人员易损性评估技术综述

贾益宁，温垚珂，董方栋，覃 彬，徐浩然，李子轩

(1.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094； 2.瞬态冲击技术重点实验室， 北京 102202； 3.中国兵器工业第208研究所， 北京 102202)

1 引言

人员目标易损性是指在战斗状态下，人员目标被发现并受到攻击进而产生损伤的严重程度[1-2]。人员目标易损性的研究在战场人员伤情审查和救治、士兵失能评估、提高战时的医疗资源利用率和后勤补给等方面有着重大意义[3-4]。随着当前武器装备的发展，人员损伤的原因进一步复杂化，侵彻伤、钝击伤、热辐射损伤等损伤形式交叉融合，不仅使得人员易损性评估呈现出医学、军事、工程学、计算机等领域交叉融合的态势，而且推动了基于实验方法的装备及战场人员SLV(survivability lethality vulnerability)分析向基于数据和智能化的方向发展。

国外的人员易损性评估技术研究起步较早[5-6]，美国陆军研究实验室 (army research laboratory,ARL)在20世纪90年代起着手开发了以ComputerMan[3]为基础，基于人体解剖结构的ORCA评估软件[7]，其以AIS为基础给每种组织器官赋予损伤等级，采用MAIS(maximum ais)算法评估人体损伤情况(侵彻伤、钝击伤、热烧伤、冲击波伤和由定向能或有毒气体造成的损伤)[8-14]。德国联邦国防技术和采购办公室 (bundesamtfür wehrtechnik und beschaffung,BWB)等部门组织开发的VeMo-S (soldier vulnerability model)[15-16]和加拿大国防部开发的SLAMS(survivability and lethality assessment modelling software)等软件[17-19]也具有和ORCA大致相同的功能。

我国在基于人体解剖结构的人员易损性评估研究方面起步较晚，目前开发的软件仅能对侵彻伤进行模拟并评估其损伤严重程度[20-21]。易损性模型包含的解剖结构数量与国外相比，还有较大差距。损伤模拟算法和易损性评估算法等还有较大的提升空间[22-23]。目前，美军已经开发了功能更为强大的评估软件MUVES-S2，用于评估陆海空三军的人员易损性和各类武器装备效能，ORCA软件现在被作为该评估软件的一个子模块。

本文主要以美军ORCA软件为对象，从基于人体解剖结构的模型构建、易损性评估算法、软件功能和应用实例四个方面进行综述，以期为该领域研究人员提供参考，并吸引更多研究者从事该领域研究，共同促进我国在该领域的研究不断深入。

2 基于解剖结构的人体易损性模型构建

人体组织有多种类型，可粗略地分为上皮组织、结缔组织、肌组织和神经组织。以一种组织为主体，几种组织有机地结合在一起，形成具有一定形态、结构和功能特点的器官。组织或器官遭受损伤后人体相应的功能就会受到影响。因此，要开展人员易损性评估，首先要建立具有人体解剖结构的人体易损性模型，通过综合分析组织器官的损伤来预测人员损伤，进而评估作战人员失能、武器弹药杀伤效能和装备防护性能[24-28]。

2.1 美国

20世纪70年代，美国弹道研究所 (ballistic research laboratory,BRL)率先开展了基于人体解剖结构的轻武器终点效应评估技术研究。其以某成年男子身体的108层横断面图像数据为基础，识别了组成人体的297种主要解剖结构。随后将每层图像分为5mm×5mm的单元，利用单元块代表组织器官，重构出了人体模型。BRL邀请医学专家以打分的方式为每种组织或器官赋予一个损伤等级，将其作为评估人体损伤严重程度的基础。同时结合作战任务给每个单元赋予一个失能等级，用以评估人员在受伤后的失能情况[9-12]。将上述功能整合后，BRL开发了计算机评估程序Computer Man[11]。以Computer Man程序为基础，美国ARL开发了ORCA软件，该软件的人员易损性模型包含473种人体解剖结构，具有四种不同姿态(站、坐、蹲、卧)，可用于多种战斗场景下的人员易损性评估(见图1)[13]。

