一种精确打击下桥梁毁伤视景仿真系统设计实现

王　欣，方　东

（蚌埠汽车士官学校，安徽　蚌埠　233011）



一种精确打击下桥梁毁伤视景仿真系统设计实现

王欣，方东

（蚌埠汽车士官学校，安徽蚌埠233011）

摘要：目前，在桥梁毁伤仿真领域采用的数值仿真方法虽具有精确性高的优点，但是仿真过程不直观、形象，整体性不强。采用视景仿真技术进行精确打击下桥梁毁伤仿真，在保证精确性要求的基础上，利用Unity3D软件以三维画面的形式进行展示，仿真过程形象、直观、明了。给出的精确打击下桥梁毁伤视景仿真系统的设计方法，能够满足真实性和实时性的要求，利用Unity3D自带的物理引擎完成了桥梁模型的物理特性建模和爆炸仿真分析，通过全过程仿真，能够分析得出相应的毁伤结论，达到了预期效果。

关键词：精确打击，桥梁毁伤，视景仿真，Unity3d软件

0　引言

国防交通设施已成为现代战争中交战双方进行打击的首选目标，桥梁目标在国防交通设施中地位极为重要，在平时和战时作用巨大，由于其结构的复杂性和目标的特殊性，此类目标的抗毁伤特性很难进行实弹、实爆测试，必须借助计算机仿真。相关内容国内外的学者都进行了深入研究，取得了一系列成果。文献［1-3］研究了武器系统对于特定目标的毁伤建模方法。文献［4］利用数值仿真的方法研究了常规武器对于斜拉桥的毁伤效果分析方法，文献［5］结合BP神经网络对桥梁的图像毁伤效果进行了研究，该方法需要借助空中侦察提供的图片。文献［6］对于精确突击下桥梁目标的打击方式进行了深入研究，给出了各种毁伤等级的定义，文献［7］给出了不同材料桥梁毁伤的等效装药量计算公式。在有关桥梁的结构特性和毁伤仿真的研究中，多采用数值仿真的方法，例如仿真检验桥梁目标的抗剪性与抗裂性或弹药对桥梁目标的侵彻作用，这种方法虽有较高的精确性，但是结果展示不够形象直观，整体性不强。通过文献检索，目前尚无针对精确打击下桥梁目标毁伤的视景仿真方法。结合视景仿真和数值仿真的特点，本文给出一种利用Unity3D软件设计开发的精确打击下桥梁毁伤视景仿真系统，以第一人称视角的方式，实现了桥梁毁伤仿真的精确性、直观性和形象性。

1　系统的开发要求、开发环境及总体结构

1.1真实性要求

本系统在数值仿真的基础上，将数据以实时三维立体图像的形式展示出来，从而为桥梁目标结构设计、精确打击武器参数设计、毁伤参数设计等提供可靠参考。这要求本系统必须具备高度的真实性，使桥梁模型的构建、武器模型的设计与真实条件相吻合，具有说服力。

1.2实时性要求

为满足实时性要求，本系统中武器模型应为可实时机动个体，能够将精确打击武器命中桥梁的毁伤效果、桥梁整体刚性结构的变化进行实时显示。因此，该系统在运行过程中必须根据武器模型的运动打击效果实时进行分析，对于桥梁目标的断裂、爆炸等效果进行实时显示，并能进行自动评估。

1.3系统整体结构

精确打击下桥梁毁伤视景仿真系统由4个主要模块构成，见图1。

图1　系统结构示意图

桥梁模型库：主要完成桥梁三维仿真模型的构建，为了保证仿真的准确性，需要在三维模型设计中对模型进行分割，考虑到实际中桥梁多是由多个部分构成，并且各部分之间存在着相互作用关系，例如梁桥是由桥墩和桥跨两部分构成，桥墩对桥跨有支撑作用，因此，在三维模型建模的基础上，需要进行桥梁整体刚性结构的建模设计。

武器模型库设计，主要包括弹体三维模型设计和参数设计，在设计时采用的是FPS（First Person Shooter）模型，即第一人称视角模式，用户通过瞄准发射导弹对目标进行毁伤，在三维模型设计的基础上，添加攻击武器的力学特性，例如采用精确打击时，弹体的弹道、自身质量、物理特性、装药质量、杀伤半径等参数，要求实现对于目标模型毁伤的实时分割，即真实地将仿真对象进行毁伤，爆炸碎片根据受攻击部位、强度、半径、装药质量等因素实时分割产生，而不是以往将采用粒子系统和预置碎片的方式展示毁伤效果。

