王　欣，方　東

（蚌埠汽車士官學校，安徽　蚌埠　233011）

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一種精確打擊下橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)設計實現(xiàn)

王欣，方東

（蚌埠汽車士官學校，安徽蚌埠233011）

摘要：目前，在橋梁毀傷仿真領域采用的數(shù)值仿真方法雖具有精確性高的優(yōu)點，但是仿真過程不直觀、形象，整體性不強。采用視景仿真技術進行精確打擊下橋梁毀傷仿真，在保證精確性要求的基礎上，利用Unity3D軟件以三維畫面的形式進行展示，仿真過程形象、直觀、明了。給出的精確打擊下橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)的設計方法，能夠滿足真實性和實時性的要求，利用Unity3D自帶的物理引擎完成了橋梁模型的物理特性建模和爆炸仿真分析，通過全過程仿真，能夠分析得出相應的毀傷結論，達到了預期效果。

關鍵詞：精確打擊，橋梁毀傷，視景仿真，Unity3d軟件

0　引言

國防交通設施已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中交戰(zhàn)雙方進行打擊的首選目標，橋梁目標在國防交通設施中地位極為重要，在平時和戰(zhàn)時作用巨大，由于其結構的復雜性和目標的特殊性，此類目標的抗毀傷特性很難進行實彈、實爆測試，必須借助計算機仿真。相關內容國內外的學者都進行了深入研究，取得了一系列成果。文獻［1-3］研究了武器系統(tǒng)對于特定目標的毀傷建模方法。文獻［4］利用數(shù)值仿真的方法研究了常規(guī)武器對于斜拉橋的毀傷效果分析方法，文獻［5］結合BP神經(jīng)網(wǎng)絡對橋梁的圖像毀傷效果進行了研究，該方法需要借助空中偵察提供的圖片。文獻［6］對于精確突擊下橋梁目標的打擊方式進行了深入研究，給出了各種毀傷等級的定義，文獻［7］給出了不同材料橋梁毀傷的等效裝藥量計算公式。在有關橋梁的結構特性和毀傷仿真的研究中，多采用數(shù)值仿真的方法，例如仿真檢驗橋梁目標的抗剪性與抗裂性或彈藥對橋梁目標的侵徹作用，這種方法雖有較高的精確性，但是結果展示不夠形象直觀，整體性不強。通過文獻檢索，目前尚無針對精確打擊下橋梁目標毀傷的視景仿真方法。結合視景仿真和數(shù)值仿真的特點，本文給出一種利用Unity3D軟件設計開發(fā)的精確打擊下橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)，以第一人稱視角的方式，實現(xiàn)了橋梁毀傷仿真的精確性、直觀性和形象性。

1　系統(tǒng)的開發(fā)要求、開發(fā)環(huán)境及總體結構

1.1真實性要求

本系統(tǒng)在數(shù)值仿真的基礎上，將數(shù)據(jù)以實時三維立體圖像的形式展示出來，從而為橋梁目標結構設計、精確打擊武器參數(shù)設計、毀傷參數(shù)設計等提供可靠參考。這要求本系統(tǒng)必須具備高度的真實性，使橋梁模型的構建、武器模型的設計與真實條件相吻合，具有說服力。

1.2實時性要求

為滿足實時性要求，本系統(tǒng)中武器模型應為可實時機動個體，能夠將精確打擊武器命中橋梁的毀傷效果、橋梁整體剛性結構的變化進行實時顯示。因此，該系統(tǒng)在運行過程中必須根據(jù)武器模型的運動打擊效果實時進行分析，對于橋梁目標的斷裂、爆炸等效果進行實時顯示，并能進行自動評估。

1.3系統(tǒng)整體結構

精確打擊下橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)由4個主要模塊構成，見圖1。

圖1　系統(tǒng)結構示意圖

橋梁模型庫：主要完成橋梁三維仿真模型的構建，為了保證仿真的準確性，需要在三維模型設計中對模型進行分割，考慮到實際中橋梁多是由多個部分構成，并且各部分之間存在著相互作用關系，例如梁橋是由橋墩和橋跨兩部分構成，橋墩對橋跨有支撐作用，因此，在三維模型建模的基礎上，需要進行橋梁整體剛性結構的建模設計。

武器模型庫設計，主要包括彈體三維模型設計和參數(shù)設計，在設計時采用的是FPS（First Person Shooter）模型，即第一人稱視角模式，用戶通過瞄準發(fā)射導彈對目標進行毀傷，在三維模型設計的基礎上，添加攻擊武器的力學特性，例如采用精確打擊時，彈體的彈道、自身質量、物理特性、裝藥質量、殺傷半徑等參數(shù)，要求實現(xiàn)對于目標模型毀傷的實時分割，即真實地將仿真對象進行毀傷，爆炸碎片根據(jù)受攻擊部位、強度、半徑、裝藥質量等因素實時分割產(chǎn)生，而不是以往將采用粒子系統(tǒng)和預置碎片的方式展示毀傷效果。

