目标毁伤效果预测研究*

武 健，李亚雄，刘新学，姚 挺，郭会军

（1.火箭军工程大学，西安 710025；2.火箭军驻西安地区军事代表室，西安 710065；3.解放军31102部队，南京 210000）

目标毁伤效果预测研究*

武 健1，李亚雄1，刘新学1，姚 挺2，郭会军3

（1.火箭军工程大学，西安 710025；2.火箭军驻西安地区军事代表室，西安 710065；3.解放军31102部队，南京 210000）

目标毁伤效果预测是优化火力打击方案、合理配置作战资源的基本前提，是当前迫切需要解决的问题。在分析目标毁伤效果预测基本流程的基础上，重点阐述了弹目交汇、目标物理毁伤、目标功能毁伤和系统目标功能毁伤等几个关键问题的研究方法和现状，讨论了目标效果预测问题的发展趋势。

毁伤效果预测，物理毁伤，功能毁伤

Abstract：Damage effect prediction is the basic premise of fire attacking scheme optimized and combat resource rational allocated.Damage effect prediction is an emergent question.The researcs technique and current situation researched summary about the key to damage effect prediction in the paper，which includes the meeting model of warhead and target，physics damage of target，function damage of target and system target.In the last，the development tendency of damage effect prediction is discussed.

Key words：damage effect prediction，physics damage，function damage

0 引言

目标毁伤效果预测是指在对计划打击的目标可能产生的毁伤效果进行评估［1-3］。目标毁伤效果预测是优化作战方案、高效配置作战资源、有效控制作战进程、推动作战顺利发展的重要保证。

目标毁伤效果预测需要以射击理论、弹药学、爆炸学、毁伤效应学、建筑学、建模技术、计算机仿真技术等多学科和技术为支撑，解决战斗部落点散布、战斗部杀伤效应及其传播规律、战斗部杀伤效应对不同目标类型的作用效果、子目标受损后对系统目标作战能力影响等诸多难题。

图1 毁伤预测关键问题分析

目标毁伤预测可分为预测弹目交汇结果和基于弹目交汇结果的目标毁伤效果评估两个阶段，其核心内容是预测武器落点、获取弹药对目标各组成单元所造成的毁伤及评估单元毁伤对目标作战性能的影响程度。目标毁伤效果预测需解决的关键问题包括：预测弹目交汇结果、目标物理毁伤效果评估、目标功能毁伤效果评估、系统目标功能毁伤效果评估等，如图1所示。

1 弹目交汇

弹目交汇是指在给定武器射击精度（子母弹式战斗部还应包括抛散半径、盲区半径、子弹散布特性）和目标位置、形状等相关参数的基础上，获得战斗部与目标的交汇结果，常用的方法包括靶场模拟试验、理论计算和计算机仿真等。

1.1 靶场模拟试验

靶场模拟试验是最直接的解决弹目交汇问题的方法，通过靶场模拟试验不仅可以得到不同条件下的弹目交汇结果，还可以验证射击精度、战斗部威力等武器的相关指标。靶场模拟试验成本不高时，可通过该方法直接模拟得到弹目交汇结果。但一般情况下，武器靶场模拟试验成本较高、费时费力，因此，可通过少量的靶场模拟试验结合全数字或半实物仿真试验方法，得到武器射击精度、散布特性等相关参数。在此基础上，就可以通过理论计算或计算机仿真获得弹目交汇结果。

1.2 理论计算

在获得武器射击精度的前提下，且目标形状、结构相对简单，如点目标、均匀圆目标、均匀矩形目标，可以通过理论计算的方法得到弹目交汇结果［4-6］。理论计算方法简单、高效，但当目标形状、结构复杂时，就很难利用理论计算的方法直接得到弹目交汇结果。

1.3 计算机仿真

随着计算机技术的发展，蒙特卡洛（Monte-Carlo）成为解决弹目交汇问题的重要方法，其基本原理是基于“抽样——统计”思想，根据武器射击精度、目标位置形状等相关信息，随机抽样生成武器的落点，独立进行足够多次抽样，得到一组抽样结果，统计处理所得到的抽样结果，就可得到弹目交汇结果［6-7］。

2 目标物理毁伤效果

目标物理毁伤是指对计划打击的目标各组成单元（包括人员、装备、设施等）在物理层面上可能造成的杀伤、破坏。目标物理毁伤效果预测是整个目标毁伤效果预测的本源和逻辑思维的起点，研究方法可分为毁伤效应试验、理论计算和数值模拟方法等。

2.1 毁伤效应试验

毁伤效应试验是指通过动物试验或缩放试验等方法直接进行效应试验，直接得到毁伤效应［8-17］。

毁伤效应试验方法直接，结果可信度高，是研究毁伤效应的一个重要方法，但毁伤效应试验一般成本较高，同时毁伤效应试验一般在较短的时间内完成且具有破坏性，使对试验结果的观察和测量受到了一定的限制。

