北约成员国面临的日益复杂和技术先进的威胁环境继续增加,特别是爆炸装置和武器所带来的威胁。北约对手选择的这些武器继续主导着现代战争,它们造成的伤害可能是复杂和灾难性的。通过一个综合的计算模型框架,对潜在的威胁及其可能的缓解和/或医疗进行端到端的表述,将为北约成员提供更好的作战能力,这也是本RTG的范围。

在过去的25年中,计算模型对爆炸威胁的预测和防护设备及系统的性能产生了重大影响。这些仿真结果表明,全面的、全人类的爆炸效应建模能力可以为北约国家提供应对快速出现的爆炸威胁的能力,并为训练和战斗场景创造更安全的环境。为了解决这些方面的建模与仿真问题,北约人因和医学小组成立了北约HFM-270研究任务组(RTG),"爆炸相关威胁造成的人类死亡、伤害和损害的建模与仿真框架"。HFM-270研究工作组由来自10个国家的22名指定成员组成。该小组代表了医疗、作战和物资开发界,以及不同的学科,包括工程、生物科学和医学。

RTG的首要目标是利用参与国以前的、正在进行的和计划中的爆炸伤害生物医学研究和计算模型工作,开发一个概念化的计算模型框架,能够提供威胁到结果的模型和仿真爆炸对人类的影响,以支持快速开发、测试和为军人提供有效的保护设备。

这个RTG的第一项任务是对建模与仿真进行深入审查。研究人员处理的关键特征被记录下来,并确定了开发基于模拟方法的局限性。注意到的三个主要缺陷是:a)模拟模型中缺乏端到端的连接和连续性,以解决利用技术的战斗伤害;b)对这种模拟至关重要的材料模型不充分和不完整;以及c)基于必要的实验数据的模型验证有限。在本报告中,这些发现被用来创建一个端到端--从威胁到临床诊断--的建模和仿真框架,并以实例说明北约成员如何在实践中实施这样一个框架。这个框架可以被北约成员国零散地或整体地应用于确定研究需求和执行项目,以提高科学和技术能力,从而使北约对其对手具有优势。该框架还可以被用来评估新的威胁、新的科技工具和新的保护系统,以确定其有效性。最后,该框架还可以支持北约成员国未来爆炸相关研究的计划性发展的科学和技术需求。

1 引言

1.1 背景

随着北约的对手开发和使用越来越复杂的武器和战术,军事威胁环境正在迅速演变并变得更加复杂。然而,这种日益复杂和技术先进的威胁环境并没有削弱爆炸装置和武器所构成的长期和持久的威胁,这些武器的复杂程度从低到高,因此很可能是对手的首选武器。爆炸装置和武器继续主导着现代战争,它们造成的伤害可能是复杂和灾难性的。

爆炸装置造成的伤害的复杂性和严重性带来了重大的伤害预防、治疗和康复挑战。在 "与爆炸有关的伤害 "或 "爆炸伤害 "的总标题下所包含的伤害类型、损伤和病理结果是多样和广泛的,从穿透性碎片和创伤性截肢造成的出血到爆炸超压造成的内脏伤害,再到钝性冲击伤害和烧伤。此外,有证据表明,爆炸暴露与其他病理结果,如轻度创伤性脑损伤之间可能存在关联,这需要进一步研究。克服这些挑战需要不同的医学界和非医学界,以及同样不同的科学、医学、工程和操作学科的协调努力。

应对快速发展的爆炸威胁环境,需要一个灵活和精简的方法来设计、测试和部署北约部队成员在骑兵和非骑兵行动中的爆炸防护设备。计算模型工具可以支持这种敏捷和简化的方法,提供预测人类对新出现的爆炸威胁的反应的能力,并在虚拟环境中快速设计和测试新的保护概念,从而增加有希望的概念的数量,减少需要昂贵和耗时的开发和实弹测试的原型的数量。最终,这些计算建模工具有可能极大地加速向军人提供有效的防爆设备。

认识到计算建模的价值,以及全面的、整体的人体爆炸效应建模能力对北约国家应对快速出现的爆炸威胁的能力的潜在影响,北约人因和医学小组成立了北约HFM-270研究任务组(RTG),题为 "爆炸相关威胁造成的人类死亡、伤害和损伤的建模和模拟框架"。HFM-270工作组由来自10个国家的22名指定成员组成。加拿大、法国、德国、荷兰、以色列、南非、瑞典、土耳其、英国和美国。这些RTG成员代表了不同的医疗、作战和物资开发团体,以及不同的学科,包括工程、生物科学和医学。

RTG的首要目标是利用参与国以前的、正在进行的和计划中的爆炸伤害生物医学研究和计算模型工作,开发一个概念化的组件计算模型框架,能够提供爆炸对人体影响的威胁到结果的模型和模拟,以支持快速开发、测试和为军人提供有效的爆炸防护设备。

