解亞 鄧安仲 范振

（1.陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶401331；2.軍委后勤保障部 房地產(chǎn)資源管理中心，北京100842）

1 引言

機動式基地系統(tǒng)是指在軍事任務(wù)區(qū)域內(nèi)，由具備保障一定規(guī)模部隊遂行機動部署、作戰(zhàn)中轉(zhuǎn)、輪戰(zhàn)休整等軍事任務(wù)能力的野營裝備器材組成的綜合保障基地［1］。作為各類軍事行動的主要保障依托，機動式基地系統(tǒng)在海外維和、邊境處突等軍事行動中發(fā)揮著越來越重要的作用，其防護能力建設(shè)問題也越來越受到重視，相關(guān)防護威脅、防護標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵問題亟待研究解決。文獻［2］分析了沖擊波效應(yīng)、熱效應(yīng)、破片效應(yīng)、窒息效應(yīng)等戰(zhàn)斗部對船艙毀傷方式，建立了戰(zhàn)斗部等效船艙毀傷效果評估層次體系，采用AHP 法對船艙毀傷進行了綜合評估。文獻［3］提出一種用于水面艦艇編隊作戰(zhàn)損傷評估的改進灰色關(guān)聯(lián)模型，采用參考序列曲線與備選序列曲線相鄰點形成的多邊形區(qū)域作為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)［3］。

各類毀傷評估主要針對單體目標(biāo)或相同目標(biāo)建立毀傷評估模型，對于多個不同性質(zhì)單體形成的目標(biāo)群的毀傷評估還缺乏相應(yīng)的研究。本文以機動式基地系統(tǒng)為研究對象，以其涵蓋的幾類典型設(shè)施為目標(biāo)，并考慮人員毀傷，分別構(gòu)建單個目標(biāo)、基地目標(biāo)和基地綜合毀傷評估模型。

2 機動式基地系統(tǒng)分析

2.1 基地系統(tǒng)概述

基地系統(tǒng)主要由設(shè)施目標(biāo)和設(shè)施內(nèi)人員目標(biāo)組成?；卦O(shè)施是構(gòu)成基地的物質(zhì)基礎(chǔ)，為各類保障功能提供空間載體，主要由裝配式住房、帳篷等組成，具有輕質(zhì)簡便、快速展開等特點。設(shè)施內(nèi)的人員目標(biāo)是基地系統(tǒng)的主體，是基地提供保障功能的對象，在開展基地系統(tǒng)的毀傷評估和防護優(yōu)化時應(yīng)當(dāng)重點考慮人員目標(biāo)，否則就失去防護的意義。從保障功能看，機動式基地為任務(wù)部隊提供各類作戰(zhàn)保障和后勤保障，包括作戰(zhàn)指揮、人員宿營、生活保障、物資存儲、醫(yī)療救護、安全防護等。各類設(shè)施因其承擔(dān)的功能不同，在基地毀傷評估中的重要度也不相同，需要綜合考慮應(yīng)用場景、功能作用、任務(wù)關(guān)聯(lián)、設(shè)施內(nèi)部人員數(shù)量等因素。

2.2 機動式基地系統(tǒng)權(quán)重評估

采用模糊層次分析法（Fuzzy Analytical Hierarchy Process，F(xiàn)AHP）對機動式基地設(shè)施進行重要度評估［4］。建立目標(biāo)重要度評估矩陣C，邀請相關(guān)專家，對基地內(nèi)各目標(biāo)重要度按評價標(biāo)度打分。

設(shè)基地內(nèi)有n個目標(biāo)，cij為第i個目標(biāo)與第j個目標(biāo)比較的相對重要度，cii為0.5，重要度對比標(biāo)度說明見表1。

