中国科技核心期刊      中国指挥与控制学会会刊     军事装备类重点期刊
指挥控制与仿真

指挥控制与仿真 >

2020 , Vol. 42 >Issue 1: 77 - 82

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2020.01.015

理论研究

一种应用于城市反恐作战中爆炸杀伤率的评估模型

  • 娄文韬 1 ,
  • 李虹 2 ,
  • 陈嘉硕 1 ,
  • 李娜 1 ,
  • 姚欣彤 2 ,
  • 孙静波 2 ,
  • 樊倩文 2
展开
  • 1.燕山大学机械工程学院, 河北 秦皇岛 066004
  • 2.燕山大学文法学院, 河北 秦皇岛 066004

作者简介：娄文韬(1996—),男,河北唐山人,硕士研究生,研究方向为流体传动与控制、爆炸与冲击动力学。

李 虹(1999—)女,本科。

Copy editor: 许韦韦

收稿日期: 2019-07-08

  修回日期: 2019-08-23

  网络出版日期: 2022-05-19

收起

An Evaluation Model of Explosive Kill Rate in Urban Anti-terrorism Operation

  • LOU Wen-tao 1 ,
  • LI Hong 2 ,
  • CHEN Jia-shuo 1 ,
  • LI Na 1 ,
  • YAO Xin-tong 2 ,
  • SUN Jing-bo 2 ,
  • FAN Qian-wen 2
Expand
  • 1. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China
  • 2. School of Grammar, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China

Received date: 2019-07-08

  Revised date: 2019-08-23

  Online published: 2022-05-19

Fold

摘要

针对城市反恐作战中远程武器瞄准点的选择问题,建立了一种应用于城市反恐作战的杀伤率评估模型。首先对人物在爆炸区域内的杀伤来源进行了分类,将超压、热辐射和房屋碎片作为杀伤来源,并选取了超压、冲量、碎片平均质量、热通量和热剂量作为爆炸威力评估参数,基于爆炸威力评估参数建立了爆炸杀伤模型,最后基于Matlab针对某英国电影的爆炸场景,利用所建立的模型进行在可瞄准区域内对平民和恐怖分子的杀伤率进行了评估,仿真结果表明,导弹对人物的杀伤率与瞄准点与人物之间的距离有关,建立的杀伤率评估模型能够反映出远程武器瞄准点对爆炸区域内的杀伤概率,对于降低城市反恐作战中导弹对人民的伤害,提升导弹对恐怖分子的伤害具有意义。

关键词： 爆炸杀伤率评估; 城市反恐; Matlab

本文引用格式

娄文韬 , 李虹 , 陈嘉硕 , 李娜 , 姚欣彤 , 孙静波 , 樊倩文 . 一种应用于城市反恐作战中爆炸杀伤率的评估模型[J]. 指挥控制与仿真, 2020 , 42(1) : 77 -82 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2020.01.015

Abstract

In order to solve the problem of selecting the aiming point of ranged weapons in urban anti-terrorism operation, a kill rate evaluation model applied to urban anti-terrorism operation is established. Firstly, the killing sources of human in the explosion area are classified, and overpressure, thermal radiation and building debris are used as the killing sources. The overpressure, impulse, average mass of debris, heat flux and thermal dose are selected as the evaluation parameters of explosion power, and according to these parameters, the explosion kill model is established. Finally, aiming at the explosion scene of a British film, the kill rate of civilians and terrorists in the targeted area is evaluated by using the model based on Matlab. The simulation results show that the kill rate of the missile to the person is related to the distance between the aiming point and the persons. The kill rate evaluation model can reflect the kill probability of the aiming point of ranged weapons in the explosion area. It is of great significance to reduce the damage of missile to people in urban anti-terrorism operation and to increase the damage of missile to terrorists.

