中国指挥与控制学会会刊 
近年随着计算机仿真技术高速发展与工程化应用,仿真技术已较为成熟的应用于航天、航空、船舶等多个领域,为评估武器毁伤效能提供了高效率、低成本的技术路径,成为武器设计论证、研制、试验与使用的全生命周期的核心支撑。毁伤效能评估是综合考虑战斗部威力、目标特性等因素[1],对弹药毁伤效能与目标特性进行耦合分析与综合评定的过程,其评估精度直接影响武器装备的运用效能与体系对抗能力[2-3]。郭治、曹凌宇、于涛等人分别从毁伤概率模型、战斗部毁伤效能模型及简易评估、含弹目距离、转速、目标速度在内多种因素的毁伤效能评估、协同毁伤、毁伤评估实时性、计算机技术与毁伤评估技术融合等方面做了归纳和较深入的研究[4-9]。在现代信息化多维度作战的实战背景下,弹药毁伤评估不能仅局限于实验室的静态参数分析,还需要综合考虑复杂的战场环境、地形地貌、弹药战斗部威力及目标易损性等多种要素[10-11],对仿真系统的通用性、扩展性与实战适配性提出了更高要求。
目前,国外的毁伤评估研究起步较早,相关系统对外实行技术封锁与禁运[12],而国内相关毁伤评估系统存在平台化程度低、拓展性低、多层架构[13-14]耦合度高等问题,在复杂战场环境下的多型弹药、多目标、多场景战术运用等的评估需求方面不具备适配性,无法实现有效拓展或与其他仿真工具的有效集成。因此,这类专用工具已经不能满足复杂类型的武器毁伤效能评估的要求,对具有通行化、平台化、可拓展、支持全过程的毁伤效能评估仿真系统有着迫切的需求。
基于此,本文从毁伤评估对象、原理与内容出发,立足实战条件下毁伤效能评估的切实需求,融合弹药工程理论与软件设计中的组件化、服务化思想,梳理实战条件下毁伤效能评估的全链路技术内容,构建了集成度高、拓展性好、适配性强的毁伤效能评估仿真系统多层架构,其针对毁伤机理耦合设计专用解耦与联动机制,明确各层级的模块组成与功能边界,为自主可控的研发毁伤效能评估仿真系统提供理论支撑与技术思路。
1 毁伤评估原理
1.1 目标易损性分析
σ=εE$\left(1-D\right)$
其中,σ为材料应力,ε为应变系数,E为弹性模量,D为材料损伤度(0≤D≤1,D≥Dth时部件失效)。
功能特点方面需对目标的功能建立模型,明确关键部件与整体功能的关系,以功能丧失率为依据建立毁伤等级判定标准,同时结合实战场景,考虑目标的部署态势、防护措施与战场环境对其易损性的动态影响,实现从单一化到体系化的目标易损性建模。本文采用毁伤树模型(DTM)实现功能量化,以布尔逻辑关系描述关键部件与整体功能的关联,同时建立功能丧失率FL与毁伤等级的对应关系,将毁伤等级划分为5级(0-无毁伤,4-完全毁伤)。
F= ${\cap }_{i=1}^{n} $ Fi
其中,F为目标整体功能,Fi为第i个关键部件功能,n为关键部件数量。
动态易损性修正引入战场环境修正系数D'th=(防护措施η1、部署态势η2、气象条件η3),修正关键易损件毁伤阈值D'th,实现静态建模向动态建模的延伸。
D'th=Dth·(η1+η2+η3)/3
1.2 弹药威力场分析
如图3所示,本文对弹药威力场的精确掌握是毁伤效能评估的基础,其需要分析弹药在实战环境下的能量释放形式与空间分布特征,考虑动态工况与环境的耦合效应,包括发射参数、飞行姿态、战场环境对弹药战斗部起爆特性、能量释放的影响。本文同时需对不同类型弹药的能量释放形式,分别建立破片威力(例如Mott、Gurney、Shapiro等经验公式)、冲击波威力(例如Hopkinson-Cranz、Taylor、Brode等经验公式)、侵彻威力(例如Pretry、Young、别列赞等侵彻公式)的工程计算模型,实现多毁伤元的威力场精确分析,各威力场模型预留动态环境参数输入接口,可实时接入气象、地形等实战动态数据。
本系统冲击波场模型采用Hopkinson-Cranz经验公式描述冲击波超压随距离的变化,同时引入飞行姿态、地形修正系数ξ,实现实战化冲击波场量化。
