一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法

摘要

本发明涉及爆炸作用下的毁伤测试与评估技术领域，尤其涉及一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，包括以下步骤：(1)建立云爆弹作用下的密闭/半密闭空间的基于串并联网络人员损伤效应模型；(2)根据各毁伤元对人体各个关键部件毁伤能力，结合人员防护能力、周边环境、姿态、体重、身高、性别、人种等参数综合计算得出不同参数对不同关键部件的毁伤评分的权重因子。本发明将毁伤元、毁伤准则、损伤程度三者相互关联起来，完成了损伤评估从单一毁伤元对将人体作为单一目标向多元多部位综合评估的转变，可用于爆炸环境下多毁伤元多弹作用下的人员损伤的准确评估。

权利要求

1.一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、建立云爆弹作用下的密闭/半密闭空间的基于串并联网络人员损伤效应模型，以爆炸场高温、冲击波、冲击振动、破片作为载荷输入，将人员等效为由头、躯干、四肢关键部位组成的电气串并联网络模型，分别考虑各毁伤元对人体不同部位的损伤及其传导作用；

步骤2、根据各毁伤元对人体各个关键部件毁伤能力，结合人员防护能力、周边环境、姿态、体重、身高、性别、人种参数综合计算得出不同参数对不同关键部件的毁伤评分的权重因子；

步骤3、对人体各个关键部件，采用分区编码方式，采用不同的编码表征关键部件的不同区域，并根据该区域受损导致人体损伤程度，确定其关键部件中的权重因子；

步骤4、将爆炸毁伤元分为高温、冲击波、冲击振动毁伤元，然后分别评估各毁伤元对人体某一部位的损伤情况，并将损伤评估结果转化为ASII评分；

步骤5、将冲击波、冲击振动、温度的ASII评分依据权重因子进行累加，即可得出爆炸场下各类毁伤元对作战人员损伤的综合评分ASII；

步骤6、针对多发云爆弹作用下人员损伤状态进行评估时，根据多发云爆弹作用间隔时间t对综合评分ASII进行修正；

在步骤6中，修正方式为：

式中，ASII‑IIn为n发云爆弹作用下作战人员综合损伤评估结果的ASII评分；ASIIn为第n发云爆弹作用下作战人员综合损伤评估结果的ASII评分；ti为第i发云爆弹与第i+1发云爆弹作用的间隔时间；α、β为常数；

步骤7、爆炸完成后，通过检靶和测试数据对测试结果进行修正；

步骤8、根据ASII综合损伤评分，查表即可完成对战场人员的生存力水平进行综合评定，评估出人员的综合损伤程度。

2.根据权利要求1所述的一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，其特征在于，在步骤

2中，毁伤评分的权重因子的计算方法为：

式中，Qi为对应单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分的权重因子；ki,j为对应权重因子的参数；其中，ki,1：作战人员防护能力修正参数；ki,2：周边环境修正参数；ki,3：作战人员姿态修正参数；ki,4：作战人员身高修正参数；ki,5：作战人员体重修正参数；ki,6：作战人员性别修正参数；ki,7：作战人员人种修正参数。

3.根据权利要求2所述的一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，其特征在于，在步骤

3中，关键部件中的权重因子的计算公式为：

Qi'＝li×Qi

式中，Qi'为考虑人体不同区域受损对人体整体受损程度后的权重因子；Qi为对应单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分的权重因子；li为人体不同区域。

4.根据权利要求3所述的一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，其特征在于，在步骤

5中，各类毁伤元对作战人员损伤的综合评分ASII的计算公式为：式中，ASII为综合损伤评估结果的ASII评分；Ai为单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分；Qi'为考虑人体不同区域受损对人体整体受损程度后的权重因子。

5.根据权利要求1所述的一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，其特征在于，在步骤

7中，包括根据测试数据对权重因子进行修正以及根据测试后对人形靶的检靶结果对各个毁伤元测试数据的修正；

其中，根据测试数据对权重因子进行修正的计算方法为：

Qi"＝mi×Qi'

