賈益寧，溫垚珂，董方棟，覃 彬，徐浩然，李子軒

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094； 2.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202； 3.中國兵器工業(yè)第208研究所， 北京 102202)

1 引言

人員目標(biāo)易損性是指在戰(zhàn)斗狀態(tài)下，人員目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)并受到攻擊進(jìn)而產(chǎn)生損傷的嚴(yán)重程度[1-2]。人員目標(biāo)易損性的研究在戰(zhàn)場人員傷情審查和救治、士兵失能評估、提高戰(zhàn)時的醫(yī)療資源利用率和后勤補(bǔ)給等方面有著重大意義[3-4]。隨著當(dāng)前武器裝備的發(fā)展，人員損傷的原因進(jìn)一步復(fù)雜化，侵徹傷、鈍擊傷、熱輻射損傷等損傷形式交叉融合，不僅使得人員易損性評估呈現(xiàn)出醫(yī)學(xué)、軍事、工程學(xué)、計算機(jī)等領(lǐng)域交叉融合的態(tài)勢，而且推動了基于實(shí)驗(yàn)方法的裝備及戰(zhàn)場人員SLV(survivability lethality vulnerability)分析向基于數(shù)據(jù)和智能化的方向發(fā)展。

國外的人員易損性評估技術(shù)研究起步較早[5-6]，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室 (army research laboratory,ARL)在20世紀(jì)90年代起著手開發(fā)了以ComputerMan[3]為基礎(chǔ)，基于人體解剖結(jié)構(gòu)的ORCA評估軟件[7]，其以AIS為基礎(chǔ)給每種組織器官賦予損傷等級，采用MAIS(maximum ais)算法評估人體損傷情況(侵徹傷、鈍擊傷、熱燒傷、沖擊波傷和由定向能或有毒氣體造成的損傷)[8-14]。德國聯(lián)邦國防技術(shù)和采購辦公室 (bundesamtfür wehrtechnik und beschaffung,BWB)等部門組織開發(fā)的VeMo-S (soldier vulnerability model)[15-16]和加拿大國防部開發(fā)的SLAMS(survivability and lethality assessment modelling software)等軟件[17-19]也具有和ORCA大致相同的功能。

我國在基于人體解剖結(jié)構(gòu)的人員易損性評估研究方面起步較晚，目前開發(fā)的軟件僅能對侵徹傷進(jìn)行模擬并評估其損傷嚴(yán)重程度[20-21]。易損性模型包含的解剖結(jié)構(gòu)數(shù)量與國外相比，還有較大差距。損傷模擬算法和易損性評估算法等還有較大的提升空間[22-23]。目前，美軍已經(jīng)開發(fā)了功能更為強(qiáng)大的評估軟件MUVES-S2，用于評估陸?？杖姷娜藛T易損性和各類武器裝備效能，ORCA軟件現(xiàn)在被作為該評估軟件的一個子模塊。

本文主要以美軍ORCA軟件為對象，從基于人體解剖結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建、易損性評估算法、軟件功能和應(yīng)用實(shí)例四個方面進(jìn)行綜述，以期為該領(lǐng)域研究人員提供參考，并吸引更多研究者從事該領(lǐng)域研究，共同促進(jìn)我國在該領(lǐng)域的研究不斷深入。

2 基于解剖結(jié)構(gòu)的人體易損性模型構(gòu)建

人體組織有多種類型，可粗略地分為上皮組織、結(jié)締組織、肌組織和神經(jīng)組織。以一種組織為主體，幾種組織有機(jī)地結(jié)合在一起，形成具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)的器官。組織或器官遭受損傷后人體相應(yīng)的功能就會受到影響。因此，要開展人員易損性評估，首先要建立具有人體解剖結(jié)構(gòu)的人體易損性模型，通過綜合分析組織器官的損傷來預(yù)測人員損傷，進(jìn)而評估作戰(zhàn)人員失能、武器彈藥殺傷效能和裝備防護(hù)性能[24-28]。

