n0)=P(N0≤n0)、质量FM0(m0)=P(M0≤m0)和初速FV0(v0)=P(V0≤v0)等分布函数来描述，并通过抽样方式精确地确定每枚破片的质量、飞散角度和速度等效能参数，为准确地预测装备目标毁伤程度提供了有效的弹药毁伤效能基础数据。

2.3破片对装备目标的毁伤效应建模

破片具有一定的动能，会对装备目标被击中的部位产生一定的毁伤效果，具体效果由破片的各项效能参数和装备目标的材料属性及几何尺寸共同决定。由于装备目标的材料属性包含在基本元素模型之中，所以破片毁伤效应分析也主要集中在该模型中。

将破片的运动方式看作一条射线，采用射线分析方法来研究装备目标毁伤效应。射线分析解决的是破片与装备目标相交的可能性问题，即从理论上计算破片有可能对哪些部件造成毁伤，射线分析过程如图4所示。其中：图4(a)为破片场中每个破片所形成的运动轨迹；图4(b)为与装备发生相交关系的破片。

由于破片飞散角度、质量，以及装备目标各部件的几何尺寸和材料属性不同，导致装备目标在破片打击下产生不同形式的毁伤模式。因此在射线分析基础上，需进一步精确地分析与破片飞行轨迹相交处装备部位的毁伤模式，通常采用计算精度较高的数值模拟技术进行分析[4]。由于数值模拟实际计算过程较为复杂，且效率较低，难以满足装备目标毁伤效果分析要求，因此，笔者采用装备目标毁伤相图来简化装备目标毁伤效应计算过程，即首先将目标毁伤效应数值模拟结果以图表方式存储，然后通过查询图表来获取装备目标毁伤效应的具体数据，如图5所示，该相图以一定厚度、材质的靶板和一定形状、质量的破片为研究对象，描述了在不同撞击速度和角度下破片对装备目标的毁伤状况[5]。图6为破片侵彻靶板的模拟过程。

图4射线分析过程

图5标准靶板毁伤相图

图6破片侵彻靶板的模拟过程

3装备目标毁伤数据分析

为了便于描述装备目标的毁伤情况，并对毁伤效果进行评估，应对装备目标毁伤程度划分相应的等级[6]。目前，我军各军兵种对目标毁伤等级的命名和划分差别很大，给诸军兵种联合作战毁伤效果评估带来了极大的不便。考虑到我军传统的毁伤等级称谓与划分，参照美军的做法，将目标毁伤等级划分为“三等五级”。“三等”是指摧毁、毁伤和未毁伤，“毁伤”又可进一步划分为严重毁伤、中度毁伤和轻度毁伤，形成摧毁、严重毁伤、中度毁伤、轻度毁伤和未毁伤“五级”，如表1所示。

根据表1所示的目标毁伤等级划分原则，结合装备目标毁伤仿真机理，以装备目标命中弹片数为判据来确定装备目标毁伤等级。装备目标结构毁伤比例与装备命中弹片数具有明显的相关性，当装备目标整体命中弹片数越多，装备目标结构毁伤比例越高。结合目标毁伤等级划分原则与装备目标命中弹片数情况，笔者采用集群装备目标整体的命中弹片数量Ns、第i门装备的毁伤比Ri和火力打击瞄准点相对于集群装备目标整体的偏移量D三个参数来描述装备目标毁伤程度，其中：

(9)

式(9)中，m为集群装备目标中单个装备目标的总数，ni为第i门装备被弹片命中部件的数量，Pi,j为第i门装备第j个部件被弹片命中的数量；

(10)

即第i门装备被弹片命中的数量占集群装备目标整体被弹片命中数量的比例；

(11)

D越小表示瞄准点距离集群装备目标越近，越有可能取得更佳的火力毁伤效果。

4集群装备目标毁伤仿真案例分析

以某集群装备目标为对象，分析其在不同火力打击计划参数约束下的毁伤程度。

4.1集群装备目标毁伤仿真基本参数设定

集群装备目标由6门某型火炮构成，各火炮目标的阵地配置坐标如图7所示。其中：地面炮兵的射击距离为6 256m；侦察目标阵地的正面为325m，纵身为225m；发射弹药数量为224发；瞄准精度较高，瞄准点为(0，0)。笔者采用Ns来描述集群装备目标毁伤程度。

图7集群装备目标阵地配置

4.2发射弹药数量对毁伤效果的影响

发射弹药数量是影响集群装备目标毁伤效果的重要因素，也是弹药供应部门最为关注的作战参数。保持作战想定基本参数不变，只改变发射弹药数量，分析集群装备目标的毁伤效果。发射弹药数量与集群装备目标毁伤程度的关系如图8所示。

图8发射弹药数量与集群装备目标毁伤程度的关系

由图8可以看出：集群装备目标毁伤程度与发射弹药数量之间呈线性关系，当发射弹药数量增加时，集群装备目标毁伤程度按线性关系呈递增趋势，因此，炮兵指挥人员在不改变其他作战参数的情况下，可根据欲达成的火力毁伤效果按线性关系调整发射弹药数量即可。