图1 ORCA评估模型

为了进一步提高人体易损性模型的精度，为可交互功能的研发做铺垫，Eisler等[29]开发了Mrcman模型和多变量调节模块。模型源于NIH(national institutes of health)的高分辨率人体模型数据库。Mrcman模型包含超过1 867个分辨率达到0.33 mm的人体剖面图像(见图2)[29]，具有精度高，关节可移动等优点。多变量调节模块可对Mrcman模型数据库中的数据进行处理(调整年龄、体重、肥胖程度等)，得到研究所需的人体易损性模型。

图2 GSM 数据库的切片

2.2 德国

德国VeMo-S软件中人体易损性模型的构建方法与ORCA软件有所不同，VeMo-S中的模型数据并非来源于某个特定的人体。其是由一些简单几何形状生成的近似人体结构的几何模型(见图3)，模型中的组织器官的尺寸和位置与实际人体对应[15]。VeMo-S大约包含400个人体解剖结构，对每个结构的失能范围都做了界定。模型的主要作用是计算人体内部的弹道数据和伤道特征，将其与已知的损伤情况作比较，从而判断失能情况。

图3 VeMo-S人体结构

2.3 加拿大

加拿大SLAMS评估软件中人体易损性模型源于Zygote公司开发的高精度三维人体解剖模型V-Man(见图4)[19]。V-Man模型包含骨骼、皮肤、肌肉、心血管器官、生殖器官、呼吸器官、内脏器官、感觉器官、脑和神经器官等组织器官，均单独建模，可独立使用。

SLAMS评估软件在预测损伤时，会综合考虑人体受伤后免疫系统、神经系统、内分泌系统、心血管系统等身体系统产生的应激反应对士兵作战能力的影响。

2.4 中国

国内较为完整的基于人体解剖结构的人体易损性模型是由张金洋[30]基于中国可视化人体数据集 CVH(chinese visible human)[18]开发的。CVH数据集与美国VHP(visible human project)数据集相比，数据更为完整，分辨率更高，且尸体为第50百分位的标准中国人体，具有代表性[18]。张金洋等将数据集中的877张图片利用软件进行处理(提取、分割、灰度处理)，得到了包含123种人体组织器官的组织代码表。随后采用边长2 mm的立方体将组织器官进行重构，得到了由650多万体素单元组成的人体易损性模型。近期，郑浩[31]对该模型的解剖学结构进行了细化，使识别的组织器官数量增加到405种。同时，在此模型的基础上增加了防弹衣和防弹头盔，用于评估有防护人体的损伤(见图5)。

图4 ZygoteTM人体模型

图5 穿戴防护装备的人员易损性模型

3 评估算法

3.1 伤道构建

精准的伤道是获取正确损伤评估结果的基础。人体由骨骼、肌肉、脂肪等具有不同力学特性的材料构成。枪弹等杀伤元经过不同的组织时，其受到的阻力和形成的空腔是不同的。美军将人体组织按照软硬程度分为9类，通过弹道试验获得每类组织的阻力系数，进而建立经验公式预测组织在遭受打击时的力学响应[22]。20世纪50年代美军进行了大量的动物和尸体损伤试验，为建立准确有效的评估模型和人员易损性研究提供了大量数据支撑。后来Kokinakis等[32]根据一个标准人体样本，建立了Computer Man使用的首个人体解剖图谱。在此基础上，Kokinakis等定义了射击迹线(Shot Line)(破片穿过身体时的弹道线)。利用考虑组织差异的空腔尺寸公式，可以得到射击迹线经过的不同组织的空腔大小(见图6)。

图6 射击迹线

为了将破片质量、侵彻速度与空腔大小联系起来，美军做了大量动物实验，得到了破片侵彻不同组织时侵彻深度与速度的关系(见图7)，结合破片在不同组织中的速度衰减表，可以得到空腔尺寸模型[22]。