参数设置模块，制作用于人机交互的GUI界面，对武器参数和桥梁目标进行参数设置，包括桥梁结构参数、材料种类、武器系统中弹体质量、装药质量等参数，由用户进行选择设置，然后传递给场景中的各个仿真对象。

场景控制模块：用于控制场景的调用、生成和运行，视角的控制等。

2　桥梁模型建模

2.1桥梁三维模型建模

本系统中的三维模型的建模利用3dmax软件完成，需要说明的是，利用3dmax进行建模主要是通过将基础模型如长方体、球体等通过拉伸、扭曲、剪裁等方式完成的，作为桥梁模型而言，其结构部分需要进一步细分，例如桥墩和桥跨往往作为一个整体结构存在于模型中，就毁伤仿真而言，精细度达不到要求，为了提高毁伤仿真的精细程度，需要对模型的各个部分进行进一步的细化拆分，其方法为：首先是导入模型，考虑到Unity3D中的使用要求，模型为FBX格式；然后将其转换为可编辑多边形；使用在3dmax工具栏中“编辑几何体”选项中的“快速切片工具，根据需要将选中对象切为多个部分，从而完成模型分割，当然分割数量越大仿真精度越高，这里主要介绍一种方法，场景中分割为18部分的桥墩模型见图2。

图2　分割好的桥墩仿真模型

2.2刚性结构建模

桥梁模型的刚性结构建模，主要是通过对组成桥梁的各个部分添加物理效果参数，使各部分存在相互的结构关系和作用，从而呈现出物理效果。其设计与实现是利用Unity3D自带的物理引擎完成，一方面使其呈现出模型的碰撞、爆炸效果，对于模型的接触进行定义，另一方面可以使仿真对象呈现出相应的物理特性和结构上的完整性。

Unity3D的物理引擎使用对象属性（动量、扭矩或者弹性）来模拟刚体行为，该软件提供的物理引擎是一个对物理环境进行实施模拟的集成解决方案，该引擎以刚体力学为基础，自身具备了刚体属性组件，同时提供了盒装碰撞体、胶囊碰撞体、网格碰撞体等具备碰撞检测功能的多种碰撞体，可以模拟真实环境中的碰撞行为，同时自带了铰链关节（Hingle Joint）、固定关节（Fixed Joint）、弹簧关节（Spring Joint）等物理关节，可使仿真对象之间通过物理关系连接在一起，用户可以将其直接添加给仿真对象，通过其属性面板或者使用代码对其进行参数设置，具体使用方法见文献［8］。

桥梁目标中桥墩和桥跨之间存在着结构上的黏合力，当其结合部受力较大时会发生断裂，从而造成结构坍塌，这时就很适合使用Unity3D物理引擎中的固定关节组件，该组件不需要通过代码来更改层级结构就可以实现想要的效果，只需要为那些要使用固定关节的仿真对象添加刚体组件即可。可通过断开力和断开转矩属性来设置关节的强度极限，如果这些参数不是无穷大而是—个数值，那么当施加到对象身上的力或转矩大于此极限值时，固定关节将被销毁，其对对象的约束也就随即失效。

下面以图2中的梁桥桥墩仿真模型为例，介绍刚体属性、碰撞属性和物理关节添加的具体步骤为：

①导入分割好的仿真模型，在组成桥墩的每个子对象上添加网格碰撞体和刚体属性，分别设置其质量，选择使用重力；

②由于桥墩的每个子对象之间不存在相对运动，因此，需要使用固定关节，对于一个子对象而言，需要根据与其接触其他个体的数量决定添加固定关节的个数，而后将与其接触的其他个体分别添加到固定关节的“Connected Body”中去，再根据所设计的桥墩结构力学特性，设置其断开力和断开转矩的数值［8］；

③对于图2中与地面接触的部分，需要额外添加固定关节，将其“Connected Body”选项设置为“None”，即与场景中的地面相连，通过设置其断开力和断开转矩的数值，这样该桥墩模型就可以竖立在场景中的地面上，不发生倾倒。

