目標毀傷效果評估方法和評估系統研究-藏刊網

一、引言

海灣戰爭以來的近幾場局部戰爭表明,精確打擊已經成為現代戰爭最重要的作戰樣式之一,目標信息對于精確打擊作戰保障起到了核心作用[1].美軍在2005年的伊拉克戰爭中,已經展示了其在短時間內連續迅速精確打擊任何目標的能力,在每一輪打擊完成后,實現快速反應,迅速做出下一輪打擊決策.在這一過程中,目標毀傷效果評估\\(BattleDamageAssessment,BDA\\),又稱戰斗毀傷評估、作戰毀傷評估[2],扮演著至關重要的角色.

BDA是現代精確打擊作戰體系的一個重要環節和關鍵步驟,融合了雷達、衛星、武器視頻等圖像信號的分析處理和地面人員情報搜集的綜合處理等多項技術.準確、及時地進行目標毀傷效果評估,既是指揮員決策后續戰役行動、有效控制作戰進程、最大限度地優化火力打擊方案、高效配置打擊資源、推動作戰順利發展的重要保證,也是檢驗目標信息搜集、目標研究、目標選擇等工作質量的重要途徑,同時還是作戰進程中不可或缺的一環.

美軍的目標毀傷效果評估始于空中轟炸.目前,美軍對目標毀傷評估的官方定義見諸于美軍國防部軍事術語詞典\\(JP1-02\\):及時且準確地評估由殺傷性或非殺傷性軍事力量對某一預定目標所造成的毀傷.目標毀傷效果評估適用于整個軍事行動中所有類型的武器系統,包括空中、地面、海上和特種作戰武器系統[3].馬志軍將目標毀傷效果評估定義為:"對敵方目標實施火力打擊后,對目標的毀傷效果進行的綜合評估.根據目標BDA結果,作戰指揮人員可以判斷已實施的火力打擊是否達到預期的毀傷效果,是否需要再次打擊,并為制定火力毀傷計劃提供科學依據"[4].

筆者根據目標毀傷效果評估涉及的對象、實現手段、方法及地位作用等方面,對"目標毀傷效果評估"做出如下定義:在對軍事目標或相關區域進行打擊后,通過航空、航天、武器視頻及人力等多源偵察手段,根據目標組成結構及其功能,通過圖像處理、數學評估模型等多種方法進行量化,采用人機交互的方式,對打擊后的軍事目標或相關區域進行毀傷程度的計算及毀傷等級判定,為指揮員決策后續戰役行動提供重要的目標情報保障.

二、目標毀傷效果評估技術概述

國外對于目標毀傷評估的研究起步較早,20世紀70年代后期,美國、英國、法國及荷蘭等國相繼開展了有關戰場損傷評估及修復的研究與應用工作.海灣戰爭中,滯后的目標毀傷效果評估嚴重制約了美軍各項軍事行動的開展.為此,美軍通過調整評估機構,加強評估基礎理論研究,采取新評估技術及評估軟件的開發等措施,取得了較豐碩的成果.目標毀傷效果評估技術主要包括評估方法、評估模型和評估系統3類,其關系如圖1所示.

目前,國外對于毀傷效果評估底層模型及方法的研究較少,已經從基于模型方法的評估過渡到基于評估應用系統進行評估的階段,大量評估系統運用于毀傷評估、目標易損性分析等領域.國內由于技術、管理和認識上的原因,對目標毀傷評估的研究起步較晚,一直處于理論研究與探索階段,研究成果還不是很多,評估方法和理論體系尚不成熟.目前處于基于模型方法進行毀傷效果評估的階段,由于沒有相關數據的支持,評估系統還處于仿真階段,沒有可運用于實戰的成熟評估系統.

三、毀傷效果評估方法

根據數據信息來源的不同.目前,毀傷效果評估方法主要有基于航空/航天偵察圖像變化檢測和基于武器/目標信息的戰斗部威力/目標易損性分析2種方法.

\\(一\\)圖像變化檢測方法

圖像變化檢測,即利用不同時間拍攝的多幅圖像檢測出一個物體的狀態變化或確定某些現象的變化過程,進而實現目標的定性或定量分析.在基于圖像的毀傷效果評估中,結合其他目標信息\\(與目標有關的地理位置、幾何外形、目標特性等\\),利用計算機提取目標特征\\(如目標輪廓\\)和打擊部位,通過對打擊部位的分析進行毀傷效果評估[5].