Key words： explosive kill rate assessment; urban counter-terrorism; Matlab

随着世界范围内各种矛盾的不断激化,恐怖主义已经成为全人类的共同威胁,2015年11月13日晚,在法国巴黎市发生一系列恐怖袭击事件, 5次爆炸,5次枪击,造成至少132人死亡,300多人受伤;2016年1月31日,叙利亚首都大马士革南郊发生连环爆炸袭击事件,首都大马士革恐怖袭击中死亡76人,另有110人受伤;2019年斯里兰卡发生8起连环爆炸袭击,至少215人死亡,500人受伤。
打击恐怖主义已成为世界各国政府共同的责任。在城市反恐作战中,恐怖分子往往会潜入居民区,利用平民作掩护。在使用远程武器打击这类恐怖分子时,需要根据获取的远程图像,如何根据获取的远程图像,建立一种应用于城市反恐作战中爆炸杀伤率的评估模型,以期选择合适的炸点,使得在给恐怖分子最大伤害时,所导致的平民损伤最小,成为目前亟须需解决的问题。
基于上述思路,全文结构如下:本文首先将超压[1-2]、热辐射[3-4]和房屋倒塌和碎片[5-6]作为目标人物的杀伤来源,选取超压、冲量、碎片平均质量、碎片速度、热通量和热剂量作为爆炸威力评估参数,基于爆炸威力评估参数建立了爆炸杀伤模型,最后基于Matlab针对某英国电影的爆炸场景,利用本文所建立的模型对在可瞄准区域内对平民和恐怖分子的杀伤率进行了评估。

1 爆炸杀伤率评估模型的建立

1.1 爆炸杀伤源的分类

人物的杀伤情况由所在位置的超压、冲量、热辐射、房屋倒塌和碎片(导弹碎片、房屋碎片)等多个方面[7],对可能的因素进行分析,总结为以下的三种类型。
1)超压和冲量:房屋内的超压和冲量作为冲击波的主要影响因素,是对人物的主要杀伤,其中考虑了房屋内部的结构和围墙结构对超压和冲量的衰减影响。
2)房屋倒塌和碎片:导弹爆炸瞬间产生的超压和冲量作用于房屋结构和围墙,当达到极限值时,房屋结构和围墙发生倒塌和碎片喷射对人物造成杀伤。
3)热辐射:爆炸瞬间产生的高温是对房屋内恐怖分子的主要杀伤,本文对房屋内部热量的计算采用Baker半经验模型来计算的。

1.2 杀伤率评估理论

本文所建立的杀伤评估理论流程如图1所示。
图1 杀伤率评估理论流程图
由图1可知杀伤率评估理论具体步骤如下。
步骤1:将远程捕获的图像经图像处理得到房屋/围墙的空间结构尺寸和人物的相对位置关系。
步骤2:由输入信息导弹和房屋内炸弹相关信息,求出此时开放空间的超压、冲量、房屋倒塌、碎片、热辐射,然后考虑房屋/围墙的空间结构尺寸和人物的相对位置关系,求出考虑爆炸空间后爆炸威力评估参数的变化情况,由此可建立远程武器瞄准点与人物所在位置爆炸威力的数学模型。
步骤3:完成步骤2爆炸威力评估,需对爆炸杀伤率进行评估,选取头部创伤、身体击飞创伤和肺部创伤作为评价指标,综合全部的评价指标建立杀伤率评估理论。

1.3 爆炸威力评估模型的建立

1.3.1 超压和冲量的计算

本节中利用kngery-Bulmash方程[8]对爆炸产生的冲压和冲量进行计算,超压和冲量作为爆炸威力评估模型的重要组成部分,其具体的计算步骤如下,计算当量Q2为
Q2=Q1×t1
危险因子Z为
Z= R Q 2 1 / 3
有效权重γ为
γ= Q 2 N D× e ( k 0 + k 1 x + k 2 x 2 + k 3 x 3 + k 4 x 4 + k 5 x 5 )
危险因子的自然对数X0为
X0=ln R γ 1 / 3
此时开放空间由爆炸产生的超压P为
P= e ( l 0 + l 1 x 0 + l 2 x 0 2 + l 3 x 0 3 + l 4 x 0 4 + l 5 x 0 5 )
此时开放空间由爆炸产生的冲量I为
I= e ( i 0 + i 1 x 0 + i 2 x 0 2 + i 3 x 0 3 + i 4 x 0 4 + i 5 x 0 5 )
考虑房屋/围墙的空间结构尺寸、建筑物墙体材质调整后的权重参数计算式γ1为
γ1=k1×γ
衰减率k1为
k1=a0ewi+a1
调整后的危险因子Z1为
Z1= R γ 1 1 / 3
调整后的危险因子的自然对数X1为
X1=ln R γ 1 1 / 3
调整后的超压P1为
P1= e ( l 0 + l 1 x a + l 2 x a 2 + l 3 x a 3 + l 4 x a 4 + l 5 x a 5 )
调整后冲量I1为
I1= e ( i 0 + i 1 x a + i 2 x a 2 + i 3 x a 3 + i 4 x a 4 + i 5 x a 5 )×γ1