当然，桥墩仿真模型不仅自身存在物理特性，其与桥跨结构也存在着力学特性，体现为桥墩对桥跨的承重和二者之间的黏合力，其设置方法同以上步骤，设置好的梁桥的三维仿真模型见图3。

图3　设置好物理特性的梁桥仿真模型

3　武器系统设计与建模

3.1毁伤参数换算

如果射弹从桥面入射，可将入射点的桥跨结构作为三层不同介质来考虑，如图4所示。射弹对于多层介质侵彻深度可按式（1）来计算。

图4　射弹从桥面入射

其中：hi为第i层介质材料厚度，单位m；hqn为对第n层介质材料的侵彻深度，单位m；Kqn为第n层介质材料的侵彻系数；Kqi为第i层介质材料的侵彻系数，上列参数中，hqn可按照式（2）计算：

式中：λ1为弹形系数；λ2为弹径系数；P为射弹质量；d为弹径，单位m；V为命中速度，单位m/h；α为命中角，单位°，Kα为弹的偏转系数；Kq为介质材料侵彻系数。计算中，λ1、λ2、Kα、Kq均可从文献［9］中查得。

在实际中，对于桥梁等目标进行攻击，如果飞弹的威力或者炸药的装药当量不能满足完全摧毁目标的要求，则受攻击目标只是部分被摧毁，在本系统中提出了一个仿真参数HP，HP即为受攻击目标的“生命值”，如果受攻击目标的HP值小于0，则判断该目标被摧毁。在参数设置中，受攻击目标如采用混凝土材料，其HP值计算公式为：

由文献［7］可知，式中A为材料抗力参数，B为填塞系数，无填塞B=9；R为破坏半径，为弹体杀伤半径，C为摧毁某一目标所需的等效TNT装药量换算。同时可以计算出单发飞弹使受攻击目标HP值减少的数值，即等效爆炸威力。如目标采用的是钢筋混凝土材料，其HP值计算公式为C=1.3ABR3。

表1　材料抗力系数［7］

用户通过界面设置参数，即可得出某一目标例如桥墩被完全摧毁所需的TNT装药当量。如果受攻击目标的HP值大于0，则通过式（3），换算出受攻击目标质量的减少△M，见式（4）。

式中M为受攻击目标的总质量，其参数由其刚体属性设置中的“Mass”获得。

3.2FPS设计

FPS设计即场景中的摄像机（Camera）设计，为满足摄像机能够360°自由旋转的需要，在仿真中采用通过鼠标控制观察视角的方式，其方法是获取当前鼠标指针所在旋转参数坐标主要包括场景中世界坐标系下的横坐标和纵坐标，将其赋值给FPS自身的摄像机即可，见图5，图中右下角即为摄像机的观察范围，为场景运行后用户所看到的画面。

图5　FPS视角示意图

3.3毁伤效果设计

毁伤效果设计方法是：在飞弹模型上添加刚体属性和网格碰撞体，以仿真对象与飞弹的接触点为球心，以飞弹的杀伤半径为半径作一个球形范围，简称为爆炸球。在此范围内的仿真对象，被纳入到爆炸球中去，然后利用代码分别计算爆炸球内的仿真对象的尺寸、纹理、质量等参数，然后根据飞弹施加在接触对象刚体上的破坏力，根据破坏力的大小和之前设置好的仿真对象的物理特性进行实时计算，实时分割，并将分割好的碎片赋予刚体属性和一定的速度，使其呈现爆炸效果。

具体做法是，在飞弹仿真对象上绑定事先编写好的爆炸函数代码，通过爆炸函数程序计算出在飞弹所产生的爆炸球体范围内包含的仿真对象，然后实时调用模型分割程序，根据飞弹杀伤参数的设置，计算出仿真对象的毁伤效果（主要指HP值的减少和物理关节连接参数的变化），如产生爆炸，则将计算出的爆炸碎片赋予刚体和一定的速度从而形成爆炸效果，如不产生爆炸，则仿真对象表面会出现裂纹或弹坑（形变），使其结构发生变化，同时通过参数换算实时改变仿真对象的物理特性设置参数值，使桥梁仿真对象在受到攻击后其刚性结构参数发生变化。桥梁目标物理特性参数的变化主要是两个内容，其一是其刚体特性中的质量发生变化，其二是其物理关节参数的变化，例如在某桥梁模型中桥跨一与桥跨二相连，桥跨一受到攻击后质量减少，那么显然桥跨一与桥跨二的断开力和断开转矩的数值就会发生变化。

