综述毁伤评估系统的建立

姜玉海 郭一谚 申航睿 吴宇超 王晓丹 王琳 杨宾 李政林

摘 要：文章综述了在未来的战争中将会出现越来越多的精确控制和精确打击的新概念武器，并以此为基础，最终达成非对称作战、非接触作战、非线性作战的“三非”目标。目前，国际上倾向于目标毁伤信息收集及毁伤效果评估的研究，文章通过分析建立一个快速处理和评估系统的流程，来了解国内在毁伤效果评估方面的情况，并帮助决策分析人员根据多分散信息源得到的数据信息，对信息进行快速综合分析、处理，最终达到模拟实际战争、进行目标物毁伤的分析、评估新型武器的攻击力、目标物的防护能力，以及充分利用新型材料性能研制新式装备和防护的目的。

关键词：战争;评估：;材料;防护：毁伤：信息系统

中图法分类号.TP391文献标识码：A

在“世界和平，局部战争”的背景下，曾有发达国家提出，现代及未来，武装力量应通过交叉应用制敌机动、精确打击，聚焦式后勤和全维度保护，来实现全谱优势。这样的思想引领了新一代、新概念全球军事的发展竞争，呈现出更多、更新的技术应用到未来军事装备中。由于网络与通信集群技术、人与信息交互技术构建以及可在任何角度攻击目标的高度智能化系统提出的“三非”作战模式，对武器装备综合防护性能要求越来越高，新型材料的研究和应用需要以采集试验数据来支撑［１～２］ 。如今，信息收集技术基于各类高清晰探测技术，以更加精准的远程监测收集关于弹着点，攻击威力等数据，技术的改进带来了目标毁伤信息收集及毁伤效果评估的迅猛发展。

１ 国内外毁伤评估现状

面对全方位、精密配合、精确制导、精确打击的“三非”式立体战场，防护的概念和标准都受到了强烈的挑战，如图１ 所示。在矛与盾的这组关系中，当矛变得越来越犀利时，盾的发展不得不紧跟其步伐。为了达到以“低毁伤”的目的，建筑物、装备、武器和人员的防护标准越来越高，促使原有材料性能得到提升，如高强度抗弹玻璃纤维、具抗蠕变性能的合金，以及各类新型材料（负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面的超导材料和具有质轻、柔韧性好、坚硬的纳米材料、石墨烯与结构功能一体化材料等）［３～４］ 。

１．１ 国外毁伤评估现状

许多新型材料的出现都是出于军方的需求，层出不穷的新式武器以及不断提升的防护要求使得易损性的试验条件也在不断增加。新形势的战备竞赛促使国外的各军事强国针对不同目标开展了较为系统的易损性试验研究，并积累了丰富的数据。尤其是近年来微电子和信息技术的发展以及计算机对数据的计算、处理速度的提升，为处理分析数据性的研究提供了便利。随着国际战争形式的演变、科技的发展，装备遭受的打击花样越来越繁多，因此目标毁伤效果分析系统应运而生。

目前，发达国家在相关会议正式提出目标毁伤效果评估能够及时、准确地评估因军事力量造成的预设目标的毁伤效果［５～９］ 。目标毁伤效果评估可用于各种武器装备系统（包括空中、陆地、海上和一些特殊的武器系统）的防护。国外某些国家基于信息集成技术的易损性、毁伤性的评估可达到真实、全方位的模拟多维度实战演练。军事航天装备的发展也加强了战场态势的感知能力，这使实战数据的收集更方便，有利于排除模糊、不确定的影响因素。

基于立体空间的模拟评估技术和安全评估机制，可对新材料性能进行全方位的评估、测试，并基于现有材料的参数基础，对新型材料的构成和性能进行预估，为防护结构设计、新型装备设计提供技术支撑。

１．２ 国内毁伤评估现状

国内自２０ 世纪８０ 年代开始进行目标易损性研究，在理论方面对建立和完善目标易损性评估，有了一定的研究，也提出了一些易损性评估的新算法、新方法，并在特定目标的易损性分析中得到应用。如今，国内信息技术发展步伐紧跟世界强国，并在数学经典统计和模糊计算方面较为领先，初步实现了计算机模拟实战，但由于受到数据收集、保存手段等因素的限制，导致目标毁伤效能评估的试验数据，以及不同毁伤形式和不同目标的易损性试验数据缺乏，严重地制约了毁伤评估的发展。