2.1 美國

20世紀(jì)70年代，美國彈道研究所 (ballistic research laboratory,BRL)率先開展了基于人體解剖結(jié)構(gòu)的輕武器終點(diǎn)效應(yīng)評估技術(shù)研究。其以某成年男子身體的108層橫斷面圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，識別了組成人體的297種主要解剖結(jié)構(gòu)。隨后將每層圖像分為5mm×5mm的單元，利用單元塊代表組織器官，重構(gòu)出了人體模型。BRL邀請醫(yī)學(xué)專家以打分的方式為每種組織或器官賦予一個損傷等級，將其作為評估人體損傷嚴(yán)重程度的基礎(chǔ)。同時結(jié)合作戰(zhàn)任務(wù)給每個單元賦予一個失能等級，用以評估人員在受傷后的失能情況[9-12]。將上述功能整合后，BRL開發(fā)了計算機(jī)評估程序Computer Man[11]。以Computer Man程序?yàn)榛A(chǔ)，美國ARL開發(fā)了ORCA軟件，該軟件的人員易損性模型包含473種人體解剖結(jié)構(gòu)，具有四種不同姿態(tài)(站、坐、蹲、臥)，可用于多種戰(zhàn)斗場景下的人員易損性評估(見圖1)[13]。

圖1 ORCA評估模型

為了進(jìn)一步提高人體易損性模型的精度，為可交互功能的研發(fā)做鋪墊，Eisler等[29]開發(fā)了Mrcman模型和多變量調(diào)節(jié)模塊。模型源于NIH(national institutes of health)的高分辨率人體模型數(shù)據(jù)庫。Mrcman模型包含超過1 867個分辨率達(dá)到0.33 mm的人體剖面圖像(見圖2)[29]，具有精度高，關(guān)節(jié)可移動等優(yōu)點(diǎn)。多變量調(diào)節(jié)模塊可對Mrcman模型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(調(diào)整年齡、體重、肥胖程度等)，得到研究所需的人體易損性模型。

圖2 GSM 數(shù)據(jù)庫的切片

2.2 德國

德國VeMo-S軟件中人體易損性模型的構(gòu)建方法與ORCA軟件有所不同，VeMo-S中的模型數(shù)據(jù)并非來源于某個特定的人體。其是由一些簡單幾何形狀生成的近似人體結(jié)構(gòu)的幾何模型(見圖3)，模型中的組織器官的尺寸和位置與實(shí)際人體對應(yīng)[15]。VeMo-S大約包含400個人體解剖結(jié)構(gòu)，對每個結(jié)構(gòu)的失能范圍都做了界定。模型的主要作用是計算人體內(nèi)部的彈道數(shù)據(jù)和傷道特征，將其與已知的損傷情況作比較，從而判斷失能情況。

圖3 VeMo-S人體結(jié)構(gòu)

2.3 加拿大

加拿大SLAMS評估軟件中人體易損性模型源于Zygote公司開發(fā)的高精度三維人體解剖模型V-Man(見圖4)[19]。V-Man模型包含骨骼、皮膚、肌肉、心血管器官、生殖器官、呼吸器官、內(nèi)臟器官、感覺器官、腦和神經(jīng)器官等組織器官，均單獨(dú)建模，可獨(dú)立使用。

SLAMS評估軟件在預(yù)測損傷時，會綜合考慮人體受傷后免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等身體系統(tǒng)產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)對士兵作戰(zhàn)能力的影響。

2.4 中國

國內(nèi)較為完整的基于人體解剖結(jié)構(gòu)的人體易損性模型是由張金洋[30]基于中國可視化人體數(shù)據(jù)集 CVH(chinese visible human)[18]開發(fā)的。CVH數(shù)據(jù)集與美國VHP(visible human project)數(shù)據(jù)集相比，數(shù)據(jù)更為完整，分辨率更高，且尸體為第50百分位的標(biāo)準(zhǔn)中國人體，具有代表性[18]。張金洋等將數(shù)據(jù)集中的877張圖片利用軟件進(jìn)行處理(提取、分割、灰度處理)，得到了包含123種人體組織器官的組織代碼表。隨后采用邊長2 mm的立方體將組織器官進(jìn)行重構(gòu)，得到了由650多萬體素單元組成的人體易損性模型。近期，鄭浩[31]對該模型的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)化，使識別的組織器官數(shù)量增加到405種。同時，在此模型的基礎(chǔ)上增加了防彈衣和防彈頭盔，用于評估有防護(hù)人體的損傷(見圖5)。

