產(chǎn)品智能化檢測(cè)發(fā)展分析

尹嘉雯，周昌智，黃 斐，黃凱華

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

德國(guó)在第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上提出工業(yè)4.0的概念，利用人機(jī)交互、數(shù)字通信、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和量子技術(shù)等監(jiān)督整個(gè)生產(chǎn)線流程并自主執(zhí)行決策[1]。世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)紛紛投入技術(shù)革新的熱潮中，盡管各國(guó)的提法不同，但技術(shù)內(nèi)涵基本相似，即在制造業(yè)中深入融合信息化技術(shù)，促進(jìn)效能、綠色、安全等多維度的價(jià)值提升，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

在此背景下，無(wú)損檢測(cè)(Non-Destructive Testing，NDT)技術(shù)成為無(wú)損評(píng)價(jià)(Non-Destructive Evaluation，NDE)4.0，即與工業(yè)4.0技術(shù)匯集而成的NDT體系。隨著人工智能(AI)技術(shù)的發(fā)展，船舶自動(dòng)化、控制和通信導(dǎo)航等電氣系統(tǒng)正朝分布型、網(wǎng)絡(luò)型和智能型的方向發(fā)展，NDT技術(shù)未來(lái)對(duì)人工的依賴性必然逐步降低，而航海信息化、船岸一體化的智能船舶程度技術(shù)可行性則會(huì)逐步加大。

1 產(chǎn)品智能化檢測(cè)需求

基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等技術(shù)構(gòu)成的智能化檢測(cè)業(yè)務(wù)流程架構(gòu)與醫(yī)療系統(tǒng)十分相似[2]。依據(jù)智能制造本身的技術(shù)內(nèi)涵，智能化的體現(xiàn)方式主要涉及產(chǎn)品、裝備、生產(chǎn)、服務(wù)和管理，而產(chǎn)品的可追溯、可識(shí)別、可定位和可管理是產(chǎn)品智能化制造的關(guān)鍵所在。

智能化檢測(cè)需求的出發(fā)點(diǎn)是工業(yè)4.0模型架構(gòu)的3個(gè)維度：產(chǎn)品全壽命周期、空間層級(jí)和商業(yè)層級(jí)。從產(chǎn)品全壽命周期來(lái)看，NDT技術(shù)實(shí)際上貫穿產(chǎn)品全壽命周期的各環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)、試生產(chǎn)、生產(chǎn)和使用等階段始終遵循NDE規(guī)程，同時(shí)進(jìn)行反饋優(yōu)化，為智能制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供有效和高效的質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)。從空間層級(jí)來(lái)看，智能化檢測(cè)的發(fā)展規(guī)律是由低層級(jí)向高層級(jí)逐步推進(jìn)：在單個(gè)技術(shù)層面發(fā)力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)性突破；產(chǎn)生面向智能化檢測(cè)的組線技術(shù)，并逐漸形成高度自動(dòng)化的檢測(cè)流水線；在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多條線的智能調(diào)度和集成中央管控等技術(shù)，形成智能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。從商業(yè)層級(jí)來(lái)看，智能化檢測(cè)作為產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程、工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)運(yùn)營(yíng)的組成部分，提供工業(yè)所需要的質(zhì)量保證手段。在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，生產(chǎn)和檢驗(yàn)規(guī)范通過(guò)設(shè)計(jì)、材料科學(xué)、生產(chǎn)和NDE由多位專家合作制定。檢測(cè)人員以其對(duì)組織結(jié)構(gòu)的了解可為改進(jìn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提出建議，并進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和升級(jí)。從檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，檢測(cè)涉及環(huán)境信息、檢測(cè)設(shè)備設(shè)置和現(xiàn)有技術(shù)文檔等要素。智能化檢測(cè)的基礎(chǔ)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新正朝著多元化方向發(fā)展，例如智能傳感器、5G應(yīng)用、剩余壽命預(yù)測(cè)和大數(shù)據(jù)分析，乃至更大維度的智能船舶工廠和船舶自動(dòng)化檢測(cè)流水線等。

