CN110119580B - 一种地面工程目标毁伤评估系统及方法 - Google Patents

一种地面工程目标毁伤评估系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地面工程目标毁伤评估系统及方法，该系统包括武器弹药模块、目标特性模块、效应计算模块、毁伤评估模块和仿真演示模块；所述效应计算模块，根据接收到的武器弹药的特征参数数据和目标特性参数，调用毁伤效应快速算法计算工程目标在弹药作用下的毁伤结果数据，并将计算结果上传至毁伤评估模块、仿真演示模块。本发明可开展不同用弹量下的毁伤效果快速预测评估；可开展目标在不同毁伤等级下的耗弹量计算评估；可开展不同武器类型的打击方案对比评估，生成评估报告，为工程目标防护、弹药研制、作战火力筹划提供平台和技术支持。

Description

一种地面工程目标毁伤评估系统及方法
技术领域
本发明属于毁伤评估技术领域，具体是一种地面工程目标毁伤评估系统及方法。
背景技术
现代战争中，一体化作战样式日趋明显，前线与后方的界限越来越模糊，如何精准有效摧毁敌有生战斗力量、瘫痪国防动员能力，始终是战争的焦点。各类地面工程目标作为承担指挥、通信中枢等重要职能以及大量政治经济活动的载体，必然是战争中遭受打击的主要对象。毁伤工程目标的水平越高，赢得战争主动权就越大。
毫无疑问，在未来的信息化局部战争中，合理分析评估地面工程目标在精确制导武器打击下的毁伤程度，对于作战火力运用和目标防护至关重要。而国内毁伤评估工作起步较晚，能直接服务于防护工程建设、武器弹药研制和作战火力运用的目标毁伤效果预测评估系统建设十分薄弱。急需一种地面工程目标评估系统及方法服务战场攻防效果评估，从防御方角度解决：每种武器攻击后目标可能的毁伤情况，目标最大能承受多少发弹的攻击，该大楼在哪种武器攻击下毁伤最严重；从攻击方角度回答：每种武器的攻击效果如何，为摧毁该目标的每种武器的耗弹量，哪种武器攻击效果最好。但目前在地面工程目标毁伤评估领域尚无一种计算效率和功能效果较好的评估系统及方法能满足这些需求。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明的目的是提供一种地面工程目标毁伤评估系统及方法，用以解决地面工程目标在武器打击下的毁伤效果预测、耗弹量计算、打击方案对比优选，为防护工程建设、武器弹药研制和作战火力运用提供平台和技术支撑。
本发明的技术方案如下：
一种地面工程目标毁伤评估系统，包括包括武器弹药模块、目标特性模块、效应计算模块、毁伤评估模块和仿真演示模块；
所述武器弹药模块，用于输入打击地面工程目标使用的武器弹药的特征参数，并将武器弹药的特征参数数据上传至效应计算模块；
所述目标特性模块，用于输入与目标毁伤评估直接相关的目标特性参数，并将目标特性参数数据上传至效应计算模块；
所述效应计算模块，根据接收到的武器弹药的特征参数数据和目标特性参数，调用毁伤效应快速算法计算工程目标在弹药作用下的毁伤结果数据，并将计算结果上传至毁伤评估模块、仿真演示模块；
所述毁伤评估模块，根据接收到的毁伤计算结果数据，依据毁伤元类型、毁伤判据对目标的物理毁伤、功能毁伤程度进行评估判定，并调用仿真演示模块进行仿真演示；
所述仿真演示模块，根据接收到的毁伤计算结果和评估数据，将武器打击目标的侵彻过程和爆炸场景以三维可视化的界面显示出来。
进一步地，所述的武器弹药的特征参数包括弹药战斗部的几何特征、物理参数和弹目交会参数，弹药战斗部的几何特征包括战斗部类型、头部形状、弹长、直径，弹药战斗部的物理参数包括弹重、壳体厚度、装药类型、等效TNT质量，弹目交会参数包括着靶速度、命中精度、弹着角、攻角。
进一步地，所述的目标特性参数包括工程目标的建筑形式、结构形式、结构构件、构件的抗力等级、构件之间的相对关系，其中建筑形式包括拱形、方形、三角柱形、圆柱形；结构形式包括框架、剪力墙、框剪结构，以及楼层、房间分布；结构构件包括梁、板、柱尺寸；抗力等级，包括混凝土厚度、强度、配筋率。