圖4 ZygoteTM人體模型

圖5 穿戴防護(hù)裝備的人員易損性模型

3 評估算法

3.1 傷道構(gòu)建

精準(zhǔn)的傷道是獲取正確損傷評估結(jié)果的基礎(chǔ)。人體由骨骼、肌肉、脂肪等具有不同力學(xué)特性的材料構(gòu)成。槍彈等殺傷元經(jīng)過不同的組織時，其受到的阻力和形成的空腔是不同的。美軍將人體組織按照軟硬程度分為9類，通過彈道試驗(yàn)獲得每類組織的阻力系數(shù)，進(jìn)而建立經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測組織在遭受打擊時的力學(xué)響應(yīng)[22]。20世紀(jì)50年代美軍進(jìn)行了大量的動物和尸體損傷試驗(yàn)，為建立準(zhǔn)確有效的評估模型和人員易損性研究提供了大量數(shù)據(jù)支撐。后來Kokinakis等[32]根據(jù)一個標(biāo)準(zhǔn)人體樣本，建立了Computer Man使用的首個人體解剖圖譜。在此基礎(chǔ)上，Kokinakis等定義了射擊跡線(Shot Line)(破片穿過身體時的彈道線)。利用考慮組織差異的空腔尺寸公式，可以得到射擊跡線經(jīng)過的不同組織的空腔大小(見圖6)。

圖6 射擊跡線

為了將破片質(zhì)量、侵徹速度與空腔大小聯(lián)系起來，美軍做了大量動物實(shí)驗(yàn)，得到了破片侵徹不同組織時侵徹深度與速度的關(guān)系(見圖7)，結(jié)合破片在不同組織中的速度衰減表，可以得到空腔尺寸模型[22]。

圖7 ComputerMan數(shù)據(jù)庫中鋼球速度隨侵徹深度 在不同組織中的對應(yīng)關(guān)系

德國VeMo-S評估軟件采用槍彈對膠泥射擊后形成的永久空腔作為人體易損性模型中對應(yīng)的傷道[16]。加拿大SLAMS程序基于經(jīng)驗(yàn)公式估算殺傷元的終點(diǎn)效應(yīng)，其采用的算法尚未見公開報道。目前國內(nèi)的傷道構(gòu)建還停留在利用投影法進(jìn)行傷道映射的階段，沒有充分考慮組織力學(xué)性能差異，特別是骨骼對傷道形態(tài)的影響。如南京理工大學(xué)開發(fā)的人員易損性評估軟件，基于試驗(yàn)和數(shù)值仿真方法，獲取殺傷元在10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的彈道明膠中侵徹產(chǎn)生的最大瞬時空腔，然后映射到人員易損性模型中作為傷道。

3.2 基于AIS的損傷評估

AIS評分是以解剖學(xué)為基礎(chǔ)的、一致認(rèn)同、全球通用的損傷嚴(yán)重度評分方法[33]。AIS依據(jù)組織受傷的程度描述傷害的影響，并且依據(jù)對生命的威脅程度概括地規(guī)定了嚴(yán)重程度[30,34-35]。AIS評分法最早應(yīng)用于對交通事故中人員損傷的評估，后來逐漸完善為評估各類常見外因?qū)е碌娜梭w解剖結(jié)構(gòu)損傷。隨著AIS發(fā)展的成熟，它被認(rèn)為是鈍擊傷和侵徹傷的最佳創(chuàng)傷編碼方案。AIS標(biāo)準(zhǔn)中的每個六位數(shù)字代碼都與一個第七位的數(shù)字相結(jié)合，第七位數(shù)字代表著傷害嚴(yán)重程度的分級(見圖8)。損傷嚴(yán)重程度被分為6個等級，分別代表輕度、中度、嚴(yán)重、危險、危急、致命[36]。

