目标毁伤效果评估方法和评估系统研究

　　一、引言

　　海湾战争以来的近几场局部战争表明,精确打击已经成为现代战争最重要的作战样式之一,目标信息对于精确打击作战保障起到了核心作用[1].美军在2005年的伊拉克战争中,已经展示了其在短时间内连续迅速精确打击任何目标的能力,在每一轮打击完成后,实现快速反应,迅速做出下一轮打击决策.在这一过程中,目标毁伤效果评估(BattleDamageAssessment,BDA),又称战斗毁伤评估、作战毁伤评估[2],扮演着至关重要的角色.

　　BDA是现代精确打击作战体系的一个重要环节和关键步骤,融合了雷达、卫星、武器视频等图像信号的分析处理和地面人员情报搜集的综合处理等多项技术.准确、及时地进行目标毁伤效果评估,既是指挥员决策后续战役行动、有效控制作战进程、最大限度地优化火力打击方案、高效配置打击资源、推动作战顺利发展的重要保证,也是检验目标信息搜集、目标研究、目标选择等工作质量的重要途径,同时还是作战进程中不可或缺的一环.

　　美军的目标毁伤效果评估始于空中轰炸.目前,美军对目标毁伤评估的官方定义见诸于美军国防部军事术语词典(JP1-02):及时且准确地评估由杀伤性或非杀伤性军事力量对某一预定目标所造成的毁伤.目标毁伤效果评估适用于整个军事行动中所有类型的武器系统,包括空中、地面、海上和特种作战武器系统[3].马志军将目标毁伤效果评估定义为:"对敌方目标实施火力打击后,对目标的毁伤效果进行的综合评估.根据目标BDA结果,作战指挥人员可以判断已实施的火力打击是否达到预期的毁伤效果,是否需要再次打击,并为制定火力毁伤计划提供科学依据"[4].

　　笔者根据目标毁伤效果评估涉及的对象、实现手段、方法及地位作用等方面,对"目标毁伤效果评估"做出如下定义:在对军事目标或相关区域进行打击后,通过航空、航天、武器视频及人力等多源侦察手段,根据目标组成结构及其功能,通过图像处理、数学评估模型等多种方法进行量化,采用人机交互的方式,对打击后的军事目标或相关区域进行毁伤程度的计算及毁伤等级判定,为指挥员决策后续战役行动提供重要的目标情报保障.

　　二、目标毁伤效果评估技术概述

　　国外对于目标毁伤评估的研究起步较早,20世纪70年代后期,美国、英国、法国及荷兰等国相继开展了有关战场损伤评估及修复的研究与应用工作.海湾战争中,滞后的目标毁伤效果评估严重制约了美军各项军事行动的开展.为此,美军通过调整评估机构,加强评估基础理论研究,采取新评估技术及评估软件的开发等措施,取得了较丰硕的成果.目标毁伤效果评估技术主要包括评估方法、评估模型和评估系统3类,其关系如图1所示.

　　目前,国外对于毁伤效果评估底层模型及方法的研究较少,已经从基于模型方法的评估过渡到基于评估应用系统进行评估的阶段,大量评估系统运用于毁伤评估、目标易损性分析等领域.国内由于技术、管理和认识上的原因,对目标毁伤评估的研究起步较晚,一直处于理论研究与探索阶段,研究成果还不是很多,评估方法和理论体系尚不成熟.目前处于基于模型方法进行毁伤效果评估的阶段,由于没有相关数据的支持,评估系统还处于仿真阶段,没有可运用于实战的成熟评估系统.

　　三、毁伤效果评估方法

　　根据数据信息来源的不同.目前,毁伤效果评估方法主要有基于航空/航天侦察图像变化检测和基于武器/目标信息的战斗部威力/目标易损性分析2种方法.

　　(一)图像变化检测方法

　　图像变化检测,即利用不同时间拍摄的多幅图像检测出一个物体的状态变化或确定某些现象的变化过程,进而实现目标的定性或定量分析.在基于图像的毁伤效果评估中,结合其他目标信息(与目标有关的地理位置、几何外形、目标特性等),利用计算机提取目标特征(如目标轮廓)和打击部位,通过对打击部位的分析进行毁伤效果评估[5].