进一步地，所述的毁伤效应快速算法包括侵彻贯穿快速工程计算方法和爆炸效应快速工程计算方法，通过侵彻贯穿快速工程计算方法确定炸点位置，通过爆炸效应快速工程计算方法确定爆炸毁伤效应场分布及目标构件、设备、人员所受冲击荷载。
进一步地，所述的评估毁伤元类型包括冲击波、地震动和破片，其中，破片包括弹体、墙体破片和玻璃碎片；物理毁伤评估的目标包括人员、仪器设备、工程构件和整体结构；功能毁伤评估包括目标的使用功能、决策功能、保障功能、通信功能。
进一步地，毁伤评估模块还包括不同用弹量下的毁伤效果预测评估，目标在不同毁伤等级下的耗弹量计算评估，不同武器类型、不同数量、不同攻击参数下的打击方案对比评估。
本发明还提供了一种地面工程目标毁伤评估方法，包括以下步骤：
步骤1、首先输入目标、武器弹药相关特性参数及弹目交会条件；
步骤2、使用蒙特卡罗方法结合圆概率偏差和瞄准点坐标生成随机落点；
步骤3、通过侵彻贯穿效应计算方法给出炸点的具体位置，通过爆炸效应计算方法给出毁伤效应场分布和部件所受荷载；
步骤4、依据毁伤判据、毁伤元类型开展目标单部件物理毁伤分析，然后对目标整体进行物理毁伤分析，得出物理毁伤效果评估结论；
步骤5、基于目标的功能，给出目标物理毁伤与功能毁伤映射关系，结合物理毁伤评估结果，给出目标功能毁伤效果评估结论；
步骤6、将效应计算结果和毁伤评估结论通过视景仿真平台进行虚拟演示。
本发明的有益效果是：可开展不同用弹量下的毁伤效果快速预测评估；可开展目标在不同毁伤等级下的耗弹量计算评估；可开展不同武器类型的打击方案对比评估，生成评估报告，为工程目标防护、弹药研制、作战火力筹划提供平台和技术支持。
附图说明
图1为本发明各模块连接示意图。
图2为地面工程目标毁伤评估方法流程图。
图3为实施例1中大楼功能毁伤评估详细流程图。
图4为实施例1中仿真画面图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种地面工程目标毁伤评估系统，包括武器弹药模块、目标特性模块、效应计算模块、毁伤评估模块和仿真演示模块；
所述武器弹药模块，用于输入打击地面工程目标使用的武器弹药的特征参数，并将武器弹药的特征参数数据上传至效应计算模块；所述的武器弹药的特征参数包括弹药战斗部的几何特征、物理参数和弹目交会参数，弹药战斗部的几何特征包括战斗部类型、头部形状、弹长、直径，弹药战斗部的物理参数包括弹重、壳体厚度、装药类型、等效TNT质量，弹目交会参数包括着靶速度、命中精度、弹着角、攻角；
所述目标特性模块，用于输入与目标毁伤评估直接相关的目标特性参数，并将目标特性参数数据上传至效应计算模块；所述的目标特性参数包括工程目标的建筑形式、结构形式、结构构件、构件的抗力等级、构件之间的相对关系，其中建筑形式包括拱形、方形、三角柱形、圆柱形；结构形式包括框架、剪力墙、框剪结构，以及楼层、房间分布；结构构件包括梁、板、柱尺寸；抗力等级，包括混凝土厚度、强度、配筋率；
所述效应计算模块，根据接收到的武器弹药的特征参数数据和目标特性参数，调用毁伤效应快速算法计算工程目标在弹药作用下的毁伤结果数据，并将计算结果上传至毁伤评估模块、仿真演示模块；所述的毁伤效应快速算法包括侵彻贯穿快速工程计算方法和爆炸效应快速工程计算方法，通过侵彻贯穿快速工程计算方法确定炸点位置，通过爆炸效应快速工程计算方法确定爆炸毁伤效应场分布及目标构件、设备、人员所受冲击荷载；
所述毁伤评估模块，根据接收到的毁伤计算结果数据，依据毁伤元类型、毁伤判据对目标的物理毁伤、功能毁伤程度进行评估判定，并调用仿真演示模块进行仿真演示；所述的评估毁伤元类型包括冲击波、地震动和破片，其中，破片包括弹体、墙体破片和玻璃碎片；物理毁伤评估的目标包括人员、仪器设备、工程构件和整体结构；功能毁伤评估包括目标的使用功能、决策功能、保障功能、通信功能；
