一种基于毁伤数据的弹目匹配方法_薛富格.pdf
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1、0引言远程精确打击武器是陆战场上的一大杀手锏,拥有极高的威胁度,所用弹种造价也是十分高昂,需要通过弹目匹配研究其对目标打击的可行性与毁伤效能,进而对其合理利用。弹目匹配的目的是对于一个目标,选出当前条件下最适宜打击目标的弹种。弹目匹配是支撑火力分配的一个重要技术环节,为火力分配提供可用弹种,将不适用的弹种排出火力分配的解空间,可以有效地提高火力分配的效率;现今精确的打击的武器种类不断增加,战场上目标的种类与特性也越来越复杂,当处理多个目标、多个弹种的时候,依靠指挥员自身完成目标、弹种分析与选择需要耗费大量精力,并需要丰富的经验支撑,通过弹目匹配进行辅助决策,可以辅助指挥员快速决策。传统弹目匹配
2、对弹种与目标进行定性分析,采用查表的方式给出弹种,不能有效利用研究者对毁收稿日期:2022-08-05修回日期:2022-10-18作者简介:薛富格(1998),男,山西运城人,硕士研究生。研究方向:系统工程。通信作者:徐锋(1966),男,山西太原人,研究员。研究方向:指挥信息系统。*摘要:对传统的弹目匹配仍在定性分析,未有效利用毁伤数据的情况,提出一种基于毁伤数据的弹目匹配方法。将目标信息输入研究者总结的相应经验公式或用毁伤数据所训练的 catboost 回归模型,得出要使目标达到毁伤程度所需的各毁伤元强度,再综合弹种威力场数据计算出各弹种的分数,选出弹种。以铁路桥目标为例,说明各弹种对目
3、标的匹配度分数与弹种设计目的的一致性。关键词:弹目匹配;毁伤数据;catboost;毁伤元;铁路桥中图分类号:E92;TJ013文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1002-0640.2023.05.013引用格式:薛富格,徐锋,张玉梅,等.一种基于毁伤数据的弹目匹配方法 J.火力与指挥控制,2023,48(5):90-95.一种基于毁伤数据的弹目匹配方法薛富格,徐锋*,张玉梅,杨佼,苏凝钢(北方自动控制技术研究所,太原030006)A Projectile-target Matching Method Based on Damage DataXUE Fuge,XU Feng*
4、,ZHANG Yumei,YANG Jiao,SU Ninggang(North Automatic Control Technology Institute,Taiyuan 030006,China)Abstract:Aiming at the situation that traditional projectile-target matching is still qualitativelyanalyzed and damage data is not effectively used,damage-data-based missile-target matching methodis
5、proposed.The strength of each damage element required to make the target reach the degree ofdamage is obtained through inputting the information of the target into the corresponding empiricalformula which the scholars summarize or catbooost regression model which is trained by damage data.Then the s
6、core of each projectile type is calculated with the comprehensive power field data to selectthe projectile type.The consistency of the matching score of each projectile for the targets and thedesign purpose of projectile type are illustrated by the railway bridge examples.Key words:projecile-target
7、matching;damage data;catboost;damage element;railway bridgeCitation format:XUE F G,XU F,ZHANG Y M,et al.A projectile-target matching method based ondamage data J.Fire Control&Command Control,2023,48(5):90-95.文章编号:1002-0640(2023)05-0090-06火 力 与 指 挥 控 制Fire Control&Command Control第 48 卷第 5 期2023 年 5 月
8、Vol.48,No.5May,202390(总第 48-)伤的研究数据。WANG 等和李亚雄等以破片毁伤、冲击波毁伤、侵彻毁伤等毁伤效应与目标抗毁伤效应为匹配指标,使用粗糙集理论确定指标权重,加权 TOPSIS 法确定弹药目标综合匹配顺序1-2;杨奇松等将武器的射程、突防能力、毁伤能力、制导因素等综合到价值消耗与时间消耗上,以二者作为匹配指标,用匹配因素的相对重要程度反映作战意图3。上述文献的研究目的是让弹目匹配问题朝定量方向发展,但文献 1 未考虑弹的落点误差对毁伤效能发挥的影响,文献 3 侧重于整体,未说明毁伤半径的确定方式,对毁伤数据运用不充分。本文主要从目标易损性和弹的毁伤能力角度出发