1.3.2 房屋倒塌和碎片

导弹爆炸瞬间产生的超压和冲量作用于房屋结构和围墙,当达到极限值时,房屋结构和围墙发生倒塌和碎片喷射对恐怖分子和小女孩子造成杀伤,本文对房屋倒塌和杀伤的计算考虑了房屋内部的结构和恐怖分子、小女孩所在位置和导弹瞄准位置。
1)碎片平均质量
在导弹爆炸瞬间,导弹壳体破裂产生裂纹时单位面积上所需的能量可表示为
W= 1 114ρ0 v 0 2 l 2 3 α f 2
爆炸时破片的长宽之比是不变的,大致为l1:l2=3.5:1。假设破片厚度为δ,则破片平均质量为
m - f=l1l2δρ0=3.5 l 2 2 δρ 0=82.2 ρ 0 1 3 α f 3 4 W 2 3 δ v 0 3 4
2)破片速度
导弹爆炸时内部迅速膨胀,使壳体破碎,形成破片,该瞬间的速度为破片的初速度,此后破片在爆炸产物的作用下加速运动,直至爆炸产物的推力与空气阻力相等时,破片速度达到极值,再逐渐随距离的增加而衰减。
根据Gurney能量法假设和能量守恒定律,可知:
v0= 2 E β 1 + 0.5 β
碎片运动衰减规律:
vx=v0 e - C D ρ a S 2 m f x
α= C D ρ a S 2 m f为破片衰减系数,α越大,破片速度损失越快,反之α越小,破片速度损失越慢。CD,S与穿透墙壁次数有关,ρa与墙壁材质有关。

1.3.3 热辐射相关参数的计算

热通量和热剂量是爆炸产生时对人体伤害的重要影响参数,对爆炸产生的热通量和热剂量具体的计算步骤如下。
火球直径D和火球燃烧时间t为:
D=3.86×M0.32
t=0.299×M0.32
炸弹火球热通量q为
q= 1.253 × 10 - 7 T 1 + 0.0324 T 1 / 3 R Q 2 1 / 3 2
炸弹火球热剂量Q为
Q= 20400 D R 2 2 Q 2 1 / 3 T 2 / 3 161.7 R 2 + D 2
主要考虑房屋/围墙的空间结构尺寸、建筑物墙体材质调整后炸弹火球热通量q和炸弹火球热剂量Q的衰减率k2为:
k2=b0eλi+b1

1.4 爆炸杀伤率评估模型的建立

1.4.1 超压和冲量对人体杀伤率的估计

超压对人体的杀伤作用,主要有鼓膜破裂、血管破裂、内脏出血、骨折、大面积出血和严重损伤等部分组成,表1中给出了超压量对小女孩/恐怖分子的杀伤程度和杀伤率的关系。
表1 超压量对小女孩/恐怖分子的杀伤程度
超压量/kPa 杀伤程度 杀伤率
0-25 鼓膜破裂 0%-10%
25-50 鼓膜破裂,血管破裂 10%-20%
50-72 内脏轻微出血,骨折 20%-30%
72-85 内脏出血,血管破裂,轻微骨折 30%-40%
85-90 内脏大面积出血,轻微骨折 40%-50%
90-98 内脏破裂,大面积出血 50%-65%
98-105 内脏破裂,大面积出血,严重骨折 65%-80%
>105 极严重的杀伤,致死 80%-100%
对于不同的目标物体而言超压量的耐受程度与目标物体质量有关
Pa=0.165m2/3+0.163

