武器装备战场毁伤评估方法研究综述

樊胜利，张宇飞，姚 涛，张学民

(1.军械工程学院基础部，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)

战场毁伤评估(Battlefield Damage Assessment，BDA)是指在战场上或突发紧急情况下，对受损装备运用定性或定量分析方法，科学、准确判定装备的毁伤程度、现场可修复状态、修复时间和修复后的作战能力，并确定由谁实施修复和在哪里修复，以及明确受损装备的修复方法步骤与应急修理所需保障资源的决策过程。在现代战争作战节奏日益加快的条件下，进行科学、有效的武器装备战场毁伤评估，是迅速确定维修资源、实施快速战场抢救抢修、加快受损装备恢复作战能力的先决条件。鉴于此，笔者对武器装备战场毁伤评估的研究方法进行了分类、分析与比较，并指出了存在的问题与改进方向，进而为武器装备战场毁伤评估的理论研究提供参考与借鉴。

1 武器装备战场毁伤评估主要方法

目前，对于武器装备战场毁伤评估的研究，主要分为3种情况:一是从弹体战斗部毁伤机理的角度对装备的损伤概率进行判定;二是运用贝叶斯网络的相关理论方法，从损伤状态变化的角度对武器装备战场毁伤概率进行判定;三是从系统目标复杂程度的角度对武器装备战场损伤概率进行判定。

1.1 基于弹体战斗部毁伤机理的装备毁伤评估方法

基于弹体战斗部毁伤机理的装备毁伤评估，是以不同弹种战斗部对装备毁伤方式为前提条件，围绕冲击波毁伤和破片毁伤，定量分析装药量、爆炸点距目标的距离、气象条件、高度和目标抗冲击载荷能力、破片质量、破片动能和破片比动能等因素对装备毁伤程度的研究方法。从弹药体战斗部毁伤机理来看，它主要分为基于冲击波效应的装备毁伤评估方法［1-5］和基于破片效应的装备毁伤评估方法［6-11］2类。

1.1.1 基于冲击波效应的装备毁伤评估方法

基于冲击波效应的装备毁伤评估，是综合运用空气冲击波波阵面的超压值和其超压临界值的差，空气冲击波的比冲量和空气冲击波波阵面比冲量临界值的差，以及装备易损性参数K(易损参数值随炸点与装备的相对位置不同而不同)，对装备的毁伤概率进行评定的定量分析方法。如前二者的乘积大于等于K，则毁伤概率为1，表明装备完全被毁伤;否则，毁伤概率为0，表明装备没有被毁伤。其中，空气冲击波波阵面的超压值要考虑战斗部装药与TNT炸药的转换系数、战斗部装药质量、战斗部金属质量和炸药转换系数等因素，并根据修正的萨道夫斯基公式计算求得;而比冲量则主要由装填后的等效TNT当量的药量与炸点距武器装备的最短距离决定。

1.1.2 基于破片效应的装备毁伤评估方法

基于破片效应的装备毁伤评估，是以弹体战斗部爆炸时产生的破片速度为初始条件，综合考虑爆炸过程中端面效应的影响，利用炸药爆速、单元体的炸药和壳体质量比、单元体初始轴向位置和超爆点处位置、单元体装药半径和装药全长度等参数对破片初速进行修正，而后结合空气密度、每枚破片质量、破片运动距离(一般为破片到装备的最短距离)、破片迎风面积和破片形状系数等参数值，定量描述破片的速度衰减规律，进而计算单片和多片破片对装备毁伤概率的研究方法。在评估装备毁伤程度时，一般分为以下3种情况［12-16］。

1)将装备所在位置区分为正中、前区、后区、左右侧区和上方5个区域，利用战斗部在不同区域爆炸时装备易损参数的差异，计算装备的毁伤概率。

2)利用模糊数学的理论方法，根据战斗部的炸点偏差量与毁伤半径的关系建立论域，将毁伤结果借助语言值来描述，建立Sigmoid和Gauss隶属度函数，构建模糊推理规则，对装备的毁伤概率进行计算。