參數(shù)設置模塊，制作用于人機交互的GUI界面，對武器參數(shù)和橋梁目標進行參數(shù)設置，包括橋梁結構參數(shù)、材料種類、武器系統(tǒng)中彈體質量、裝藥質量等參數(shù)，由用戶進行選擇設置，然后傳遞給場景中的各個仿真對象。

場景控制模塊：用于控制場景的調用、生成和運行，視角的控制等。

2　橋梁模型建模

2.1橋梁三維模型建模

本系統(tǒng)中的三維模型的建模利用3dmax軟件完成，需要說明的是，利用3dmax進行建模主要是通過將基礎模型如長方體、球體等通過拉伸、扭曲、剪裁等方式完成的，作為橋梁模型而言，其結構部分需要進一步細分，例如橋墩和橋跨往往作為一個整體結構存在于模型中，就毀傷仿真而言，精細度達不到要求，為了提高毀傷仿真的精細程度，需要對模型的各個部分進行進一步的細化拆分，其方法為：首先是導入模型，考慮到Unity3D中的使用要求，模型為FBX格式；然后將其轉換為可編輯多邊形；使用在3dmax工具欄中“編輯幾何體”選項中的“快速切片工具，根據(jù)需要將選中對象切為多個部分，從而完成模型分割，當然分割數(shù)量越大仿真精度越高，這里主要介紹一種方法，場景中分割為18部分的橋墩模型見圖2。

圖2　分割好的橋墩仿真模型

2.2剛性結構建模

橋梁模型的剛性結構建模，主要是通過對組成橋梁的各個部分添加物理效果參數(shù)，使各部分存在相互的結構關系和作用，從而呈現(xiàn)出物理效果。其設計與實現(xiàn)是利用Unity3D自帶的物理引擎完成，一方面使其呈現(xiàn)出模型的碰撞、爆炸效果，對于模型的接觸進行定義，另一方面可以使仿真對象呈現(xiàn)出相應的物理特性和結構上的完整性。

Unity3D的物理引擎使用對象屬性（動量、扭矩或者彈性）來模擬剛體行為，該軟件提供的物理引擎是一個對物理環(huán)境進行實施模擬的集成解決方案，該引擎以剛體力學為基礎，自身具備了剛體屬性組件，同時提供了盒裝碰撞體、膠囊碰撞體、網(wǎng)格碰撞體等具備碰撞檢測功能的多種碰撞體，可以模擬真實環(huán)境中的碰撞行為，同時自帶了鉸鏈關節(jié)（Hingle Joint）、固定關節(jié)（Fixed Joint）、彈簧關節(jié)（Spring Joint）等物理關節(jié)，可使仿真對象之間通過物理關系連接在一起，用戶可以將其直接添加給仿真對象，通過其屬性面板或者使用代碼對其進行參數(shù)設置，具體使用方法見文獻［8］。

橋梁目標中橋墩和橋跨之間存在著結構上的黏合力，當其結合部受力較大時會發(fā)生斷裂，從而造成結構坍塌，這時就很適合使用Unity3D物理引擎中的固定關節(jié)組件，該組件不需要通過代碼來更改層級結構就可以實現(xiàn)想要的效果，只需要為那些要使用固定關節(jié)的仿真對象添加剛體組件即可?？赏ㄟ^斷開力和斷開轉矩屬性來設置關節(jié)的強度極限，如果這些參數(shù)不是無窮大而是—個數(shù)值，那么當施加到對象身上的力或轉矩大于此極限值時，固定關節(jié)將被銷毀，其對對象的約束也就隨即失效。

下面以圖2中的梁橋橋墩仿真模型為例，介紹剛體屬性、碰撞屬性和物理關節(jié)添加的具體步驟為：

①導入分割好的仿真模型，在組成橋墩的每個子對象上添加網(wǎng)格碰撞體和剛體屬性，分別設置其質量，選擇使用重力；

②由于橋墩的每個子對象之間不存在相對運動，因此，需要使用固定關節(jié)，對于一個子對象而言，需要根據(jù)與其接觸其他個體的數(shù)量決定添加固定關節(jié)的個數(shù)，而后將與其接觸的其他個體分別添加到固定關節(jié)的“Connected Body”中去，再根據(jù)所設計的橋墩結構力學特性，設置其斷開力和斷開轉矩的數(shù)值［8］；

③對于圖2中與地面接觸的部分，需要額外添加固定關節(jié)，將其“Connected Body”選項設置為“None”，即與場景中的地面相連，通過設置其斷開力和斷開轉矩的數(shù)值，這樣該橋墩模型就可以豎立在場景中的地面上，不發(fā)生傾倒。