所述仿真演示模块，根据接收到的毁伤计算结果和评估数据，将武器打击目标的侵彻过程和爆炸场景以三维可视化的界面显示出来。
进一步地，所述的毁伤评估模块还包括不同用弹量下的毁伤效果预测评估，目标在不同毁伤等级下的耗弹量计算评估，不同武器类型、不同数量、不同攻击参数下的打击方案对比评估。
实施例1、
现有3种打击武器A、B、C，目标为某地面建筑大楼。本系统针对这3种武器及目标，开展毁伤评估研究，解决攻防双方关注的问题。从防御方角度，主要解决以下问题：分析每种武器攻击后目标可能的毁伤情况，目标最大能承受多少发弹的攻击，该大楼在哪种武器攻击下毁伤最严重等；从攻击方角度回答：每种武器的攻击效果如何，为摧毁该目标的每种武器的耗弹量，哪种武器攻击效果最好。
如图2所示，该地面建筑大楼毁伤评估方法包括以下步骤：
步骤1、首先输入目标、武器弹药相关特性参数及弹目交会条件；其中，在地面工程目标毁伤评估系统的武器弹药模块1，输入打击该建筑大楼使用的武器A、B、C的特征参数，具体输入数据如表一：
表一：武器弹药参数及弹目交会参数
Figure BDA0002062965740000071
在地面工程目标毁伤评估系统的目标特性模块2，输入与该建筑大楼毁伤评估直接相关的目标特性参数；
大楼详细输入参数为：9层9跨框架结构建筑物；楼板厚20cm，柱截面60cm×60cm，梁截面高度h＝60cm，宽度b＝40cm；每层净高2.5m；长度方向柱网间距6m；宽度方向4根柱，间距依次6m-1.2m-6m；窗高130cm，宽200cm，位于每个隔间的几何中心。大楼混凝土强度为C30，配筋率0.2％；
步骤2、使用蒙特卡罗方法结合圆概率偏差和瞄准点坐标生成随机落点；
3种导弹武器的落点散布服从二维正态分布。如果导弹的瞄准点纵横向坐标为(X0，Y0)，则导弹的随机落点计算公式为：
Figure BDA0002062965740000072
上式中：CEP为导弹落点散布的圆概率偏差，r1和r2为[0，1]之间均匀分布的随机数；
步骤3、通过侵彻贯穿效应计算方法给出炸点的具体位置，通过爆炸效应计算方法给出毁伤效应场分布和部件所受荷载；
其中，侵彻效应算法主要包括目前侵彻效应计算分析广泛使用的 Young公式、别列赞公式、Forrestal公式，在此不再赘述；
爆炸效应计算方法包括冲击波超压、地震动加速度计算：
大楼房间内爆炸同侧不同距离房间冲击波超压工程算法如下：
Figure BDA0002062965740000081
(2)式中：P是超压(KPa)；
Figure BDA0002062965740000082
是比例距离
Figure BDA0002062965740000083
(m/kg1/3)，其中r为计算位置距炸点位置距离，Q为弹药装药TNT质量；
房间内爆炸异侧不同距离房间冲击波超压：
Figure BDA0002062965740000084
(3)式中：P是超压(KPa)；
Figure BDA0002062965740000085
是比例距离
Figure BDA0002062965740000086
(m/kg1/3)，其中r为计算位置距炸点位置距离，Q为弹药装药TNT质量；
房间内爆炸同侧不同距离房间地震动加速度：
Figure BDA0002062965740000087
(4)式中：a是地震动加速度(g)；
Figure BDA0002062965740000088
是比例距离
Figure BDA0002062965740000089
(m/kg1/3)，其中r为计算位置距炸点位置距离，Q为弹药装药TNT质量；
房间内爆炸异侧不同距离房间地震动加速度：
Figure BDA00020629657400000810
(5)式中：a是地震动加速度(g)；
Figure BDA0002062965740000091
是比例距离
Figure BDA0002062965740000092