1.4.2 房屋倒塌和碎片对人体杀伤率的估计

在讨论破片对小女孩/恐怖分子的杀伤时一般只考虑导弹对其的击穿作用,而破片对目标的杀伤作用主要靠碰撞时的动能,目前国内外普遍采用动能杀伤准则,规定动能大于78 J为杀伤破片,低于78 J则不具备杀伤能力。
目前破片毁伤准则:
Es= 1 2 m - f v x 2
表2 房屋倒塌和碎片对小女孩/恐怖分子的杀伤程度[9]
动能/J 杀伤程度 杀伤率
0-35 轻度皮外伤 0%-5%
35-50 轻度擦伤,少量失血 5%-15%
50-74 重度擦伤,少量失血 15%-25%
74-112 轻度杀伤,少量失血,轻度骨折 25%-35%
112-145 中度杀伤,严重失血,轻度骨折 35%-45%
145-166 重度杀伤,严重失血,中度骨折 45%-60%
166-180 重度杀伤,严重失血,重度骨折 60%-75%
>180 极严重的杀伤,致死 75%-100%

1.4.3 热辐射对人体伤害的估计

由于爆炸引起的火球持续时间较短,本文采用热剂量准则作为小女孩/恐怖分子的杀伤率评价准则,表3中给出了热剂量对小女孩/恐怖分子的杀伤程度和杀伤率的关系。
表3 热剂量对小女孩/恐怖分子的杀伤程度[10]
热剂量(kJ/m2) 杀伤程度 杀伤率
0-85 一度烧伤 0%-10%
85-172 轻伤 10%-20%
172-250 二度烧伤 20%-35%
250-288 三度烧伤 35%-40%
288-350 三度烧伤 40%-50%
350-414 重伤 50%-70%
414-450 三度烧伤 70%-80%
>450 死亡 80%-100%

1.4.4 综合杀伤率模型

本文中主要考虑了冲击波杀伤、热辐射杀伤和碎片杀伤三种杀伤方式,设其杀伤率分别为p1、p2和p3,综合杀伤率pz[11]如下式所示
pz=p1+(1-p1)p2+(1-p1)(1-p2)p3

2 某电影爆炸杀伤区域爆炸杀伤率的评估

2.1 场景描述

英国某上校率情报单位追捕一名女性恐怖分子D长达六年,经由美军加入高空监视行动,好不容易在秘密基地找到疑似她的身影,特种部队准备活捉她时,高空侦查人员却发现该名恐怖分子转移到一处不能开展地面军事行动的房内并与其他人密谋自杀炸弹攻击,上校下令使用无人机轰炸该房屋,将D定点清除。无人机操作员瞄准目标后,发现一名女孩跑进其攻击范围摆摊卖馕饼,图2和图3显示了当时的情势(详情可参见英国电影《天空之眼》)。
图2 定点清除情势图
图3 定点清除情势示意图
首先对小女孩、围墙、恐怖分子所在的房子、假想瞄准点和炸弹存放处的空间位置和几何尺寸进行分析,由问题背景可知无人机飞行高度20 000英尺,斜距22 000英尺,因此假定无人机处于恐怖分子所在房子的正上方,以图2左下方黑色轿车为标尺,等比例将图2和具体的电影情节建立如图3定点清除情势示意图。
图3中,以围墙的左下角为原点O,水平向右为X轴正方向,竖直向上为Y轴正方向,垂直于地面向上为Z轴正方向建立空间直角坐标系,灰色部分为围墙和房屋的墙壁厚度,按照房屋内部空间结构的排布规律将房屋内部空间结构尺寸分为7个区域:区域①、区域②、区域③、区域④、区域⑤、区域⑥和区域⑦分别分析,假想瞄准点为A(xa,ya)、小女孩所在位置为C (3.21,-0.79)。
假想瞄准点为A(xa,ya)与小女孩所在位置为C(3.21,-0.79)之间的相对位置关系Rd1为
Rd1= ( x a - 3 . 21 2 ) 2 + ( y a + 0 . 79 2 ) 2
假想瞄准点为A(xa,ya)与恐怖分子所在位置D(9.28,11.43)之间的相对位置关系Rd2为
Rd2= ( x a - 9 . 28 2 ) 2 + ( y a - 11 . 43 2 ) 2