2.2 理论计算

理论计算是指根据毁伤效应试验和爆炸事故，得到毁伤效应参数传播规律，在计算目标物理毁伤效应时，直接利用理论计算得到任意位置毁伤效应参数，再结合相应的毁伤标准，得到目标物理毁伤效果。如：通过冲击波参数计算公式可得到战斗部在无限空中爆炸、战斗部在地面爆炸、战斗部在坑道中爆炸的超压、动压计算公式［18-19］。结合人及建筑物的毁伤标准可直接得到目标物理毁伤效果。

理论分析方法简单，计算粒度较低时可对目标物理毁伤效果进行计算。但由于实际问题的复杂性，该方法的使用具有较大的局限性。

2.3 数值模拟方法

数值模拟是对目标物理毁伤过程及结果的量化描述，数值模拟可以较容易地改变试验条件，调整参数组合进行计算，受环境条件影响较小。目标物理毁伤效果预测可以转化为微分方程的解析问题，用有限差分法解决。也可以归结为变分问题，用有限元法解决，目前，有限元法已经有了很多成熟的软件，如LS-DYNA/ANSYS、ABAQUS和AUTODYN等，因此，既可以利用成熟理论也可以利用商业软件去研究目标物理毁伤效果［20-21］。

利用数值模拟方法对目标物理毁伤效果研究需要其他方法的支撑，如利用在有限元数值模型建立过程中，需要明确材料参数、网格粒度，同时需要与理论公式预测结果及实体试验进行对比，来修正数值模型。

综合上述分析，在毁伤人员方面，可通过毁伤效应试验或通过理论计算预测毁伤结果。在结构破坏方面，由于爆炸作用复杂、影响因素多、试验及量测条件要求高，数值模拟方法体现了其方法的优越性。

3 目标功能毁伤效果

目标功能毁伤效果预测是在物理毁伤的基础上，基于目标的逻辑结构研究其功能的变化情况，研究方法有串并联分解方法、加权求和及关联性分析方法等。

3.1 串并联分解

串并联分解是将目标各组成单元的关系分解为串、并联两种关系，串联是指两个物理或逻辑单元在物理或逻辑连接上形成串联关系，并联指两个物理或逻辑单元在物理或逻辑连接上形成并联关系。当目标某单元受损后，就可以利用串并联效能计算方法计算目标功能的整体下降程度。串并联分解方法使用简单，能够体现出各组成单元对目标整体功能的不同影响，但该方法评估结构、类型单一，不能解决目标各组成单元之间的耦合问题［22-23］。

3.2 关联性分析方法

关联分析方法的基本思路是利用关联性分析得到目标各组成单元贡献因子，确定目标的关键单元及其分布范围，当目标各组成单元关联性较强时，该方法能够体现关键单元破坏对目标毁伤的影响，但在实际过程中目标各组成单元贡献因子难以确定［24］。

3.3 加权求和方法

加权求和方法的基本思路是将目标各组成单元按层次划分，对不同层次的单元赋予不同权值，当某目标某组成单元被毁后，自下而上地研究目标效能变化情况。加权求和方法能够对目标功能层次进行较为全面的梳理，但加权求和方法只能对同类型的单元进行运算，或者将不同类型的单元进行相应处理，不能反映单元类型差异性对目标整体效能的影响。

4 系统目标毁伤效果

系统目标功能毁伤效果是指对计划打击的由若干目标组成的目标系统，可能造成有效作战功能的降低和损失，其求解的基本过程是在明确系统效能指标的基础上，利用评估模型评估效能指标在毁伤前后的变化，进而得到系统目标毁伤预测结果。

图2 系统目标毁伤评估关键技术

4.1 系统目标效能指标

系统目标效能指标应根据实际作战需求进行构建，如对机场目标，当导弹武器打击机场跑道时，其效能指标选为机场跑道失效率，而当用多种导弹武器对机场目标进行混合打击时，则将效能指标选为机场的飞机起降能力［25］。

4.2 系统目标毁伤评估方法

将构成系统目标的各子目标视为系统目标的组成单元时，就可用目标功能毁伤评估的相关模型对系统目标毁伤效果进行评估，除此之外，层次分析法（AHP）、模糊综合评判、系统动力学方法、网络图模型和复杂理论都可用于系统目标毁伤评估。

4.2.1 层次分析法

AHP是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，其优点将定性判断与定量分析相结合，用数量形式表达和处理人的主观经验，从而为科学决策提供依据［26］。但AHP在评估决策的过程中比较、判断以及计算都比较粗糙，不适用于精度较高的问题，同时，从建立层次结构模型到给出成对比较矩阵，主观因素对整个过程的影响较大，且存在着较大的随意性。