２ 简述建立毁伤评估的流程

２．１ 建立毁伤评估系统的目的

建立毁伤评估系统的最终目的是达到输入参数的组合方案的效能评估指标。该系统可以模拟实际战争的真实情况，提升针对各式新型武器攻击力的目标物的防护能力，以及进行新型材料的应用模拟（如目标物易损件的几何体表征、材料模型和毁伤率模型），来满足未来对各种先进武器进攻的防护需求，同时还能为战术决策提供即时化的信息支撑；更进一步的目的是根据用户的要求，对新材料性能进行拓展，对未来材料性能预估和对毁伤情况进行评估，进而形成信息化下的综合防护技术应用体系，建立完整的武器和材料的参数和效应数据库，最终能够完善毁伤评估方法和模型及相應数据库和标准体系［１０～１１］ 。

２．２ 建立毁伤评估的流程

毁伤评估需要预先对目标的防损伤能力进行预估，为装备系统的设计奠定基础。基于实弹试验的毁伤能力与毁伤效果的度量、分析，建立评估平台和数据库是装备防护结构研制、战略部署乃至实战应用全过程中至关重要的技术平台。

毁伤评估首先要选取与目的相关的实体目标，对可能受到攻击的方位、方式、种类等影响因素量化，再根据防护标准及受攻击目标的材料相关性能指标对评估数据进行分组、过滤，然后通过分析量化评估体系，提供毁伤评估算法所需的数据，建立目标毁伤效能量化评估数学模型。分析量化流程图如图２ 所示。

在海拔高度对目标体防护影响的实际研究中存在两个主要的影响因素。

（１）目前公开的资料提出：射表经验公式计算修正值与实地实弹试验的结果对比存在较大的误差。

（２）（海拔／ 每）高度实弹试验的数据难以收集，且费用太高。因此，在实际的研究流程中，首先，选取相关的实体目标，估计攻击类型、威力、攻击角度和方式等影响因素并量化，如１ ０００ ｍ／４５°防???穿甲弹，弹速??? ｍ／ ｓ。其次，根据考核的标准、受攻击目标的结构（如“三明治”结构），以及材料性能对评估数据进行分组、分类。例如，???型号钢、陶瓷复合材料等。最后，通过分析量化的数据，建立目标毁伤效能量化评估数学模型。常用的有限元分析模型采用网格划分和拉格朗日算法（如图３ 所示的有限元模型）和基于非局部作用思想的近场动力学理论（如图３ 所示的近场动力理论模型），其通过求解空间积分方程描述物质力学行为，解决奇异性和复杂性的不连续问题。

在毁伤评估体系建立的过程中，需要考虑以下几点。

２．２．１ 影响分析评估的因素

目标毁伤前后的信息采集是目标毁伤效果评估的基础。通过查阅资料、调查、现场实地观察等可以获得目标的相关基础信息和历史资料，也可以通过实验室实验、现场试验和现场侦探获取第一手数据，探究数据、参量之间的相互关系（如图３ 所示的距离和弹丸入射角关系）。

随着芯片技术的发展，全球卫星定位、探测技术已经克服了时域延迟和精确度的问题，依据网络资源多手段、多平台、全方位的侦察手段能提供大量实时、准确的战场信息，对目标毁伤效果评估起着重要作用，基于特定目标的实弹试验模拟收集的信息，更具有针对性意义。目前，主要通过卫星、战略侦察机、无人机、主战平台配备的侦察设备等获取信息，科技力量促进了信息采集技术，以及目标毁伤信息采集及目标毁伤效果评估的迅猛发展。

目标毁伤程度的量化，是综合考虑在目标区域的概率密度及命中某点后的相应目标毁伤程度，以命中概率为权值，将计算概率加权意义下的目标毁伤程度（又称之为毁伤指数）进行计算，即目标毁伤程度是对命中概率和目标毁伤程度的综合度量，通常以毁伤指数来度量对复杂目标的毁伤效能，如公式（１）所示：

毁伤指数＝?Ω概率密度函数× 目标毁伤程度ｄｘｄｚ ＝?Ω概率密度函数（ Σ 目标单元总数目标单元损毁程度× 目标单元影响因子） ｄｘｄｚ （１）

应用近场动力学理论分析弹靶相互作用，其目标单元影响因子包括初始条件（每个质点处定义初始位移和初始速度）和约束条件（在沿着边界的非零体积虚拟材料层中施加位移和速度场约束），还应参考外载荷、工程材料常数、变形场、近场δ 范围等参数。在考虑目标单元损毁程度时，获取适当的命中概率并参考弹丸运动曲线（如图４ 所示弹丸剩余速度与弹丸余速），这些要素是量化目标毁伤对不同类型参数进行综合分类的基础。

（１）数据处理常用的方法。

评估数据的处理、统计计算通常使用的具体方法有：模糊综合法、灰色白化权函数聚类、ＴＯＰＳＩＳ 法、支持向量机、环比系数法、ＡＤＣ 法、ＳＥＡ 法、数据一致性分析、平滑滤波法、窗谱分析法、最大熵谱分析等。通常归类、分析涉及的方法有：主成分分析法、极差分析、方差分析、主成分分析、因子分析、点估计、单总体区间估计、两个总体区间估计、单总体假设检验、两个总体假设检验、偏度和峰度检验、正态性检验、奇异值过滤。