式中，Qi"为根据测试数据修正后的权重因子；Qi'为考虑人体不同区域受损对人体整体受损程度后的权重因子；mi为修正系数，由测试数据决定；

其中，根据测试后对人形靶的检靶结果对各个毁伤元测试数据的修正通过测试后人形靶的损坏程度对测试结果进行补充修正。

说明书

一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及爆炸作用下的毁伤测试与评估技术领域，尤其涉及一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法。

背景技术

[0002] 爆炸是弹药对人员、设备和防护工事造成损伤和破坏效应的主要因素。常规的武器弹药如杀爆弹主要通过爆炸产生的破片和冲击波达到对人员、设备和防护工事的毁伤效果，因此，目前的弹药毁伤领域，多是针对破片与冲击波开展研究。云爆弹(Fuel Air Explosive，简称FAE)作为一种新型燃料空气弹药，爆炸时战斗部装填的燃料与空气发生剧烈的燃烧爆炸反应，产生的高压高温环境会对人员、设备和防护工事造成损伤和破坏效应，云爆弹的威力场研究、爆炸防护以及目标毁伤状态评估都需要准确可靠的测试数据，爆炸环境下人员损伤参数测试在民爆和军工领域有着不可或缺的作用。

[0003] 衡量面向爆炸时人员受到的损伤效果是一个非常复杂的问题。在实际的爆炸环境下人员并非仅受到一种毁伤元造成的毁伤效果，且每种毁伤元对于人员的各个部位有不同的毁伤效果，为定量评估人员的损伤情况，美军Walter Reed研究所和Lovelace生物医学与环境研究所研发了爆炸伤病理学评分方法。采用该评分系统，生物的各个器官在战场中收到的包括继发性投射物(破片、射流、冲击波)或其他因素引起的各种损害可以用损伤分值来表示。

[0004] 但是，现有的ASII‑II方法仅仅而且只考虑破片和冲击波对人员损伤状态的影响，并在冲击波损伤研究时仅仅将人员作为一个整体来考虑。而AEP55多针对于爆炸环境下车辆内部乘员进行评估，主要考虑的毁伤元为破片、冲击振动、冲击波等，对于温度造成的人体毁伤没有过多的研究。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，实现对面向爆炸的人员多参数损伤状态进行综合评估。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

[0007] 一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，具体步骤如下：

[0008] 步骤1、建立云爆弹作用下的密闭/半密闭空间的基于串并联网络人员损伤效应模型，以爆炸场高温、冲击波、冲击振动、破片作为载荷输入，将人员等效为由头、躯干、四肢关键部位组成的电气串并联网络模型，分别考虑各毁伤元对人体不同部位的损伤及其传导作用；

[0009] 步骤2、根据各毁伤元对人体各个关键部件毁伤能力，结合人员防护能力、周边环境(地面硬度)、姿态、体重、身高、性别、人种参数综合计算得出不同参数对不同关键部件的毁伤评分的权重因子；

[0010] 步骤3、对人体各个关键部件，采用分区编码方式，采用不同的编码表征关键部件的不同区域，并根据该区域受损导致人体损伤程度，确定其关键部件中的权重因子；

[0011] 步骤4、将爆炸毁伤元分为高温、冲击波、冲击振动毁伤元，然后分别评估各毁伤元对人体某一部位的损伤情况，并将损伤评估结果转化为ASII评分；

[0012] 步骤5、将冲击波、冲击振动、温度的ASII评分依据权重因子进行累加，即可得出爆炸场下各类毁伤元对作战人员损伤的综合评分ASII；

[0013] 步骤6、针对多发云爆弹作用下人员损伤状态进行评估时，根据多发云爆弹作用间隔时间t对综合评分ASII进行修正；

[0014] 步骤7、爆炸完成后，通过检靶和测试数据对测试结果进行修正；

[0015] 步骤8、根据ASII综合损伤评分，查表即可完成对战场人员的生存力水平进行综合评定，评估出人员的综合损伤程度。

[0016] 优选地，在步骤2中，毁伤评分的权重因子的计算方法为：

[0017]