图7 ComputerMan数据库中钢球速度随侵彻深度 在不同组织中的对应关系

德国VeMo-S评估软件采用枪弹对胶泥射击后形成的永久空腔作为人体易损性模型中对应的伤道[16]。加拿大SLAMS程序基于经验公式估算杀伤元的终点效应，其采用的算法尚未见公开报道。目前国内的伤道构建还停留在利用投影法进行伤道映射的阶段，没有充分考虑组织力学性能差异，特别是骨骼对伤道形态的影响。如南京理工大学开发的人员易损性评估软件，基于试验和数值仿真方法，获取杀伤元在10%质量分数的弹道明胶中侵彻产生的最大瞬时空腔，然后映射到人员易损性模型中作为伤道。

3.2 基于AIS的损伤评估

AIS评分是以解剖学为基础的、一致认同、全球通用的损伤严重度评分方法[33]。AIS依据组织受伤的程度描述伤害的影响，并且依据对生命的威胁程度概括地规定了严重程度[30,34-35]。AIS评分法最早应用于对交通事故中人员损伤的评估，后来逐渐完善为评估各类常见外因导致的人体解剖结构损伤。随着AIS发展的成熟，它被认为是钝击伤和侵彻伤的最佳创伤编码方案。AIS标准中的每个六位数字代码都与一个第七位的数字相结合，第七位数字代表着伤害严重程度的分级(见图8)。损伤严重程度被分为6个等级，分别代表轻度、中度、严重、危险、危急、致命[36]。

图8 AIS损伤编码

为了获得更准确的评估结果，美军专门成立了AIS评分工作组，在统计了越战后期至今的近万例创伤数据的基础上，专门制订了军用版的简明损伤定级标准AIS-2005-MIL[34]。该版本着重对枪弹和破片造成的侵彻伤、钝击伤、爆炸伤等进行了编码，对356种损伤严重度的描述做出修改，将92%的损伤严重度级别提高1级[37]。美军在开发ORCA软件时，以AIS-2005-MIL为基础给每种组织器官赋予损伤等级，并采用MAIS算法评估人体的损伤严重程度。MAIS 算法的原理是取所有损伤结构中AIS分值最大的值作为人体损伤严重度的度量，因此MAIS的取值范围与AIS相同。

加拿大SLAMS软件和我国南京理工大学开发的人员易损性软件则采用基于AIS的NISS算法[19,30-31,38]来评估人体的损伤严重度。NISS评估算法对3个评分最高的解剖结构的AIS分值进行平方和计算，以其作为指标来评估人员的受伤严重程度。NISS≤16为轻伤，1650为致命伤[39]。

3.3 基于作战任务的失能评估

损伤评估是评判杀伤元造成的创伤对作战人员生命的威胁程度。失能评估则是评判作战人员受伤后是否具有继续执行既定战斗任务的能力(见图9)。一般可将作战任务粗略的分为进攻、防御、准备和后勤四大类。

早期战场人员失能评估被简单地认为评判其在规定时间内能否完成规定作战任务，即：30 s防御、30 s进攻、5 min进攻和12 h补给。后来，研究人员将完全失能(死亡)加入评估标准。ORCA将人体失能分为七大类24种情况，分别针对上百种战场任务，定义了完成任务所必须具备的能力。人体损伤后相关能力评分就会下降，通过对比最低任务需求分数，可评估出战场人员失能情况[14]。

图9 失能评估过程

ORCA软件在开发中邀请大量医学专家，依靠其对人体的了解和丰富的医疗经验分析损伤对士兵执行任务能力的影响，发现人员失能情况与四肢损伤有明显的相关性[40-42]。由此定义了16种伤残等级功能簇 (functional group,FG)，并建立了人体主要脏器损伤与FG之间的关联、空腔大小与损伤等级之间的关联(见表1)，从而实现利用FG对士兵进行SLV分析。

表1 损伤等级与空腔尺寸Table 1 Damage grade and cavity size

ORCA的特点之一是利用ECV将各类损伤与士兵执行任务的能力相关联，并利用ECV表示人体能力退化程度[43](见图10)。ECV共有24个基本能力要素，分为七大类：视觉、听觉、触觉、知觉、认知能力、语言能力、力量、耐力和灵活性。利用ECV将士兵受伤后的剩余能力与执行任务所需能力进行比较来判断其能否继续执行任务[44]。