发射弹药数量不影响各装备目标的毁伤比例关系，即Ri值较为稳定，发射弹药数量与毁伤比之间的关系如图9所示。图9重点考察某门装备目标被弹片命中的数量占集群装备目标整体被弹片命中数量的比例关系，可以看出：该装备目标被弹片命中的比例在0.54上下浮动。

图9发射弹药数量与毁伤比之间的关系

4.3弹群中心偏移对毁伤效果的影响

弹群中心偏移是指地面炮兵射击瞄准中心的偏移情况。在基本仿真想定中，弹群中心位于阵地坐标原点，为了分析弹群中心偏移对毁伤效果的影响，在基本仿真想定基础上，固定其他参数，以射击瞄准中心位置为变量，研究集群装备目标在不同射击瞄准中心情况下的毁伤情况。射击瞄准中心位置的偏移情况如图10所示。

图10射击瞄准中心位置偏移情况

当射击瞄准中心发生偏移后，集群装备目标整体的毁伤程度发生了明显变化，如图11所示。其中：虚线表示火力打击瞄准点相对于集群装备目标整体的偏移量；实线表示集群装备目标整体的毁伤效果。由图11可以看出：集群装备目标毁伤程度与火力打击瞄准点相对于集群装备目标整体的偏移量呈一一对应关系，即偏移量越小，集群装备目标毁伤程度越严重。

图11集群装备目标毁伤程度与火力打击瞄准点相对于集群装备目标整体的偏移量之间的关系

5结论

火力打击计划制定应当基于目标毁伤效果，即根据欲达成的火力毁伤效果确定相应的火力打击参数。目前，传统的火力毁伤效果评估方法通常是基于解析分析方法的，分析粒度较粗，不利于精确评估被打击目标的实际毁伤程度。笔者所提出的地面炮兵火力打击集群装备目标毁伤仿真技术基于装备目标各组成部分的毁伤数据，能够解决传统毁伤效果评估方法分析粒度较粗的问题。

笔者重点研究了弹药破片场对目标的火力毁伤

仿真问题。除破片场毁伤效能外，弹药还具有冲击振动、燃烧和冲击波等其他毁伤效能，为深入揭示目标毁伤规律与特点，还应深入研究目标在多种毁伤效能综合作用情况下的毁伤评估问题，这也是目标毁伤研究进一步深入发展过程中面临的热点和难点问题。

参考文献：

[1]钟宜兴,刘怡昕.炮兵射击学[M].北京: 海军出版社，2006:40-45.

[2]薄玉成.武器系统设计理论[M].北京:北京理工大学出版社，2010:102-108.

[3]宋谢恩,宋卫东,马茜.考虑目标定位误差的毁伤比求解[J].系统仿真学报,2015,27(12):3082-3086.

[4]黄俊卿,马亚龙,范锐.基于数值仿真的破甲弹毁伤某型装甲装备研究[J].系统仿真学报,2014,26(10):2311-2314.

[5]王广彦,胡起伟,刘伟. 装备战斗损伤组合建模与仿真技术研究[J].兵工学报,2012,33(10):1266-1275.

[6]陈侠,李林.不确定信息环境下目标毁伤效果评估[J].系统工程与电子技术,2013,35(4):777-780.

(责任编辑：王生凤)

Target Damage Simulation and Data Analysis Technology of Cluster Equipment

HAOYong-feng1,FUZheng2,WANGGuang-yan3

(1.DepartmentofTraining,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China;2.DepartmentofScienceResearch,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China;3.DepartmentofEquipmentCommandandAdministration,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China)

Keywords:groundartillery;firepowerstrike;clusterequipment;targetdamage

Abstract：Aimingattheimpreciseassessmentofclusterequipmenttargetdamage,clusterequipmenttargetdamagesimulationtechnologyandthedataanalysismethodarestudiedusingsystemsimulationtechnology.Groundartilleryfirepowerstrikemodelisconstructedbasedonmosteffectivefirepowerdistributiontheory.Clusterequipmenttargetdamagesimulatingmodelisestablishedatthreelevelsincludingequipmenttarget,ammunitionthreatandfragmentdamageeffect,andtheanalysismethodofequipmenttargetdamagedataisdiscussed.Theinfluencedegreeofammunitionamountandpillsoffsettodamageeffectisanalyzedbythesimulationcaseofclusterequipmenttargetdamage.Theresearchresultshowsthatthemodelconstructedandthedataanalysismethodpresentedinthispapercanmeettherequirementofpreciseassessmentoftargetdamageeffect.

文章编号：1672-1497(2016)03-0072-07

收稿日期：2016-03-01

作者简介：郝永锋(1985-)，男，硕士研究生。

中图分类号：E920；TP391.9

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.016