[0018] 式中，Qi为对应单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分的权重因子；ki,j为对应权重因子的参数；其中，ki,1：作战人员防护能力修正参数；ki,2：周边环境修正参数；ki,3：作战人员姿态修正参数；ki,4：作战人员身高修正参数；ki,5：作战人员体重修正参数；ki,6：作战人员性别修正参数；ki,7：作战人员人种修正参数。

[0019] 优选地，在步骤3中，关键部件中的权重因子的计算公式为：

[0020] Qi'＝li×Qi

[0021] 式中，Qi'为考虑人体不同区域受损对人体整体受损程度后的权重因子；Qi为对应单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分的权重因子；li为人体不同区域。

[0022] 优选地，在步骤5中，各类毁伤元对作战人员损伤的综合评分ASII的计算公式为：

[0023]

[0024] 式中，ASII为综合损伤评估结果的ASII评分；Ai为单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分；Qi'为考虑人体不同区域受损对人体整体受损程度后的权重因子。

[0025] 优选地，在步骤6中，修正方式为：

[0026]

[0027] 式中，ASII‑IIn为n发云爆弹作用下作战人员综合损伤评估结果的ASII评分；ASIIn为第n发云爆弹作用下作战人员综合损伤评估结果的ASII评分；ti为第i发云爆弹与第i+1发云爆弹作用的间隔时间；α、β为常数。

[0028] 优选地，在步骤7中，包括根据测试数据对权重因子进行修正以及根据测试后对人形靶的检靶结果对各个毁伤元测试数据的修正；

[0029] 其中，根据测试数据对权重因子进行修正的计算方法为：

[0030] Qi"＝mi×Qi'

[0031] 式中，Qi"为根据测试数据修正后的权重因子；Qi'为考虑人体不同区域受损对人体整体受损程度后的权重因子；mi为修正系数，由测试数据决定；

[0032] 其中，根据测试后对人形靶的检靶结果对各个毁伤元测试数据的修正通过测试后人形靶的损坏程度对测试结果进行补充修正。

[0033] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0034] 本发明以爆炸场高温、冲击波、冲击振动、破片等作为载荷输入，将人员等效为由头、躯干、四肢等关键部位组成的串并联网络，分别考虑各毁伤元对人体不同部位的损伤及其传导作用，将毁伤元、毁伤准则、损伤程度三者相互关联起来，完成了损伤效应从单一毁伤元对单一人体向多个毁伤元多对分解为多个关键部位的人体的综合评估的转变，可用于爆炸环境下多毁伤元多弹作用下的人员损伤的准确评估。

附图说明

[0035] 图1为本发明的流程图；

[0036] 图2(a)是本发明中冲击波作用下胸部Axelsson损伤模型图；(b)是本发明中冲击振动作用下胸部人体脊椎机械模型图。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 如图1所示，一种面向爆炸的人员损伤测试评估方法，具体步骤如下：

[0039] 步骤1、建立云爆弹作用下的密闭/半密闭空间的基于串并联网络人员损伤效应模型，以爆炸场高温、冲击波、冲击振动、破片等作为载荷输入，将人员等效为由头、躯干、四肢关键部位组成的电气串并联网络模型，分别考虑各毁伤元对人体不同部位的损伤及其传导作用；这里将毁伤元、毁伤准则、损伤程度三者相互关联起来，完成了损伤效应从单一毁伤元对单一人体向多个毁伤元多对分解为多个关键部位的人体的综合评估的转变。

[0040] 步骤2、根据各毁伤元对人体各个关键部件毁伤能力，结合人员防护能力、周边环境(地面硬度)、姿态、体重、身高、性别、人种参数综合计算得出不同参数对不同关键部件的毁伤评分的权重因子：

[0041]

[0042] 式中，Qi为对应单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分的权重因子；ki,j为对应权重因子的参数；