當然，橋墩仿真模型不僅自身存在物理特性，其與橋跨結構也存在著力學特性，體現(xiàn)為橋墩對橋跨的承重和二者之間的黏合力，其設置方法同以上步驟，設置好的梁橋的三維仿真模型見圖3。

圖3　設置好物理特性的梁橋仿真模型

3　武器系統(tǒng)設計與建模

3.1毀傷參數(shù)換算

如果射彈從橋面入射，可將入射點的橋跨結構作為三層不同介質來考慮，如圖4所示。射彈對于多層介質侵徹深度可按式（1）來計算。

圖4　射彈從橋面入射

其中：hi為第i層介質材料厚度，單位m；hqn為對第n層介質材料的侵徹深度，單位m；Kqn為第n層介質材料的侵徹系數(shù)；Kqi為第i層介質材料的侵徹系數(shù)，上列參數(shù)中，hqn可按照式（2）計算：

式中：λ1為彈形系數(shù)；λ2為彈徑系數(shù)；P為射彈質量；d為彈徑，單位m；V為命中速度，單位m/h；α為命中角，單位°，Kα為彈的偏轉系數(shù)；Kq為介質材料侵徹系數(shù)。計算中，λ1、λ2、Kα、Kq均可從文獻［9］中查得。

在實際中，對于橋梁等目標進行攻擊，如果飛彈的威力或者炸藥的裝藥當量不能滿足完全摧毀目標的要求，則受攻擊目標只是部分被摧毀，在本系統(tǒng)中提出了一個仿真參數(shù)HP，HP即為受攻擊目標的“生命值”，如果受攻擊目標的HP值小于0，則判斷該目標被摧毀。在參數(shù)設置中，受攻擊目標如采用混凝土材料，其HP值計算公式為：

由文獻［7］可知，式中A為材料抗力參數(shù)，B為填塞系數(shù)，無填塞B=9；R為破壞半徑，為彈體殺傷半徑，C為摧毀某一目標所需的等效TNT裝藥量換算。同時可以計算出單發(fā)飛彈使受攻擊目標HP值減少的數(shù)值，即等效爆炸威力。如目標采用的是鋼筋混凝土材料，其HP值計算公式為C=1.3ABR3。

表1　材料抗力系數(shù)［7］

用戶通過界面設置參數(shù)，即可得出某一目標例如橋墩被完全摧毀所需的TNT裝藥當量。如果受攻擊目標的HP值大于0，則通過式（3），換算出受攻擊目標質量的減少△M，見式（4）。

式中M為受攻擊目標的總質量，其參數(shù)由其剛體屬性設置中的“Mass”獲得。

3.2FPS設計

FPS設計即場景中的攝像機（Camera）設計，為滿足攝像機能夠360°自由旋轉的需要，在仿真中采用通過鼠標控制觀察視角的方式，其方法是獲取當前鼠標指針所在旋轉參數(shù)坐標主要包括場景中世界坐標系下的橫坐標和縱坐標，將其賦值給FPS自身的攝像機即可，見圖5，圖中右下角即為攝像機的觀察范圍，為場景運行后用戶所看到的畫面。

圖5　FPS視角示意圖

3.3毀傷效果設計

毀傷效果設計方法是：在飛彈模型上添加剛體屬性和網(wǎng)格碰撞體，以仿真對象與飛彈的接觸點為球心，以飛彈的殺傷半徑為半徑作一個球形范圍，簡稱為爆炸球。在此范圍內的仿真對象，被納入到爆炸球中去，然后利用代碼分別計算爆炸球內的仿真對象的尺寸、紋理、質量等參數(shù)，然后根據(jù)飛彈施加在接觸對象剛體上的破壞力，根據(jù)破壞力的大小和之前設置好的仿真對象的物理特性進行實時計算，實時分割，并將分割好的碎片賦予剛體屬性和一定的速度，使其呈現(xiàn)爆炸效果。

具體做法是，在飛彈仿真對象上綁定事先編寫好的爆炸函數(shù)代碼，通過爆炸函數(shù)程序計算出在飛彈所產(chǎn)生的爆炸球體范圍內包含的仿真對象，然后實時調用模型分割程序，根據(jù)飛彈殺傷參數(shù)的設置，計算出仿真對象的毀傷效果（主要指HP值的減少和物理關節(jié)連接參數(shù)的變化），如產(chǎn)生爆炸，則將計算出的爆炸碎片賦予剛體和一定的速度從而形成爆炸效果，如不產(chǎn)生爆炸，則仿真對象表面會出現(xiàn)裂紋或彈坑（形變），使其結構發(fā)生變化，同時通過參數(shù)換算實時改變仿真對象的物理特性設置參數(shù)值，使橋梁仿真對象在受到攻擊后其剛性結構參數(shù)發(fā)生變化。橋梁目標物理特性參數(shù)的變化主要是兩個內容，其一是其剛體特性中的質量發(fā)生變化，其二是其物理關節(jié)參數(shù)的變化，例如在某橋梁模型中橋跨一與橋跨二相連，橋跨一受到攻擊后質量減少，那么顯然橋跨一與橋跨二的斷開力和斷開轉矩的數(shù)值就會發(fā)生變化。