9、,对于给定的目标,运用经验公式、结果与毁伤数据所训练的 catboost(categorical boosting)回归模型估计毁伤目标需要的毁伤元强度,计算其与弹种威力场的匹配程度,结合落点误差与目标部件重要程度选出最适合打击目标的弹种,运用毁伤数据能更好地确定好弹种对目标的毁伤能力,为更精准计算弹药消耗量奠定基础。1弹种与目标数据弹药与目标之间的匹配离不开弹种的毁伤效应与目标易损性数据。常规弹药战斗部的毁伤元主要是破片杀伤、冲击波、弹体侵彻与穿甲效应,目标易损性研究包括目标部件对毁伤元的敏感性、目标模型建立与毁伤树构建等。毁伤数据的来源主要有 3 种方式,一是试验法,即实物试验所得来,通过
10、靶板目标毁伤情况与测量仪器计量数值,记录弹种的威力;对试验得来的数据进行相关回归分析建立经验公式,或是确定已建立公式中的常数得到经验公式,再运用经验公式计算是第 2 种方式;三是采用数值计算方法,基本过程是分析所研究问题的物理实质,建立数学模型,选择合适的坐标系,根据模型写出偏微分方程组,然后用有限差分法或有限元法在计算机上求解,这种方法也越来越成为主流4。弹种威力表依照弹种引爆的模式构建,以试验数据为基础,根据毁伤判别标准与经验公式,对威力场数据进行补充,无试验数据则采用仿真结果或经验公式计算的结果,给出不同起爆条件下弹种的威力场数据。主要毁伤元的能力表征方面,破片采用动能(速度)与密度,冲
11、击波采用超压值表征威力,侵彻弹的侵彻能力采用侵彻中等强度混凝土的能力表征。国内外学者对战场目标的毁伤效应进行了大量研究,确定了毁伤元对部分目标的毁伤能力,构建了易损模型,对确定打击位置,弹种对目标的毁伤能力提供依据。对目标情况信息的掌握程度直接影响到精确打击的效果5。精确打击不同于以往的粗放式打击,要求对目标类型、性质、地形、内部关联等情况了解尽可能详尽,更好地为选弹提供依据5-6。表 1 为采用经验公式计算冲击波超压后的试验与仿真7目标毁伤数据示例。表 1目标毁伤数据示例Table 1Example of target destruction data2弹目匹配模型2.1catboost 简
12、介目前并非所有目标都有研究者提出直观的定量表达的方法,对没有毁伤元数值范围、经验公式等定量表达毁伤的目标,采用机器学习方法对已有数据进行处理。毁伤试验数据由于保密要求相对较难获得,数据较少,故本文选取一种改进的梯度提升算法catboost 算法8。catboost 算法是一种基于决策树的模型,它可以不需要大量样本作为训练集,并保证一定准确度。与其他同类算法相比,它的好处在于嵌入了能够自动处理类别特征为数值特征的算法,采用梯度排序的方法克服了梯度偏差,进而有效解决了预测偏移问题,增强了泛化能力,很大程度上能够防止过拟合现象的发生。catboost 算法已经在水深水质遥测9-10等方面得到应用,且
13、在效果上较同类算法更优。需要说明的是,毁伤涉及多学科内容,精确估计需要进行数值建模,本文的重点在于运用毁伤数据的过程方法,对于算法的具体优劣不在此论述。在薛富格等:一种基于毁伤数据的弹目匹配方法910853(总第 48-)火 力 与 指 挥 控 制2023 年第 5 期现实,收集到的目标信息多有缺失。catboost 算法处理缺失值的方式,是将缺失的值按照最大值或最小值进行赋值,对毁伤范围求解来说不希望一项数据有过大的偏差,一些毁伤元毁伤目标的经验公式也需要目标的具体信息。为保证数据的完整性与合理性,缺失的数据可采用预先设定标准值的方式来进行补全。2.2匹配模型弹目匹配模型如图 2 所示,通过
14、给已有成果(计算公式、经验值、案例)或 catboost 模型输入目标各部件信息,得到毁伤目标的各部分的毁伤元数值,结合部件重要程度和弹种的毁伤能力,评价模型完成对弹种的选择。采用综合打分的方法对弹种的威力满足目标弹目匹配模型中,catboost 主要用来处理没有经验公式,但有部分相关毁伤信息的目标。用 catboost 对收集的建筑物类别数据进行单独训练中,目标各属性的重要程度分布如图 1 所示。宽度与厚度数据高度重合,厚度对抗冲击能力显然有着较大的贡献;一定条件下,高度越高,重心越高,抗冲击能力越差;在目标内部爆炸,冲击波的反射叠加作用会使目标受到的冲击作用高于毁伤空旷地区;部件当前状态与
15、受力情况等也会对结果产生影响。战场形式瞬息万变,及时详尽地了解目标不太图 1建筑物目标各属性重要程度Fig.1The importance of each attribute of the building target图 2弹目匹配模型Fig.2The model of projectile-target matching毁伤要求的能力进行评价,打分公式如式(1):G=ni=1viaiyi(1)G 为某个弹种的得分,n 为目标部件个数,vi为第 i 个部件的重要程度或价值,ai为部件毁伤程度权重,为便于计算,轻、中、重的权重分别取值为0.2、0.5、0.8,对于面目标与集群目标,采用式(2)
16、的方法确定。ai=0.2*S0.2+0.5*S0.5+0.8*S0.8(2)S0.2、S0.5和 S0.8分别为目标轻度、中度和重度毁伤面积与目标面积之比。yi为弹种毁伤元满足强度要求的可能性,以弹种瞄准目标中心计算,计算公920854(总第 48-)式如式(3)与式(4)。yi=S(x,z)dxdz(3)(x,z)=12EdEfe-12(x2Ed2+z2Ef2)(4)S 当前弹药爆炸条件下各毁伤元综合后能够毁伤目标部件落点的面积,(x,z)是二维正态分布函数,Ed与 Ef分别为弹种的纵深与正面误差,两者相互独立。3模拟实验与结果分析3.1问题背景假设对已确定铁路桥目标,可用弹药有某型杀爆弹、
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