非致命防暴武器可以在最大程度减少人员死亡的条件下实现反恐防暴目的，但目前在使用时仍有可能造成打击目标的死亡，因此需要建立致伤评估模型来有效控制非致命动能弹的威力。由于非致命武器的致伤情况复杂，致伤评估模型难于建立。非致命动能弹多以柔性载体的冲击打击有生目标，使其产生强烈的痛感，使其降低或失去抵抗能力，但不会造成致命性伤害。建立一个非致命动能弹的致伤评估模型对于有效控制非致命武器的威力、人员防护等都具有重要意义。
近年来，许多学者都对非致命动能弹的致伤情况进行了研究。朱永杰对18.4 mm动能痛块弹的终点效应进行了试验研究，得出了18.4 mm动能痛块弹的实际有效作用距离[1]。蒲利森对10 mm布袋弹和38 mm软体变形弹进行了生物打击试验，观察生物靶标的损伤情况后得出两种弹不会造成致命伤的条件下的最小作用距离[2-3]。为研究不同穿戴条件下弹丸对目标人体造成致命打击的阈值，翟杰分析了人员目标在夏季、秋季以及冬季穿戴厚度不同时的非致命打击比动能阈值[4]。
为对损伤情况进行量化分析，1971年美国提出了简明损伤定级标准(AIS)[5]，在此基础上，Baker[6]提出了损伤严重程度评分法(ISS)，ISS把人体分为头颈、面部、胸部、腹部、四肢及体表等六个区域，在计算时，取身体3个最严重损伤区域的最高AIS值的平方和，即
实现了损伤评分的量化。1997年，Osler[7]提出了新创伤严重程度评分(NISS)，它是身体3处损伤最重AIS值的平方和，与损伤出现的部位无关。大量研究表明，NISS的预测价值优于ISS[8-9]。
1 致伤因素分析
1.1 致伤机理
非致命动能弹多数对目标没有穿透性，依靠弹丸对目标的撞击造成杀伤，致伤结果多表现为“钝击伤”，因此在分析其致伤机理时也应多从钝击致伤的角度进行分析。目前对生物损伤机理的研究认为，钝性冲击的损伤机理是组织的变形程度超过了它的可恢复限[10]。冲击损伤生物力学认为冲击损伤的损伤强度(用AIS指标)随冲击速度的增加而增加，而弹丸对目标的打击是将弹丸的动能传递给目标造成杀伤的过程。为综合考虑弹丸的速度和弹丸的种类对打击效果带来的影响，因此选取动能和比动能这两个与弹丸速度和弹丸种类均相关的参数作为致伤评估参量。
1)致伤评估参量分析——动能
动能一直作为枪弹威力标准的重要指标，我国国军标规定为弹丸动能不超过98J即不会对人体造成致命伤。根据GJBZ20262—95《防暴动能弹威力标准》[11]中对人员致伤标准的规定，防暴动能弹对人体不得造成中度及中度以上的损伤，此时98J的动能标准已不能用于判断弹丸的非致命性，因此需要寻找一个新的动能标准。
根据以往的打击试验初步确定的无防护条件下弹丸打击时的动能与致伤效果之间的关系如表1所示，但其只给出了动能的范围，并不能准确判断。
表1 致伤效果与动能、比动能
损伤分度能量范围动能(J)比动能/(J·cm-2)Ⅰ(轻微损伤)≤40.0≤12.0Ⅱ(轻度损伤)40.0～65.012.0～19.0Ⅲ(中度损伤)65.0～80.019.0～23.0Ⅳ(重度损伤)>80>23.0
动能作为弹丸打击时作用在目标上的直接因素，将其作为致伤评估参量可以直观地反映弹丸的作用效果。但是由于非致命弹的作用特点，目标在遭受打击时多数情况是有一定防护的，所以直接测得的弹丸所含的动能难以反应弹丸实际对目标的作用效果，因此考虑引入有效动能Ee的概念，即将目标的穿戴情况作为折算系数i，折算出弹丸对目标本身的作用动能，因此有效动能定义为：
(1)
但是目标穿戴条件的折算系数i尚无法准确给出。根据致伤试验可以看出目标的穿戴情况对致伤效果有明显的减弱的作用，但并不能大幅度地削减受到的伤害。依据现有试验结果进行计算后初步判断：不同穿戴情况对动能的折算系数都不大于1.5。
2)致伤评估参量分析——比动能