（２）材料特性参数。

材料特性是构建物理模型的必要参数。建立目标物理等效模型，还需确定材料参数：当目标体是陶瓷复合材料时，涉及陶瓷类型，目标体的长、宽和厚度，质量密度ρ，杨氏模量Ｅ，泊松比；弹丸类型、质量，冲击速度；时间步长Δｔ 取值。考虑到全方位毁伤效应数据和计算模型，以经验值为参考对部件毁伤程度量化评定，如历次试验数据（如图４ 所示靶板的穿深），确定目标关键部件的部件影响因子，依据目标的特性建立易损性量化模型。

（３）影响数学模型的特性值。

构建的评估数学模型从武器方面需确定武器的突防概率、可靠性因子，以及可能的瞄准点，并针对目标对迎弹面进行数学建模，然后再针对进攻方向建立数学模型，最终得到理想的数学模型（如图５ 所示的两类数学模型）。武器攻击和装备防护相互作用的特性值决定了计算结果。

为了确定武器的效能和对各類新型材料性能评估以及对理想材料所需参数的预估，需建立一个满足通用化、模块化、标准化要求的共享信息处理平台。分布式处理系统对毁伤评估的数据信息的传输与处理提供了便利，从而进一步实现分析人员和军事行动策划人员在任何时刻，都可以通过操作系统确定所需目标在当前的运行状况，而且可以进入数据库系统获取当前的目标信息，从多个分散的信息源综合数据信息（如图３ 所示的距离和弹丸入射角关系）。

为了能够对未来的设计、评估和系统分析提供历史数据与知识，收集来自数据源的原始数据和历来计算法得到的结果，按照不同类别构建数据模块，对一系列的数据源和数据集进行管理，最终形成模块化数据库。整个评估平台采用了模块化设计，其算法和功能的模块都以插件的形式存在，以便于维护、扩充。模块化评估系统如图６ 所示。

２．２．２ 建立共享信息数据库

（１）可以提高各个军种对目标毁伤信息的共享，方便各军种的协作作战。

（２）方便数据信息的传输与处理，可以执行分布式的分析、处理以及发布信息。

（３）通过共享数据库这个系统，可以实现数据库实时更新，便于分析人员和军事行动人员在任何时刻都可以确定当前目标运行状况，而且显著缩短了多个分散的信息源综合数据信息的过程，这对分析、制定策略有很大帮助。

（４）研究人员可以通过一个授权的操作系统进入数据库系统获取目标信息，这对武器装备研制的发展有很大帮助。目前，毁伤分析与快速预估缺乏准确性依据，试验手段和测试方法都不能满足动态毁伤的时空分布参数的要求。研究海拔高度对目标体防护的影响就是通过对新型常规弹药的破坏效应进行系统深入地研究，进而形成信息化综合防护技术体系，并建立完整的防护体系数据库、精准的仿真平台，形成对防护损伤的精准模拟和测试能力。最终，形成一套完整的毁伤判断准则与评估方法。

３ 结束语

近年来，国际上多个国家、地区掀起目标毁伤效果评估的研究热潮，并建立了多种评估模型———目标毁伤效果评估模型、目标毁伤评估概率模型、目标毁伤效果评估系统。就目前多个国家的研究结果来看，毁伤效应评估软件存在以下不足：（１）缺乏工程算法的分析和比较精度；（２）缺乏试验验证多种毁伤元的耦合计算结果的方法；（３）缺乏毁伤分析与快速预估的准确性的数据依据；（４）缺乏动态多效应毁伤的时空分布参数的有效和可靠试验与测试的手段及方法，如现有测试手段无法满足动态冲击波超压空间分布测试的要求；（５）依靠专家经验主观判断的评估方法主观性较强，缺少定量分析。

目前，国内在毁伤和易损性评估方面的研究主要集中在以下几点：（１）怎样利用现有数据搭建毁伤评估的平台；（２）如何确定数据的有效性；（３）如何在现有的相关评估方案的基础上选择、确定控制目标和实施的措施，使毁伤和易损性评估达到动态、系统的完善；（４）如何建立和维护毁伤和易损性评估。这一系列过程方法的研究可推动装备评估标准的建立。今后，目标毁伤效果评估将会成为装备防护技术的研究重点。

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作者简介：

姜玉海（ １９７８—）， 硕士， 高级工程师， 研究方向： 综合防护。

郭一谚（１９７８—），硕士，研究方向：综合防护（通信作者）。