圖8 AIS損傷編碼

為了獲得更準(zhǔn)確的評估結(jié)果，美軍專門成立了AIS評分工作組，在統(tǒng)計了越戰(zhàn)后期至今的近萬例創(chuàng)傷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，專門制訂了軍用版的簡明損傷定級標(biāo)準(zhǔn)AIS-2005-MIL[34]。該版本著重對槍彈和破片造成的侵徹傷、鈍擊傷、爆炸傷等進(jìn)行了編碼，對356種損傷嚴(yán)重度的描述做出修改，將92%的損傷嚴(yán)重度級別提高1級[37]。美軍在開發(fā)ORCA軟件時，以AIS-2005-MIL為基礎(chǔ)給每種組織器官賦予損傷等級，并采用MAIS算法評估人體的損傷嚴(yán)重程度。MAIS 算法的原理是取所有損傷結(jié)構(gòu)中AIS分值最大的值作為人體損傷嚴(yán)重度的度量，因此MAIS的取值范圍與AIS相同。

加拿大SLAMS軟件和我國南京理工大學(xué)開發(fā)的人員易損性軟件則采用基于AIS的NISS算法[19,30-31,38]來評估人體的損傷嚴(yán)重度。NISS評估算法對3個評分最高的解剖結(jié)構(gòu)的AIS分值進(jìn)行平方和計算，以其作為指標(biāo)來評估人員的受傷嚴(yán)重程度。NISS≤16為輕傷，1650為致命傷[39]。

3.3 基于作戰(zhàn)任務(wù)的失能評估

損傷評估是評判殺傷元造成的創(chuàng)傷對作戰(zhàn)人員生命的威脅程度。失能評估則是評判作戰(zhàn)人員受傷后是否具有繼續(xù)執(zhí)行既定戰(zhàn)斗任務(wù)的能力(見圖9)。一般可將作戰(zhàn)任務(wù)粗略的分為進(jìn)攻、防御、準(zhǔn)備和后勤四大類。

早期戰(zhàn)場人員失能評估被簡單地認(rèn)為評判其在規(guī)定時間內(nèi)能否完成規(guī)定作戰(zhàn)任務(wù)，即：30 s防御、30 s進(jìn)攻、5 min進(jìn)攻和12 h補(bǔ)給。后來，研究人員將完全失能(死亡)加入評估標(biāo)準(zhǔn)。ORCA將人體失能分為七大類24種情況，分別針對上百種戰(zhàn)場任務(wù)，定義了完成任務(wù)所必須具備的能力。人體損傷后相關(guān)能力評分就會下降，通過對比最低任務(wù)需求分?jǐn)?shù)，可評估出戰(zhàn)場人員失能情況[14]。

圖9 失能評估過程

ORCA軟件在開發(fā)中邀請大量醫(yī)學(xué)專家，依靠其對人體的了解和豐富的醫(yī)療經(jīng)驗(yàn)分析損傷對士兵執(zhí)行任務(wù)能力的影響，發(fā)現(xiàn)人員失能情況與四肢損傷有明顯的相關(guān)性[40-42]。由此定義了16種傷殘等級功能簇 (functional group,FG)，并建立了人體主要臟器損傷與FG之間的關(guān)聯(lián)、空腔大小與損傷等級之間的關(guān)聯(lián)(見表1)，從而實(shí)現(xiàn)利用FG對士兵進(jìn)行SLV分析。

表1 損傷等級與空腔尺寸Table 1 Damage grade and cavity size

ORCA的特點(diǎn)之一是利用ECV將各類損傷與士兵執(zhí)行任務(wù)的能力相關(guān)聯(lián)，并利用ECV表示人體能力退化程度[43](見圖10)。ECV共有24個基本能力要素，分為七大類：視覺、聽覺、觸覺、知覺、認(rèn)知能力、語言能力、力量、耐力和靈活性。利用ECV將士兵受傷后的剩余能力與執(zhí)行任務(wù)所需能力進(jìn)行比較來判斷其能否繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)[44]。

