先進(jìn)技術(shù)保護(hù)航空增材制造數(shù)字線索的安全

盧志軍 劉亞威

當(dāng)前業(yè)界對于增材制造技術(shù)的使用還屬于初級階段，關(guān)注較多的是材料、適用范圍等，但由于增材制造技術(shù)十分依賴數(shù)字文件和通信網(wǎng)絡(luò)，大量的產(chǎn)品設(shè)計和制造的數(shù)字線索會在網(wǎng)絡(luò)上流通，因此保障產(chǎn)品數(shù)字線索信息的安全變得十分重要。除加強網(wǎng)絡(luò)安全以外，在產(chǎn)品部件的設(shè)計和生產(chǎn)文件本身添加安全識別信息也是保護(hù)產(chǎn)品信息的重要手段。

2018年5月，波音宣布將部署云服務(wù)技術(shù)，在設(shè)計和制造階段安全地管理和傳輸增材制造數(shù)據(jù)，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，防止數(shù)據(jù)被攔截、損壞或解密。無獨有偶，穆格在4月也推出了跟蹤增材制造零件的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。GE則于6月獲得了一項使用區(qū)塊鏈技術(shù)跟蹤和確認(rèn)增材制造零件的專利。近年來，制造中的賽博安全越來越為美國國防部和航空制造商所關(guān)注，增材制造因其全數(shù)字化的設(shè)計制造流程和網(wǎng)絡(luò)化、分布式生產(chǎn)的特性，安全隱患尤其突出。

目前，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出多項先進(jìn)技術(shù)，以保護(hù)航空零件增材制造數(shù)字線索的安全。

航空零件增材制造數(shù)字線索面臨嚴(yán)重賽博安全隱患

2017年5月，美國參議院軍事委員會發(fā)布報告稱，在國防部供應(yīng)鏈中發(fā)現(xiàn)超過100萬個疑似假冒零件。這些假冒零件因為價格低并且與真品幾乎無差別，繞過了嚴(yán)格的測試和認(rèn)證，進(jìn)入了供應(yīng)鏈。增材制造的廣泛應(yīng)用將使航空零件假冒風(fēng)險更為嚴(yán)峻，增材制造存在于數(shù)字與物理世界的交匯點，這就意味著：一方面，航空制造商在應(yīng)用增材制造時要保護(hù)自己的數(shù)字資產(chǎn);另一方面，在整個生產(chǎn)流程的數(shù)字和物理對象中，賽博安全隱患無處不在。

增材制造供應(yīng)鏈重度依賴數(shù)字文件、網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)字通信，增材制造過程中會產(chǎn)生大量與產(chǎn)品設(shè)計和制造流程有關(guān)的數(shù)據(jù)，繼而在產(chǎn)品生命周期中產(chǎn)生一系列信息，其中有許多都是敏感信息。

航空零件增材制造的數(shù)字線索從設(shè)計階段一直延伸到制造階段和產(chǎn)品交付，甚至還會延續(xù)到產(chǎn)品使用和退役。在一個增材制造零件的整條數(shù)字線索中，存在多個（甚至可能有無限個）外部人員可以與零件及其數(shù)字文件交互的接觸點。

因此，賽博安全隱患存在于增材制造數(shù)字線索的每個階段，數(shù)據(jù)和信息可能被別有用心者攔截、損壞或解密，導(dǎo)致產(chǎn)品故障、侵犯知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)生假冒零件等許多傳統(tǒng)生產(chǎn)流程不曾遇到的威脅。而且，賽博安全隱患會影響供應(yīng)鏈上各個環(huán)節(jié)的參與方，包括供應(yīng)商、制造設(shè)備所有者、產(chǎn)品采購者、分銷商以及用戶，這就使得開發(fā)全面的賽博安全措施難上加難。

業(yè)界開發(fā)多項先進(jìn)技術(shù)保護(hù)航空零件增材制造數(shù)字線索的安全

以往，保護(hù)增材制造知識產(chǎn)權(quán)的傳統(tǒng)方式是加強網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，以及在三維CAD文件中加入授權(quán)請求，不過這往往不足以防止許多形式的竊取發(fā)生。近年來，業(yè)界開發(fā)并驗證了一系列新技術(shù)，包括化學(xué)指紋技術(shù)、缺陷植入技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)以及當(dāng)下最熱門的區(qū)塊鏈技術(shù)等，與加強網(wǎng)絡(luò)安全一起共同保衛(wèi)數(shù)字信息的安全。