　　评估一般分为4个步骤,分别是图像预处理、目标识别与定位、变化特征检测与描述和分级毁伤评估.

　　在基于图像变化检测的毁伤效果评估中,图像上所反映出的目标毁伤情况各异.打击武器的异同会对目标造成不同的毁伤现象和效果,如侵彻弹头会在建筑物上留下一个不大的洞,但建筑物内部毁伤较严重;石墨炸弹会在建筑物外表留下一个很大的黑斑,但对建筑物内部没有造成毁伤.这些都会影响毁伤效果评估的准确性.所以仅依据图像的变化检测得到毁伤结果,虽然可以初步的评估毁伤效果,但只是停留在物理毁伤评估阶段,对后续作战的情报支援力度明显不足.

　　(二)目标易损性/战斗部威力分析方法

　　目前,由于计算机及仿真技术的快速发展,目标易损性/战斗部威力分析(VulnerabilityandLethality,V/L)方法在目标毁伤效果评估方面已经取得了大量的应用,这2种方法互为支撑,较为完整的从打击工具和打击对象2个角度刻画了目标毁伤这一过程,实现了特定目标在特定武器打击下的目标毁伤效果评估,如图2所示.

　　从目标易损性出发,即针对特定的攻击武器,在一定弹-目交会情况下,建立被打击目标的易损性模型,对毁伤的敏感性进行评估.一类文献直接用目标的物理毁伤程度代替目标的功能毁伤程度,对目标的其他特性考虑较少,适用性较差.罗宇等人[6]将雷达天线阵面看成一个5m×7m的矩形易损面,并将天线阵面的毁伤等效为波导管的结构毁伤,将等效靶确定为10mmLY-12铝板.另一类文献将目标的易损性分析与目标结构相联系,丁建宝等[7]根据某"长廊"式深层硬目标的结构形式,分析了各系统之间的功能失效关系,建立相关评估模型和子系统毁伤的工程算法进行易损性评估.从战斗部威力入手,即评估武器系统对所攻击目标所产生的破坏效果,目前较常采用的有毁伤半径模型、战斗部威力参数模型和破片射线模型等[8].将二者结合起来,杨云斌等[9]从打击武器与被打击目标2方面入手,建立了战斗部威力/目标易损性评估软件的基本原则和总体框架,定义了评估软件各个功能的模块及功能.

　　利用目标易损性/战斗部威力分析进行目标毁伤效果评估,可以全面、详细地描述目标毁伤情况,但也面临诸如建模时需要考虑的因素多、需要的数据量大、对仿真模型要求高等问题.同时,该方法涉及武器毁伤学、导弹飞行力学、空气动力学和仿真算法研究等多个领域.将各领域中与毁伤效果评估相关的知识进行抽象、归纳,并最终应用到评估当中实现,还需要做很多工作.

　　(三)其他方法

　　DanielD.Wilke和DennisK.McCarthy[10]提出了"自动毁伤评估、报告和部署"的评估方法,该方法利用统一的毁伤报告模板,结合目标特定信息,通过与历史数据库的对比,实现自动毁伤效果评估和人员部署,实现的难点在于需要针对特定目标建立毁伤历史数据库,方法有效性和通用性不强.美空军大学的BenjaminA.Thoele提出了基于效果评估的方法论,他将评估分为预期效果定义、制定指标、系统状态定义、行动评估、效果评估、目标评估和战役评估7个阶段,对于战役级的评估工作具有一定的指导作用.

　　四、典型毁伤效果评估模型

　　利用目标毁伤指标对毁伤效果评估的模型主要有层次分析法、模糊综合评判法、贝叶斯网络法、蒙特卡洛法、毁伤树法和RBF神经网络分析法等.

　　(一)层次分析法

　　层次分析法(AnalyticalHierarchyProcess,AHP)是美国运筹学家萨迪教授于20世纪70年代初提出的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法.其优点在于系统性、实用性和简洁性,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偏好,从而为科学决策提供依据.易量[11]通过建立水面舰船目标毁伤效能评估指标体系,利用舰船剩余作战能力完整度指标,采用AHP对水面舰船整体毁伤效能进行了综合评价.