圖10 基本能力向量

3.4 彈藥殺傷效能評估

彈藥殺傷效能評估對彈藥論證和研制具有重要意義。一般而言彈藥殺傷效能既取決于設(shè)計特性(質(zhì)量、速度、變形能力等)、彈著點(diǎn)和傷道路徑的影響，同時也受傷者的精神狀態(tài)和身體素質(zhì)水平的影響。但是精神狀態(tài)和身體素質(zhì)水平難以量化評估，目前應(yīng)用較少。

Dziemian等[45]認(rèn)為殺傷元在明膠靶中侵徹深度在 1～15 cm 間所傳遞的能量與隨機(jī)命中人體時使步兵失能的概率是相關(guān)的，并由此提出了隨機(jī)命中時士兵失能的概率公式(PI/H)。美國的ORCA軟件以PI/H為基礎(chǔ)，利用Sperrazza等[32]提出的A-S準(zhǔn)則對槍彈殺傷效能進(jìn)行評估。后來，Sturdivan[46]改良了測量明膠中能量傳遞的方法，將PI/H公式進(jìn)一步完善，提出了EKE 函數(shù)。

國內(nèi)在彈藥殺傷效能評估方面也進(jìn)行了很多研究。張正飛[47]將人體解剖部位、受彈面積、人體暴露的非均勻性、人員戰(zhàn)斗動作、槍彈彈著點(diǎn)、失能時間等因素進(jìn)行綜合考慮，以進(jìn)攻和防御2種戰(zhàn)斗任務(wù)為基礎(chǔ)建立了人員易損性模型，進(jìn)而得到了小質(zhì)量鋼制破片對人員的殺傷判據(jù)。劉蘇蘇[23]利用張金洋開發(fā)的人員易損性模型，開展了槍彈殺傷效能評估研究。槍彈殺傷效能評估的基本原理是采用NISS損傷評分，對人體創(chuàng)傷程度進(jìn)行評估，基于蒙特卡羅法進(jìn)行多次仿真直至損傷結(jié)果相對穩(wěn)定后，取平均值與基準(zhǔn)比值作為該殺傷元對機(jī)體的相對殺傷效能指數(shù)REI(relative effectiveness index)，其評估原理圖如圖11所示。

圖11 基于體素模型的彈藥殺傷效能評估原理

3.5 防護(hù)裝備效能評估

Eberius等[34]采用Muves-S2軟件對防彈衣的防護(hù)效能進(jìn)行分析,步驟如圖12所示。Eberius等使用高精度掃描裝置對穿著防彈衣的士兵進(jìn)行掃描，得到了防彈衣和人體的配合關(guān)系。接著對防彈衣的性能和邊緣防護(hù)性能進(jìn)行測試，并對損傷特征進(jìn)行建模。最后利用Muves-S2軟件比較了某槍彈射擊有防護(hù)人體模型與無防護(hù)人體模型時造成的MAIS>3的損傷比例，以此評估防彈衣的防護(hù)效能。

圖12 防彈衣分析過程

同時，Eberius等[34]利用AoC(area of coverage)和AoP(area of protection)對防彈衣防護(hù)能力(槍彈和爆炸沖擊波)進(jìn)行分析。其中，槍彈分析主要考慮的是武器命中率的影響。爆炸分析分為破片分析和沖擊波分析兩類。破片分析主要考慮破片類型和命中率，沖擊波分析的主要目標(biāo)是得到?jīng)_擊波的有效殺傷范圍。

4 美軍ORCA軟件功能

ORCA利用美軍收集的可使人員受到生命威脅的因素(沖擊波、槍彈和破片、有毒制劑、熱能、激光等)計算潛在威脅對人員造成的損傷。對每種損傷類型均開發(fā)了相應(yīng)的評估程序(見表2)。Creech[49]對Alpha+版本中各評估模塊做了詳細(xì)介紹。