ΔP(R)=K·(W1/3/R)α·ξ
其中,ΔP(R)为距离爆心R处的冲击波超压,W为装药当量,K、α为装药特性系数,ξ为飞行姿态、地形修正系数为0.8-1.2。
本系统破片飞散场模型采用破片飞散角分布与速度衰减模型,建立破片空间分布与动能量化模型,式(5)为描述破片在距离R处的动能Ek。
Ek(R)=Ek0·e-βR·cos θ
其中,Ek0为破片初始动能,β为空气阻力衰减系数因不同实战环境而变化,θ为破片飞散角。
本系统侵彻作用场模型采用Owens侵彻公式计算对装甲目标的侵彻深度,考虑发射参数(初速v0)的影响,如式(6)所示。
P=KP· ${v}_{0}^{1.17}$ ·d0.78/t0.92
其中,P为侵彻深度,KP、t为靶材的系数和厚度,d为弹体直径。
1.3 目标毁伤效果仿真
如图4所示,本文对目标毁伤效果精确仿真是准确评估毁伤效能的关键环节,其核心是实现弹目交会建模、能量作用、目标响应的全过程动态仿真。本文采用末端弹道模型和引信模型计算弹目交会条件参数;利用破片、冲击波等毁伤效应模型计算部件的物理毁伤,并结合目标部件毁伤准则输出各部件损伤度Di;并结合目标毁伤树将部件损伤度Di映射为功能毁伤率FL,推演从局部部件到整体功能毁伤的过程,最终输出目标毁伤等级、毁伤概率等目标毁伤效果表征指标,为效能评估提供数据支撑。仿真过程中嵌入动态对抗逻辑模块,可模拟目标机动、防护调整等实战对抗行为,为目标毁伤效果仿真提供弹目交会条件参数输入。
1.4 毁伤效能评估
单目标评估指标层:包含单发毁伤概率Ps、成爆弹量N、毁伤半径Rd、功能丧失率FL,采用线性加权法实现综合量化,如式(7)所示。
E1= $\sum _{i=1}^{4}$ wi·xi
其中,wi为各指标权重(∑wi=1),xi为指标归一化值。
体系化评估指标层针对体系对抗需求,设置任务可靠性Rt、功能降级度Fd、体系节点毁伤贡献率Cc、协同毁伤效能Ec等实战化指标,实现从单一毁伤到体系效能的评估延伸,式(8)为体系化综合效能量化公式。
Esys=E1·$\left({\lambda }_{1}{R}_{t}+{\lambda }_{2}{F}_{d}+{\lambda }_{3}{C}_{c}+{\lambda }_{4}{E}_{c}\right)$
其中,系数λi为权重比。
2 系统设计思想与原则
本文基于实战条件下的毁伤效能评估需求,融合软件设计过程中的组件化、服务化与平台化思想,以提升系统架构的拓展性与适配性为目标,采用“数据资源整合、算法业务解耦、功能模块组合、实战应用导向”的设计思路,围绕数据、算法、应用开展通用架构的设计,其针对毁伤机理耦合特性,设计毁伤元间的专用联动接口与耦合计算调度机制,打破传统系统中三者的紧耦合限制从而构建可灵活拓展、按需升级的架构体系,满足后续业务场景拓展、数据类型增加、算法模型迭代的需求,实现毁伤相关资源的标准化、模块化管理,支撑多场景、多类型的毁伤效能评估需求。在此基础上,本文明确系统设计的四大原则。
2.1 数据标准化与服务化
本文采用元数据、主数据、数据字典等数据工程方法,对多源异构数据进行规范管理,建立标准化的数据接口,实现对弹药威力、目标易损性、毁伤试验等各类数据的服务化封装。本文脱离传统数据与应用的紧耦合模式,实现数据统一调用,同时支持新增数据类型的快速接入与多源异构数据的融合分析,实现数据资源的“一次封装、多次复用”,保障数据资源的共享复用与灵活拓展,从根本上解决传统系统中数据分散、难以共享的问题。
2.2 算法分层化与插件化