　　AHP通常还与其他方法结合使用,依托其测度原理、递阶层次原理和排序原理,将目标的毁伤评估分解成包含目标各组成部分损伤表征的各个判定因素,将这些因素按照一定规则,划分有序、递阶的层次结构,构造评判矩阵,形成相应的评定次序.樊胜利[12]将AHP与模糊聚类分析法相结合,基于模糊层次分析,构建了装备毁伤评估的数学模型.

　　AHP在评估决策的过程中,只能从原有的方案中进行优选,且该方法中的比较、判断以及结果的计算过程都是粗糙的,不适用于精度较高的问题.从建立层次结构模型到给出成对比较矩阵时,人主观因素对整个过程的影响很大,且存在着较大的随意性.

　　(二)模糊综合评判法

　　模糊综合评判法以模糊推理为主,精确与非精确、定性与定量相结合,是应用模糊关系合成原理,从多个因素对被评判事务隶属等级状况进行综合性评判的一种方法.在处理一些复杂的难以用传统精确数学方法解决的系统问题时,这种方法表现出了很大的优越性[13].

　　苗启广等[14]将几何、纹理和整体特征3个方面作为机场目标评估的准则,定义了5级毁伤等级,针对不同的评估准则设定隶属函数,实现了对机场打击效果的量化评估.王瀛等[15]对由多个同一性质的子目标组成的集群目标进行毁伤评估,以点目标的毁伤评估为基础,实现二级模糊综合评判,对同一性质的集群目标毁伤效果评估.甄自清等人[16]通过对地下指挥所结构的分析,建立了评估指标体系,构成三级模糊综合评判因素集.结合层次分析法、专家调查法确定隶属度,对某地下指挥所在遭受打击后的毁伤效果进行了评估.

　　模糊综合评判过程本身不能解决评价指标间相关造成的评判重复问题.同时,在模糊综合评判过程中,节点值和隶属度是通过专家打分确定的,隶属度函数有高斯型、梯型、三角型等许多形式,在打分和隶属度函数的选取上并没有确定的方法,在实践中须依据具体问题来确定.

　　(三)贝叶斯网络法

　　贝叶斯网络又称信度网络(BeliefNetworks,BN),是目前不确定知识表达和推理领域最有效的理论模型之一,Pearl于1988年在总结并发展前人工作的基础上,提出了贝叶斯网络.该方法能够根据不确定或不完整的观测信息,对所要研究的问题做出相对准确的推理,适用于根据不确定或不完整的目标毁伤信息去综合评估目标的毁伤效果.

　　李望西等[17]针对未来复杂战场环境下的作战实际,综合考虑了天气、电子、目标特性等因素对空地打击目标毁伤效果评估的影响.集成模糊贝叶斯网络,对收集到的目标毁伤数据进行学习,不断地进行网络更新.实现对不同作战条件下目标毁伤效果仿真.马志军等[4]建立基于贝叶斯网络的机场跑道毁伤评估模型,实现战前预测BDA、战时实时BDA、再次打击建议和评估模型修正等4类功能.王凤山等[18]以仿真计算数据为样本,构建军事工程毁伤评估置信模型,集成战前预测信息、战时工程物理损毁信息、专家信息,适应了信息不确定、不完整条件下的目标毁伤评估需求.康中启[19]等提出了在图像分析的基础上,建立楼房毁伤效果评估模型,利用贝叶斯网络评估建筑的功能毁伤.A.S.K.Naidu等人[20]基于机电阻抗信息,利用少量的频移数据,提出了进行毁伤识别的贝叶斯网络方法.该方法可以准确地确定毁伤位置,但由于目标结构的多样化,模型只能实现几类目标的建模,对其他结构会存在错误建模的问题.

　　基于贝叶斯网络模型进行目标毁伤效果评估时,存在如何克服样本数据的缺陷,如何有效选择样本,如何挖掘样本数据的隐藏信息等问题,需要重点解决.