比动能也是评价弹丸威力的重要指标，用于损伤评估的比动能定义为弹丸打击时的动能与打击面积的比值。从表1中也可以看出以往试验得出的比动能与损伤程度之间的关系。比动能作为致伤评估参量相较于动能的优点是考虑了弹丸打击时的打击面积，以单位面积上的打击动能作为考量，这种方法在致命武器的致伤研究中广为应用。但是非致命动能弹由于其针对的打击目标多数是穿有一定服装的人，服装作为防护会使弹丸对目标的实际打击面积大于弹丸着靶时的面积，导致用于评估的比动能大于实际作用的比动能。由于在有防护时的实际作用于目标的打击面积难于测量，因此本文不采用比动能作为非致命动能弹的致伤评估参量。
2 打击试验与结果分析
基于上述对致伤机理和致伤因素的分析，对18.4 mm布袋弹进行了生物致伤试验，并对试验模型的打击结果进行了数据分析。
18.4 mm布袋弹的实际有效作用距离为5～30 m，鉴于该弹药鉴定试验时采用固定架射击R50=7.8 cm，而生物试验时采用射手据枪抵肩射击，精度较固定架射击时差，而生物致伤试验选定的致伤部位面积较小，距离大于10 m时难以命中有效部位，为研究弹药对人体的损伤程度，需在允许的范围内适当减小射击距离，综合分析后选定试验时的射击距离为3 m、5 m和10 m。根据不同动物的体型、解剖学和组织学结构以及生理和生化等指标与人体相对接近程度，并针对全身和局部损伤效应进行了检测，选用的靶标为瘦肉型猪[12]。根据实际情况将防护条件定为夏季(无防护)、春秋季(毛衫防护)和冬季(棉服防护)三种情况，毛衫采用市场上常见的毛衫款式，主要成分为棉和羊毛，厚度约3 mm，棉服采用传统款式的军大衣，主要成分为棉，厚度约20 mm。将生物靶标按照试验时的射击距离和防护情况进行了分组，每组不少于6个。试验时使用防暴枪械对生物靶标四肢等部位发射防暴弹，射击后检查生物靶标的局部损伤情况，图1展示了3 m无防护时生物靶标被打击后的局部损伤情况。
图1 3 m无防护时对生物靶标的损伤情况
表2列出了生物靶标射击试验后弹丸的平均速度、平均动能等参数与打击时局部损伤效果的关系，其平均速度列出了其标准差，平均动能利用平均速度计算得出，通过试验结果的分析可以得出：
1)随着射击距离的增加，弹丸的速度、动能的数值均降低，对靶标造成的损伤面积和损伤深度也随之降低，说明速度、动能等评估参量与致伤效果之间为正相关的关系。
2)随防护等级的提高，防暴弹对靶标的致伤效果会有所降低，损伤面积和损伤深度都会减小，但防护程度对损伤结果的影响程度低于射击距离的变化。
3)GJBZ20262—95《防暴动能弹威力标准》中对损伤体征有六个分度，分别是无损伤、轻微损伤(Ⅰ)、轻度损伤(Ⅱ)、中度损伤(Ⅲ)、重度损伤(Ⅳ)和极重度损伤(Ⅴ)，除重度损伤外，其余损伤分度均对应两个损伤等级，因此以上6个损伤分度一共对应11个损伤等级。依据生物靶标射击试验后的临床表现以及解剖后的病理学判断，将生物试验后靶标的致伤情况进行了分级，表2列出了损伤等级的具体情况(只保留有效部分)。由此可以看出，随着射击距离的增大和防护条件的增强，弹丸对生物靶标打击后的损伤等级有明显的降低趋势。在试验所做的打击条件下，最低可造成3级损伤，最高可造成7级损伤。
但是因为试验打击时生物靶标个体状况不能保证完全相同，因此由于个体差异造成了当打击动能较低、损伤较小时，出现了10 m距离上无防护的部分射弹造成的损伤等级低于毛衫防护造成损伤等级的现象，如表2所示。
表2 对猪的损伤效果与速度、动能、比动能
射击距离/m防护条件有效射弹数速度/(m·s-1)动能/J局部损伤面积损伤深度/cm损伤面积/cm2损伤等级射弹数3级4级5级6级7级3无6毛6棉668.84±9.5173.381.328.28±3.62151.225.78±4.563211.023.76±5.72335无6毛6棉665.40±2.4066.231.219.59±3.24421.119.21±5.2921210.717.65±6.48131110无6毛6棉657.00±1.9750.310.714.50±2.63240.610.88±5.75330.49.62±8.37132