4.2.2 模糊综合评判方法

基于模糊综合评判的目标毁伤效果评估的基本思路是采用定性和定量相结合的方法建立准确、适宜和完整的毁伤效果表征指标体系。将毁伤效果分为若干等级，以毁伤表征指标的临界值作为判定标准［24］。该方法的优点是以模糊推理为主，将定性与定量、精确与非精确相结合，但该方法不能解决评价指标间相关造成的评判重复问题，且节点值和隶属度是通过专家打分确定的，主观因素对整个过程的影响较大。

4.2.3 系统动力学方法

系统动力学方法是研究系统动态行为的一种仿真技术，适合于解决内部具有反馈机制复杂系统的定量计算问题［25］。

基于系统动力学目标效能毁伤评估的基本思路是在构建目标系统动力学模型后，通过目标遭打击前后指标的变化情况，得到目标毁伤效果。如通过建立机场的SD模型，通过打击前后机场作战能力随时间的变化情况来评估机场的毁伤效果。

4.2.4 网络图方法

基于网络图方法的目标效能毁伤评估基本思路是从拓扑角度出发，将子目标抽象成为网络中的节点，子目标之间的交互作为连接边，将系统目标抽象成网络，利用网络评估理论对网络效能进行评估。网络的形式可以采用贝叶斯网络模型、复杂网络模型、加权网络模型等［27-31］。

4.2.5 复杂理论

复杂理论认为作战体系是一种典型的复杂巨系统，作战体系是由许多大量、复杂且具有自适应能力的实体组成，各实体或子系统之间关系复杂；规模巨大、相互关系复杂的实体和子系统之间相互作用最终会产生系统综合涌现性特征，导致作战系统的整体状态演变充满了偶然性和不确定性。

复杂理论用于毁伤效果仿真中，更多的是利用Agent构建作战体系，开展毁伤效果评估的相关研究。

4.3 系统目标毁伤评估系统

随着计算机技术的发展成熟，国外非常重视运用计算机仿真技术来研究目标毁伤问题，20世纪80年代起就开始了对毁伤评估数字仿真平台的开发，如美国的TARVAC（Target Vulnerability Assessment Code）系统，就是一个通用的目标毁伤仿真平台，可以将各种弹药对目标的毁伤代码挂接进去；美国的陆军研究实验室（ARL）和弹道研究所（BRL）从目标毁伤的终点毁伤效应、机理出发，开发了多种典型目标的毁伤评估模型及程序；荷兰的TNO实验室开展了“Lethality and protection”项目的研究，通过方法、技术与模型构建，在物理毁伤层面评估武器效能及其防护能力；瑞典FMV机构研制的“目标毁伤/武器威力计算机高精度仿真评估软件包（AVAL）”，能够实现包括人员、坦克、飞机和舰船等目标的毁伤和武器威力等方面的评估［32］。

国内在目标毁伤效果评估系统的研究开始于20世纪80年代，主要在构建评估仿真框架，研究了仿真系统的处理流程方面。由于缺乏试验数据，构建的大部分系统都只是处于仿真评估阶段，对毁伤的仿真过于单一化和理想化，与实际评估需求差距较大［33-36］。

5 结论

目标毁伤效果问题是世界性的军事课题和难题，涉及多领域学科知识与技术，还有许多问题需要深入研究，即目标毁伤效果可以采用的研究方法：

（1）深入研究各种战斗部对不同类型单元的物理毁伤效果，利用理论分析、数值模拟和效应试验等方法对单元级物理毁伤进行深入研究。

（2）深化从物理毁伤层面向功能毁伤层面的研究，采用更加科学、精细和完善的模型、方法解决目标功能毁伤问题。

（3）深化软杀伤效果对目标效能的影响研究，开展各种软杀伤效果对系统目标综合作战效能影响的研究。

［1］Defense Intelligence Agency （DIA）.Battle damage（BDA）quick guide［M］.Washington，DC：DIA，1996.E-1.

［2］吴正龙，王大鹏.基于仿真弹群的目标毁伤预测模型［J］.火力与指挥控制，2012，37（9）：67-71.

［3］张树霞，赵捍东，韩志高.基于PSO-SVM的侵彻效果预测方法［J］. 中北大学学报（自然科学版），2015，36（2）：166-170.

［4］邱成龙.火力运用［M］.西安：第二炮兵工程大学，2014.

［5］董燕琴，徐玮，戚堂有，等.分导式多弹头的毁伤评估研究［J］.计算机仿真，2008，25（4）：25～30。

［6］张学锋，吴萍，乐贵高等.火箭武器对巡航导弹的毁伤效能研究［J］.系统仿真学报，2006，18（3）：535～537.

［7］卢东祥，陈曦，杜忠华，等.分布式MEFP战斗部对空中目标毁伤概率仿真研究［J］.弹道学报，2015，27（2）：46-51.

