基于視景仿真對抗的槍械作戰效能評估方法

章 勇，楊 臻

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

武器裝備的效能評估是為了對武器進行“能力”的評估、優化和設計，節省裝備的研發生產成本，也是為了武器裝備在戰場環境下有良好的“表現”，從戰果和資源上帶來雙重收獲。

傳統的效能評估方法主要是基于系統論思想的理論分析法[1]，這種方法首先明確并定義當前要評估的任務系統，然后建立合適的評估指標體系，最后采用合適的數學公式進行評估。這種評估方法層次清晰，有較好的評估效果，但這都是在簡化實際問題的基礎上進行的，不可避免的割裂了各要素與真實戰場環境的真實聯系。本文提出的仿真對抗的評估方法，主要基于視景仿真技術，盡可能真實的模擬了戰場環境下的武器對抗，在接近實戰的對抗中評估裝備，有較為直觀的評估效果。

1 槍械作戰效能評估常用方法

1.1 實驗統計法

實驗統計法就是在特定的現場環境下，模擬實驗環境或實戰對抗演習，獲得大量接近實戰的戰斗數據，這些數據可以用模型清楚地表示并加以利用，再用合適的數學公式和模型對其處理和評估。常用的統計評估法有抽樣調查、假設檢驗和參數估計等[2]。

實驗統計法最直觀的得到槍械的單項作戰效能評估指標值，如射擊效能、毀傷效能和火力效能等。槍械作戰效能層次圖如圖1。

實驗統計法能得到較為真實可靠的指標評估值，可實現各種特定作戰規則和環境對效能的影響，有較為可靠的評估結果，但需要大量的人力物力，這可以根據需要對現役武器進行評估，但在武器裝備的前期研制過程中沒有太大的可行性。

圖1 槍械作戰效能層次圖

1.2 分析評估法

分析評估法是基于數學公式，應用數學模型對評估指標進行處理。主要有基于美國工業界武器系統效能咨詢委員會提出的WSEIAC模型即ADC法和系統有效性分析方法即SEA法等[3]。

SEA法是一種將系統和使命相聯系的動態評估方法。這種動態分析法具有較強的分析能力和廣泛的實用性，但在多維效能量度的指標計算方面，仍沒有完整的章法可循，需進行更深入的研究。

2 基于仿真對抗的槍械作戰效能評估方法

基于仿真對抗的作戰效能評估方法主要采用視景仿真技術和編程技術，模擬真實戰場的虛擬現實環境[4]，建立貼近真實的數值仿真模型，對槍械進行“實地”考察評估。

2.1 基于仿真的槍械評估指標

基于仿真的評估方法，不同于傳統的實驗統計法和分析評估法，評估的結果是直接“表現”出來的，基于這種評估方法的“能看得見”的評估指標有：有效射程、射擊精度、戰斗射速、毀傷能力、環境適應能力、人員適應能力和戰術適應能力等。

由于本仿真評估法的特殊性，對機動能力的評估可在一特定場景下執行相同的作戰任務表現出來。根據不同的需要，評估系統可建立不同的場景，可以對一個特定的作戰場景建模，例如：作戰場景是一片充滿各種灌木、瓦礫和溝壑的森林，任務場景是控制作戰人員不變，即士兵參數屬性設置相同，攜帶的槍械參數不同，包括槍長，槍重等，由作戰人員在這特定場景中完成行軍轉移的任務，最后由完成的時間來評估比較不同參數槍械的機動能力。

綜合火力包括：有效射程、射擊精度、戰斗射速、毀傷能力、毀傷能力、戰斗射速等。可以在單兵訓練場景下，設置不同參數屬性的槍械進行個單項火力指標的評估，由系統輸出顯示結果，亦可在對抗場景下，保持作戰人員屬性相同，由兩士兵持不同屬性槍械進行對抗，由最后傷亡結果展現綜合的火力。這里需要注意的是，因為是系統模擬仿真，無需耗費大量人力物力。為了保證更有效的評估結果，可進行大量相同的評估，再綜合分析所有的結果，可以把這編進系統里，使系統直接模擬評估指定的次數，直接顯示綜合分析評估結果。

傳統的評估方法對環境適應能力人員適應能力和戰術適應能力不能有很好的評估方法和評估效果，基于仿真的評估方法可以設置不同屬性的士兵執行相同的作戰任務來評估人員適應能力；設置不同的戰場環境，包括作戰場地、光強和天氣等來評估槍械的環境適應能力。

1) 人員適應能力評估。控制作戰環境和作戰模式和任務相同，僅作戰人員不同，在本方法中即士兵的屬性設置不同，例如：速度，反應時間等不同的戰斗人員A、戰斗人員B、戰斗人員C等，進行相同的行軍任務、訓練任務或者對抗任務，評估人員適應能力。