3)以弹体破片的试验数据为基础，假设各球瓣飞散出的破片数相同，表面破片的飞散规律与纬度有关，与经度无关，在纬度上服从正态分布等，毁伤概率计算过程分为4步:一是通过破片的平均质量和初速，建立破片运动方程;二是通过求解破片的有效杀伤半径，建立装备坐标系和投影坐标系;三是依据战斗部的炸点坐标确定投影面，弹片的空间分布规律用曲面方程来描述;四是由曲面方程和投影面方程联解所得的曲面确定战斗部爆炸时的有效作用范围，以此计算装备的毁伤概率。

1.2 基于贝叶斯网络的装备毁伤评估方法

基于贝叶斯网络的装备毁伤评估，是围绕装备毁伤等级或毁伤概率的评定与计算，通过分析与装备毁伤相关的各类信息，如弹种、破片、战斗部和装药量，或侦察机录像、卫星静态图片和武器系统录像等，以贝叶斯网络为理论基础，利用状态节点和弧之间的关联结构表示装备毁伤状态与观测信息的因果关系，以某一时刻或连续时间区间内获取的装备毁伤状态信息，不断更新条件概率表与各状态节点的先验概率，对装备的毁伤程度进行定量分析与评定的研究方法。一般来讲，它主要分为基于朴素贝叶斯网络(即静态贝叶斯网络)的装备毁伤评估方法［17-19］和基于动态贝叶斯网络的装备毁伤评估方法［20-24］2 类。

1.2.1 基于静态贝叶斯网络的装备毁伤评估方法

基于静态贝叶斯网络的装备毁伤评估，是在对装备毁伤概率的计算或毁伤等级的评定过程中，结合物元理论等定性描述方法，对装备毁伤过程的状态节点，如破片初速、着角、形状、质量和战斗部材料与类型等，以多元组的形式，从状态结点的名称、特征(如毁伤概率和毁伤程度)和特征值(如毁伤概率的取值)等方面，对各类不同形式、种类的状态信息进行准确描述，并结合故障分析、FMEA、DMEA等定量分析方法［25-27］，利用影响装备毁伤的各类要素与装备毁伤之间的关系建立网络模型，进而计算装备毁伤概率或判定装备毁伤等级的研究方法。在定量分析装备毁伤程度时，既可利用状态节点的先验概率和子节点与父节点的条件概率，以联合概率分布的形式顺序计算装备的毁伤概率，也可利用Bayesian后验概率，以装备毁伤状态为证据，逆序计算装备的毁伤概率。

1.2.2 基于动态贝叶斯网络的装备毁伤评估方法

基于动态贝叶斯网络的装备毁伤评估，是在贝叶斯网络的构建过程中，考虑到在不同时刻通过各种情报侦察与监视设备获取的装备毁伤状态会不断发生变化，为了反映装备毁伤与时间之间的关系，引入了时间变量，以时间序列分析或动态线性模型描述装备毁伤状态的变化过程，并利用多维随机变量的概率分布函数，或引入前向算法与反馈算法，对装备毁伤程度进行定量评定的研究方法。研究思路主要分为以下2部分。

1)将动态贝叶斯网络的状态节点分为静态节点和动态节点:静态节点不随时间的变化而变化，如战前预测的装备毁伤评估结果、武器系统的录像和任务报告中的毁伤状态;动态节点则是随时间变化而不断更新的状态信息，如卫星图片，它表示装备毁伤的实时状态。对于状态节点的条件概率，主要通过引入对数正态分布，并将毁伤状态分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和目标摧毁4种情况，依据装备毁伤后的恢复时间在对数正态分布中的概率值来确定毁伤区间。对于条件概率的更新，则采用时间序列分析与动态线性模型相结合的方法，描述装备毁伤状态随时间的变化过程。

2)将装备毁伤状态作为顶层隐含节点，以攻击目标的火力、机动性、防护性、弹丸威力、弹着点位置和弹药消耗量等作为观测状态点，由静态贝叶斯网络构建装备毁伤的初始推理网络，由军事领域专家结合Delphi法，构建条件概率表和装备毁伤的状态转移概率矩阵，并根据获取的装备毁伤信息，不断更新网络叶节点，触发网络推理机制，利用前馈算法或反馈算法，更新整个动态贝叶斯网络的概率分布值，最终获取装备毁伤状态的概率。