[0043] 其中，ki,1：作战人员防护能力修正参数，依据作战人员在爆炸场作用时有无防护装备而定；ki,2：周边环境修正参数，依据作战人员所处的密闭/半密闭空间地形、材质而定；ki,3：作战人员姿态修正参数，依据作战人员在爆炸场作用时姿态而定；ki,4：作战人员身高修正参数；ki,5：作战人员体重修正参数；ki,6：作战人员性别修正参数；ki,7：作战人员人种修正参数。

[0044] 步骤3、对人体各个关键部件，采用分区编码方式，采用不同的编码表征关键部件的不同区域，并根据该区域受损导致人体损伤程度，确定其关键部件中的权重因子；

[0045] 其中，分区编码方式如表1所示，采用三位编码表征人体不同区域，第一位为“1”～“3”分辨表示人体的头部、躯干、四肢，后两位为“01”～“99”对人体各区域进行细分，并根据该区域受损导致人体整体损伤程度，确定其权重Qi'，计算公式为：

[0046] Qi'＝li×Qi (2)

[0047] 式中，Qi'为考虑人体不同区域受损对人体整体受损程度后的权重因子；Qi为对应单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分的权重因子；li为人体不同区域。

[0048] 表1人体不同区域编码

[0049]

[0050]

[0051] 步骤4、将爆炸毁伤元分为高温、冲击波、冲击振动毁伤元，然后分别评估各毁伤元对人体某一部位的损伤情况，并将损伤评估结果转化为ASII评分。

[0052] 人体胸部冲击波损伤模型采用综合Axelsson模型损伤判别准则，该模型可以对主要脏器损伤进行创伤评分。Axelsson损伤模型如图2(a)所示。

[0053] 单肺脏模型为：

[0054]

[0055] 式中，A为有效区域，m2；M为有效质量，kg；V为肺脏的初始体积，m3；x为位移，m；J为阻尼系数，Ns/m；K为弹簧系数，N/m；γ为肺部气体多变指数；P0为环境压力，kPa；P(t)为压力曲线，kPa。

[0056] 冲击波超压对主要脏器损伤的创伤评分计算公式为：

[0057] A1＝(0.124+0.117v)2.63  (4)

[0058] 式中，A1为冲击波作用于作战人员胸部的损伤评分；v为胸壁最大向内运动速度(m/s)，由式(3)求解得到。

[0059] 作战人员头部冲击波损伤压力对人员重伤判据和冲击波作用于作战人员头部的损伤评分A2如表2所示。

[0060] 表2头部损伤ASII评分

[0061]

[0062] 云爆弹作用下作战人员头部冲击振动损伤评估采用AEP‑55头部损伤标准(HIC)，头部损伤标准(HIC)是针对颅骨和大脑的损伤风险评估。HIC是头部加速度的积分最大值，其中相关时间的长度Δt_max，最大为15ms(HIC15)。

[0063] HIC的计算由下面给出：

[0064]

[0065] 式中，a是头部重力中心在g＝(9.81m/s2)条件下的合成加速度，t1和t2是事件发生阶段的两个时刻，HICΔt_max为最大值，其中时间t精确到s。

[0066] 结合ASII‑II综合评分规则，将北约标准AEP‑55中规定了人员在冲击振动下的毁伤等级进行归一化处理，得出作战人员头部在冲击振动下的ASII评分计算公式为：

[0067] A3＝3.6×a/250  (6)

[0068] 式中，A3为冲击振动作用于作战人员头部的损伤评分；a为a是头部重力中心在g＝2
(9.81m/s)条件下的合成加速度，由式(5)求解得到。

[0069] 动态响应指标(DRIz)被用于衡量胸腰脊椎骨骼轴向压缩的一个指标。针对脊椎移位，DRIz是一个无量纲的值。分析可以简化为二阶质量‑弹簧‑阻尼系统，如图2(b)所示。骨盆垂直加速度作为系统的输入，位移/挠度作为系统的输出。

[0070] 该模型的运动方程为：

[0071]

[0072] 垂直方向上的加速度

[0073] δ＝ξ1‑ξ2：系统位移，当δ＞0时为压缩量

[0074] 阻尼系数(0.224)

[0075] 角频率(52.9rad/s)

