目标毁伤评估方法研究∗

王力超 乔勇军 李永胜 王 宁

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.31004部队 北京 100089）

（3.中国国际工程咨询公司国防业务部 北京 100080）

1 引言

对目标毁伤评估（Battle Damage Assessment，BDA）的研究可以追溯到第一次世界大战时期。由于指挥员无法得到对目标打击后的反馈情况，从而无法准确的制定下一步作战计划，因此对BDA且定量化描述的需求开始产生。近年来，精确制导武器的大量投入战场，使得战争时间缩短、节奏加快，在这个过程中，目标毁伤效果评估发挥了非常重要的作用。BDA的准确度、时效性关系到战争的进程，能够准确、及时地对打击目标进行评估，不仅能够为作战指挥员后续作战指挥提供辅助决策支持，而且能够合理安排打击方案，对于提高整体作战效能，节省作战资源，提高作战效率有着重大价值，是作战进程中不可缺少的环节。图1是表示BDA作用的示意图。本文梳理和归纳了主流的毁伤评估方法，评价各种方法的适用场景，指出存在的不足和发展方向。

图1 BDA的作用

2 毁伤评估方法

毁伤评估的主要内容是描述目标毁伤效果评估工作的三个阶段，即初始评估（物理毁伤）、补充评估（功能毁伤）和目标系统评估。目前，主流的目标毁伤评估方法可分为理论计算、试验以及计算机仿真。

2.1 理论计算

理论计算方法首先构建武器弹药威力、目标易损性以及影响毁伤评估的战场环境等因素的分析模型，结合毁伤理论，通过严谨的数学公式推导得出结果进行评估。理论计算法进行毁伤评估研究的核心是评估模型的选取，目前国内外BDA研究的主要模型有层次分析法、模糊综合评价法、贝叶斯网络、蒙特卡洛方法及图像处理方法等。

2.1.1 层次分析法

层次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是一种定性判断和定量分析相结合的的分析方法。其优点是系统性强、决策简单和数据量少，解决问题的思想与人认识一个多层次、多因素的复杂问题的思维过程相一致，用数量形式表达人的主观偏好，用于评价因素难以量化且结构复杂的评价问题，基本步骤如图2。颜仲新等［1］通过分析冲击波效应、热效应、破片效应、窒息效应等战斗部对船舱毁伤方式，建立了战斗部等效船舱毁伤效果评估层次体系，采用AHP对船舱毁伤进行了综合评估。丁永丽等［2］把导弹武器系统效能分为导弹系统效能、保障系统效能和指控系统效能三大指标，运用AHP方法建立导弹武器系统效能评估体系，由专家组构造了判断矩阵，给各因素分配了权重，通过计算得到了结果。

图2 层次分析法分析流程

AHP在评估决策的过程中，从建立层次结构模型到构造判断矩阵存在人的主观因素，计算结果不精确，在评价目标毁伤效果的指标较多时，数据量大，并且指标的权重也很难准确确定。用传统精确的AHP处理不确定问题会出现评估不准确的结果，王海坤等［3］运用了区间层次分析法（IAHP）来提高BDA准确性。IAHP是对AHP的一种改进，它将AHP中的判断矩阵用区间判断矩阵代替，包含更多专家决策偏好和经验，根据实际问题的特点取用数据，它能有效降低评估过程中的偏差。

2.1.2 模糊综合评价

模糊综合评价法是一种在评价决策中以模糊推理为基础的综合评判方法，可以较好地处理模糊的、不确定问题，通过定性评价和定量评价相结合的方式建立较为准确的毁伤效果表征指标体系，从多个因素对被评判目标隶属情况进行综合性评判的一种方法。适用于处理一些多因素影响的难以用传统精确数学方法解决的问题。