1.3 基于目标性质与功能的装备毁伤评估方法

基于目标性质与功能的装备毁伤评估方法，是根据装备的数量与分布地域，如是否为单个目标、面状目标和集群目标等，运用命中武器装备弹数和毁伤武器装备所需的平均命中弹数之间的函数关系，以及效能衰减函数、物理毁伤信息和功能衰减函数等，根据各类函数值在［0，1］区间分布值与武器装备毁伤的轻度、中度、重度与摧毁等级的匹配程度，对武器装备的毁伤概率与毁伤等级进行定量评定的研究方法。从当前研究方法的类别上来看，主要分为基于单个目标性质与功能的装备毁伤评估方法［28-34］和基于系统目标性质与功能的装备毁伤评估方法［35-40］2 类。

1.3.1 基于单个目标性质与功能的装备毁伤评估方法

基于单个目标性质与功能的装备毁伤评估，是针对功能单一、结构简单的武器装备，运用多种定量分析方法，对装备的毁伤程度进行准确界定的研究方法。一般可采用有限元分析方法或建立防护装甲和内部部件等效靶的方法，对离散复杂模型进行显式动力学分析，获取装备毁伤效果的模拟数据，通过ANSYS/LS-DYNA程序对装备的毁伤效果进行综合分析，或依据毁伤元的特征度、作用点和方位，利用毁伤评估表法计算装备的毁伤概率［41-43］;也可采用单平行六面体或组合平行六面体的方法，将装备等效为一个或若干个平行六面体的空间组合，通过将弹目矢量(如位置、速度等)在目标系下进行投影，计算装备或某部件的毁伤概率。

1.3.2 基于系统目标性质与功能的装备毁伤评估方法

系统目标是指由多个子目标构成的目标系统，如火炮类主战装备是由弹药输送保障车、指挥控制车、主战火炮和机电检测维修车等组成的集作战与保障于一体的武器装备系统，其整体功能会因子系统的毁伤而受到破坏。基于系统目标性质与功能的装备毁伤评估方法，是运用故障树等定量分析方法，从武器装备系统目标的毁伤事件开始，由上至下，逐步剖析各子系统的毁伤结果与武器装备毁伤的因果关系，并利用毁伤树的方法描述武器装备各子系统之间的相互关系，并依据各子系统目标的性质及所获得的对其打击后的毁伤状态信息［44-46］，在综合比较打击前后装备各物理特征参量变化的基础上，对武器装备的毁伤程度进行定量评定的方法。此类方法的研究思路可归纳为2类:

1)首先评定武器装备各子系统的毁伤程度，然后再根据各子系统的权重加权求和，计算武器装备系统的综合毁伤概率;

2)在计算武器装备各子系统毁伤程度的基础上，根据各子系统的工作方式，如串联、并联或串并联混合，计算武器装备的毁伤概率。

2 武器装备战场毁伤评估各类研究方法的特点

从方法应用的角度来看，基于弹体战斗部毁伤机理的装备毁伤评估和基于目标性质与功能的装备毁伤评估都属于装备毁伤预测的范畴，可作为构建基于贝叶斯网络的装备毁伤评估模型的状态节点;而基于贝叶斯网络的装备毁伤评估则主要针对的是装备遭受打击后的实时毁伤评定。

2.1 基于弹体战斗部毁伤机理的装备毁伤评估方法的特点

基于冲击波效应的装备毁伤评估，是利用弹体战斗部爆炸时产生的冲击波对装备的毁伤效果进行计算的研究方法，此类方法简便、易行。装备的各类易损性参变量均标有参考值，只需利用冲击波的标准杀伤规律公式和萨道夫斯基公式，即可对装备的毁伤概率进行求解与计算。然而，它对装备毁伤概率的判定只能以0或1表示，无法区分出装备轻度、中度和重度损伤级别，这给后续维修保障资源的部署与分配带来了困难，也难以估计受损装备作战能力的恢复时间，不利于装备保障指挥员确定维修保障资源，制定维修保障方案。