3 致伤评估模型
为获得前文提到的致伤评估参量——有效动能Ee的具体数值，需要确定目标防护状况对打击动能的折算系数i，即确定防护对打击动能的吸收率c。吸收率c与折算系数i之间的对应关系为
(2)
根据生物打击试验结果中不同距离上损伤面积以及损伤深度在防护条件不同时的变化情况，以无防护时造成的损伤面积和损伤深度为基准，计算有防护条件下的损伤面积和损伤深度的减少的程度，认为动能造成的损伤的减小的程度即为防护条件使打击动能减小的程度，以此减小的程度作为防护条件对打击动能的吸收率c。计算得出无防护、羊毛衫防护和棉服防护对打击动能的吸收率c分别为0、4.76%和9.10%。由此可以计算出有效动能Ee的数值。
动能弹对生物靶标的致伤程度的轻重主要是由致伤面积以及致伤深度的大小来确定的，将两种致伤严重程度判别方法整合后可以得到损伤体积V，在计算损伤体积时把致伤面积的误差计算在内，以此获得动能弹可能导致的最大损伤体积。
为定量确定打击时组织损伤的程度，本文采用以AIS为基础的单个组织器官的损伤评分方法NSDI(New Single Damage Index)，该方法认为损伤组织的NSDI评分与物理损伤的体积成线性关系[13]。结合试验造成的实际损伤状况改进计算公式，按照
(3)
计算打击后的损伤评分，其中，Dmax和Dmin分别为该种打击条件下造成的最大和最小损伤等级。表3列出了计算后的损伤评分与有效动能的对应关系。
表3 损伤评分与打击动能
距离/m防护条件Ee/JNSDI3无73.3855.9068毛69.8952.6832棉66.7147.45965无66.2336.6148毛63.0832.6450棉60.2118.201910无50.319.3937毛47.919.9802棉45.747.7568
基于Boltzmann函数对表3中的损伤评分与打击动能进行非线性拟合，得到NSDI-Ee的函数关系，拟合函数的数学表达式由式(3)给出，损伤评分曲线如图2所示。经过拟合得到A1，A2，Ee0，dx等拟合参数，其中，A1为造成损伤的最低NSDI评分，A2为不造成中度以上损伤的最大NSDI评分，Ee0为可能造成中度损伤的有效动能阈值，即有效动能不超过这一值时造成的损伤多数为轻度或轻微损伤。
(3)
图2 基于Boltzmann函数拟合的损伤评分曲线
从表3和拟合后的损伤评分曲线中可以看出，在不造成中度以上损伤时，随着有效动能的增大，损伤评分的变化大致可分为两个阶段：首先是缓慢上升阶段，这一阶段随着有效动能的增加，造成的损伤并没有显著增强，这一阶段由于生物靶标的个体差异而导致损伤等级在整体随趋势上有一定波动，因此10 m距离上的无防护的NSDI评分相较于毛衫防护略低，但差别不大；在第二阶段，随着有效动能的增加，损伤评分快速提高，在达到造成中度损伤有效动能阈值后损伤评分增速变缓。
4 结论
1)针对非致命动能弹打击的有防护目标，利用动能作为致伤评估参量相较于比动能更为简便。为获得不同防护条件对打击动能的影响程度，引入了防护条件对动能的折算系数i。
2)针对非致命动能弹的打击目标多数为有防护的目标这一特征，提出了具有普适意义的评估非致命动能弹对于有无防护目标的致伤评估参量——有效动能Ee，并给出了实施思路与分析案例。
3)建立了基于Boltzmann函数和有效动能Ee的损伤评分NSDI致伤评估模型，将定性的损伤评估量化，并以连续的损伤评分函数表征。
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