表2 ORCA損傷評估模塊Table 2 ORCA Damage assessment module

在ORCA軟件中，當(dāng)用戶進(jìn)行人員損傷評估時，首先應(yīng)確定當(dāng)前的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)和人員特征。接著計算人體各個組織器官的損傷情況。然后對受傷后的士兵進(jìn)行ECV分析，評估其能否繼續(xù)完成任務(wù)。同時，用戶也可以利用人員損傷評估結(jié)果對武器殺傷效能、裝備防護(hù)性能、士兵生存能力和戰(zhàn)傷救治情況等進(jìn)行分析(見圖13)。

圖13 ORCA方法

4.1 侵徹傷模塊

在ORCA軟件中，功能最完善的評估模塊是侵徹傷評估模塊。軟件可以利用射擊跡線模擬任意方向的侵徹傷和多發(fā)槍彈擊中的情況，進(jìn)而得到人員失能情況。

侵徹傷輸入界面如圖14所示[14]。用戶可修改殺傷元的部分特征參量(質(zhì)量、形狀、材質(zhì)等)、侵徹速度、入射角度和身體姿態(tài)(站姿、臥姿)等。

圖14 侵徹模塊輸入界面

輸出窗口如圖15所示。損傷列表給出了每個受影響的OBC(ORCA body components)及整體損傷情況。具體包括傷者個人信息、受損器官、傷口大小、失血率、休克情況、AIS嚴(yán)重度評分等。

圖15 損傷結(jié)果界面

4.2 爆炸傷模塊

ORCA軟件中使用里德陸軍研究所 (walter-reed army institute of research，WRAIR)開發(fā)的肺部損傷模型(INJURY)和耳部損傷模型(price ear model)來評估爆炸傷的影響。此模塊的輸入?yún)⒘堪ū_擊波類型(Friedlander波、三角波和自定義波形)和爆源位置(與人體的相對位置)。評估結(jié)果包括損傷嚴(yán)重度評分和士兵受傷后的呼吸能力退化程度。

4.3 熱損傷模塊

ORCA軟件中使用Knox博士和美國陸軍航空醫(yī)學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室 (United States Army Aeromedical Research Laboratory，USAARL)開發(fā)的Burnsim模型來評估熱損傷對人的影響[50]。Burnsim模型在表皮和脂肪層之間存在多個評估節(jié)點(diǎn)，可以綜合考慮體表毛發(fā)疏密和血液循環(huán)降溫等情況，預(yù)測不同體質(zhì)、不同膚色和不同環(huán)境濕度時的燒傷情況。

模塊使用時需提供皮膚的熱擴(kuò)散系數(shù)、暴露面積和暴露時間。Burnsim模型將人體表面細(xì)分為手、肘、膝、腳和腳踝、腳底、外耳、眼眶、頭皮等區(qū)域。模塊計算完成后會輸出每個損傷區(qū)域上各評估節(jié)點(diǎn)的損傷嚴(yán)重度。

4.4 有毒氣體污染

ORCA軟件中利用ARL開發(fā)的化學(xué)人體易損性模型(chemicalman)評估有毒氣體的影響。模型在使用時需要輸入接觸時間、毒氣濃度和成分，傷者體重和呼吸頻率等參數(shù)。該模塊目前僅支持評估軍用毒氣對人體造成的影響。

評估結(jié)果以彩色人體組織圖像為主，包括受到影響的組織器官圖形(神經(jīng)、視覺系統(tǒng)、心血管、內(nèi)臟和軀干)和損傷嚴(yán)重度評分，并給出士兵中毒狀態(tài)隨時間的變化情況。