BDA在指标设置和毁伤等级划分都有很大不确定性和主观性，模糊理论能有效将这种不确定性转化为较为精确的定量评价，广泛应用于BDA领域。模糊综合评价法多与AHP相结合进行目标毁伤效果的评估［4～7］。流程主要包括评估指标构建和模糊综合评判两部分，如图3。苗启广等［5～6］结合图像识别技术，将几何、纹理和整体特征3个特征作为机场与建筑物BDA指标，确定不同的评估因素对评价等级的隶属函数，建立模糊评价模型并计算，得出了对机场目标和建筑物目标打击效果的结果。王晋平等［7］对坑道目标特性合理假设，建立二级毁伤评判因素集，把模糊综合评价和层次分析法结合，评估了三型不同战斗部打击坑道目标毁伤效果。杨青青等［8］选取建筑物毁伤前后高分辨率遥感图像特征构建评估指标体系，利用SMAA-2方法自下而上逐层合成评语集，没有定量设置权重，减少了主观性。

模糊综合评价法通过构建评估指标体系，综合评判毁伤效果，能够较为准确反映目标毁伤程度，但是由于专家打分确定节点值和隶属度函数形式，在权重设置上具有较强的主观性，且无法识别由于评价因素间相关而造成的评判重复问题需要根据具体毁伤评估问题来确定。

图3 模糊综合评价分析流程

2.1.3 贝叶斯网络

贝叶斯网络（Bayesian Network）是一种将知识直觉转化为可视网络图的方法。它的优点是具有双向推理功能，能够根据不确定、不完整的数据，使用有向图方法，通过概率关系描述数据之间的因果关系及其的强弱，对所要研究的问题做出相对准确的推理与计算，逻辑性清晰，综合各种来源信息对目标的毁伤效果进行可靠推理。贝叶斯网络由网络模型结构和节点参数两个部分组成，一个简单的网络模型如图4。樊胜利等［9］将贝叶斯网络分为静态贝叶斯网络和动态贝叶斯网络2类。区别是后者考虑到战场中毁伤数据获取时动态的，引入了时间变量，使得毁伤评估更加准确，接近真实情况。马志军等［10］建立对机场跑道的BDA模型，从战前进行BDA预测和利用收集到的目标毁伤信息进行战中目标毁伤评估，验证了贝叶斯方法的准确性。李望西等［11］考虑现代战场影响毁伤评估因素，结合模糊理论和贝叶斯网络，得到了各因素对毁伤的影响程度。

但贝叶斯网络的建立是一项比较复杂的、困难的工作，面对不同的毁伤评估目标（如装甲类目标、建筑类目标、水利目标等），只能根据实际情况，考虑目标的特点，综合专家经验来建立。

图4 典型贝叶斯网络模型

2.1.4 蒙特卡洛法

蒙特卡罗法又称概率模拟法，是一种以概率统计学为基础的计算方法，主要用于理论和模型的验证，能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，几乎可以找出任何事件的概率及任何随机变量的平均值，特别适用于一些解析法难以求解甚至不可能求解的问题，在误差与问题的维数无关，对于连续行问题不必进行离散化处理，并当试验次数足够多时可以获得很高的精确度。它适用于描述BDA过程中各种随机现象，目标被毁伤的程度如何、毁伤的部位等具有不确定性，也就是说目标的毁伤具有随机性，这样采用蒙特卡洛法对BDA建模并模拟计算就具有很大的优越性。利用蒙特卡洛法进行BDA的一般步骤如图5。李建明等［12］提出了运用蒙特卡洛法对目标进行毁伤概率模拟计算过程。范志峰等［13］分析并建立了对某型榴弹攻击坚固掩体毁伤模型模型，运用蒙特卡洛方法，通过Matlab进行了仿真计算得到了在一定条件下毁伤坚固掩体所需某型榴弹数量。菅鲁京等［14］考虑目标毁伤不确定、随机性，结合模糊推理，运用蒙特卡洛法对目标进行的毁伤量化评估。