［8］TALEYARKHAN R P.Vapor explosion studies for nuclear and non-nuclear industries ［J］.Nuclear Engineering and Design，2005，235（11）：1061-1077.

［9］JOACHIM C E.Shallow underground tunnel/chamber explosion test program summary report［R］.Structures Laboratory，Waterways Experiment Station，Corps of Engineers，1990.9.

［10］张均奎，王正国.冲击波压致伤作用和致伤机理的研究［J］.第三军医大学学报，1997，15（1）：83～85.

［11］杨东来.FAE爆炸场特征和毁伤效应研究［D］.南京：南京理工大学，2002.

［12］何志光.FAE爆炸火球热辐射效应研究［D］.南京：南京理工大学，2004.

［13］严峰.燃料空气炸药威力评价及温度场研究［D］.南京：南京理工大学，2005.

［14］王连矩.温压炸药综合毁伤效应分析与评价［D］.南京：南京理工大学，2007.

［15］曹凤霞.爆炸综合毁伤效应研究［D］.南京：南京理工大学，2008.

［16］李峥.空气冲击波作用下的安全距离［J］.爆炸与冲击，1990（2）：39-52.

［17］ZUCKERMAN S.Experimental study of blast injuries to lungs［J］.lancet，1940，236（6104）：219-224.

［18］张国伟.爆炸作用原理［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［19］陈网桦，彭金华，胡毅亭.爆炸动力学讲义［M］.南京：南京理工大学，2005.

［20］CHAN P C，KLEIN H H.Study of blast effects inside an enclosure［J］.Journal of Fluids Engineering Transaction，1994，116（3）：450-455.

［21］李峰.城市地下交通空间爆炸人员及结构毁伤研究［D］.西安：长安大学，2014.

［22］王磊，吴静，李旭昌.基于串并联模型的武器系统作战效能评估［J］.弹箭与制导学报，2008，28（1）：303-306.

［23］袁贵勇，刘晓东.串并联模型框架在军用航空综合体效能评估中的应用［J］.航空计算技术，2003，33（2）：37-40.

［24］王晋平，段卓平，刘彦，等.坑道目标毁伤效果的模糊综合评估研究 ［J］. 北京理工大学学报，2015，35（8）：771-776.

［25］李亚雄.对机场目标的混合火力打击研究［D］.西安：第二炮兵工程大学，2014.

［26］易亮，陈敏.水面舰船目标毁伤效果评估指标研究［J］.舰船科学技术，2010，32（7）：102-105.

［27］权良涛.基于复杂网络理论的作战体系网络建模研究［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

［28］谭东风.基于网络整体效能的战斗毁伤模型［J］.系统工程理论与实践，2013，33（2）：521-528.

［29］杨伟斌，刘颖，刘健，等.基于加权网络的系统目标毁伤效果评估［J］.火力与指挥控制，2013，38（2）：319-322.

［30］马志军，贾希胜，陈丽.基于贝叶斯网络的目标毁伤效果评估研究［J］.兵工学报，2008，29（12）：1509-1513.

［31］姬瑞龙，何俊，沈楠.火力打击条件下Adhoc网络节点毁伤程度评估［J］.火力与指挥控制，2015，40（1）：118-121.

［32］侯博，赵永刚，薛成.外军毁伤效果评估研究［J］.外国军事学术，2011，1（7）：42-47.

［33］高润芳，张永生，沈生.目标毁伤效果评估仿真系统研究［J］.弹箭与制导学报，2009，29（3）：109-111.

［34］傅常海，黄柯棣，童丽.导弹战斗部对复杂目标毁伤效能评估研究综述 ［J］. 系统仿真学报，2009，21（19）：5971-5976.

［35］卢厚清，土锋，宋以胜，等.基于作战仿真的毁伤评估系统［J］.解放军理工大学学报（自然科学版），2009，10（2）：139-143.

［36］胡慧，袁震宇，谢春思，等.基于毁伤树构建系统目标毁伤评估模型研究［J］.舰船电子工程，2010，30（8）：32-35.

［37］李建平，熊伟，程军，等.装甲目标毁伤概率计算方法研究［J］.四川兵工学报，2015，36（11）:45-48.

Research Summary on Technology of Damage Effect Prediction

WU Jian1，LI Ya-xiong1，LIU Xin-xue1，YAO Ting2，GUO Hui-jun3
（1.Rocket Force Engineer University，Xi’an 710025，China；2.Military Representative Office of Rocket Force in Xi’an，Xi’an 710065，China；3.Unit 31102 of PLA，Nanjing 210000，China）

C934；TJ76

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.09.018

1002-0640（2017）09-0084-04

2016-06-11

2016-08-09

火箭军工程大学基金资助项目（EP143031）

武 健（1985- ），河北宁晋人，博士。研究方向：火力运用。