　　(四)其他模型各模型的原理、优缺点以及适用性如表1所示.

　　五、毁伤效果评估系统

　　(一)国外毁伤效果评估系统

　　国外都比较重视毁伤数据的搜集和毁伤数据管理方面的工作.美陆军有多个训练中心从事毁伤数据的收集工作,同时,还建立了全军战斗损伤数据分析中心负责对毁伤数据进行分析和管理,这为美军目标毁伤效果评估系统的建设提供了丰富的数据支持.目前,较新的评估系统如表2所示.

　　除此之外,美国的陆军研究实验室(ARL)和弹道研究所(BRL)2大军方试验室从目标毁伤的终点毁伤效应、机理出发,利用计算机仿真技术等做了大量深入细致的研究,并开发了多种典型目标的毁伤评估模型及程序,并将研究分析成果应用于武器工程设计中[11].荷兰的TNO试验室开展了"杀伤力与防护(Lethalityandprotection)"项目的研究,通过方法、技术与模型的构建,在物理毁伤层面评估武器的效能和防护能力;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的软件包"(AVAL),能够实现包括人员、坦克、飞机和舰船等陆海空在内的目标毁伤、武器威力及实战场景毁伤概率等方面的评估[25].

　　(二)国内毁伤效果评估系统

　　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.由于缺乏实验数据,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和理想化,与实际评估需求差距较大.高润芳等人[29]结合破片式战斗部对飞机目标的毁伤,建立了目标毁伤效果评估仿真系统的构架结构,实现了对目标毁伤的高精度评估,较好地描述战场复杂目标,为毁伤仿真提供相匹配的目标数据.傅长海等人[30]提出了毁伤效应仿真计算方法的一般流程,较完整地考虑了仿真系统需要的信息,但实现起来有一定难度.卢厚清等人[31]提出了建立基于作战仿真的毁伤评估系统,引入基于武器终点效应/目标易损性的毁伤评估方法,分别从武器威力初评模型、目标易损性模型和弹目交会模型3个方面进行目标毁伤评估建模,给出了模型的处理流程.

　　目标毁伤效果评估系统的研究涉及包括武器毁伤学、导弹飞行力学、计算机应用、外延仿真建模等多个领域.将各领域中与毁伤效果评估相关的知识进行抽象、归纳,并最终应用到系统当中实现,还需要做很多工作.

　　六、结束语

　　笔者对目前目标毁伤效果评估相关技术的研究进展进行了回顾和总结.总的来说,毁伤评估技术发展到现在,已经从以定性分析为主,进入到了以定量分析为主的阶段,智能化水平明显提高.今后可以在以下方面开展进一步研究:

　　(1)立足现有武器装备,实现近实时评估.美军早在21世纪初就开展了利用炮射弹药滞空来实现监视、瞄准和毁伤效果评估的研究.我国可以利用装备的大量视频制导武器,开展近实时毁伤效果评估,从而减少对战场侦察的依赖,更为准确、及时地进行目标毁伤效果评估.

　　(2)未来将向多功能、全时域的评估发展,评估系统进一步完善.各类演习为仿真评估系统的发展提供了大量的实验数据,建设具备更强的开放性、可扩展性和互通性,加入战场信息的仿真评估系统,并与作战部队指挥自动化系统互连互通,使指挥员或指挥机关对目标毁伤情况进行多功能、全时域的评估成为可能.

　　(3)建立自动毁伤效果评估系统,实现高度人机结合.随着计算机智能技术的发展及系统分析理论、模糊工程、灰色系统理论和技术的广泛应用以及毁伤模型的发展和成熟,以计算机为基础的自动毁伤效果评估系统将成为评估人员的基本辅助工具,降低人为因素造成的毁伤评估结果不准确性,使目标毁伤评估分析定量化.同时,军事活动涉及政治、精神、自然等多种因素,难以完全量化,因此,利用评估系统进行目标毁伤定量分析的结果,只能作为目标毁伤效果评估的重要依据加以考虑.评估活动的实践主体是人,必须综合运用定性分析和定量分析相结合的方法,以人机结合的方式做出评估.

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