但是蒙特卡洛法缺点是计算量大，对于某些确定性问题需要转化成随机问题，误差是概率误差，收敛速度较慢，较难直接地看出各种因素对所得结果的影响。

2.1.5 图像变化检测法

图像法最早是以人工判图的方式进行，但是该方式速度慢、效率低下且严重受情报人员的水平和经验制约，评估的结果不够准确甚至与实际背道而驰，无法满足现代战争指挥决策需求。图像变化检测法是通过拍摄的目标受打击前后的图像，利用计算机技术提取图像中目标几何特征、纹理特征、灰度变化以及与目标有关的地理位置等信息，定量分析这些数据，综合分析得到目标毁伤程度的方法［15］，是重要的战时毁伤评估方法。图6表示运用图像变化检测法进行BDA的一般步骤。王代智等［16］根据对目标结构功能以及外形特征分析，通过建立毁伤因素指标体系，利用AHP法求各指标权重，然后确定毁伤等级与毁伤信息，提出了目标毁伤程度与图像特征变化之间的关系式。基于图像变化检测法中毁伤图像的来源主要由卫星、侦察飞机、电视制导炸弹、无人机、侦察兵拍摄等方式，在通过图像的变化进行目标毁伤效果评估时，由于战斗部毁伤机理和目标特性的不同组合，图像呈现不同的毁伤现象和效果，如侵彻弹头对目标内部破坏巨大，但是在目标表面只有很小的弹洞；石墨炸弹与前者相反，会对目标表面留下很大的洞，但对内部破坏效果有限，因此该方法极度依赖高质量的图像，要求较高的情报保障，毁伤评估组织困难。另外它没有考虑目标本身材质结构和易损性，这些都会影响毁伤效果评估的准确性，不能真实反映目标毁伤情况。

图5 蒙特卡洛法一般步骤

图6 图像变化检测法一般流程

2.2 计算机仿真

计算机仿真法主要用于毁伤评估预测，应用ANSYS、LS-DYNA、AUTODYN、Matlab等仿真软件建立所需的毁伤模型，对目标的毁伤效果进行模拟，根据所得的仿真结果对对目标毁伤效果进行评估。随着计算机仿真技术的发展进步，评估人员对BDA方法也在改变，传统基于试验结果、经验分析以及理论计算逐渐转化为大量采用计算机数值模拟方式进行BDA分析。美国在计算机仿真软件方面起步较早，积累了很多技术，并已经开发了很多成熟的商业目标毁伤评估软件，COM-GEOM模型用来对目标进行计算机描述；瑞典也进行了大量有益工作，如LMP-3软件可以计算已知炸点下战斗部对飞机的毁伤效能。由于计算机仿真的灵活性及可重复性，已成为目前应用最为广泛的毁伤评估研究方法。不仅能够节省大量的人力、物力，而且能够对整个系统进行全面的分析，获得较为客观的研究结果。欧阳春等［17］利用有限元分析仿真程序LS-DYNA，建立长杆弹对陶瓷复合装甲侵彻模型并仿真计算，对弹药的侵彻性能与装甲的易损性进行了研究。冯顺山等［18］利用Matlab软件，建立内置冲击反应材料弹丸的侵彻模型并进行了编程仿真，得到了冲击速度对弹丸侵蚀与钝化的影响结果。刘彤等［19］结合计算机数据库和仿真可视化技术，对毁伤评估的目标易损性、战斗部威力两方面进行分析，的编程实现了BDA的评估仿真程序。

但计算机仿真对模型的依赖性非常高，毁伤模型的粒度、粗细度对仿真结果影响很大，而不准确的模型将会造成巨大的误差，甚至产生完全错误的仿真结果，建模是计算机仿真研究中的关键一环。通常此方法多用于毁伤评估预测以及武器装备的验证，它也常常与其他方法结合使用。