本文构建算法、数据、组件/工具的分层架构,通过毁伤算法插件化,实现毁伤算法模型与数据、工具的解耦。本文制定基于毁伤元类型的统一插件接口标准,接口分为基础层与扩展层:基础层定义通用输入(战场环境参数、目标基础信息)、通用输出(毁伤判定结果、效能指标值)及调用协议,调用协议采用RESTful API+RPC混合协议,兼顾通用性与调用效率;扩展层针对冲击波、破片、侵彻等不同毁伤元,在基础层接口基础上,定制化定义专属输入输出参数,实现毁伤元特性的精准适配。本文针对不同适用范围进行算法扩展,如冲击波场的超压峰值、冲量,破片场的速度、密度,侵彻作用的侵彻深度、孔径等。本文对末端弹道、引信起爆、毁伤效果评估、毁伤效能评估等核心毁伤算法进行插件化设计,所有毁伤算法均遵循统一的插件接口标准及协议,以独立插件的形式集成于系统的算法模型库中,系统通过插件接口调用算法,支持按需加载、灵活替换与迭代升级,新毁伤算法的研发与集成仅需按照接口标准开发插件即可实现快速接入,保障毁伤算法体系的扩展性与先进性,解决传统系统中算法与软件紧绑定、难以迭代的问题。
2.3 仿真模块化与定制化
本文采用插件化的仿真设计思路,根据不同的仿真任务类型,按需组合算法插件、数据资源与功能组件,完成毁伤仿真插件的定制化开发。实现仿真流程的模块化重构,支撑单一场景与复杂场景的仿真,保证仿真系统对不同任务需求的适配性。仿真模块内置动态场景适配引擎,可根据实时接入的实战数据动态调整仿真参数与流程。
2.4 应用组件化与柔性化
本文将系统的关键应用功能进行组件化拆解,拆解为独立的、可复用的组件,如试验方案设计组件、弹目匹配分析组件、瞄准点优化组件等。各应用组件可通过标准化接口进行联动,根据不同的业务需求自由组合组件模块形成个性定制化的业务,从而实现业务流程的柔性重构与拓展,适配毁伤试验仿真、火力筹划、火力运用等多场景的应用需求,解决传统系统中功能模块固定、难以拓展的问题,保证系统应用的灵活性。
3 系统架构与功能体系构建
为满足面向实战的毁伤效能评估的切实需求,本文从基础设施、底层平台、业务组件及工具、业务应用四个层面构建系统架构,业务组件及工具为毁伤评估的核心功能实现单元,业务应用为基于业务组件及工具、针对具体实战场景的柔性组合与全流程落地载体,二者为底层支撑与上层落地的层级关系,系统整体框架如图6所示。
3.1 基础设施层
基础设施层是系统运行的硬件基础与物理支撑,主要包括通信网络、计算机服务器、存储服务器等硬件设备,为整个系统提供可靠的计算资源、存储资源与网络传输资源,保证系统在大规模数据处理、多线程并行仿真等情况下的稳定运行,为上层的平台、组件与应用提供可靠的硬件支撑。
3.2 底层平台层
底层平台层:通过构建“服务、引擎、数据、算法”的核心技术平台,打破了数据与算法的耦合限制,为上层业务组件与应用提供了标准化、可扩展的技术支撑,主要由基础服务、数据模型库、算法模型库三部分组成,实现了毁伤评估所需基础服务、数据资源与算法资源的集中化、标准化管理。
基础服务:提供系统运行的通用技术服务,包括地理信息服务、文件接口服务、数据接口服务、算法接口服务、数据加解密服务、安全认证服务、用户权限服务等,为上层组件与应用提供标准化的技术接口,保障系统的互联互通与安全运行。
数据模型库:构建毁伤评估的数据资源池,涵盖弹药威力数据、目标易损性数据、毁伤效果仿真数据、毁伤效能评估数据、战场环境数据、材料数据、毁伤试验数据等,所有数据均按照标准化规范进行管理,实现统一调用与共享复用。
算法模型库:集成毁伤评估的核心算法,包括弹药威力分析算法、目标易损性分析算法、末端弹道模型、引信模型、毁伤效应算法、毁伤效果分析算法、毁伤效能评估算法、耦合计算调度算法等,所有算法均以插件形式封装,支持按需加载与灵活替换,实现算法资源的集中管理、多毁伤元协同作用的统一调度与计算。
3.3 业务组件/工具层