图10 基本能力向量

3.4 弹药杀伤效能评估

弹药杀伤效能评估对弹药论证和研制具有重要意义。一般而言弹药杀伤效能既取决于设计特性(质量、速度、变形能力等)、弹着点和伤道路径的影响，同时也受伤者的精神状态和身体素质水平的影响。但是精神状态和身体素质水平难以量化评估，目前应用较少。

Dziemian等[45]认为杀伤元在明胶靶中侵彻深度在 1～15 cm 间所传递的能量与随机命中人体时使步兵失能的概率是相关的，并由此提出了随机命中时士兵失能的概率公式(PI/H)。美国的ORCA软件以PI/H为基础，利用Sperrazza等[32]提出的A-S准则对枪弹杀伤效能进行评估。后来，Sturdivan[46]改良了测量明胶中能量传递的方法，将PI/H公式进一步完善，提出了EKE 函数。

国内在弹药杀伤效能评估方面也进行了很多研究。张正飞[47]将人体解剖部位、受弹面积、人体暴露的非均匀性、人员战斗动作、枪弹弹着点、失能时间等因素进行综合考虑，以进攻和防御2种战斗任务为基础建立了人员易损性模型，进而得到了小质量钢制破片对人员的杀伤判据。刘苏苏[23]利用张金洋开发的人员易损性模型，开展了枪弹杀伤效能评估研究。枪弹杀伤效能评估的基本原理是采用NISS损伤评分，对人体创伤程度进行评估，基于蒙特卡罗法进行多次仿真直至损伤结果相对稳定后，取平均值与基准比值作为该杀伤元对机体的相对杀伤效能指数REI(relative effectiveness index)，其评估原理图如图11所示。

图11 基于体素模型的弹药杀伤效能评估原理

3.5 防护装备效能评估

Eberius等[34]采用Muves-S2软件对防弹衣的防护效能进行分析,步骤如图12所示。Eberius等使用高精度扫描装置对穿着防弹衣的士兵进行扫描，得到了防弹衣和人体的配合关系。接着对防弹衣的性能和边缘防护性能进行测试，并对损伤特征进行建模。最后利用Muves-S2软件比较了某枪弹射击有防护人体模型与无防护人体模型时造成的MAIS>3的损伤比例，以此评估防弹衣的防护效能。

图12 防弹衣分析过程

同时，Eberius等[34]利用AoC(area of coverage)和AoP(area of protection)对防弹衣防护能力(枪弹和爆炸冲击波)进行分析。其中，枪弹分析主要考虑的是武器命中率的影响。爆炸分析分为破片分析和冲击波分析两类。破片分析主要考虑破片类型和命中率，冲击波分析的主要目标是得到冲击波的有效杀伤范围。

4 美军ORCA软件功能

ORCA利用美军收集的可使人员受到生命威胁的因素(冲击波、枪弹和破片、有毒制剂、热能、激光等)计算潜在威胁对人员造成的损伤。对每种损伤类型均开发了相应的评估程序(见表2)。Creech[49]对Alpha+版本中各评估模块做了详细介绍。

表2 ORCA损伤评估模块Table 2 ORCA Damage assessment module

在ORCA软件中，当用户进行人员损伤评估时，首先应确定当前的战术任务和人员特征。接着计算人体各个组织器官的损伤情况。然后对受伤后的士兵进行ECV分析，评估其能否继续完成任务。同时，用户也可以利用人员损伤评估结果对武器杀伤效能、装备防护性能、士兵生存能力和战伤救治情况等进行分析(见图13)。

图13 ORCA方法

4.1 侵彻伤模块

在ORCA软件中，功能最完善的评估模块是侵彻伤评估模块。软件可以利用射击迹线模拟任意方向的侵彻伤和多发枪弹击中的情况，进而得到人员失能情况。

侵彻伤输入界面如图14所示[14]。用户可修改杀伤元的部分特征参量(质量、形状、材质等)、侵彻速度、入射角度和身体姿态(站姿、卧姿)等。

图14 侵彻模块输入界面

输出窗口如图15所示。损伤列表给出了每个受影响的OBC(ORCA body components)及整体损伤情况。具体包括伤者个人信息、受损器官、伤口大小、失血率、休克情况、AIS严重度评分等。