2) 環境適應能力評估。控制作戰人員和作戰任務相同，僅作戰環境不同，例如山地環境、城市街道環境、平原環境等，士兵屬性相同，可在選定的環境執行行軍任務、訓練任務和對抗任務等。這里可以增加天氣等環境控制變量，例如風沙、雨水、白天和黑夜等，以此豐富環境模式的選擇。

2.2 關鍵技術

視景仿真技術是一種借助軟件，重構現實場景，直觀形象的表現仿真行為的可視化仿真技術[5]。這里采用游戲引擎Unity3D技術進行系統場景建模，U3D是一個能創建大型三維游戲和仿真三維動畫的多平臺綜合型交互式游戲開發工具。人物、槍械和相關場景物體的模型，可采用模型制作軟件3ds Max構建。

C#是一種強大的腳本語言，用來實現控制場景對象和業務邏輯，但其數值計算分析功能相對薄弱，matlab具有強大的數值分析計算能力，兩者相互結合，正好優勢互補[6]。將matlab的.m文件編譯生成.dll文件，再嵌入到C#程序實現混合編程。

尋路算法解決的是場景中士兵對目標的搜索和接近過程中的路徑規劃問題，在不同的場景下，士兵跨過障礙物智能的選擇最優路徑向目標接近，發現目標后停止尋路并對抗作戰。A*算法是一種在游戲中廣泛應用的尋路算法，有較好的搜尋效果，但適用于小地圖場景和搜尋一些固定的目標。B*算法相較與A*算法有更高效的搜尋效率和更廣的適用性[7]，兩種算法結合使用，可以對不同任務場景下的路徑進行規劃。

實現仿真對抗評估的關鍵一點就是士兵的智能化程度，只有在接近真實對抗的環境下評估武器，評估才具有實際意義，實現士兵的智能化是此評估方法的一個技術難點。

士兵的決策模型，是士兵根據任務由感知模型對現場環境的感知做出實時判斷的依據。常用的決策模型有神經網絡和專家系統等，這里可以采用算法實現簡單高效的決策樹模型[8]，將士兵的決策內容和模式加入事件系統中，構建行為樹框架，以實現士兵的智能化控制。

評估方法的數值模型主要是命中模型，這也是本方法實施的關鍵。命中概率計算主要基于外彈道模型，模型里的某些關鍵參數可以設置輸入，以達到評估不同槍械的目的。

3 仿真評估系統構建流程

3.1 系統模塊組成

系統總共有4個模塊：人機交互模塊、數值仿真模塊、視景仿真模塊和數據存儲模塊。人機交互模塊是UI界面，可以選擇訓練場景和輸入被評估的槍械的參數；數值仿真模塊主要是命中概率的解算和毀傷概率的計算；視景仿真模塊是將整個對抗評估過程和數值仿真過程借助軟件通過實景建模使其可視化；數據存儲模塊儲存場景和人物等模型和數據。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構模塊圖

3.2 系統構建流程

仿真評估系統建立流程如圖3所示。首先要明確需要評估的作戰效能。常用的單項作戰效能指標有：射擊效能、毀傷效能、火力效能、突防效能、機動效能、生存效能和防護效能等，系統綜合作戰效能可以通過仿真對抗的結果評估，這也符合評估的目的是為了實戰的原則。

圖3 系統建立流程

明確了評估的任務后進行場景規劃想定，場景規劃即評估的虛擬戰場設計，除了既定的場景，還可以加入不同的天氣和光線選擇，場景規劃如圖4所示。評估場景規劃完成后進行模型建模，模型建模包括虛擬實物模型和數值仿真模型，虛擬實物模型包括評估場景的環境模型、士兵模型和槍械模型，數值仿真模型主要是槍械的外彈道模型、士兵尋路模型和士兵的感知模型。

圖4 場景規劃

最后是整個系統的建模，設計UI 界面實現人機交互，各個模塊的數據進行交互，總體系統達到模擬現實的作戰效果。系統操作流程如圖5所示。

圖5 系統操作流程

4 評估實例

武文娜描述了一種基于視景仿真的槍械效能評估方法[6]。該文分4個部分：模型的建立、士兵的尋路算法、槍械作戰效能評估和視景仿真系統的設計與實現。該系統主要有兩種評估模式：單人考核模式和雙人對抗模式。在單兵模式中士兵的尋路算法采用的是A*算法，在對抗模式中主要采用煙花算法。圖6為該系統的界面截圖。

5 結論

本文描述的基于仿真對抗的槍械效能評估方法，基于真實戰場的仿真模擬對抗評估槍械的效能，具有直觀、形象的評估效果，大大節省了研制的經費支出，有效可行。