本报告描述了RTG在其三年任期内的活动,并记录了RTG的方法、结论和建议。

1.2 北约以前的活动

本RTG的工作是2011年HFM-207专题讨论会 "在整个军事科学领域对爆炸伤害的调查 "和2013-2016年HFM-234 RTG "爆炸暴露的环境毒理学 "的逻辑后续。伤害指标、建模、方法和标准"。以前的这些活动认识到采用多学科方法解决爆炸伤害问题的重要性,并强调了生物医学上有效的爆炸伤害计算模型的潜在价值,这些模型在解决爆炸伤害、预防和治疗方面的挑战时,包含了生物力学和生理学反应。

HFM-207研讨会的主要建议之一是探索爆炸、人类生理学、生物力学和毒理学的计算模型的相关性和价值,使用经典的毒理学问题解决方法来解决爆炸伤害问题,其中伤害的病因需要了解剂量、剂量的传递机制和剂量反应终点。换句话说,利用计算模型来描述爆炸威胁、威胁与保护系统的相互作用、保护系统与人的相互作用、人的最终爆炸负荷或爆炸剂量,以及人对所受剂量的反应范围,从损伤到伤害,再到死亡。

同样,HFM-234RTG认识到了计算模型的潜在力量,并在最后的技术报告中用了整整一章来讨论使用计算模型来解决理解爆炸伤害机制方面的挑战。该小组强调了制定爆炸伤害缓解战略的迫切需要,并建议计算模型可以提供一个框架,以了解伤害机制,指导实验测试,解释数据,并促进有效保护设备和治疗方法的发展。

1.3 概念与范畴

1.3.1 定义“计算建模框架”

RTG的第一项任务是在成员之间建立对 "计算建模框架 "这个术语的共同理解,这个术语可能有些模糊和混乱。为了更好地概念化这个术语,小组同意用普遍理解的 "黑盒"的概念来比喻这个框架。使用黑匣子的比喻,计算模型框架将描述骑兵和非骑兵作战环境中的威胁情景的输入数据转换为有意义的致命性、伤害和损伤的输出预测。这些预测可能对许多社区具有重要价值,用于各种目的。例如,医学界可以使用这些预测来进行武器系统的健康危害评估,以确定和减轻或消除对使用武器系统的军人的潜在健康风险。物资开发界可以使用这些预测来指导新的爆炸防护设备的设计和测试,包括个人防护设备和战斗平台乘员防护系统。而且,测试和评估团体可以使用这些预测来评估战斗平台,如车辆、船舶和飞机的虚拟生存能力测试中的乘员生存能力。这个框架的 "黑盒"比喻如图1-1所示。

图 1-1:框架“黑盒”性。

继续黑盒的概念,RTG成员认识到,没有一个计算模型可能执行所有必要的功能来实现归属于黑盒的能力。更有可能的是,该框架将包含许多类型的交互模型,其中一个模型的输出作为另一个模型的输入。回到黑盒的比喻,各个模型和模型之间的相互作用可以通过揭开黑盒“盖子”来实现,如图1-2所示。

图 1-2:取下盖子的“黑盒”。

图1-2说明了两个重要的概念。首先,它强调了为提供该框架的综合建模能力所需的模型的多样性。需要的模型类型包括描述生物力学、病理生理学、特定器官损伤、身体负荷和身体姿势等,仅举几例。第二个同样重要的概念是确定一些关键模型不存在。这个概念在图中以包含问号的齿轮来说明。RTG成员同意,如果要实现框架的最终能力,确定现有的模型以纳入框架与确定必须填补的空白同样重要。RTG主席在每次RTG会议开始时都会回顾这个黑盒子的比喻,以帮助维持RTG成员之间的共同理解和关注。

1.3.2 确定框架的能力范围

在对计算模型框架及其所需能力达成共识后,RTG成员的下一个任务是对该框架所要解决的爆炸伤害的范围达成共识。成员们同意使用美国国防部(DoD)指令6025.21E中的 "爆炸伤害 "的定义,2006年7月5日,主题为 预防、减轻和治疗爆炸伤害的医学研究,该指令是将医学研究协调责任分配给国防部爆炸伤害研究执行机构的管理指令。如图1-3所示,这个定义包括了因暴露于威胁性爆炸武器以及北约成员国使用的产生爆炸的武器系统而可能导致的广泛的伤害,并被分为五类:初级、二级、三级、四级和五级。第2章描述了爆炸产生的可能造成伤害的物理现象。RTG成员同意,该框架必须能够处理图1-3中描述的整个爆炸机制和伤害。为了与RTG的总体目标保持一致,成员们还认为该框架必须能够预测人类对爆炸威胁的全部反应,包括所有类型的爆炸威胁情况下的致命性、伤害和损伤。