4　参数设置与场景控制模块设计

系统中的参数设置界面如图6所示，用户可以根据需要进行设置，就场景控制模块而言，出入前所述作用外，还应具备自动判定功能，其方法是按照文献［6］中给出的判定标准，结合系统对于桥梁受攻击目标的HP值进行实时计算，从而判断桥梁的毁伤程度，例如在仿真中如果一个桥墩仿真模型或两个桥跨仿真模型被摧毁，即判定被摧毁。生成的毁伤场景见下页图7所示，左上角展示的是桥梁桥墩被摧毁导致桥跨坍塌的场景；左下角为拱桥拱顶被摧毁后带来的结构坍塌；右侧分别为刚架桥一侧桥跨被摧毁及复合型桥梁主桥墩被摧毁场景。

图6　仿真参数设置界面

图7　桥梁毁伤场景

5　结论

本文主要研究了利用Unity3D软件开发的一种精确打击条件下的桥梁毁伤视景仿真系统，该系统有以下优点：

①对视景仿真技术在桥梁毁伤仿真中的应用进行了探索，给出了精确打击条件下的桥梁毁伤视景仿真系统的设计实现，是进行桥梁毁伤仿真的有力工具，可为桥梁抢修，公路运输提供决策支持。

②在毁伤仿真中，引入模型实时分割技术，使毁伤效果更加真实，从而具有整体性强，更为直观准确的优势，结合文献［7］提出的HP值参数转换，使得仿真更有实际意义。

③在桥梁仿真建模中，引入刚体特性、碰撞体和物理关节使得桥梁建模更贴近现实。

参考文献：

［1］黄卫权，王晓明，陈怀友.某型导弹视景仿真系统设计与实现［J］.计算机仿真，2012，29（7）：252-255，259.

［2］孙岽博，王润杰.物理引擎在视景仿真中的应用［J］.四川兵工学报，2012，33（3）：101-103.

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［4］张巍.常规武器作用下斜拉桥结构的动力行为分析及损伤评估研究［D］.成都：西南交通大学，2007.

［5］朱亚红，汪民乐，敬斌.基于BP神经网络的多源桥梁毁伤信息特征层融合［J］.战术导弹技术，2012，33（2）：116-121.

［6］张景鹏，游建新，廖新华.精确制导弹药突击桥梁目标作战研究［J］.空军装备，2012，19（7）：25-28.

［7］夏明，张宗堂，李永忠.爆炸恐怖袭击桥梁的毁伤分析与防护［J］.防护工程，2006，28（2）：75-79.

［8］UNITY T. Unity4.x从入门到精通［M］.北京：中国铁道出版社，2013.

［9］李正优，郭留河.车载导弹海上射击视景仿真研究［J］.四川兵工学报，2015，26（6）：25-28.

［10］中华人民共和国国家军用标准（GJBZ20419.3-98）.防护工程常规武器设计规范［S］.北京：中国标准出版社，1998.

Design and Implementation of a Bridge Damage Simulation System under Precision Strike

WANG Xin，FANG Dong
（Bengbu Automobile N.C.O Academy，Bengbu 233011，China）

Abstract：Presently，the numeric simulation method of the bridge damage under precision strike has high accuracy，but nether visual nor vivid，integrity is not strong. By using the Unity3D software，the bridge damage simulation under precision strike by scene simulation technology provided by this paper meets the accuracy requirement；moreover，it visualized the simulation process with 3D effect. The design method given by this paper also meets the requirements for real -time performance and authenticity. The design of physical characteristics and the corresponding analysis of the exploration effect of the bridge model is finished by using the physical engine of the Unity3D software，through simulation and analysis of the whole procession，the damage conclusion of the bridge can be get，the expected effect is also get.

Key words：precision strike，bridge damage，scene simulation，Unity3D software

中图分类号：E920

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）05-0125-05

收稿日期：2015-03-06修回日期：2015-05-17

作者简介：王欣（1985-），男，辽宁锦州人，硕士，讲师。研究方向：模拟仿真训练、作战仿真、电子信息处理等。