基于破片效应的装备毁伤评估，是利用弹体战斗部爆炸时产生的破片对装备的毁伤进行计算的方法。此类方法计算时，综合考虑了破片的初速、速度衰减和破片数目，以及对装备等效靶硬铝的击穿厚度，计算过程科学、严谨。与前一种方法相比，它对装备毁伤概率的描述以［0，1］区间的数值来表示，更为贴近装备毁伤的实际判定过程，有利于区分装备轻度、中度和重度损伤级别。然而，它并没有考虑破片的着角、攻角和装甲材质的区别，以及装备各主要部件分布对装备毁伤评估的影响。

2.2 基于贝叶斯网络的装备毁伤评估方法的特点

基于静态贝叶斯网络的装备毁伤评估，是着眼于某一固定时刻，通过定性分析影响装备毁伤各类因素之间的相互关系，或定量计算其相互间的条件概率，利用贝叶斯网络的推理机制，计算装备毁伤概率的一种研究方法。与动态贝叶斯网络相比，其优点主要有以下2个方面:

1)它在某一固定时间点上综合考虑了装备毁伤的各类确定性与不确定性信息，如装备的预先毁伤评估信息和实时装备毁伤状态信息，能够以装备毁伤的后验概率及时更新装备毁伤的先验概率，提高了毁伤评估的准确性与时效性;

2)它可由毁伤诸要素(如弹种、弹片和攻击武器等)来推断装备毁伤程度与状态，也可由毁伤状态推理毁伤原因或以二者相结合的方法推理装备毁伤的状态与成因。即能够利用贝叶斯网络的双向推理和更新机制，及时发现装备毁伤的薄弱环节，提高装备毁伤评估的可靠性。

其不足之处主要体现在以下3个方面:

1)由于静态贝叶斯网络中各节点的先验概率与父节点与子节点之间的条件概率主要依靠专家经验，主观性较强，易缺失有用信息;

2)静态贝叶斯网络不能反映战场中随着装备毁伤状态信息的不断更新而导致的装备毁伤状态的动态变化过程;

3)静态贝叶斯网络的推理及自学习能力的实时性不强，降低了装备毁伤评估结果的可靠性。

基于动态贝叶斯网络的装备毁伤评估方法，是在静态贝叶斯网络的基础上，引入了时间变量，根据不断更新的装备毁伤信息，对静态贝叶斯网络进行扩展。因此，与静态贝叶斯网络相比，它综合考虑了随着时间的变化，装备毁伤状态信息的变化过程，评估结果更为准确、实时和高效。

2.3 基于目标性质与功能的装备毁伤评估方法的特点

基于单个目标性质与功能的装备毁伤评估方法的核心思想是利用有限元与平行六面体的方法计算武器装备的毁伤概率。其优点是模拟过程科学、严谨，计算结果可靠性高。然而，在考虑毁伤元对装备的毁伤效果时，该方法主要以破片速度与炸点距离对装备毁伤的程度进行分析与描述，关于破片的着角、攻角、角速度，以及等效靶的装甲材质的差别［47-48］，如是否为间隙装甲、复合装甲和陶瓷复合装甲等，对装备毁伤的影响效果并没有进行深入分析与描述，模型的计算粒度略显粗糙。

基于系统目标性质与功能的装备毁伤评估方法的核心思想是从武器装备系统运行的角度考虑，综合计算各子系统的毁伤程度对武器装备整体效能的影响，进而对装备的毁伤概率进行科学判定。它能够从分系统毁伤的角度，综合考虑对武器装备系统整体效能的影响，分析过程利用故障树的定量分析方法，构建了描述装备毁伤的毁伤树。该方法的优点是:装备毁伤机理与判断方法的系统性较强，武器装备毁伤过程的描述较为准确、客观。然而，它在把装备物理毁伤程度与装备系统效能函数进行函数变换或映射的过程中，并没有对函数中各类参变量的线性或非线性关系作出科学的界定与证明，这一问题仍有待于进一步研究探讨。