图1-3:爆炸装置造成的伤害分类法,改编自美国防部指令(DoDD)6025.21E。

1.4 RTG目标、工作计划和可交付成果

1.4.1 目标

2016年10月5-6日,RTG成员在法国巴黎塞纳河畔诺伊夫的北约科技组织(STO)合作支持办公室(CSO)举行了首次会议。启动会议的目的是审查技术活动说明(TAD),并制定工作计划(PoW),指导RTG在其三年任期内的工作。

技术活动说明指出,RTG的目标是利用以前的、正在进行的和计划中的爆炸伤害生物医学研究和计算建模工作,在参与国之间建立一个框架,将科学信息转化为能力,对与爆炸有关的各种威胁的人类致命性、伤害和损伤的机制进行建模。TAD进一步指出,拟议的RTG还将制定框架,以建立和评估有效的系统,防止这些与爆炸有关的威胁。

在RTG的三年任期内,TAD中所述的总体目标变得更加完善和集中。成员们重申的目标是开发一个具有组件计算模型的概念化框架,能够在所有爆炸威胁环境中提供从威胁到结果的建模与仿真(M&S)。该框架将使M&S能力成为可能,通过在虚拟环境中快速开发和测试新的爆炸防护概念来应对预期和新出现的爆炸威胁。这种能力可以大大减少开发、建造和实弹测试爆炸伤害防护设备原型所需的时间和成本,并加速向北约成员国提供有效的爆炸防护设备。此外,它还可用于战争演习,通过预测伤亡人数和类型来评估爆炸威胁,从而满足部署医疗资产的要求。RTG成员还承认并强调了所设想的框架的独特性,因为它反映了RTG成员所代表的不同社区和学科的知识、观点和需求。

1.4.2 工作计划

在对RTG的目标达成共识后,RTG成员制定了一个有5个具体目标的工作计划(PoW):

  1. 确定计算模型框架的要素。

  2. 确定现有的、正在进行的和计划中的模型、数据库,以及每个要素的伤害标准。

  3. 制定评估标准,将模型纳入该框架。

  4. 找出没有合适模型的空白点。

  5. 制定框架(模型的整合)。

1.4.3 可交付成果

在确立了RTG的目标之后,成员们制定了七个具体的可交付成果,这些成果是小组在整个三年任期内的工作重点。这些成果包括:

1)计算建模能力的框架,可以预测所有作战场景中所有爆炸威胁对人类的致命性、伤害和损害。

  1. 参与国中与该框架相关的现有模型和建模能力的动态库。

  2. 实现该框架全部能力所需的建模能力的差距。

  3. 建立在HFM-234 RTG中创建的爆炸伤害研究术语综合词典基础上的建模和仿真术语综合词典。

  4. 新的HFM RTG的TAP,它将建立在HFM-270的基础上,为实施该框架制定标准化和验证标准和方法。

  5. 在同行评议的文献中发表关于HFM-270 RTG工作的出版物。

  6. 北约的最终技术报告,描述框架、现有模型和建模能力的动态资料库、建模能力的差距、建议,以及作为附录的综合字典和TAP。

1.5 方法

1.5.1 会议时间表

认识到这个RTG的雄心勃勃的目标,RTG成员认识到有必要每12个月举行三次面对面的会议,以促进完成PoW和发展可交付成果。一些成员自愿主办会议,但他们需要与各自的组织协调,以确认他们对主办会议的承诺。成员们同意,会议一般将持续三天。鉴于RTG的多学科组成,成员们一致认为每次会议都应该包括主题专家(SMEs)的发言,以使RTG成员对计算建模、生物医学研究和医学中与本团队整体工作相关的关键概念建立共识。RTG成员一致认为,中小企业将被邀请作报告,但不会了解RTG成员之间的后续讨论。RTG成员还同意,主办会议的国家将负责中小企业的旅行费用。如果主办国提出要求,北约科技组织CSO将提供资金支持中小企业的旅行;然而,没有任何成员国行使这一选择权。除了面对面的会议,成员们同意在每次面对面的会议中间通过WebEx或电话会议举行一次虚拟会议。不幸的是,时区差异和成员的可用性使这些虚拟的中间会议很难持续举行。成员们还同意最大限度地利用 "科学连接 "网站进行信息共享和文件开发。在启动会议上商定的会议时间表见表1-1。

表1-1: 工作计划、时间表和里程碑。

1.5.2 会议形式

每次会议开始时,RTG主席都会回顾RTG的目标和成果。他回顾了美国国防部指令6025.21E中对爆炸伤害的定义,指出该框架应考虑与爆炸有关的伤害和伤害机制的整个范围。他回顾了黑匣子的比喻,认为计算模型的框架能够预测所有爆炸威胁在所有威胁环境下的人体致死率、伤害和损伤情况。他强调,RTG的主要目标是制定框架,确定和评估现有的计算模型以纳入该框架,并确定不存在必要模型的差距。