4.5 定向能損傷模塊

定向能(激光)照射會導(dǎo)致眼睛受損，產(chǎn)生失明等癥狀。ORCA軟件中利用該模塊評估定向能對眼睛的損害。

評估時需要提供激光的類型和特性(波長、強(qiáng)度、持續(xù)時間等)、士兵眼部情況等初始參數(shù)。

評估完成后，模塊將結(jié)果以報告的形式輸出，報告包括初始參數(shù)、眼部損傷情況、剩余可視角度和視力恢復(fù)所需時間等。

4.6 加速度損傷模塊

該模塊用于評估速度突變對人體的影響。Litt[51]將加速度響應(yīng)研究中使用的Amanda模型納入了ORCA軟件中。使用該模塊時，需要先獲取加速度數(shù)據(jù)，單位為G(1G=32.2 ft/s2)。

目前，Amanda模型需要結(jié)合損傷閾值才能確定損傷程度。Litt[51]認(rèn)為最好將Amanda模型預(yù)測的損傷情況映射到ECV中，通過在軟件中應(yīng)用損傷閾值算法直接得到損傷程度，以便進(jìn)行失能評估。

5 ORCA軟件的應(yīng)用

自1998年以來，ORCA軟件在人員易損性及武器裝備效能評估等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，美國各界對ORCA軟件的功能也在持續(xù)不斷地改進(jìn)與完善。Eberius等[34]通過改進(jìn)MUVES-S2 軟件，使其可對有防護(hù)人員進(jìn)行SLV分析。Shewchenko[19]總結(jié)了損傷排序方法并指出了該方法的局限性，提出一種用于有防護(hù)人體的損傷評估模型。Kulaga等[48]利用ORCA軟件驗(yàn)證了一種用于創(chuàng)建目標(biāo)幾何體的新技術(shù)，該技術(shù)提高了防護(hù)裝備與人體模型的配合精度。Frounfelker等介紹了美國陸軍研究所通過MUVES-S2軟件模擬和評估在城市環(huán)境的軍事行動中，主動防御系統(tǒng) (active protection systems，APS)對一定范圍內(nèi)的人員造成的損傷。Richter[14]對比了目前用于評估航彈作戰(zhàn)效能有效性的方法，提出利用這些方法可以提高ORCA軟件分析航彈殺傷效能的能力。Owen[8]開發(fā)了基于ORCA軟件的爆炸傷仿真和計算模塊，并對相關(guān)模型和UI進(jìn)行更改，用新模塊計算肺部損傷[52]和BOP(blast overpressure)致死概率，計算結(jié)果與INJURY模型的計算結(jié)果較為吻合。Swoboda等[53]研究手和眼睛受傷后對射擊能力的影響，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于ORCA軟件中對基于作戰(zhàn)任務(wù)的人員失能程度的數(shù)據(jù)采集。Auten等[54]提出在現(xiàn)有傷道重構(gòu)方法中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)篩選以提高模型精度。

以乘坐裝甲車的3名士兵遭受反坦克地雷攻擊為例，美軍采用MUVES-S2軟件結(jié)合ORCA模塊開展了車輛和車內(nèi)人員易損性評估。針對車輛及武器，獲得了彈藥剩余穿深、侵徹速度、剩余系統(tǒng)效用等數(shù)據(jù)。針對車內(nèi)人員，獲得了破片命中部位、受損的組織、MAIS評分和角色(駕駛員、裝填手、炮手)失能情況[55](見圖16)。其中，角色失能利用WTAI(weighted task average impairment) 評估。WTAI將任務(wù)所需能力和人體損傷程度綜合，通過計算損傷后執(zhí)行任務(wù)能力的平均減少值得到平均損傷程度。

圖16 不同人員關(guān)鍵度和損傷評分

Eberius等[34,56-57]提出利用MUVES-S2軟件對炸彈毀傷范圍、人員失能概率和武器殺傷效能進(jìn)行分析。將破片的數(shù)量、質(zhì)量、速度和擴(kuò)散面等參數(shù)輸入軟件，設(shè)定起爆點(diǎn)和破片命中率后，利用ORCA軟件中的評估模型對其進(jìn)行SLV分析。