化學(xué)指紋技術(shù)

知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)專業(yè)公司InfraTrac開發(fā)了一種化學(xué)指紋技術(shù)，在零件增材制造過程中，通過在金屬或聚合物的打印材料表面下層植入一個化學(xué)標(biāo)簽，為增材制造零件增加相當(dāng)于指紋的驗證碼。化學(xué)標(biāo)簽選擇與零件材料相兼容的配方，由公司與用戶共同測試以確保不會影響零件性能?；瘜W(xué)標(biāo)簽的位置和配方對公司和用戶之外保密，操作員可在任何時間通過手持的近紅外光譜儀掃描標(biāo)簽，以鑒別組件在哪里和被誰制造。

2016年8月，InfraTrac公司與賓夕法尼亞州立大學(xué)的先進(jìn)研究實驗室和直接數(shù)字沉積材料創(chuàng)新加工中心完成了基于Ti6A14V鈦合金的研究，團(tuán)隊利用Optomec公司3D打印機增材制造了若干鈦合金零件，在鈦合金粉末逐層沉積過程中，通過打印機特有的雙粉末給料噴嘴，在每個零件的不同位置和不同沉積層植入一個化學(xué)標(biāo)簽。這些零件由馬里蘭大學(xué)先進(jìn)生命周期工程中心使用X射線分光光度計進(jìn)行了測試，在所有零件中都成功探測到了標(biāo)簽。為此，美國國防部牽頭組建的國家增材制造創(chuàng)新中心為該公司頒發(fā)了“2016年度小企業(yè)增材制造挑戰(zhàn)優(yōu)勝獎”。

缺陷植入技術(shù)

紐約大學(xué)研究人員開發(fā)了一項缺陷植入技術(shù)，通過向CAD文件中植入基于條件的缺陷標(biāo)簽，以阻止制假者使用竊取的設(shè)計文件非法制造盜版零件。當(dāng)把一個CAD文件轉(zhuǎn)換為增材制造設(shè)備可識別的文件時，制造商需要定義一些參數(shù)，諸如沉積速度、三角形/多邊形測量參數(shù)以及打印方向。制假者必須知道精準(zhǔn)的零件參數(shù)，才能完全按照設(shè)計完成打印，否則會出現(xiàn)幾乎無法被探測到的特定缺陷。2018年7月，研究人員又提出了一種由二維碼擴展為三維像素云的缺陷標(biāo)簽，使增材制造出的零件帶有按像素云排列的微細(xì)缺陷，只有從正確的方向掃描才能識別到唯一的源二維碼以讀取零件信息，從而防止制假者對其進(jìn)行逆向工程掃描。通過對多種航空級材料、增材制造技術(shù)以及像素云分布構(gòu)型進(jìn)行力學(xué)試驗，研究人員證實了這些缺陷幾乎不會影響結(jié)構(gòu)完整性和強度性能。

云服務(wù)技術(shù)

以色列Assembrix公司利用云服務(wù)技術(shù)開發(fā)的“虛擬制造空間”軟件可實現(xiàn)增材制造的虛擬化，即根據(jù)特定的零件尺寸，實時地將可用的增材制造設(shè)備資源分配給眾多客戶以生產(chǎn)其產(chǎn)品?；谠频姆?wù)可在分配任務(wù)（發(fā)送設(shè)計文件等信息）和制造過程中，防止客戶的數(shù)據(jù)被攔截、損壞或解密。2018年5月，波音宣布在其全球20家工廠的增材制造生產(chǎn)中部署該技術(shù)，監(jiān)管從初始零件模型到已確認(rèn)物理零件的整個增材制造數(shù)字線索，以面向內(nèi)部用戶或外部客戶分配并監(jiān)控增材制造設(shè)備，從而讓整個設(shè)計和制造過程實現(xiàn)全面自動化與可控，提高設(shè)備利用率和波音的投資回報率。

區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)是保護(hù)增材制造供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)和知識產(chǎn)權(quán)的最新方法。全球信息技術(shù)公司W(wǎng)ipro認(rèn)為該技術(shù)在航空增材制造領(lǐng)域潛力巨大，并且開發(fā)了4個基于區(qū)塊鏈的解決方案用于反制假、適航取證跟蹤、供應(yīng)鏈可視化以及實物制造。增材制造的數(shù)字文件、產(chǎn)品、認(rèn)證、包裝和交付等都要在一個區(qū)塊鏈注冊機上注冊，并在供應(yīng)鏈所有合作伙伴之間傳遞時更新狀態(tài)信息，以簡化業(yè)務(wù)流程、增加透明度并降低風(fēng)險。Wipro公司表示，某航空制造商已經(jīng)受益于其區(qū)塊鏈系統(tǒng)統(tǒng)一解決方案，