4　參數(shù)設置與場景控制模塊設計

系統(tǒng)中的參數(shù)設置界面如圖6所示，用戶可以根據(jù)需要進行設置，就場景控制模塊而言，出入前所述作用外，還應具備自動判定功能，其方法是按照文獻［6］中給出的判定標準，結合系統(tǒng)對于橋梁受攻擊目標的HP值進行實時計算，從而判斷橋梁的毀傷程度，例如在仿真中如果一個橋墩仿真模型或兩個橋跨仿真模型被摧毀，即判定被摧毀。生成的毀傷場景見下頁圖7所示，左上角展示的是橋梁橋墩被摧毀導致橋跨坍塌的場景；左下角為拱橋拱頂被摧毀后帶來的結構坍塌；右側分別為剛架橋一側橋跨被摧毀及復合型橋梁主橋墩被摧毀場景。

圖6　仿真參數(shù)設置界面

圖7　橋梁毀傷場景

5　結論

本文主要研究了利用Unity3D軟件開發(fā)的一種精確打擊條件下的橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

①對視景仿真技術在橋梁毀傷仿真中的應用進行了探索，給出了精確打擊條件下的橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)的設計實現(xiàn)，是進行橋梁毀傷仿真的有力工具，可為橋梁搶修，公路運輸提供決策支持。

②在毀傷仿真中，引入模型實時分割技術，使毀傷效果更加真實，從而具有整體性強，更為直觀準確的優(yōu)勢，結合文獻［7］提出的HP值參數(shù)轉換，使得仿真更有實際意義。

③在橋梁仿真建模中，引入剛體特性、碰撞體和物理關節(jié)使得橋梁建模更貼近現(xiàn)實。

參考文獻：

［1］黃衛(wèi)權，王曉明，陳懷友.某型導彈視景仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.計算機仿真，2012，29（7）：252-255，259.

［2］孫崠博，王潤杰.物理引擎在視景仿真中的應用［J］.四川兵工學報，2012，33（3）：101-103.

［3］STEPHEN R E. Molecular dynamics simulation of protein adsorption at fluid interfaces：A comparison of all-atom and coarse-grained models［J］. Biomacromolecules，2010，11 （10）：2781-2787.

［4］張巍.常規(guī)武器作用下斜拉橋結構的動力行為分析及損傷評估研究［D］.成都：西南交通大學，2007.

［5］朱亞紅，汪民樂，敬斌.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的多源橋梁毀傷信息特征層融合［J］.戰(zhàn)術導彈技術，2012，33（2）：116-121.

［6］張景鵬，游建新，廖新華.精確制導彈藥突擊橋梁目標作戰(zhàn)研究［J］.空軍裝備，2012，19（7）：25-28.

［7］夏明，張宗堂，李永忠.爆炸恐怖襲擊橋梁的毀傷分析與防護［J］.防護工程，2006，28（2）：75-79.

［8］UNITY T. Unity4.x從入門到精通［M］.北京：中國鐵道出版社，2013.

［9］李正優(yōu)，郭留河.車載導彈海上射擊視景仿真研究［J］.四川兵工學報，2015，26（6）：25-28.

［10］中華人民共和國國家軍用標準（GJBZ20419.3-98）.防護工程常規(guī)武器設計規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，1998.

Design and Implementation of a Bridge Damage Simulation System under Precision Strike

WANG Xin，F(xiàn)ANG Dong
（Bengbu Automobile N.C.O Academy，Bengbu 233011，China）

Abstract：Presently，the numeric simulation method of the bridge damage under precision strike has high accuracy，but nether visual nor vivid，integrity is not strong. By using the Unity3D software，the bridge damage simulation under precision strike by scene simulation technology provided by this paper meets the accuracy requirement；moreover，it visualized the simulation process with 3D effect. The design method given by this paper also meets the requirements for real -time performance and authenticity. The design of physical characteristics and the corresponding analysis of the exploration effect of the bridge model is finished by using the physical engine of the Unity3D software，through simulation and analysis of the whole procession，the damage conclusion of the bridge can be get，the expected effect is also get.

Key words：precision strike，bridge damage，scene simulation，Unity3D software

中圖分類號：E920

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0640（2016）05-0125-05

收稿日期：2015-03-06修回日期：2015-05-17

作者簡介：王欣（1985-），男，遼寧錦州人，碩士，講師。研究方向：模擬仿真訓練、作戰(zhàn)仿真、電子信息處理等。