評估一般分為4個步驟,分別是圖像預處理、目標識別與定位、變化特征檢測與描述和分級毀傷評估.

在基于圖像變化檢測的毀傷效果評估中,圖像上所反映出的目標毀傷情況各異.打擊武器的異同會對目標造成不同的毀傷現象和效果,如侵徹彈頭會在建筑物上留下一個不大的洞,但建筑物內部毀傷較嚴重;石墨炸彈會在建筑物外表留下一個很大的黑斑,但對建筑物內部沒有造成毀傷.這些都會影響毀傷效果評估的準確性.所以僅依據圖像的變化檢測得到毀傷結果,雖然可以初步的評估毀傷效果,但只是停留在物理毀傷評估階段,對后續作戰的情報支援力度明顯不足.

\\(二\\)目標易損性/戰斗部威力分析方法

目前,由于計算機及仿真技術的快速發展,目標易損性/戰斗部威力分析\\(VulnerabilityandLethality,V/L\\)方法在目標毀傷效果評估方面已經取得了大量的應用,這2種方法互為支撐,較為完整的從打擊工具和打擊對象2個角度刻畫了目標毀傷這一過程,實現了特定目標在特定武器打擊下的目標毀傷效果評估,如圖2所示.

從目標易損性出發,即針對特定的攻擊武器,在一定彈-目交會情況下,建立被打擊目標的易損性模型,對毀傷的敏感性進行評估.一類文獻直接用目標的物理毀傷程度代替目標的功能毀傷程度,對目標的其他特性考慮較少,適用性較差.羅宇等人[6]將雷達天線陣面看成一個5m×7m的矩形易損面,并將天線陣面的毀傷等效為波導管的結構毀傷,將等效靶確定為10mmLY-12鋁板.另一類文獻將目標的易損性分析與目標結構相聯系,丁建寶等[7]根據某"長廊"式深層硬目標的結構形式,分析了各系統之間的功能失效關系,建立相關評估模型和子系統毀傷的工程算法進行易損性評估.從戰斗部威力入手,即評估武器系統對所攻擊目標所產生的破壞效果,目前較常采用的有毀傷半徑模型、戰斗部威力參數模型和破片射線模型等[8].將二者結合起來,楊云斌等[9]從打擊武器與被打擊目標2方面入手,建立了戰斗部威力/目標易損性評估軟件的基本原則和總體框架,定義了評估軟件各個功能的模塊及功能.

利用目標易損性/戰斗部威力分析進行目標毀傷效果評估,可以全面、詳細地描述目標毀傷情況,但也面臨諸如建模時需要考慮的因素多、需要的數據量大、對仿真模型要求高等問題.同時,該方法涉及武器毀傷學、導彈飛行力學、空氣動力學和仿真算法研究等多個領域.將各領域中與毀傷效果評估相關的知識進行抽象、歸納,并最終應用到評估當中實現,還需要做很多工作.

\\(三\\)其他方法

DanielD.Wilke和DennisK.McCarthy[10]提出了"自動毀傷評估、報告和部署"的評估方法,該方法利用統一的毀傷報告模板,結合目標特定信息,通過與歷史數據庫的對比,實現自動毀傷效果評估和人員部署,實現的難點在于需要針對特定目標建立毀傷歷史數據庫,方法有效性和通用性不強.美空軍大學的BenjaminA.Thoele提出了基于效果評估的方法論,他將評估分為預期效果定義、制定指標、系統狀態定義、行動評估、效果評估、目標評估和戰役評估7個階段,對于戰役級的評估工作具有一定的指導作用.

四、典型毀傷效果評估模型

利用目標毀傷指標對毀傷效果評估的模型主要有層次分析法、模糊綜合評判法、貝葉斯網絡法、蒙特卡洛法、毀傷樹法和RBF神經網絡分析法等.

\\(一\\)層次分析法

層次分析法\\(AnalyticalHierarchyProcess,AHP\\)是美國運籌學家薩迪教授于20世紀70年代初提出的一種簡便、靈活而又實用的多準則決策方法.其優點在于系統性、實用性和簡潔性,將定性判斷與定量分析相結合,用數量形式表達和處理人的主觀偏好,從而為科學決策提供依據.易量[11]通過建立水面艦船目標毀傷效能評估指標體系,利用艦船剩余作戰能力完整度指標,采用AHP對水面艦船整體毀傷效能進行了綜合評價.