在主席的介绍之后,RTG成员回顾了上次会议的行动项目的状况,然后开始着手处理PoW中会议时间表中描述的具体任务。会议还包括由东道国安排的相关中小企业的介绍。此外,每次会议通常包括参观东道国的爆炸伤害研究设施,以帮助RTG成员对每个国家的研究兴趣和能力达成共识。最后,每次会议结束时都会对分配的任务以及下次会议的计划和目标进行审查。

1.5.3 工作组

RTG成员成立了三个工作组(WG),专注于PoW中描述的具体交付成果。词典工作组的任务是在HFM-234 RTG开发的爆炸伤害研究术语综合词典的基础上,开发常用计算建模和模拟术语的综合词典;出版物工作组的任务是确定并指导RTG的工作在适当的同行评审期刊上发表;以及TAP工作组的任务是为HFM-270后续RTG起草一个TAP,为该框架制定标准化和验证标准及方法。

1.5.4 完成目标的方法路径

以下段落简要介绍了RTG为完成PoW中所述的五个目标所采取的逻辑和方法。以下各章将详细描述这一方法。

1.5.4.1 识别计算建模框架的元素

RTG成员认识到,开发计算模型框架的首要任务是确定框架的基本要素。为此,成员们定义了一个事件链,定义了该框架的总体能力的边界,以提供所有爆炸威胁环境中人类致命性、伤害和损伤的威胁到结果的建模和仿真(M&S)。事件链从爆炸威胁情景开始,最后以描述人类反应的结果参数结束。成员们利用这个事件链和HFM-234 RTG开发的爆炸伤害毒理学框架,开发了一个包含计算模型框架元素的矩阵,然后应用一个简单的爆炸场景例子来测试这些元素的逻辑性和完整性。

进一步的讨论导致将各个元素归类为相互作用的模块,其中一个模块的输出可作为另一个模块的输入,对一个模块的改变可调制或改变另一个模块的输出。

第五章详细讨论了该框架的元素和模块。

1.5.4.2 确定现有的、正在进行的和计划中的模型、数据库,以及每个要素的伤害标准

RTG 的下一个任务是对参与国进行调查,以确定与该框架相关的现有模型和建模能力。为了完成这项任务,RTG 开发了一个全面的调查工具,每个成员都用来调查他们国家的模型和建模能力。第四章详细讨论了RTG为识别现有模型和建模能力所做的努力。

1.5.4.3 制定将模型纳入框架的评估标准

在确定了现有的模型和建模能力后,RTG 制定了评估这些模型和能力与框架相关性的标准。专家组成员不厌其烦地回顾和总结了描述所确定的模型和建模能力的相关发表的论文,然后使用评估标准来确定模型在矩阵中的位置。这些总结将作为模型和建模能力动态库的基础。

1.5.4.4 找出没有合适模型存在的差距

基于对建模和仿真的深入审查,我们注意到了三个主要的缺陷。第一个限制是模拟模型中缺乏端到端的连接和连续性,无法利用这些模型和模拟技术进行损伤预测并提出临床治疗方案。第二是这种模拟所必需的材料模型的不充分和不完整。第三,所有的模型都只提供了有限的实验数据验证,因此表明还需要做更多的工作,以利用这些模型对伤害和临床治疗的新威胁进行链接、端到端的预测。

1.6 结论

一个全面的、对人类健康影响和后果的威胁的计算模型能力可以支持一个灵活和简化的方法来设计、测试和为北约成员国提供爆炸防护设备;然而,这种能力目前并不存在。这个RTG的三年努力产生了一个计算模型框架,为发展这种能力奠定了基础。该框架提供了一个全面的逻辑结构,在这个结构中,各个模型可以相互作用,以产生所需的威胁到结果的建模能力。该框架是独特的,因为它反映了RTG成员所代表的不同社区和学科的知识、观点和需求,并提供了一个端到端的威胁模型与人体和防护设备模型、伤害模型和临床诊断和治疗模型及知识库的连接。

1.7 建议

每个国家在规划未来计算建模工作的投资时,都应考虑本RTG所确定的差距。应该指定一个国家和组织来维护和更新参与国中与该框架相关的现有模型和建模能力的动态资料库。

RTG建议,每个北约国家在规划未来的计算建模工作投资时,应考虑本RTG所确定的差距。另外,每个国家以及像北约这样的组织可以指定资源来维护和更新与框架相关的现有模型和模拟能力的动态库。该框架和储存库可以成为高级研究、基于软件和硬件的产品开发的资源,推动相关领域的科学发展,并更好地减轻参与国的作战人员的爆炸伤害。使用有充分记录的实验结果的数据来验证这些模型,应该是未来研究的一个关键期望,以便这些模型能够被纳入这里提出的框架中。

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