炸彈殺傷范圍(見圖17)是通過構(gòu)造目標(biāo)矩陣并對矩陣內(nèi)每個目標(biāo)進(jìn)行毀傷評估能夠得到炸彈殺傷范圍[56]。通過改變破片參數(shù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)可以得到具有統(tǒng)計意義的殺傷范圍。當(dāng)改變目標(biāo)參數(shù)時，可得到破片對各類目標(biāo)(載具、車內(nèi)外士兵等)的毀傷情況。

圖17 針對步兵方陣某炸彈的MAIS損傷圖

以士兵為評估對象時，MUVES-S2可以顯示當(dāng)前網(wǎng)格點(diǎn)(士兵)的MAIS評分并顯示破片軌跡和造成的損傷[56]。為了更直觀地顯示損傷情況，模型的MAIS評分按嚴(yán)重程度以不同顏色區(qū)分。該功能同樣適用于載具和防護(hù)裝備，可以評估其防護(hù)能力。

圖18 MAIS 等值損傷圖

ARL、SLAD(Survivability/Lethality Analysis Directorate)和ASC/ENDA(The U.S.Air Force Aeronautical Systems Center Engineering Directorate)在2000年后聯(lián)合開展了關(guān)于乘員與飛行器關(guān)聯(lián)的易損性研究[58]。其模擬一架載有40名士兵和4名機(jī)組乘員的運(yùn)輸機(jī)(見圖19)，利用Pilot Survey和Computer Man兩種模型對上述模擬案例進(jìn)行分析。

圖19 飛行模擬實(shí)驗(yàn)

在Pilot Survey模型中，通過針對機(jī)組成員進(jìn)行評估，預(yù)測其在承受不同損傷情況下繼續(xù)駕駛飛行器的能力。在Computer Man模型中，將整個模型分為81個功能區(qū)，對每個功能區(qū)進(jìn)行判斷(完好、部分損壞、全部損壞)，并利用ECV對機(jī)內(nèi)乘員進(jìn)行分析。評估乘員時，規(guī)定任務(wù)過程中剩余能力應(yīng)大于任務(wù)要求，機(jī)組人員或作戰(zhàn)士兵損傷達(dá)到(嚴(yán)重)時任務(wù)中止。

6 結(jié)論

本文從人員易損性模型、評估算法等方面出發(fā)，結(jié)合美國ORCA軟件，對目前人員易損性技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行了綜述。

1) 分析了美國、德國、加拿大和我國構(gòu)建的基于人體解剖結(jié)構(gòu)的人體易損性模型的異同，指出了我國當(dāng)前人體易損性模型存在的優(yōu)勢和不足，可為人體易損性模型構(gòu)建提供參考。

2) 目前國內(nèi)仍停留在利用投影法或能量法進(jìn)行傷道重建的階段，沒有充分考慮人體組織的力學(xué)性能差異，特別是骨骼對傷道形態(tài)的影響。針對此問題，一方面需要系統(tǒng)的開展各類軟組織和硬組織的力學(xué)特性測試和非均質(zhì)靶標(biāo)彈道侵徹試驗(yàn)；另一方面要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)等計算機(jī)技術(shù)來提高對復(fù)雜傷道的構(gòu)建精度。

3) 當(dāng)前采用的基于AIS的損傷評分體系無法考慮損傷造成的人體生理變化及其對人員失能的影響，需在后續(xù)研究中建立更加全面可靠的戰(zhàn)創(chuàng)傷評分體系。

4) 介紹了美軍ORCA軟件的典型損傷模塊，并給出了其在裝甲車內(nèi)人員易損性評估、彈藥戰(zhàn)斗部威力評估和飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)人員失能評估等軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，可為國內(nèi)相關(guān)研究提供參考。

5) 人員易損性研究具有多學(xué)科交叉融合的特性，需要武器、工程、醫(yī)學(xué)和計算機(jī)等各個領(lǐng)域的研究人員相互配合。希望本綜述能吸引更多研究者了解和從事人員易損性評估技術(shù)研究，共同促進(jìn)我國在該領(lǐng)域研究不斷深入。