图15 损伤结果界面

4.2 爆炸伤模块

ORCA软件中使用里德陆军研究所 (walter-reed army institute of research，WRAIR)开发的肺部损伤模型(INJURY)和耳部损伤模型(price ear model)来评估爆炸伤的影响。此模块的输入参量包括爆炸冲击波类型(Friedlander波、三角波和自定义波形)和爆源位置(与人体的相对位置)。评估结果包括损伤严重度评分和士兵受伤后的呼吸能力退化程度。

4.3 热损伤模块

ORCA软件中使用Knox博士和美国陆军航空医学研究实验室 (United States Army Aeromedical Research Laboratory，USAARL)开发的Burnsim模型来评估热损伤对人的影响[50]。Burnsim模型在表皮和脂肪层之间存在多个评估节点，可以综合考虑体表毛发疏密和血液循环降温等情况，预测不同体质、不同肤色和不同环境湿度时的烧伤情况。

模块使用时需提供皮肤的热扩散系数、暴露面积和暴露时间。Burnsim模型将人体表面细分为手、肘、膝、脚和脚踝、脚底、外耳、眼眶、头皮等区域。模块计算完成后会输出每个损伤区域上各评估节点的损伤严重度。

4.4 有毒气体污染

ORCA软件中利用ARL开发的化学人体易损性模型(chemicalman)评估有毒气体的影响。模型在使用时需要输入接触时间、毒气浓度和成分，伤者体重和呼吸频率等参数。该模块目前仅支持评估军用毒气对人体造成的影响。

评估结果以彩色人体组织图像为主，包括受到影响的组织器官图形(神经、视觉系统、心血管、内脏和躯干)和损伤严重度评分，并给出士兵中毒状态随时间的变化情况。

4.5 定向能损伤模块

定向能(激光)照射会导致眼睛受损，产生失明等症状。ORCA软件中利用该模块评估定向能对眼睛的损害。

评估时需要提供激光的类型和特性(波长、强度、持续时间等)、士兵眼部情况等初始参数。

评估完成后，模块将结果以报告的形式输出，报告包括初始参数、眼部损伤情况、剩余可视角度和视力恢复所需时间等。

4.6 加速度损伤模块

该模块用于评估速度突变对人体的影响。Litt[51]将加速度响应研究中使用的Amanda模型纳入了ORCA软件中。使用该模块时，需要先获取加速度数据，单位为G(1G=32.2 ft/s2)。

目前，Amanda模型需要结合损伤阈值才能确定损伤程度。Litt[51]认为最好将Amanda模型预测的损伤情况映射到ECV中，通过在软件中应用损伤阈值算法直接得到损伤程度，以便进行失能评估。

5 ORCA软件的应用

自1998年以来，ORCA软件在人员易损性及武器装备效能评估等领域中得到广泛应用，美国各界对ORCA软件的功能也在持续不断地改进与完善。Eberius等[34]通过改进MUVES-S2 软件，使其可对有防护人员进行SLV分析。Shewchenko[19]总结了损伤排序方法并指出了该方法的局限性，提出一种用于有防护人体的损伤评估模型。Kulaga等[48]利用ORCA软件验证了一种用于创建目标几何体的新技术，该技术提高了防护装备与人体模型的配合精度。Frounfelker等介绍了美国陆军研究所通过MUVES-S2软件模拟和评估在城市环境的军事行动中，主动防御系统 (active protection systems，APS)对一定范围内的人员造成的损伤。Richter[14]对比了目前用于评估航弹作战效能有效性的方法，提出利用这些方法可以提高ORCA软件分析航弹杀伤效能的能力。Owen[8]开发了基于ORCA软件的爆炸伤仿真和计算模块，并对相关模型和UI进行更改，用新模块计算肺部损伤[52]和BOP(blast overpressure)致死概率，计算结果与INJURY模型的计算结果较为吻合。Swoboda等[53]研究手和眼睛受伤后对射击能力的影响，其实验数据来源于ORCA软件中对基于作战任务的人员失能程度的数据采集。Auten等[54]提出在现有伤道重构方法中引入神经网络筛选以提高模型精度。