[0076] DRIz被认为是最大压缩量，由δmax，ωn和重力加速度g(9.81m/s2)给出:

[0077]

[0078] 结合ASII‑II综合评分规则，将北约标准AEP‑55中规定了作战人员在冲击振动下的毁伤等级进行归一化处理，得出作战人员在冲击振动下的ASII评分计算公式为：

[0079] A4＝3.6×DRIz/17.7 (9)

[0080] 式中，A4为冲击振动作用于作战人员头部的损伤评分；DRIz为最大压缩量，，由式(8)求解得到。

[0081] 云爆弹作用下作战人员温度损伤评估采用热剂量准则，热剂量Q为一定时间内单2
位面积上热通量的累积，单位为KJ/m，可表示为

[0082]

[0083] 式中，Cp(T)为比定压热容，ρ(T)为密度，v为热传播速度，T为温度。

[0084] 不同热剂量对应人员损伤等级如下表3所示，结合ASII‑II毁伤评分规则，将温度致人损伤的ASII评分方式进行归一拟合，获得云爆弹作用下温度作用于作战人员的ASII评分计算公式：

[0085] A5＝0.107e0.0108Q (11)

[0086] 式中，A5为温度作用于作战人员头部的损伤评分；e为自然对数；Q为热剂量，由式(10)求解得到。

[0087] 表3不同热剂量对应人员损伤等级及ASII‑II评分

[0088]

[0089]

[0090] 步骤5、将冲击波、冲击振动、温度的ASII评分依据权重因子进行累加，即可得出爆炸场下各类毁伤元对作战人员损伤的综合评分ASII；

[0091]

[0092] 式中，ASII为综合损伤评估结果的ASII评分，Ai为单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分，Qi为对应单个毁伤元对人体单个关键部位的损伤评分的权重因子。

[0093] 步骤6、针对多发云爆弹作用下人员损伤状态进行评估时，根据多发云爆弹作用间隔时间对综合评分进行修正，修正方式为：

[0094]

[0095] 式中，ASII‑IIn为n发云爆弹作用下作战人员综合损伤评估结果的ASII评分，ASIIn为第n发云爆弹作用下作战人员综合损伤评估结果的ASII评分，ti为第i发云爆弹与第i+1发云爆弹作用的间隔时间，α、β为常数。

[0096] 步骤7、爆炸完成后，通过检靶和测试数据对测试结果进行修正。这里主要包括根据测试数据对权重因子进行修正以及根据测试后对人形靶的检靶结果对各个毁伤元测试数据的修正。

[0097] 其中，根据测试数据对权重因子进行修正的计算方法为：

[0098] Qi"＝mi×Qi'  (14)

[0099] 式中，Qi"为根据测试数据修正后的权重因子；Qi'为考虑人体不同区域受损对人体整体受损程度后的权重因子；mi为修正系数，由测试数据决定。

[0100] 其中，根据测试后对人形靶的检靶结果对各个毁伤元测试数据的修正主要通过测试后人形靶的损坏程度对测试结果进行补充修正。

[0101] 步骤8、根据ASII综合损伤评分，查表即可完成对战场人员的生存力水平进行综合评定，评估出人员的综合损伤程度。其中，将作战人员损伤等级划分为6个等级进行表征：无损伤、轻微伤、轻伤、中度伤、重度伤和大于50％死亡等，人员生存力定性描述的损伤与人员损伤综合评分存在着对应关系，具体对应关系如表4所示。

[0102] 表4损伤水平所对应的ASII创伤评分

[0103]

[0104] 综上所述，本发明以爆炸场高温、冲击波、冲击振动、破片等作为载荷输入，将人员等效为由头、躯干、四肢等关键部位组成的串并联网络，分别考虑各毁伤元对人体不同部位的损伤及其传导作用，将毁伤元、毁伤准则、损伤程度三者相互关联起来，完成了损伤效应从单一毁伤元对单一人体向多个毁伤元多对分解为多个关键部位的人体的综合评估的转变，可用于爆炸环境下多毁伤元多弹作用下的人员损伤的准确评估。

[0105] 本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。