綜述毀傷評估系統的建立

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爭中將會出現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，最終達成非對稱作戰、非接觸作戰、非線性作戰的“三非”目標。目前，國際上傾向于目標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的流程，來了解國內在毀傷效果評估方面的情況，并幫助決策分析人員根據多分散信息源得到的數據信息，對信息進行快速綜合分析、處理，最終達到模擬實際戰爭、進行目標物毀傷的分析、評估新型武器的攻擊力、目標物的防護能力，以及充分利用新型材料性能研制新式裝備和防護的目的。

關鍵詞：戰爭;評估：;材料;防護：毀傷：信息系統

中圖法分類號.TP391文獻標識碼：A

在“世界和平，局部戰爭”的背景下，曾有發達國家提出，現代及未來，武裝力量應通過交叉應用制敵機動、精確打擊，聚焦式后勤和全維度保護，來實現全譜優勢。這樣的思想引領了新一代、新概念全球軍事的發展競爭，呈現出更多、更新的技術應用到未來軍事裝備中。由于網絡與通信集群技術、人與信息交互技術構建以及可在任何角度攻擊目標的高度智能化系統提出的“三非”作戰模式，對武器裝備綜合防護性能要求越來越高，新型材料的研究和應用需要以采集試驗數據來支撐［１～２］ 。如今，信息收集技術基于各類高清晰探測技術，以更加精準的遠程監測收集關于彈著點，攻擊威力等數據，技術的改進帶來了目標毀傷信息收集及毀傷效果評估的迅猛發展。

１ 國內外毀傷評估現狀

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

１．１ 國外毀傷評估現狀

許多新型材料的出現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要求使得易損性的試驗條件也在不斷增加。新形勢的戰備競賽促使國外的各軍事強國針對不同目標開展了較為系統的易損性試驗研究，并積累了豐富的數據。尤其是近年來微電子和信息技術的發展以及計算機對數據的計算、處理速度的提升，為處理分析數據性的研究提供了便利。隨著國際戰爭形式的演變、科技的發展，裝備遭受的打擊花樣越來越繁多，因此目標毀傷效果分析系統應運而生。

目前，發達國家在相關會議正式提出目標毀傷效果評估能夠及時、準確地評估因軍事力量造成的預設目標的毀傷效果［５～９］ 。目標毀傷效果評估可用于各種武器裝備系統（包括空中、陸地、海上和一些特殊的武器系統）的防護。國外某些國家基于信息集成技術的易損性、毀傷性的評估可達到真實、全方位的模擬多維度實戰演練。軍事航天裝備的發展也加強了戰場態勢的感知能力，這使實戰數據的收集更方便，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和安全評估機制，可對新材料性能進行全方位的評估、測試，并基于現有材料的參數基礎，對新型材料的構成和性能進行預估，為防護結構設計、新型裝備設計提供技術支撐。

１．２ 國內毀傷評估現狀

國內自２０ 世紀８０ 年代開始進行目標易損性研究，在理論方面對建立和完善目標易損性評估，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，并在特定目標的易損性分析中得到應用。如今，國內信息技術發展步伐緊跟世界強國，并在數學經典統計和模糊計算方面較為領先，初步實現了計算機模擬實戰，但由于受到數據收集、保存手段等因素的限制，導致目標毀傷效能評估的試驗數據，以及不同毀傷形式和不同目標的易損性試驗數據缺乏，嚴重地制約了毀傷評估的發展。

２ 簡述建立毀傷評估的流程

２．１ 建立毀傷評估系統的目的

建立毀傷評估系統的最終目的是達到輸入參數的組合方案的效能評估指標。該系統可以模擬實際戰爭的真實情況，提升針對各式新型武器攻擊力的目標物的防護能力，以及進行新型材料的應用模擬（如目標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武器進攻的防護需求，同時還能為戰術決策提供即時化的信息支撐；更進一步的目的是根據用戶的要求，對新材料性能進行拓展，對未來材料性能預估和對毀傷情況進行評估，進而形成信息化下的綜合防護技術應用體系，建立完整的武器和材料的參數和效應數據庫，最終能夠完善毀傷評估方法和模型及相應數據庫和標準體系［１０～１１］ 。

２．２ 建立毀傷評估的流程

毀傷評估需要預先對目標的防損傷能力進行預估，為裝備系統的設計奠定基礎?；趯崗椩囼灥臍芰εc毀傷效果的度量、分析，建立評估平臺和數據庫是裝備防護結構研制、戰略部署乃至實戰應用全過程中至關重要的技術平臺。

毀傷評估首先要選取與目的相關的實體目標，對可能受到攻擊的方位、方式、種類等影響因素量化，再根據防護標準及受攻擊目標的材料相關性能指標對評估數據進行分組、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據，建立目標毀傷效能量化評估數學模型。分析量化流程圖如圖２ 所示。

在海拔高度對目標體防護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：射表經驗公式計算修正值與實地實彈試驗的結果對比存在較大的誤差。

（２）（海拔／ 每）高度實彈試驗的數據難以收集，且費用太高。因此，在實際的研究流程中，首先，選取相關的實體目標，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，根據考核的標準、受攻擊目標的結構（如“三明治”結構），以及材料性能對評估數據進行分組、分類。例如，???型號鋼、陶瓷復合材料等。最后，通過分析量化的數據，建立目標毀傷效能量化評估數學模型。常用的有限元分析模型采用網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力學行為，解決奇異性和復雜性的不連續問題。