(m/kg1/3)，其中r为计算位置距炸点位置距离，Q为弹药装药TNT质量；
本实施例中，通过侵彻贯穿效应计算方法计算弹体侵彻轨迹，结合武器引信设置的爆炸楼层，给出最终炸点的具体位置，某次计算武器A最终炸点位于2层中间房间；
步骤4、依据毁伤判据、毁伤元类型开展目标单部件物理毁伤分析，然后对目标整体进行物理毁伤分析，得出物理毁伤效果评估结论；其中人员毁伤判据如表二所示：
表二：人员毁伤判据
Figure BDA0002062965740000093
常见设备毁伤判据如表三所示：
表三：常见仪器设备毁伤判据
Figure BDA0002062965740000094
建筑工程构件毁伤判据如表四所示：
表四：建筑工程构件毁伤判据
Figure BDA0002062965740000095
物理毁伤判据如表五所示：
表五：物理毁伤判据
Figure BDA0002062965740000101
功能毁伤判据如表六所示：
表六：功能毁伤判据
Figure BDA0002062965740000102
依据冲击波、地震动毁伤元计算结果结合表二、表三、表四开展人员、仪器设备、建筑构件的单部件物理毁伤分析，然后结合表五对大楼目标整体进行物理毁伤分析，得出物理毁伤效果评估结论；
步骤5、基于目标的功能，给出目标物理毁伤与功能毁伤映射关系，结合物理毁伤评估结果，给出目标功能毁伤效果评估结论；
在本实施例1中，目标的物理毁伤程度为P(x)，目标某功能量值为μ0(x)，与其对应的物理毁伤的量值为μ(x)，则目标的该功能量衰减程度与目标物理毁伤程度间存在关系式：
Figure BDA0002062965740000111
上式中：μ(x)为功能量值函数；0≤μ(x)≤μ0(x)≤1；P(x)为目标的物理毁伤程度信息；α、β是常数，与毁伤效果指标的选取有关；
本实施例1中，大楼各分功能系统的毁伤效果指标选取如表七所示：
表七：关键子目标毁伤效果指标列表
Figure BDA0002062965740000112
注：表中构件的相对毁伤率指，所有受损伤的构件占该类构件的比例，人员的相对毁伤率指人员受中等伤、重伤以及死亡的比例，数字通信设备(计算机)相对毁伤率指受到中等以上毁伤的数字通信设备比例；
针对实施例1中的地面建筑大楼而言，其具体的功能毁伤评估流程如图3所示，首先是计算关键性的物理毁伤效果指标(如相对毁伤率等)，通过物理毁伤与功能毁伤映射(公式6)计算构件、人员等子目标的剩余效能；而大楼目标有4项基本功能，每项功能由m个子目标完成，μij表示大楼遭受打击后第i项功能的第j个子目标剩余效能，ωij表示第i项功能的第j个子目标的权重，那么该系统的第i 项基本功能剩余价值为：
Figure BDA0002062965740000121
大楼系统的功能毁伤程度为：
Figure BDA0002062965740000122
武器A5发弹打击下的预测物理毁伤如表八所示：
表八：某次打击下大楼物理毁伤评估结果
Figure BDA0002062965740000123
Figure BDA0002062965740000131
武器A5发弹打击下的功能毁伤评估结果如表九所示：
表九 某次打击下大楼功能毁伤评估结果
Figure BDA0002062965740000132
目标毁伤程度在各种毁伤等级下、概率不小于80％时的耗弹量计算结果如表十所示：
表十：耗弹量统计
Figure BDA0002062965740000133
不同武器类型、不同数量、不同攻击参数下的打击方案对比评估结果如表十一所示：
表十一：毁伤评估结果对比
Figure BDA0002062965740000141
步骤6、将效应计算结果和毁伤评估结论通过视景仿真平台进行虚拟演示。
仿真演示画面如图4所示。