2.2 基于爆炸杀伤率评估模型的杀伤率评估

基于Matlab结合1.3节中爆炸威力评估模型和上文中爆炸杀伤率评估模型可建立爆炸杀伤率评估程序,AGM-114空地反坦克导弹的TNT当量约为12.99,基于建立的爆炸杀伤率评估程序,将图3定点清除情势示意图中区域① 、区域② 、区域④ 、区域⑤ 、区域⑥ 和区域⑦,采用穷举法,将上述区域内的点全部带入爆炸杀伤率评估程序可得:导弹可瞄准区域内各点导弹对小女孩的杀伤情况 、导弹对恐怖分子的杀伤情况,如图4所示。
图4 可瞄准区域内各点的杀伤率
从图4a)和图4b)中可以看出导弹杀伤率与杀伤距离和障碍物结构有关,导弹的瞄准点与人物的距离越近,杀伤率越高,当杀伤距离小到一定范围时之后达到100%杀伤率,仿真结果表明,该模型能够较为准确地反映出可瞄准区域内,导弹对人物和恐怖分子的杀伤率,利用min函数可解得对应的小女孩杀伤率最低点为(11.985,12.58)。
图5 最佳瞄准点示意图
为了对小女孩和房内恐怖分子伤害情况进行评估,将小女孩杀伤率最低点为(11.985,12.58)作为瞄准点输入爆炸杀伤率评估程序,可得小女孩和房内恐怖分子杀伤率分别为23%-45%和100%。

3 结束语

本文建立了一种应用于城市反恐作战的杀伤率评估模型,可用于城市反恐作战中远程武器瞄准点的选择,并基于Matlab建立了杀伤率评估模型,针对某电影战场形势,对瞄准区域内的杀伤率进行了评估,仿真结果表明,导弹杀伤率与杀伤距离和障碍物结构有关,导弹的瞄准点与人物的距离越近,杀伤率越高,当杀伤距离小到一定范围时之后达到100%杀伤率,导弹的瞄准点与人物之间的障碍物越多,杀伤率越小,本文的研究工作对于城市反恐战争中,可用于导弹瞄准点的选择,能够最大程度地降低导弹对无辜平民的伤害,提升对恐怖分子的杀伤概率。
本文所提出的爆炸杀伤率评估模型未考虑导弹落地时角度对杀伤率的影响,下一步将考虑导弹发射及落地角度,进一步完善爆炸杀伤率评估模型。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
董守华, 李晓杰, 王海波, 等. 事故爆炸冲击波破坏准则综述[J]. 石油化工安全技术, 1996(4):40-41.

[2]
丁亮亮, 李翔宇, 卢芳云, 等. 充压壳体在爆炸冲击波作用下的毁伤特性研究[J]. 科学技术与工程, 2016, 16(26):211-216.

[3]
W.E.贝克. 爆炸危险性及其评估[M]. 北京: 群众出版社, 1988:415-531.

[4]
王泽溥, 王志利. 一种火炸药爆炸火球计算方法[J]. 安全与环境学报, 2004(b06):132-133.

[5]
金丽, 赵捍东, 曹红松, 等. 预制破片对地面人员目标的杀伤威力分析计算[J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(4):157-159.

[6]
高元浩. 榴弹战斗部动爆条件下毁伤评估方法研究[D]. 中北大学, 2016:10-21.

[7]
曹凤霞. 爆炸综合毁伤效应研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2008:4-40.

[8]
秦俊华. 爆炸冲击波对人体创伤效应评估软件设计[D]. 南京理工大学, 2017:26-33.

[9]
盛振新, 毛海斌, 张显丕, 等. 预制破片式带壳装药水中爆炸对人员杀伤能力的评估研究[J]. 兵工学报, 2015(S1):267-272.

[10]
朱建华, 褚家成. 池火特性参数计算及其热辐射危害评价[J]. 中国安全科学学报, 2003, 13(6):2.

[11]
朱继业, 郑纯, 孙晓晖, 等. 杀爆弹破片与冲击波对地面人员目标综合毁伤[J]. 兵器装备工程学报, 2016, 37(4):1-4.

Options
文章导航

/

〈 〉