2.3 人員目標(biāo)權(quán)重評估

機動式基地系統(tǒng)內(nèi)有各類不同崗位人員，但對于防護體系而言，所有人員都是同等重要的，因此在進行機動式基地人員目標(biāo)毀傷評估時，將某設(shè)施內(nèi)人員數(shù)量占總?cè)藬?shù)的比值作為該設(shè)施內(nèi)所有人員目標(biāo)的重要度權(quán)重。

vi為第i個設(shè)施內(nèi)人員目標(biāo)的權(quán)重，ni為第i個設(shè)施內(nèi)人員目標(biāo)數(shù)量。

2.4 機動式基地系統(tǒng)威脅分析

基地系統(tǒng)面臨的主要威脅形式是恐怖襲擊、分隊武裝襲擾，采用的武器主要為槍榴彈、迫擊炮、火箭彈、汽車炸彈、輕武器等，主要毀傷元包括破片、沖擊波、燃燒、彈丸侵徹等［1］，本文主要以沖擊波和破片為毀傷元。根據(jù)各類目標(biāo)的特性，網(wǎng)架帳篷、充氣式帳篷等輕質(zhì)簡易結(jié)構(gòu)目標(biāo)和人員目標(biāo)主要受沖擊波毀傷，裝配式工事、鋁制箱式房等硬質(zhì)目標(biāo)主要受破片毀傷。

3 機動式基地系統(tǒng)毀傷評估

3.1 多目標(biāo)系統(tǒng)多層級毀傷評估框架

基地系統(tǒng)內(nèi)包含多種類型目標(biāo)，各類目標(biāo)的性質(zhì)、特征不同，具有不同的毀傷特性。對于機動式基地系統(tǒng)的毀傷評估，單個目標(biāo)的毀傷信息需要合成為整個基地的毀傷信息，從而確定各層級目標(biāo)的毀傷等級。構(gòu)建一種多目標(biāo)系統(tǒng)多層級毀傷評估框架，包括單目標(biāo)評估、基地目標(biāo)評估和基地綜合毀傷評估，如圖1 所示。

圖1 多目標(biāo)系統(tǒng)多層級毀傷評估框架

單目標(biāo)評估主要是指單次襲擊對單個設(shè)施的毀傷評估；基地目標(biāo)評估是指將單目標(biāo)毀傷信息合成，得到單次襲擊整個基地的毀傷等級信息；基地綜合毀傷評估是在單次襲擊基地目標(biāo)毀傷評估基礎(chǔ)上，考慮彈著點因素，對基地進行多次模擬打擊，將每次打擊毀傷信息合成，得到基地綜合毀傷等級信息，反映的是當(dāng)前基地面臨威脅的整體水平分布。

3.2 沖擊波毀傷模型

3.2.1 沖擊波超壓

沖擊波對目標(biāo)的破壞主要是由超壓和沖量引起的，在普通土壤地面爆炸通常取超壓［5］：

式（1）中，ΔP為沖擊波超壓（MPa），W為武器的裝藥質(zhì)量（kg）；α為爆炸系數(shù)，空中爆炸取1，在剛性地面爆炸時取2，在軟性地面爆炸時取1.8；r為爆炸中心距目標(biāo)的距離（m）。

3.2.2 沖擊波毀傷判據(jù)

（1）簡易結(jié)構(gòu)目標(biāo)判據(jù)。采用“超壓” 準(zhǔn)則進行判斷［6］：

式（2）中，ΔPmax為目標(biāo)被完全破壞時最小沖擊波超壓值，ΔPmin為目標(biāo)不被破壞時最大沖擊波超壓值。對于裝配式活動房、充氣式帳篷等簡易結(jié)構(gòu)目標(biāo)，取ΔPmax＝0.06 MPa，ΔPmin＝0.01 MPa［7，8］。將目標(biāo)毀傷面積比例作為目標(biāo)沖擊波毀傷分級標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 沖擊波毀傷等級

（2）人員目標(biāo)判據(jù)。沖擊波對基地內(nèi)人員目標(biāo)的毀傷主要是引起血管破裂致使皮下或內(nèi)臟出血、內(nèi)臟器官破裂、肌纖維撕裂等，沖擊波對人員毀傷的超壓判據(jù)見表3［7，8］。

表3 沖擊波對人員毀傷判據(jù)

3.3 破片毀傷模型

武器爆炸后，彈殼破裂產(chǎn)生預(yù)制或自然破片，在爆轟產(chǎn)物的推動下急速向四周飛散，當(dāng)與目標(biāo)接觸后產(chǎn)生破壞作用。決定破片對目標(biāo)的破壞效果的因素主要有接觸速度、破片質(zhì)量、破片形狀、接觸角度等。