3 存在的问题

1)基于弹体战斗部毁伤机理的装备毁伤评估方法，在综合考虑冲击波与破片对装备的毁伤概率时，没有区分冲击波与破片毁伤程度的权重，这易导致以下2方面问题。

(1)当以冲击波效应判定装备毁伤条件时，如计算的毁伤概率为1，则装备的综合毁伤概率也为1，此时与破片对装备的毁伤概率无关。

(2)当以冲击波效应判定装备毁伤概率为0时，综合毁伤概率主要由破片毁伤概率决定，而与冲击波毁伤概率无关。

上述2方面问题忽视了冲击波与破片对装备的综合毁伤效应，易导致装备毁伤评估可靠性不高的问题。

2)在利用静态贝叶斯网络或动态贝叶斯网络对装备毁伤程度进行评估时，仍存在以下3方面问题。

(1)在利用静态贝叶斯网络对装备的毁伤状态与等级进行评估时，由于装备毁伤评估涉及的因素较多，易导致网络结构复杂化，装备毁伤评估的推理成为NP问题，从而会延长推理时间，降低决策效率。

(2)在利用动态贝叶斯网络描述装备毁伤状态变化的过程中，当利用观测信息推断装备毁伤状态时，需要把动态贝叶斯网络按时间序列展开，然后再计算装备的毁伤概率。然而，在展开过程中，各相关状态节点的条件概率以及展开后对于没有父节点的一类状态节点的概率值不易保持，从而易导致推理错误。

(3)在利用已知装备毁伤的观测信息来推断各状态节点的条件概率时，需要计算概率分布中未知的各种参数。然而，由于获取的装备毁伤数据不充分，往往会导致参数在自学习过程中推理结果可靠性不高的问题。

3)在基于目标性质与功能的装备毁伤评估方法中，基于单目标性质与功能的装备毁伤评估方法研究只注重了弹体战斗部与装备毁伤概率之间的因果关系，而忽视了装备各主要部件毁伤程度的差异对武器装备系统效能的影响。而基于系统目标性质与功能的装备毁伤评估方法则只注重从武器装备系统运行机理方面分析各子系统毁伤对武器装备系统效能的影响，而忽略了各子系统毁伤机理的研究。因此，2类方法虽各有侧重，但均不能系统、完整地对装备毁伤程度进行科学、准确的评估。

4 改进方向

1)在运用基于弹体战斗部毁伤机理的方法对装备毁伤进行定量评估时，应综合考虑冲击波与破片综合毁伤效应。可采用仿真试验的方法，比较破片毁伤与破片和冲击波综合毁伤二者之间的差异，并通过反复试验加权求和的方法分别确定二者在装备毁伤评估中的权值。

2)基于静态贝叶斯网络的装备毁伤评估，可进行以下2方面改进:

(1)在构建装备毁伤评估的静态贝叶斯网络时，将其简化为节点间单向连接的网络拓扑结构，有利于概率信息的传播;

(2)可采用 Monte Carlo、Ancestral Simulation、Gibbs Sampling、Helmholtz Machine等多种推理机制来计算装备的毁伤概率。

3)基于动态贝叶斯网络的装备毁伤评估，可进行以下5方面改进:

(1)构建装备毁伤的初始概率矩阵与状态转移矩阵;

(2)构建非时变的稳定贝叶斯网络;

(3)以随机仿真的方法计算父节点与子节点间的条件概率;

(4)将装备毁伤状态节点空间的关联关系抽象为动态节点与静态节点、动态节点与动态节点、动态节点与临时节点3种对应关系，以简化动态贝叶斯网络展开后的计算步骤，减少计算误差;

(5)当数据不充分时，可采用Expectation Maximization学习算法或基于Error Feedback DBN(EFDBN)的Boosting算法，以增强动态贝叶斯网络对装备毁伤状态的识别能力。

4)在运用基于目标性质与功能的装备毁伤评估方法时，要注意综合运用基于单目标性质与功能的装备毁伤评估方法与基于系统目标性质与功能的装备毁伤评估方法。即在武器装备各子系统的毁伤程度判定时，要运用基于单目标性质与功能的装备毁伤评估方法;而在对武器装备整体毁伤程度的判定时，要运用基于系统目标性质与功能的装备毁伤评估方法。

5 结论

武器装备战场毁伤评估，是科学评定装备毁伤概率与毁伤等级、迅速确定维修资源、实施快速维修保障的先决条件与重要保证。从各类研究方法的分析与比较中不难看出:装备毁伤评估方法的改进应主要依托各种试验手段，如有限元分析软件和贝叶斯网络仿真软件，结合弹体战斗部、装备毁伤信息和装备系统运行功能3方面的试验数据进行验证，从而有助于提高装备毁伤评估结果的可靠性与可信性。

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