以乘坐装甲车的3名士兵遭受反坦克地雷攻击为例，美军采用MUVES-S2软件结合ORCA模块开展了车辆和车内人员易损性评估。针对车辆及武器，获得了弹药剩余穿深、侵彻速度、剩余系统效用等数据。针对车内人员，获得了破片命中部位、受损的组织、MAIS评分和角色(驾驶员、装填手、炮手)失能情况[55](见图16)。其中，角色失能利用WTAI(weighted task average impairment) 评估。WTAI将任务所需能力和人体损伤程度综合，通过计算损伤后执行任务能力的平均减少值得到平均损伤程度。

图16 不同人员关键度和损伤评分

Eberius等[34,56-57]提出利用MUVES-S2软件对炸弹毁伤范围、人员失能概率和武器杀伤效能进行分析。将破片的数量、质量、速度和扩散面等参数输入软件，设定起爆点和破片命中率后，利用ORCA软件中的评估模型对其进行SLV分析。

炸弹杀伤范围(见图17)是通过构造目标矩阵并对矩阵内每个目标进行毁伤评估能够得到炸弹杀伤范围[56]。通过改变破片参数重复实验可以得到具有统计意义的杀伤范围。当改变目标参数时，可得到破片对各类目标(载具、车内外士兵等)的毁伤情况。

图17 针对步兵方阵某炸弹的MAIS损伤图

以士兵为评估对象时，MUVES-S2可以显示当前网格点(士兵)的MAIS评分并显示破片轨迹和造成的损伤[56]。为了更直观地显示损伤情况，模型的MAIS评分按严重程度以不同颜色区分。该功能同样适用于载具和防护装备，可以评估其防护能力。

图18 MAIS 等值损伤图

ARL、SLAD(Survivability/Lethality Analysis Directorate)和ASC/ENDA(The U.S.Air Force Aeronautical Systems Center Engineering Directorate)在2000年后联合开展了关于乘员与飞行器关联的易损性研究[58]。其模拟一架载有40名士兵和4名机组乘员的运输机(见图19)，利用Pilot Survey和Computer Man两种模型对上述模拟案例进行分析。

图19 飞行模拟实验

在Pilot Survey模型中，通过针对机组成员进行评估，预测其在承受不同损伤情况下继续驾驶飞行器的能力。在Computer Man模型中，将整个模型分为81个功能区，对每个功能区进行判断(完好、部分损坏、全部损坏)，并利用ECV对机内乘员进行分析。评估乘员时，规定任务过程中剩余能力应大于任务要求，机组人员或作战士兵损伤达到(严重)时任务中止。

6 结论

本文从人员易损性模型、评估算法等方面出发，结合美国ORCA软件，对目前人员易损性技术发展情况进行了综述。

1) 分析了美国、德国、加拿大和我国构建的基于人体解剖结构的人体易损性模型的异同，指出了我国当前人体易损性模型存在的优势和不足，可为人体易损性模型构建提供参考。

2) 目前国内仍停留在利用投影法或能量法进行伤道重建的阶段，没有充分考虑人体组织的力学性能差异，特别是骨骼对伤道形态的影响。针对此问题，一方面需要系统的开展各类软组织和硬组织的力学特性测试和非均质靶标弹道侵彻试验；另一方面要采用神经网络和深度学习等计算机技术来提高对复杂伤道的构建精度。

3) 当前采用的基于AIS的损伤评分体系无法考虑损伤造成的人体生理变化及其对人员失能的影响，需在后续研究中建立更加全面可靠的战创伤评分体系。

4) 介绍了美军ORCA软件的典型损伤模块，并给出了其在装甲车内人员易损性评估、弹药战斗部威力评估和飞机机舱内人员失能评估等军事领域的应用，可为国内相关研究提供参考。

5) 人员易损性研究具有多学科交叉融合的特性，需要武器、工程、医学和计算机等各个领域的研究人员相互配合。希望本综述能吸引更多研究者了解和从事人员易损性评估技术研究，共同促进我国在该领域研究不断深入。