AHP通常還與其他方法結合使用,依托其測度原理、遞階層次原理和排序原理,將目標的毀傷評估分解成包含目標各組成部分損傷表征的各個判定因素,將這些因素按照一定規則,劃分有序、遞階的層次結構,構造評判矩陣,形成相應的評定次序.樊勝利[12]將AHP與模糊聚類分析法相結合,基于模糊層次分析,構建了裝備毀傷評估的數學模型.

AHP在評估決策的過程中,只能從原有的方案中進行優選,且該方法中的比較、判斷以及結果的計算過程都是粗糙的,不適用于精度較高的問題.從建立層次結構模型到給出成對比較矩陣時,人主觀因素對整個過程的影響很大,且存在著較大的隨意性.

\\(二\\)模糊綜合評判法

模糊綜合評判法以模糊推理為主,精確與非精確、定性與定量相結合,是應用模糊關系合成原理,從多個因素對被評判事務隸屬等級狀況進行綜合性評判的一種方法.在處理一些復雜的難以用傳統精確數學方法解決的系統問題時,這種方法表現出了很大的優越性[13].

苗啟廣等[14]將幾何、紋理和整體特征3個方面作為機場目標評估的準則,定義了5級毀傷等級,針對不同的評估準則設定隸屬函數,實現了對機場打擊效果的量化評估.王瀛等[15]對由多個同一性質的子目標組成的集群目標進行毀傷評估,以點目標的毀傷評估為基礎,實現二級模糊綜合評判,對同一性質的集群目標毀傷效果評估.甄自清等人[16]通過對地下指揮所結構的分析,建立了評估指標體系,構成三級模糊綜合評判因素集.結合層次分析法、專家調查法確定隸屬度,對某地下指揮所在遭受打擊后的毀傷效果進行了評估.

模糊綜合評判過程本身不能解決評價指標間相關造成的評判重復問題.同時,在模糊綜合評判過程中,節點值和隸屬度是通過專家打分確定的,隸屬度函數有高斯型、梯型、三角型等許多形式,在打分和隸屬度函數的選取上并沒有確定的方法,在實踐中須依據具體問題來確定.

\\(三\\)貝葉斯網絡法

貝葉斯網絡又稱信度網絡\\(BeliefNetworks,BN\\),是目前不確定知識表達和推理領域最有效的理論模型之一,Pearl于1988年在總結并發展前人工作的基礎上,提出了貝葉斯網絡.該方法能夠根據不確定或不完整的觀測信息,對所要研究的問題做出相對準確的推理,適用于根據不確定或不完整的目標毀傷信息去綜合評估目標的毀傷效果.

李望西等[17]針對未來復雜戰場環境下的作戰實際,綜合考慮了天氣、電子、目標特性等因素對空地打擊目標毀傷效果評估的影響.集成模糊貝葉斯網絡,對收集到的目標毀傷數據進行學習,不斷地進行網絡更新.實現對不同作戰條件下目標毀傷效果仿真.馬志軍等[4]建立基于貝葉斯網絡的機場跑道毀傷評估模型,實現戰前預測BDA、戰時實時BDA、再次打擊建議和評估模型修正等4類功能.王鳳山等[18]以仿真計算數據為樣本,構建軍事工程毀傷評估置信模型,集成戰前預測信息、戰時工程物理損毀信息、專家信息,適應了信息不確定、不完整條件下的目標毀傷評估需求.康中啟[19]等提出了在圖像分析的基礎上,建立樓房毀傷效果評估模型,利用貝葉斯網絡評估建筑的功能毀傷.A.S.K.Naidu等人[20]基于機電阻抗信息,利用少量的頻移數據,提出了進行毀傷識別的貝葉斯網絡方法.該方法可以準確地確定毀傷位置,但由于目標結構的多樣化,模型只能實現幾類目標的建模,對其他結構會存在錯誤建模的問題.

基于貝葉斯網絡模型進行目標毀傷效果評估時,存在如何克服樣本數據的缺陷,如何有效選擇樣本,如何挖掘樣本數據的隱藏信息等問題,需要重點解決.

\\(四\\)其他模型各模型的原理、優缺點以及適用性如表1所示.

