基于视景仿真对抗的枪械作战效能评估方法

2018-07-31章勇，杨臻

兵器装备工程学报 2018年7期

章勇，杨臻

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

武器装备的效能评估是为了对武器进行“能力”的评估、优化和设计，节省装备的研发生产成本，也是为了武器装备在战场环境下有良好的“表现”，从战果和资源上带来双重收获。

传统的效能评估方法主要是基于系统论思想的理论分析法[1]，这种方法首先明确并定义当前要评估的任务系统，然后建立合适的评估指标体系，最后采用合适的数学公式进行评估。这种评估方法层次清晰，有较好的评估效果，但这都是在简化实际问题的基础上进行的，不可避免的割裂了各要素与真实战场环境的真实联系。本文提出的仿真对抗的评估方法，主要基于视景仿真技术，尽可能真实的模拟了战场环境下的武器对抗，在接近实战的对抗中评估装备，有较为直观的评估效果。

1 枪械作战效能评估常用方法

1.1 实验统计法

实验统计法就是在特定的现场环境下，模拟实验环境或实战对抗演习，获得大量接近实战的战斗数据，这些数据可以用模型清楚地表示并加以利用，再用合适的数学公式和模型对其处理和评估。常用的统计评估法有抽样调查、假设检验和参数估计等[2]。

实验统计法最直观的得到枪械的单项作战效能评估指标值，如射击效能、毁伤效能和火力效能等。枪械作战效能层次图如图1。

实验统计法能得到较为真实可靠的指标评估值，可实现各种特定作战规则和环境对效能的影响，有较为可靠的评估结果，但需要大量的人力物力，这可以根据需要对现役武器进行评估，但在武器装备的前期研制过程中没有太大的可行性。

图1 枪械作战效能层次图

1.2 分析评估法

分析评估法是基于数学公式，应用数学模型对评估指标进行处理。主要有基于美国工业界武器系统效能咨询委员会提出的WSEIAC模型即ADC法和系统有效性分析方法即SEA法等[3]。

SEA法是一种将系统和使命相联系的动态评估方法。这种动态分析法具有较强的分析能力和广泛的实用性，但在多维效能量度的指标计算方面，仍没有完整的章法可循，需进行更深入的研究。

2 基于仿真对抗的枪械作战效能评估方法

基于仿真对抗的作战效能评估方法主要采用视景仿真技术和编程技术，模拟真实战场的虚拟现实环境[4]，建立贴近真实的数值仿真模型，对枪械进行“实地”考察评估。

2.1 基于仿真的枪械评估指标

基于仿真的评估方法，不同于传统的实验统计法和分析评估法，评估的结果是直接“表现”出来的，基于这种评估方法的“能看得见”的评估指标有：有效射程、射击精度、战斗射速、毁伤能力、环境适应能力、人员适应能力和战术适应能力等。

由于本仿真评估法的特殊性，对机动能力的评估可在一特定场景下执行相同的作战任务表现出来。根据不同的需要，评估系统可建立不同的场景，可以对一个特定的作战场景建模，例如：作战场景是一片充满各种灌木、瓦砾和沟壑的森林，任务场景是控制作战人员不变，即士兵参数属性设置相同，携带的枪械参数不同，包括枪长，枪重等，由作战人员在这特定场景中完成行军转移的任务，最后由完成的时间来评估比较不同参数枪械的机动能力。

综合火力包括：有效射程、射击精度、战斗射速、毁伤能力、毁伤能力、战斗射速等。可以在单兵训练场景下，设置不同参数属性的枪械进行个单项火力指标的评估，由系统输出显示结果，亦可在对抗场景下，保持作战人员属性相同，由两士兵持不同属性枪械进行对抗，由最后伤亡结果展现综合的火力。这里需要注意的是，因为是系统模拟仿真，无需耗费大量人力物力。为了保证更有效的评估结果，可进行大量相同的评估，再综合分析所有的结果，可以把这编进系统里，使系统直接模拟评估指定的次数，直接显示综合分析评估结果。