3.3.1 破片速度

破片的速度分布可表示為［9］：

式（3）中，v0為破片初速度；vs為破片飛散過程中因空氣阻力降低后在Rf處的速度；為炸藥的Gurney 常數(shù)，取值2 316 m／s［10］；W為武器炸藥質(zhì)量；Wc為武器殼體質(zhì)量；A為破片迎風(fēng)面積；K為破片形狀系數(shù)，??；ρa為空氣密度，取ρa＝1. 292 kg／m3；CD為空氣阻力系數(shù)，可根據(jù)破片形狀確定（圓柱體取1.3，立方體取1.2，球體取1，本文取1.5）；mf為破片質(zhì)量。

3.3.2 破片數(shù)量

破片的數(shù)量分布可表示為［11］：

式（4）中，為破片平均質(zhì)量，Nt為破片總數(shù)，N［mi，mi+1）為質(zhì)量在mi和mi+1之間的破片數(shù)量，B ＝3.81 為Mott 爆炸常數(shù)，tc為平均彈殼厚度，di為平均彈殼內(nèi)徑。

3.3.3 破片毀傷判據(jù)

采用破片動能作為毀傷判據(jù)，將破片的空間分布適度簡化，將其視為在爆炸平面分布，求得破片場與目標(biāo)的最大交會角度，即可計算出總的命中目標(biāo)的破片數(shù)。不同材料的毀傷動能閾值不同，因基地設(shè)施目標(biāo)的材料不同，計算破片毀傷時，可將其等效為一定厚度的鋼板，毀傷動能閾值為2 160 J［12］。當(dāng)破片撞擊目標(biāo)時，不同數(shù)量的撞擊破片會造成不同程度的毀傷，通過計算目標(biāo)單位面積有效破片數(shù)來評估目標(biāo)的毀傷等級，見表4。

表4 破片毀傷等級

4 基于云模型的毀傷等級評估

4.1 云模型評估

云模型D ＝（Ex，En，He），其中，Ex表示最能代表概念的典型點；En表示定性概念的不確定性分布，En越大，概念的模糊性和隨機性就越大；He是En的隨機性和模糊性的度量，可以用來修正云滴的分散性，直接確定云的厚度［13］。

隸屬云發(fā)生器（Membership Clouds Generator，MCG）是云模型算法中最基本、最關(guān)鍵的算法，有正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。

正向云發(fā)生器建立隸屬云模型的過程如下：①生成以Ex為期望，En為根方差的正態(tài)隨機數(shù)xi；②生成以En為期望，He為根方差的正態(tài)隨機數(shù)En＇；③計算具有確定度的xi為數(shù)域中的一個云滴；④重復(fù)以上步驟，直到產(chǎn)生n個云滴為止。

4.2 單次襲擊設(shè)施目標(biāo)及人員目標(biāo)毀傷評估

將基地設(shè)施目標(biāo)和人員目標(biāo)分別進行毀傷評估，根據(jù)前述沖擊波、破片對基地設(shè)施目標(biāo)和人員目標(biāo)的毀傷判據(jù)和毀傷等級劃分，已知各毀傷等級對應(yīng)的度量值范圍［a，b］，可通過指標(biāo)近似法確定相應(yīng)的云模型參數(shù)，從而建立起某一毀傷等級的正態(tài)隸屬云模型：

云模型中毀傷面積比和毀傷等級是一對多的映射，每個毀傷面積比映射到各毀傷等級的隸屬度是符合正態(tài)分布的概率。且云模型中每個云滴的產(chǎn)生都是一次隨機實現(xiàn)，它不是固定不變而是遵循當(dāng)前數(shù)據(jù)分布規(guī)律的一個正態(tài)分布。因此云模型綜合反映隨機樣本數(shù)值和隸屬程度的不確定性，能有效呈現(xiàn)隨機性和模糊性間的關(guān)聯(lián)［14］。

經(jīng)過隸屬云模型的計算，可分別得到基地各設(shè)施目標(biāo)ui（i ＝1，2，…，n）對應(yīng)各毀傷等級Ci（i ＝1，2，…，m）的隸屬度矩陣R：

式（6）中，rij（i ＝1，2，…，n；j ＝1，2，…，m）是第i個目標(biāo)對應(yīng)j級毀傷等級的隸屬度。rij ＝，En＇ij服從參數(shù)為的正態(tài)分布。考慮隸屬度計算的隨機性，可進行多次采樣計算平均值。