2017年5月，美國海軍測試了一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)以管理其增材制造設(shè)備并跟蹤零件的數(shù)字線索，首個對象是F/A-18艦載機，當(dāng)F/A-18的起落架零件在航母上發(fā)生損壞時，需要在保護(hù)波音知識產(chǎn)權(quán)的同時利用增材制造生產(chǎn)備件，區(qū)塊鏈技術(shù)將提供解決方案。如果海軍的零件管理系統(tǒng)能夠采用區(qū)塊鏈分類記賬，航母上的增材制造設(shè)備就可以安全地記錄每個生產(chǎn)的零件，并且向波音支付相應(yīng)專利費。這樣不僅可以保護(hù)波音公司的知識產(chǎn)權(quán)，而且還可以優(yōu)化供應(yīng)鏈，讓海軍在需要時直接生產(chǎn)所需零件而無需訂購一個完整的起落架組件，從而減少空閑庫存，提升前線作戰(zhàn)能力。

2018年4月，穆格公司推出了采用區(qū)塊鏈技術(shù)，以數(shù)字化手段管理供應(yīng)鏈的VeriPart解決方案，并與新加坡科技宇航公司共同在增材制造上進(jìn)行了驗證。VeriPart可支撐建立一個安全且可跟蹤的數(shù)字化供應(yīng)鏈，在分布式網(wǎng)絡(luò)上提供每個增材制造零件的來源，使零件的所有信息都能通過區(qū)塊鏈技術(shù)同步到產(chǎn)品生命周期各個階段，每筆交易都記錄在共享的分布式賬本中，支持授權(quán)交易查詢和信息追溯。為保護(hù)制造階段的數(shù)據(jù)交換安全，VeriPart通過區(qū)塊鏈建立起信任機制，根據(jù)給定分布式制造網(wǎng)絡(luò)中各成員間的信任級別，對每個交易環(huán)節(jié)可能遭到的安全威脅進(jìn)行評估，并且在必要時采取防范措施。為進(jìn)一步測試和提升VeriPart與美國國防部增材制造系統(tǒng)的集成，在一個安全的環(huán)境中評估區(qū)塊鏈技術(shù)對老舊零件增材制造以及數(shù)字化供應(yīng)鏈的適應(yīng)性，穆格還與美國國家制造科學(xué)中心簽訂了為期18個月的項目，通過微軟Azure平臺對VeriPart進(jìn)行驗證。項目成果將用于國防后勤局、海軍航空系統(tǒng)司令部、懷特帕特森空軍基地等軍方機構(gòu)，有助于減少作戰(zhàn)人員的后勤負(fù)擔(dān)，提高戰(zhàn)備完好性。

2018年6月，GE獲得了一項名為“實施制造歷史分布式分類記賬的手段和系統(tǒng)”的專利。專利提出了一種增材制造系統(tǒng)控制裝置，可以讀取包含了制造設(shè)備控制指令的制造文件;可以接收指示特定批次制造媒介的材料標(biāo)識符;可以通過一個分布式分類賬本確認(rèn)制造文件和材料標(biāo)識符的正確性，以驗證制造文件生成者或特定批次制造的媒介源頭;可以利用制造文件控制制造設(shè)備以使用特定批次制造媒介生產(chǎn)零件;零件完成生產(chǎn)后，生成已制造零件的一個交易信息放入分布式分類賬本，指示制造文件生成者或特定批次制造媒介源頭確認(rèn)結(jié)果。GE航空近年來大舉投資增材制造技術(shù)和設(shè)備，這項專利將使其增材制造過程和供應(yīng)鏈更加安全可控。

結(jié)束語

近年來，航空業(yè)正越來越多地采用增材制造完成關(guān)鍵零部件生產(chǎn)，這一全數(shù)字化的設(shè)計和制造方法所存在的賽博安全風(fēng)險也越來越為軍方用戶和航空制造商所重視。業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出了基于物理、化學(xué)和網(wǎng)絡(luò)的諸多先進(jìn)技術(shù)來保護(hù)航空增材制造數(shù)字線索的安全，這將進(jìn)一步推進(jìn)增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，加快未來航空研制生產(chǎn)模式的變革。