上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案作出的列举，并非对本发明的限定。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (7)

1.一种地面工程目标毁伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、首先输入目标、武器弹药相关特性参数及弹目交会条件；
步骤2、使用蒙特卡罗方法结合圆概率偏差和瞄准点坐标生成随机落点；
步骤3、通过侵彻贯穿效应计算方法给出炸点的具体位置，通过爆炸效应计算方法给出毁伤效应场分布和部件所受荷载；
步骤4、依据毁伤判据、毁伤元类型开展目标单部件物理毁伤分析，然后对目标整体进行物理毁伤分析，得出物理毁伤效果评估结论；
步骤5、基于目标的功能，给出目标物理毁伤与功能毁伤映射关系，结合物理毁伤评估结果，给出目标功能毁伤效果评估结论；
步骤6、将效应计算结果和毁伤评估结论通过视景仿真平台进行虚拟演示。
2.一种用于实现如权利要求1所述评估方法的地面工程目标毁伤评估系统，其特征在于：包括武器弹药模块、目标特性模块、效应计算模块、毁伤评估模块和仿真演示模块；
所述武器弹药模块，用于输入打击地面工程目标使用的武器弹药的特征参数，并将武器弹药的特征参数数据上传至效应计算模块；
所述目标特性模块，用于输入与目标毁伤评估直接相关的目标特性参数，并将目标特性参数数据上传至效应计算模块；
所述效应计算模块，根据接收到的武器弹药的特征参数数据和目标特性参数，调用毁伤效应快速算法计算工程目标在弹药作用下的毁伤结果数据，并将计算结果上传至毁伤评估模块、仿真演示模块；
所述毁伤评估模块，根据接收到的毁伤计算结果数据，依据毁伤元类型、毁伤判据对目标的物理毁伤、功能毁伤程度进行评估判定，并调用仿真演示模块进行仿真演示；
所述仿真演示模块，根据接收到的毁伤计算结果和评估数据，将武器打击目标的侵彻过程和爆炸场景以三维可视化的界面显示出来。
3.根据权利要求2所述的一种用于实现如权利要求1所述评估方法的地面工程目标毁伤评估系统，其特征在于：所述的武器弹药的特征参数包括弹药战斗部的几何特征、物理参数和弹目交会参数，弹药战斗部的几何特征包括战斗部类型、头部形状、弹长、直径，弹药战斗部的物理参数包括弹重、壳体厚度、装药类型、等效TNT质量，弹目交会参数包括着靶速度、命中精度、弹着角、攻角。
4.根据权利要求2所述的一种用于实现如权利要求1所述评估方法的地面工程目标毁伤评估系统，其特征在于：所述的目标特性参数包括工程目标的建筑形式、结构形式、结构构件、构件的抗力等级、构件之间的相对关系，其中建筑形式包括拱形、方形、三角柱形、圆柱形；结构形式包括框架、剪力墙、框剪结构，以及楼层、房间分布；结构构件包括梁、板、柱尺寸；抗力等级，包括混凝土厚度、强度、配筋率。
5.根据权利要求2所述的一种用于实现如权利要求1所述评估方法的地面工程目标毁伤评估系统，其特征在于：所述的毁伤效应快速算法包括侵彻贯穿快速工程计算方法和爆炸效应快速工程计算方法，通过侵彻贯穿快速工程计算方法确定炸点位置，通过爆炸效应快速工程计算方法确定爆炸毁伤效应场分布及目标构件、设备、人员所受冲击荷载。
6.根据权利要求2所述的一种用于实现如权利要求1所述评估方法的地面工程目标毁伤评估系统，其特征在于：所述的毁伤元类型包括冲击波、地震动和破片，其中，破片包括弹体、墙体破片和玻璃碎片；物理毁伤评估的目标包括人员、仪器设备、工程构件和整体结构；功能毁伤评估包括目标的使用功能、决策功能、保障功能、通信功能。
7.根据权利要求2所述的一种用于实现如权利要求1所述评估方法的地面工程目标毁伤评估系统，其特征在于：毁伤评估模块还包括不同用弹量下的毁伤效果预测评估，目标在不同毁伤等级下的耗弹量计算评估，不同武器类型、不同数量、不同攻击参数下的打击方案对比评估。
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