五、毀傷效果評估系統

\\(一\\)國外毀傷效果評估系統

國外都比較重視毀傷數據的搜集和毀傷數據管理方面的工作.美陸軍有多個訓練中心從事毀傷數據的收集工作,同時,還建立了全軍戰斗損傷數據分析中心負責對毀傷數據進行分析和管理,這為美軍目標毀傷效果評估系統的建設提供了豐富的數據支持.目前,較新的評估系統如表2所示.

除此之外,美國的陸軍研究實驗室\\(ARL\\)和彈道研究所\\(BRL\\)2大軍方試驗室從目標毀傷的終點毀傷效應、機理出發,利用計算機仿真技術等做了大量深入細致的研究,并開發了多種典型目標的毀傷評估模型及程序,并將研究分析成果應用于武器工程設計中[11].荷蘭的TNO試驗室開展了"殺傷力與防護\\(Lethalityandprotection\\)"項目的研究,通過方法、技術與模型的構建,在物理毀傷層面評估武器的效能和防護能力;瑞典FMV機構研制的"目標毀傷/武器威力計算機高精度仿真評估的軟件包"\\(AVAL\\),能夠實現包括人員、坦克、飛機和艦船等陸?？赵趦鹊哪繕藲?、武器威力及實戰場景毀傷概率等方面的評估[25].

\\(二\\)國內毀傷效果評估系統

國內在目標毀傷效果評估系統的研究開始于20世紀80年代.由于缺乏實驗數據,大部分系統都只是處于仿真評估階段,對毀傷的仿真過于單一和理想化,與實際評估需求差距較大.高潤芳等人[29]結合破片式戰斗部對飛機目標的毀傷,建立了目標毀傷效果評估仿真系統的構架結構,實現了對目標毀傷的高精度評估,較好地描述戰場復雜目標,為毀傷仿真提供相匹配的目標數據.傅長海等人[30]提出了毀傷效應仿真計算方法的一般流程,較完整地考慮了仿真系統需要的信息,但實現起來有一定難度.盧厚清等人[31]提出了建立基于作戰仿真的毀傷評估系統,引入基于武器終點效應/目標易損性的毀傷評估方法,分別從武器威力初評模型、目標易損性模型和彈目交會模型3個方面進行目標毀傷評估建模,給出了模型的處理流程.

目標毀傷效果評估系統的研究涉及包括武器毀傷學、導彈飛行力學、計算機應用、外延仿真建模等多個領域.將各領域中與毀傷效果評估相關的知識進行抽象、歸納,并最終應用到系統當中實現,還需要做很多工作.

六、結束語

筆者對目前目標毀傷效果評估相關技術的研究進展進行了回顧和總結.總的來說,毀傷評估技術發展到現在,已經從以定性分析為主,進入到了以定量分析為主的階段,智能化水平明顯提高.今后可以在以下方面開展進一步研究:

\\(1\\)立足現有武器裝備,實現近實時評估.美軍早在21世紀初就開展了利用炮射彈藥滯空來實現監視、瞄準和毀傷效果評估的研究.我國可以利用裝備的大量視頻制導武器,開展近實時毀傷效果評估,從而減少對戰場偵察的依賴,更為準確、及時地進行目標毀傷效果評估.

\\(2\\)未來將向多功能、全時域的評估發展,評估系統進一步完善.各類演習為仿真評估系統的發展提供了大量的實驗數據,建設具備更強的開放性、可擴展性和互通性,加入戰場信息的仿真評估系統,并與作戰部隊指揮自動化系統互連互通,使指揮員或指揮機關對目標毀傷情況進行多功能、全時域的評估成為可能.

\\(3\\)建立自動毀傷效果評估系統,實現高度人機結合.隨著計算機智能技術的發展及系統分析理論、模糊工程、灰色系統理論和技術的廣泛應用以及毀傷模型的發展和成熟,以計算機為基礎的自動毀傷效果評估系統將成為評估人員的基本輔助工具,降低人為因素造成的毀傷評估結果不準確性,使目標毀傷評估分析定量化.同時,軍事活動涉及政治、精神、自然等多種因素,難以完全量化,因此,利用評估系統進行目標毀傷定量分析的結果,只能作為目標毀傷效果評估的重要依據加以考慮.評估活動的實踐主體是人,必須綜合運用定性分析和定量分析相結合的方法,以人機結合的方式做出評估.

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