4.3 單次襲擊基地目標(biāo)毀傷評估

將前述所得各設(shè)施目標(biāo)和人員目標(biāo)的權(quán)重向量W ＝（w1，w2，…，wn）分別與對應(yīng)的隸屬度矩陣R作加權(quán)平均：

式（7）中，di（i ＝1，2，…，m）為基地設(shè)施目標(biāo)或人員目標(biāo)整體毀傷對應(yīng)各毀傷等級的隸屬度。

應(yīng)用式（7）可計算單次基地整體毀傷評估等級K［15］：

在計算rij的過程中，因存在隨機生成的隨機數(shù)，因此需要對其進行t次采樣計算，從而得到一系列隸屬度矩陣Ri（i ＝1，2，…，t）和整體毀傷評估等級Ki（i ＝1，2，…，t），求平均值可計算單次基地整體毀傷評估等級K。

4.4 基地綜合毀傷等級評估

對特定的基地而言，基地范圍內(nèi)所有位置均可能遭受打擊，不同的打擊位置將會對各目標(biāo)造成不同的毀傷等級，同時造成不同的整體毀傷等級。將基地劃分為若干正方形網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格進行一次模擬打擊，從而得到不同打擊位置下單個目標(biāo)和基地整體的毀傷等級，再采用逆向云發(fā)生器進行合成，得到基地整體綜合毀傷評估等級。

對于在設(shè)施內(nèi)部的人員目標(biāo)，帳篷等簡易目標(biāo)對毀傷元基本沒有阻擋作用，但箱式房等硬質(zhì)目標(biāo)對毀傷元有一定衰減作用，因此在評估硬質(zhì)目標(biāo)內(nèi)人員目標(biāo)毀傷時，沖擊波按衰減后的等效爆炸當(dāng)量毀傷目標(biāo)。衰減系數(shù)為：裝配式活動房取0.12，鋁制箱式房取0.32，裝配式工事取0.68［16］。

根據(jù)2.1 節(jié)所述機動式基地，為便于描述，將其適度簡化，刪除部分功能模塊，以邊長為a劃分為n個正方形，oi（i ＝1，2，…，n）為第i個正方形的彈著點，如圖2 所示。網(wǎng)格邊長a可根據(jù)武器造成的最小毀傷等級的距離確定。

圖2 基地綜合毀傷評估

采用4.1 節(jié)、4.2 節(jié)所述的毀傷評估算法，依次在oi（i ＝1，2，…，n）進行爆炸仿真，得到單個設(shè)施目標(biāo)毀傷等級隸屬度矩陣Ri（i ＝1，2，…，n），單個設(shè)施目標(biāo)內(nèi)人員目標(biāo)毀傷等級隸屬度矩陣Rpi（i ＝1，2，…，n），基地整體毀傷評估等級Ki（i ＝1，2，…，n）。

應(yīng)用4.1 節(jié)所述的逆向云發(fā)生器，合成得到單個目標(biāo)多次打擊可能下的毀傷等級和基地綜合毀傷等級。

5 仿真實例

假設(shè)某基地區(qū)域尺寸為45 m × 30 m，各目標(biāo)基本參數(shù)見表5。

表5 基地各目標(biāo)參數(shù)

根據(jù)2.4 節(jié)機動式基地系統(tǒng)威脅分析，假設(shè)某次攻擊基地的武器為高爆榴彈炮，其主要參數(shù)見表6［17］。

表6 高爆榴彈炮參數(shù)

5.1 各目標(biāo)權(quán)重計算

根據(jù)2.2 節(jié)所述機動式基地系統(tǒng)重要度評估算法，得到各目標(biāo)權(quán)重向量為：

各設(shè)施內(nèi)人員目標(biāo)權(quán)重向量為：

5.2 單次襲擊單個目標(biāo)毀傷評估

5.2.1 沖擊波毀傷評估

沖擊波主要對目標(biāo)1～5 及其內(nèi)部人員造成毀傷，對設(shè)施目標(biāo)6，7 內(nèi)的人員目標(biāo)分別按折算系數(shù)0.68 和0.32 計算毀傷。設(shè)某次襲擊彈著點坐標(biāo)為（20，10），可得該次襲擊沖擊波對目標(biāo)1～5 和人員目標(biāo)的毀傷等級隸屬度矩陣分別為：