业务组件/工具层是系统的核心功能载体,基于底层平台的技术与资源支撑,构建一系列面向毁伤评估核心业务的模块化组件与工具,实现毁伤评估的功能模块化。核心组件/工具包括弹药建模及威力场分析、目标建模与易损性分析、目标毁伤效果仿真、终点毁伤仿真过程可视化[20]、弹药毁伤效能评估五大类,各组件/工具均为独立的功能模块,可独立完成单一的毁伤评估业务,也可按照业务需求进行组合使用,通过标准化接口连接底层平台,同时相互之间可实现数据互通与功能联动,为上层的应用提供灵活的功能支撑。
3.4 业务应用层
业务应用层是毁伤效能评估的输出端,基于底层平台的技术支撑与业务组件/工具的功能支撑,其针对毁伤效能评估的多种需求,构建一系列面向具体应用场景的集成化业务应用,实现从功能模块到实际应用的落地。核心应用包括毁伤试验仿真与效果预测、目标毁伤方案拟制、弹药作战使用条件优化三大类,各应用均针对特定的使用场景,通过柔性组合下层的业务组件/工具,构建全流程的业务处理链路,实现毁伤效能评估从数据输入到方案输出的一体化。
4 应用流程设计
4.1 毁伤试验仿真及效果预测
如图7所示,其为支撑武器的实战需求,实现从试验方案设计到仿真结果分析的全链路仿真,核心流程如下:试验方案设计→仿真工况设计→毁伤效果仿真计算→仿真结果分析评估及可视化→试验方案优化。依据试验方案,调用弹药威力分析工具、目标易损性分析工具进行弹药威力与目标易损性建模,作为毁伤仿真的基础输入;通过设计多工况、多交会条件的仿真样本,实现毁伤效果的精细化仿真;调用目标毁伤效果仿真工具中的弹道模型算法、引信模型算法及毁伤效果分析算法进行落点、炸点、终点毁伤等进行仿真计算,输出效应物毁伤仿真结果与靶标及构件毁伤仿真结果,整合毁伤效果仿真数据与毁伤试验数据,进行毁伤试验仿真结果分析、评估。该流程实现了毁伤试验的数字化仿真与方案优化,大幅降低试验成本,提升试验效率。
4.2 目标毁伤方案拟制
如图8所示,其面向火力筹划的实战需求,为目标打击提供量化的毁伤方案,核心流程如下:目标清单解析→打击子目标策略生成→弹目匹配分析→成爆弹量计算→毁伤方案优选。本文通过解析目标体系清单,生成多维度的子目标打击策略;基于弹目匹配规则,完成弹药与目标的精准匹配;通过毁伤效能评估算法,计算各策略下的成爆弹量,生成多个毁伤方案;基于成本、弹量、毁伤效果及体系效能指标等多指标,实现毁伤方案的优选与入库。该流程实现了火力筹划的量化与科学化,为实战中的目标打击提供方案支撑。
4.3 弹药作战使用条件优化
如图9所示,该场景面向火力运用的精细化使用需求,实现弹药作战参数的优化,核心流程如下:弹目选择→毁伤仿真工况设计→毁伤矩阵生成→效能因子分析→作战参数优化。本文通过调取弹目基础数据,完成适配性弹目选择;结合交会条件、引信参数等要素,设计多工况仿真样本;通过多算法耦合仿真,生成毁伤矩阵集;基于毁伤矩阵开展效能因子分析,量化各参数对毁伤效能的影响;最终实现瞄准点、交会条件、引信参数、发射参数的精细化优化。该流程实现了弹药作战使用参数与目标特性的精准匹配,大幅提升实战中的弹药毁伤效能。
5 应用验证
5.1 杀爆战斗部威力场分析
如图10所示,其通过调用系统业务组件/工具层的弹药建模及威力场分析组件,依托底层平台层算法模型库中的弹药威力分析算法、数据模型库中的战斗部基础数据,开展弹药威力场分析,综合考虑动态工况对战斗部能量释放的影响,完成杀爆战斗部破片威力场与冲击波威力场的重构,输出量化威力指标,为后续毁伤仿真提供弹药威力基础数据。仿真过程如下:
破片威力场:该杀爆战斗部破片平均初速895 m/s,最大初速935 m/s,最小初速615 m/s;破片最小飞散角为86.02°,最大飞散角为90.11°,破片群飞散角为4.73°,飞散方向角为88.31°,明确破片的空间分布与运动特性。
冲击波威力场:TNT等效当量为45 kg,然后分析自由场爆炸下各测点距离处的峰值超压,其中3 m处峰值超压为1.486 Mpa,5 m处峰值超压为0.41 Mpa。
5.2 导弹发射车易损性分析
