Улучшённый алгоритм чёрно-крылой коромышки для расчёта параметров ненейтрализующего кинетического удара по движущимся целям

Более безопасные средства контроля толпы

Современные армии и полицейские подразделения испытывают давление, требующее сдерживать опасные ситуации без излишних смертей. Резиновые пули и другие так называемые «ненавреждающие» средства призваны временно остановить человека, однако заголовки новостей показывают, что они всё ещё могут ослеплять или убивать. В этой работе рассматривается очень практический вопрос: как выбирать параметры стрельбы этими средствами так, чтобы быстро остановить движущегося человека и при этом минимизировать риск тяжёлых травм?

Почему правильный выстрел важен

Как только снаряд покидает ствол неуправляемого оружия, его траектория фиксируется настройками стрельбы: начальной скоростью, углом возвышения и боковым углом. Для ненавреждающих средств небольшие ошибки в этих параметрах могут означать разницу между синяком и жизнеугрожающей раной, особенно когда люди бегут, пригибаются или прячутся за укрытиями. Традиционные таблицы стрельбы и поэтапные численные методы могут вычислить эти настройки, но они часто медленны, негибки и ориентированы на дальнобойное поражающее оружие, а не на короткодействующие средства контроля толпы. Авторы формулируют задачу как задачу оптимизации: среди всех возможных настроек стрельбы найти такие, которые попадут в движущуюся цель в пределах небольшого допуска, достигнут цели быстро и обеспечат удар, достаточный для вывода из действия, но с малой вероятностью летального исхода.

Преобразование движущихся целей в геометрическую задачу

Чтобы имитировать реальные операции, группа строит трёхмерную модель «треугольника попадания». Один угол — стрелок, второй — положение цели в момент выстрела, а третий — место, где цель окажется к моменту прихода снаряда. Три стороны соответствуют полёту снаряда, движению цели и окончательной линии удара. Вокруг цели проводят небольшой шар, задающий допустимое расстояние промаха, и ограничивают, как далеко цель может переместиться до удара. Физическая модель использует упрощённую баллистику с учётом силы тяжести и сопротивления воздуха, но без эффектов, важность которых проявляется главным образом в артиллерии на большие дистанции. Сверху на это накладывают пределы по начальной скорости, углу возвышения и углу отклонения, требуют, чтобы снаряд не ударялся о землю раньше времени, и объединяют всё в единую оценочную функцию, отражающую точность попадания, конечную скорость и расстояние, которое цель успевает пробежать до остановки.

Определение, что значит «ненавреждающее»

Вычислять точные параметры стрельбы бессмысленно, если не знать, какой уровень удара считается допустимым. Исходя из десятков лет медицинских отчётов по конфликтам и беспорядкам, авторы показывают, что попадания в голову, шею и грудную клетку составляют основную долю смертельных и разрушающих травм от резиновых пуль. В то же время попадания в конечности и брюшную полость гораздо чаще приводят к временной боли и потере подвижности без фатальных осложнений. Поэтому они рассматривают конечности и живот как предпочтительные зоны прицеливания и исключают такие области, как голова, грудь, позвоночник и пах. Затем они анализируют экспериментальные данные по 18,4‑миллиметровому резиновому снаряду, широко применяемому в Китае, связывая его скорость на разных дистанциях с величиной, называемой удельной кинетической энергией (энергия на единицу площади удара), и с мерой «тупости», зависящей также от размеров тела и толщины тканей. Используя антропометрические данные китайских взрослых разного возраста и пола, они выводят кривые зависимости скорости удара от тяжести травмы и выбирают конечную скорость — около 80 метров в секунду — которая достаточна, чтобы остановить большинство взрослых, но статистически связана лишь с лёгкими повреждениями.

Вдохновлённые природой вычисления для мгновенных решений

Найти лучшую комбинацию начальной скорости и углов в этих условиях — сложная поисковая задача. Авторы берут за базу недавно предложенный алгоритм «чёрно‑крылой коромышки» (Black‑winged Kite Algorithm), метаэвристику, имитирующую поведение небольших птиц: зависание, пикирование и миграции при охоте. Они усиливают её до «улучшённого BKA» (IBKA) с четырьмя идеями. Во‑первых, применяют последовательность Хаммерсли для более равномерного начального заполнения стаи кандидатов по пространству поиска. Во‑вторых, заимствуют поведение уклонения из другого метода, вдохновлённого животными, чтобы виртуальные «птицы» могли избегать плохих областей вместо преждевременного скучивания. В‑третьих, заменяют исходные случайные скачки полётами Леви — паттерном множества коротких перемещений и редких длинных прыжков, известным эффективным исследованием сложных ландшафтов. Наконец, добавляют триугольный шаг мутации, который подталкивает решения внутри треугольника, образованного лучшим, вторым по качеству и худшим кандидатами, усиливая локальную доработку при сохранении разнообразия.

Тестирование алгоритма и его практическое значение

Сначала исследователи протестировали IBKA на сложном международном наборе из 29 математических функций, представляющих гладкие, грубые, смешанные и составные ландшафты. По сравнению с семью популярными конкурентами — включая оптимизацию роя частиц и несколько более новых методов, вдохновлённых животными — IBKA находит лучшие решения примерно в четырёх из пяти тестов и демонстрирует более быструю и надёжную сходимость. Затем они подключают модель ненавреждающей баллистики ко всем алгоритмам и моделируют три реалистичные ситуации стрельбы: горизонтальные выстрелы по быстродвижущейся цели на значительном расстоянии, выстрелы вверх по быстрой близкой цели и выстрелы вниз по медленному удалённому объекту. Во всех трёх сценариях IBKA последовательно вычисляет параметры стрельбы, дающие минимальную позиционную погрешность попадания по движущейся цели, удерживают конечную скорость снаряда ближе всего к выбранному ненавреждающему значению и делают это с высокой повторяемостью. Его решения также дают наивысшую долю успешных попаданий без предварительного удара о землю в повторных испытаниях, что является ключевым требованием для любых будущих систем управления огнём.

Что это значит для будущего средств контроля толпы

Чтобы ненавреждающие средства соответствовали своему названию, их нужно сочетать с чёткими медицинскими пределами и быстрым, надёжным вычислением параметров стрельбы в рамках этих границ. Это исследование показывает, как можно создать обе части: опираясь на данные о травмах и измерения тела для определения «приемлемого» удара и используя тщательно настроенный алгоритм, вдохновлённый природой, для поиска опций стрельбы в режиме реального времени. Если такие подходы, как IBKA, будут встроены в умные прицелы и блоки управления огнём, они могут помочь операторам выбирать выстрелы, которые с большей вероятностью быстро остановят движущегося человека и существенно снизят риск постоянного вреда. Авторы подчёркивают, что такие системы должны оставаться под человеческим контролем и в рамках правовых и этических норм, но утверждают, что лучшая наука и вычисления могут сделать неизбежное применение силы значительно безопаснее.

Цитирование: Li, Y., Gu, T. & Wan, Q. An improved black-winged kite algorithm for solving non-lethal kinetic strike parameters for moving targets. Sci Rep 16, 6257 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36642-8

Ключевые слова: ненавреждающее оружие, баллистика, алгоритм оптимизации, резиновые пули, системы управления огнём