根據(jù)最大隸屬度原則，目標(biāo)1～5 該次毀傷等級分別為2 級、3 級、3 級、4 級、1 級。目標(biāo)1～7 內(nèi)人員目標(biāo)該次毀傷等級分別為1 級、1 級、1 級、4 級、1 級、1 級、1 級。

5.2.2 破片毀傷評估

破片主要對目標(biāo)6，7 造成毀傷，破片的初速度為1 312.26 m／s，可得目標(biāo)6，7 的毀傷等級隸屬度矩陣為：

根據(jù)最大隸屬度原則，目標(biāo)6，7 該次毀傷等級分別為4 級、2 級。

5.3 單次襲擊基地目標(biāo)毀傷評估

分別將設(shè)施目標(biāo)和人員目標(biāo)的隸屬度矩陣和對應(yīng)的目標(biāo)權(quán)重矩陣帶入式（7），可得基地設(shè)施目標(biāo)和人員目標(biāo)整體毀傷隸屬度分別為：

通過計算，可得：設(shè)施目標(biāo)整體毀傷等級為2.834，整體毀傷等級為3 級；人員目標(biāo)整體毀傷等級為1.658，整體毀傷等級為2 級。

5.4 基地綜合毀傷等級評估

根據(jù)4.4 節(jié)所述，基地網(wǎng)格單元邊長為5 m，將基地劃分為54 個網(wǎng)格單元，分別從左下角開始依次在各網(wǎng)格中心模擬打擊，根據(jù)上述步驟計算每次爆炸的沖擊波、破片毀傷情況，得到每個爆炸點的基地設(shè)施目標(biāo)綜合毀傷等級矩陣如下，其中每個數(shù)值代表在該點爆炸時基地目標(biāo)的毀傷等級。

同理可得到每個爆炸點人員目標(biāo)的整體毀傷等級矩陣為：

矩陣中每個元素代表的是在該點襲擊后基地的整體毀傷等級，對應(yīng)的毀傷等級色階圖如圖3、圖4 所示，可以直觀地看出在各爆炸點襲擊下，基地整體的毀傷等級情況。

圖3 基地設(shè)施目標(biāo)綜合毀傷等級情況

圖4 基地人員目標(biāo)綜合毀傷等級情況

可以看出目標(biāo)1～4 的中部區(qū)域為該基地的防護弱區(qū)，在下一步防護優(yōu)化中可以據(jù)此有針對性地采取措施，提高基地整體防護水平。

將毀傷等級矩陣帶入4.1 節(jié)所述逆向云發(fā)生器，可得基地設(shè)施目標(biāo)的綜合毀傷等級云模型參數(shù)為：Ex ＝2.45，En ＝0.38，He ＝0.082，故基地綜合毀傷等級為2 級。基地人員目標(biāo)的綜合毀傷等級云模型參數(shù)為：Ex ＝1.89，En ＝0.93，He ＝0.001，故基地人員目標(biāo)綜合毀傷等級為2 級。

6 結(jié)束語

（1）構(gòu)建了基于云模型的機動式基地系統(tǒng)毀傷評估模型，對單個目標(biāo)、基地整體目標(biāo)和基地綜合毀傷進行評估，可以根據(jù)需要快速進行各層級的毀傷評估，較好兼顧毀傷評估的模糊性與隨機性。通過仿真計算了典型基地的毀傷等級，下一步可以根據(jù)毀傷等級分布，采用調(diào)整基地布局、增設(shè)防爆墻等手段，提高基地的防護等級。

（2）從綜合毀傷評估仿真看，基地人員宿營區(qū)域周邊為受襲毀傷等級最高點，在防護設(shè)計優(yōu)化中應(yīng)當(dāng)重點加強該區(qū)域的防護，以降低基地整體毀傷等級。

（3）本文重點在建立多目標(biāo)系統(tǒng)多層級毀傷評估的框架，對沖擊波和破片等毀傷元對單個目標(biāo)毀傷評估做了適度簡化，未考慮沖擊波與破片復(fù)合作用、目標(biāo)對毀傷元的衰減作用等，下一步須根據(jù)實際進一步深化研究。