如图11所示,本文通过调用系统业务组件/工具层的目标建模与易损性分析组件,依据本文目标易损性分析原理,从物理结构和功能特点开展导弹发射车易损性分析,同时融入战场环境静态特性完成基础建模,输出目标三维结构模型、毁伤树模型及毁伤准则,为毁伤效果仿真提供目标易损性核心依据。
物理结构建模:其采用等效几何建模法构建导弹发射车三维结构模型,定位车头、车体、发射架、高低机液压杆、燃油发动机等关键易损件,通过材料本构方程赋予各部件材料特性与抗毁伤阈值,明确物理层面的毁伤判定基础。
功能特性量化:其构建导弹发射车毁伤树模型,以布尔逻辑关系描述发射系统、运动系统、动力系统等关键部件与发射车整体作战功能的关联,建立功能丧失率与毁伤等级的对应关系(1-轻度毁伤至3-重度毁伤),明确功能层面的毁伤判定标准。
5.3 弹目作用全过程动态仿真
如图12所示,其通过调用系统业务组件/工具层的目标毁伤效果仿真组件,依托底层平台层算法模型库中的末端弹道模型、引信模型、毁伤效应算法,按照目标毁伤效果仿真原理,完成弹目交会建模→能量作用模拟→目标响应推演的全过程动态仿真,同时设置实战化弹目交会条件与引信参数,模拟弹目真实作用过程。
本文基于末端弹道方程建立弹目交会模型,解算杀爆战斗部与导弹发射车的时空特性,确定炸点位置与作用角度;利用FE-SPH耦合算法模拟战斗部破片、冲击波与发射车的能量作用过程,输出车头、车体、发射架等关键部件的损伤度;结合导弹发射车易损性模型,将部件损伤度映射为功能丧失率,推演从局部部件毁伤到整体功能降级的过程。同时,本文将仿真过程数据推送至终点毁伤仿真过程可视化组件,实现毁伤过程的可视化展示,直观呈现破片对发射车车头、车体、发射架的重点毁伤区域与作用过程。
5.4 导弹发射车毁伤等级判定
本文基于目标毁伤效果仿真输出的部件损伤度、功能丧失率等核心数据,依据毁伤效能评估原理,结合单一目标毁伤评估指标体系,完成对导弹发射车的最终毁伤等级判定:结合发射车关键部件的损伤程度与功能丧失率,判定该杀爆战斗部对导弹发射车的毁伤等级为重度毁伤(3级毁伤范畴),实现从弹药威力、目标易损性到最终毁伤结果的全链路效能评估闭环。
5.5 验证结论
本文仿真依托本文构建的毁伤效能评估仿真系统框架,实现了弹药威力场分析→目标易损性分析→目标毁伤效果仿真→毁伤效能评估的全流程闭环验证,各环节均能调用系统对应模块/工具,输出的毁伤结果与量化指标符合实战化毁伤评估需求,验证了本系统框架在单一目标毁伤效能评估场景下的实用性、适配性,同时也验证了框架设计的合理性,能够为实战化毁伤效能评估提供支撑。
6 结束语
本文通过结合弹药工程科学和计算机软件技术进行毁伤效能评估仿真软件的系统框架设计,从实战条件下的毁伤评估原理与内容出发梳理了面向实战化的毁伤效能评估仿真系统的需求。在软件工程成熟的分层化、插件化、组件化技术基础上,本文针对毁伤领域毁伤机理耦合特性,设计了毁伤元专用联动接口、耦合计算调度机制及分层次的算法插件接口标准,提出一种扩展性和通用性较强的系统框架,为实战化毁伤效能评估仿真系统的研发提供了理论支撑与技术思路。本文构建的系统框架能够有效支撑试验鉴定、火力筹划、火力运用等多场景的实战化毁伤评估需求,同时本框架也存在一定局限性:四层分层解耦架构在数据传输、插件调用、组件协同过程中存在一定的传输与调度延迟,在高并发、超实时的仿真场景中,延迟问题可能影响评估结果的实时性。研究人员后续可从三个方面开展深入研究:
(1)引入数字孪生技术,构建战场环境、武器装备、目标体系的数字孪生模型,实现毁伤效能评估的动态精细化仿真,提升场景的适配性;
(2)应用人工智能技术,通过大数据训练构建毁伤效能评估的等效模型,实现超实时的毁伤效能快速评估,优化多层架构的调度延迟问题,提升系统在实战中的响应速度;
(3)开展体系化毁伤评估研究,拓展系统对体系化目标、多弹协同打击、联合作战等复杂场景的评估能力,实现从单一毁伤到体系化毁伤的效能评估,为体系对抗提供量化支撑。