2.3 试验

BDA需要大量的真实、可靠毁伤数据作为研究基础，因此试验成为不可或缺的手段，其次它也是验证理论计算及计算机仿真实验有效方法。试验可分成历史经验和等效试验。历史经验可分为两类，军事行动（作战、演习），武器试验（见图7），指的是从历次战场中发射武器分别命中不同目标，通过图像判断以及各种弹载、机载传感器收集来的数据，以及武器试射，装备验收等采集数据建立的数据库，利用数据库中信息匹配进行BDA，在这方面，美国起步最早，已经建立了较为丰富的BDA数据库。这种方法可以用于作战实施前对目标毁伤效果进行预测以及战后没有获取目标毁伤反馈信息前的预测性评估，但是，历史经验方法由于实施起来工程浩大，涉及的技术领域广、流程复杂，需要协调大量的人力、物力、财力，而且不论是在战场中还是试验中想要获取准确毁伤信息都具有较高的危险性，有的对环境影响很大，实际的操作受很大限制，特别是对于新武器的研制需要大量基础数据存在较大的障碍，等效试验法可以提供较为近似的数据，若试验设计科学，相对于原型试验，结果可以逼近真实数据，其成本低、简单和可控受到广大技术科研人员的青睐。赵国志、杨玉林［20～22］在目标等效靶方面进行有益研究，文献［21］通过对装备目标的防护装甲、内部部件、乘员进行分析，建立科学合理的等效靶模型，通过实例验证了此方式BDA的结果可信度高。文献［22］建立了装甲目标等效靶，通过特定弹对其进行毁伤分析，得到的结果与原模型具有一致性。但是替代等效试验与原型试验之间存在不可忽视的差异。如果对试验整理实际过程了解不够或者对试验中一些情形粗略的处理会导致试验结果与真实情况相差甚远。因此在进行替代等效试验前，应对试验对象分析和进行等效理论研究，科学设计替代试验的条件，弥补与原型试验之间的差异。

图7 目标毁伤试验流程

3 发展趋势

3.1 对于试验法的需求不会减少

未来战场复杂多变，越来越多的新式武器装备列装军队，且由于难以运送专业毁伤评估人员到战场中采集信息，只能利用卫星、机载、弹载传感器等获取毁伤数据，而这些数据或多或少与实际有些偏差，比如可能受到烟雾、粉尘等环境的干扰，因此BDA对于不同的战斗部对不同的目标毁伤效果的需求也愈加旺盛。试验不同于实验，是指为了了解试验对象而进行的操作，不论是理论计算法还是利用计算机技术仿真实验都离不开战斗部对目标毁伤的基础数据，有了基本的毁伤信息数据才能使评估方法更接近真实情况，而试验法是获取数据以及验证理论的不可或缺的方式。

3.2 越来越多的使用计算机仿真法

随着计算机技术迅猛发展，以计算机仿真为方式的实验在各行各业得到了充分发展，同很多领域一样，BDA需要分析战斗部毁伤机理和目标易损性以及大量的科学计算，但是现如今战斗部与目标种类很多，随着技术的发展它们的组合更是千变万化，如果综合考虑复杂战场环境，仅通过试验法，将耗费巨大的资源，难以能一一试验。而计算机仿真凭借它的可重复性、高效、经济等特点，可以作为目标毁伤评估预测或者理论验证的的重要手段，剔除一些不必要的试验情况或者得出近似的毁伤评估结果，对于研究人员的研究以及指挥员的决策将会发挥巨大作用。

3.3 多种评估手段相结合

从第二节可以得出，任何一种目标毁伤评估方法都有其优缺点。无论是在BDA研究还是作战中的毁伤评估保障都不能仅仅依靠一种方法就得出结论，否者评估的结果可能与实际真实情况相差甚远。灵活根据实际情况，针对不同研究对象，建立准确的评估模型，从毁伤评估流程入手（BDA预测、验证等），高效地运用多种方法进行毁伤评估是未来发展方向。

4 结语

本文对目标毁伤评估方法的研究情况进行了系统的概括总结，将毁伤评估分为理论计算、计算机仿真、试验三大类，在此基础上对各毁伤评估方法进行了分析，得出各方法优缺点。另一方面，随着作战理念与方式深刻变革，现代战争由传统的消灭有生力量到破坏关键目标转变，以便消耗最小作战资源用点破面的方式，最大程度达成作战目的，打击目标也有传统的典型目标向多层次，多功能的系统目标演变，因此，在实际运用毁伤评估方法时，并没有严格意义上的类别区分，往往多种方法交叉使用，例如在进行理论计算或者计算机仿真时需要用到战斗部对目标毁伤的真实数据才能进行毁伤预测；图像法也从人工判图到现在利用计算机提取图像特征，再建立计算模型，通过数学理论推导得到逼近真实情况的毁伤结果。所以，进行目标毁伤评估时，需要根据对象的特点及需求，将理论计算、计算机仿真及试验相结合使用，取长补短，相互依托，是目标毁伤评估研究的一种重要手段，可以获得更为可靠的毁伤评估结果，有效提高目标毁伤评估的准确性、可靠性及效费比。