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

目標毀傷前后的信息采集是目標毀傷效果評估的基礎。通過查閱資料、調查、現場實地觀察等可以獲得目標的相關基礎信息和歷史資料，也可以通過實驗室實驗、現場試驗和現場偵探獲取第一手數據，探究數據、參量之間的相互關系（如圖３ 所示的距離和彈丸入射角關系）。

隨著芯片技術的發展，全球衛星定位、探測技術已經克服了時域延遲和精確度的問題，依據網絡資源多手段、多平臺、全方位的偵察手段能提供大量實時、準確的戰場信息，對目標毀傷效果評估起著重要作用，基于特定目標的實彈試驗模擬收集的信息，更具有針對性意義。目前，主要通過衛星、戰略偵察機、無人機、主戰平臺配備的偵察設備等獲取信息，科技力量促進了信息采集技術，以及目標毀傷信息采集及目標毀傷效果評估的迅猛發展。

目標毀傷程度的量化，是綜合考慮在目標區域的概率密度及命中某點后的相應目標毀傷程度，以命中概率為權值，將計算概率加權意義下的目標毀傷程度（又稱之為毀傷指數）進行計算，即目標毀傷程度是對命中概率和目標毀傷程度的綜合度量，通常以毀傷指數來度量對復雜目標的毀傷效能，如公式（１）所示：

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

應用近場動力學理論分析彈靶相互作用，其目標單元影響因子包括初始條件（每個質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），還應參考外載荷、工程材料常數、變形場、近場δ 范圍等參數。在考慮目標單元損毀程度時，獲取適當的命中概率并參考彈丸運動曲線（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毀傷對不同類型參數進行綜合分類的基礎。

（１）數據處理常用的方法。

評估數據的處理、統計計算通常使用的具體方法有：模糊綜合法、灰色白化權函數聚類、ＴＯＰＳＩＳ 法、支持向量機、環比系數法、ＡＤＣ 法、ＳＥＡ 法、數據一致性分析、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、單總體區間估計、兩個總體區間估計、單總體假設檢驗、兩個總體假設檢驗、偏度和峰度檢驗、正態性檢驗、奇異值過濾。

（２）材料特性參數。

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

（３）影響數學模型的特性值。

構建的評估數學模型從武器方面需確定武器的突防概率、可靠性因子，以及可能的瞄準點，并針對目標對迎彈面進行數學建模，然后再針對進攻方向建立數學模型，最終得到理想的數學模型（如圖５ 所示的兩類數學模型）。武器攻擊和裝備防護相互作用的特性值決定了計算結果。

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的預估，需建立一個滿足通用化、模塊化、標準化要求的共享信息處理平臺。分布式處理系統對毀傷評估的數據信息的傳輸與處理提供了便利，從而進一步實現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確定所需目標在當前的運行狀況，而且可以進入數據庫系統獲取當前的目標信息，從多個分散的信息源綜合數據信息（如圖３ 所示的距離和彈丸入射角關系）。

為了能夠對未來的設計、評估和系統分析提供歷史數據與知識，收集來自數據源的原始數據和歷來計算法得到的結果，按照不同類別構建數據模塊，對一系列的數據源和數據集進行管理，最終形成模塊化數據庫。整個評估平臺采用了模塊化設計，其算法和功能的模塊都以插件的形式存在，以便于維護、擴充。模塊化評估系統如圖６ 所示。

２．２．２ 建立共享信息數據庫

（１）可以提高各個軍種對目標毀傷信息的共享，方便各軍種的協作作戰。

（２）方便數據信息的傳輸與處理，可以執行分布式的分析、處理以及發布信息。

（３）通過共享數據庫這個系統，可以實現數據庫實時更新，便于分析人員和軍事行動人員在任何時刻都可以確定當前目標運行狀況，而且顯著縮短了多個分散的信息源綜合數據信息的過程，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的操作系統進入數據庫系統獲取目標信息，這對武器裝備研制的發展有很大幫助。目前，毀傷分析與快速預估缺乏準確性依據，試驗手段和測試方法都不能滿足動態毀傷的時空分布參數的要求。研究海拔高度對目標體防護的影響就是通過對新型常規彈藥的破壞效應進行系統深入地研究，進而形成信息化綜合防護技術體系，并建立完整的防護體系數據庫、精準的仿真平臺，形成對防護損傷的精準模擬和測試能力。最終，形成一套完整的毀傷判斷準則與評估方法。

３ 結束語

近年來，國際上多個國家、地區掀起目標毀傷效果評估的研究熱潮，并建立了多種評估模型———目標毀傷效果評估模型、目標毀傷評估概率模型、目標毀傷效果評估系統。就目前多個國家的研究結果來看，毀傷效應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果的方法；（３）缺乏毀傷分析與快速預估的準確性的數據依據；（４）缺乏動態多效應毀傷的時空分布參數的有效和可靠試驗與測試的手段及方法，如現有測試手段無法滿足動態沖擊波超壓空間分布測試的要求；（５）依靠專家經驗主觀判斷的評估方法主觀性較強，缺少定量分析。

目前，國內在毀傷和易損性評估方面的研究主要集中在以下幾點：（１）怎樣利用現有數據搭建毀傷評估的平臺；（２）如何確定數據的有效性；（３）如何在現有的相關評估方案的基礎上選擇、確定控制目標和實施的措施，使毀傷和易損性評估達到動態、系統的完善；（４）如何建立和維護毀傷和易損性評估。這一系列過程方法的研究可推動裝備評估標準的建立。今后，目標毀傷效果評估將會成為裝備防護技術的研究重點。

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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。

郭一諺（１９７８—），碩士，研究方向：綜合防護（通信作者）。