传统的评估方法对环境适应能力人员适应能力和战术适应能力不能有很好的评估方法和评估效果，基于仿真的评估方法可以设置不同属性的士兵执行相同的作战任务来评估人员适应能力；设置不同的战场环境，包括作战场地、光强和天气等来评估枪械的环境适应能力。

1) 人员适应能力评估。控制作战环境和作战模式和任务相同，仅作战人员不同，在本方法中即士兵的属性设置不同，例如：速度，反应时间等不同的战斗人员A、战斗人员B、战斗人员C等，进行相同的行军任务、训练任务或者对抗任务，评估人员适应能力。

2) 环境适应能力评估。控制作战人员和作战任务相同，仅作战环境不同，例如山地环境、城市街道环境、平原环境等，士兵属性相同，可在选定的环境执行行军任务、训练任务和对抗任务等。这里可以增加天气等环境控制变量，例如风沙、雨水、白天和黑夜等，以此丰富环境模式的选择。

2.2 关键技术

视景仿真技术是一种借助软件，重构现实场景，直观形象的表现仿真行为的可视化仿真技术[5]。这里采用游戏引擎Unity3D技术进行系统场景建模，U3D是一个能创建大型三维游戏和仿真三维动画的多平台综合型交互式游戏开发工具。人物、枪械和相关场景物体的模型，可采用模型制作软件3ds Max构建。

C#是一种强大的脚本语言，用来实现控制场景对象和业务逻辑，但其数值计算分析功能相对薄弱，matlab具有强大的数值分析计算能力，两者相互结合，正好优势互补[6]。将matlab的.m文件编译生成.dll文件，再嵌入到C#程序实现混合编程。

寻路算法解决的是场景中士兵对目标的搜索和接近过程中的路径规划问题，在不同的场景下，士兵跨过障碍物智能的选择最优路径向目标接近，发现目标后停止寻路并对抗作战。A*算法是一种在游戏中广泛应用的寻路算法，有较好的搜寻效果，但适用于小地图场景和搜寻一些固定的目标。B*算法相较与A*算法有更高效的搜寻效率和更广的适用性[7]，两种算法结合使用，可以对不同任务场景下的路径进行规划。

实现仿真对抗评估的关键一点就是士兵的智能化程度，只有在接近真实对抗的环境下评估武器，评估才具有实际意义，实现士兵的智能化是此评估方法的一个技术难点。

士兵的决策模型，是士兵根据任务由感知模型对现场环境的感知做出实时判断的依据。常用的决策模型有神经网络和专家系统等，这里可以采用算法实现简单高效的决策树模型[8]，将士兵的决策内容和模式加入事件系统中，构建行为树框架，以实现士兵的智能化控制。

评估方法的数值模型主要是命中模型，这也是本方法实施的关键。命中概率计算主要基于外弹道模型，模型里的某些关键参数可以设置输入，以达到评估不同枪械的目的。

3 仿真评估系统构建流程

3.1 系统模块组成

系统总共有4个模块：人机交互模块、数值仿真模块、视景仿真模块和数据存储模块。人机交互模块是UI界面，可以选择训练场景和输入被评估的枪械的参数；数值仿真模块主要是命中概率的解算和毁伤概率的计算；视景仿真模块是将整个对抗评估过程和数值仿真过程借助软件通过实景建模使其可视化；数据存储模块储存场景和人物等模型和数据。系统结构如图2所示。

图2 系统结构模块图

3.2 系统构建流程

仿真评估系统建立流程如图3所示。首先要明确需要评估的作战效能。常用的单项作战效能指标有：射击效能、毁伤效能、火力效能、突防效能、机动效能、生存效能和防护效能等，系统综合作战效能可以通过仿真对抗的结果评估，这也符合评估的目的是为了实战的原则。

图3 系统建立流程

明确了评估的任务后进行场景规划想定，场景规划即评估的虚拟战场设计，除了既定的场景，还可以加入不同的天气和光线选择，场景规划如图4所示。评估场景规划完成后进行模型建模，模型建模包括虚拟实物模型和数值仿真模型，虚拟实物模型包括评估场景的环境模型、士兵模型和枪械模型，数值仿真模型主要是枪械的外弹道模型、士兵寻路模型和士兵的感知模型。