智能化檢測(cè)需求不僅體現(xiàn)于產(chǎn)品層面，而且體現(xiàn)于對(duì)檢測(cè)人員的影響。克服船上危險(xiǎn)環(huán)境對(duì)檢測(cè)人員的潛在傷害、減少重復(fù)勞動(dòng)和提高效率等需要集成數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程檢測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程(實(shí)時(shí))決策等新技術(shù)，開拓靈活性更強(qiáng)和更便捷的NDT道路，并促進(jìn)傳統(tǒng)檢測(cè)工藝改進(jìn)和質(zhì)量提升。智能化檢測(cè)應(yīng)以檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以檢測(cè)技術(shù)和智能化技術(shù)的基礎(chǔ)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，聯(lián)合原材料、零部件、操作人員和用戶等不同主體角色，融合貫通設(shè)計(jì)、制造和使用等全壽命周期的不同階段，充分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值。

2 智能化檢測(cè)現(xiàn)狀與關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

智能化檢測(cè)的主要元素包括檢測(cè)軟件(算法模型、自動(dòng)控制和人機(jī)交互等)、檢測(cè)硬件(傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備等)和檢測(cè)人員。

(1)智能化檢測(cè)軟件開發(fā)

ALDRIN等[3]介紹用于航空工業(yè)復(fù)合材料沖擊損傷區(qū)域的超聲波相控陣表征新算法的開發(fā)，該算法模型具有智能化區(qū)分隱蔽分層場(chǎng)輪廓的功能，為難以辨別的深層缺陷提供快速識(shí)別的可能。BIRLIK等[4]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)核電站變壓器的健康指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為變壓器建立可靠的健康指標(biāo)，進(jìn)行最優(yōu)壽命預(yù)測(cè)和健康評(píng)價(jià)。AIZPURUA等[5]提出一種融合不確定性建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)模型和基于模型的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖儔浩鳡顟B(tài)評(píng)價(jià)方法，以提高預(yù)測(cè)精度和處理不確定性。

(2)智能化檢測(cè)設(shè)備研究

宋曉峰等[6]介紹針對(duì)建筑和橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接H型鋼腹板與翼緣板全熔透焊縫采用智能化超聲波相控陣檢測(cè)的方法，并結(jié)合機(jī)器人研發(fā)焊縫系統(tǒng)，該方法的應(yīng)用大幅減少傳統(tǒng)手持探頭進(jìn)行的檢測(cè)工作，并大幅降低人力成本。ALAVIJEH等[7]定制換能器提高聚乙烯管道接頭超聲波檢測(cè)的生產(chǎn)力和效率。換能器通過(guò)基于智能化深度學(xué)習(xí)的模型降低勞動(dòng)力成本、昂貴的破壞性測(cè)試和生產(chǎn)周期時(shí)間，其實(shí)際實(shí)施將對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)產(chǎn)生長(zhǎng)期的積極影響。鐘繼衛(wèi)等[8]自主研發(fā)一系列橋梁智能檢測(cè)技術(shù)和裝備，實(shí)現(xiàn)橋梁各類復(fù)雜、隱蔽和高空部位的檢測(cè)。

(3)檢測(cè)人員與智能化設(shè)備的融合

從實(shí)踐來(lái)看，應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)在于檢測(cè)工藝的優(yōu)化和智能化概念的落實(shí)，主要難點(diǎn)在于如何將人與計(jì)算機(jī)軟件深度融合，實(shí)現(xiàn)智能化，減少對(duì)人的依賴。仇飛等[9]針對(duì)大型承壓設(shè)備超聲波檢測(cè)參數(shù)選用開發(fā)超聲波檢測(cè)工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)幫助超聲波檢測(cè)人員快速準(zhǔn)確地確定相關(guān)參數(shù)，為承壓設(shè)備的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。LIU等[10]討論復(fù)合材料先進(jìn)制造的智能化NDE，基于NDE 4.0分析概念，強(qiáng)調(diào)國(guó)內(nèi)許多實(shí)際應(yīng)用與工業(yè)4.0的要求和智能制造的無(wú)縫對(duì)接存在較大差距。

2.2 關(guān)鍵問(wèn)題

(1)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

檢測(cè)技術(shù)的智能化轉(zhuǎn)型需要多方面相互融合。在新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝陸續(xù)出現(xiàn)的大環(huán)境下，需要對(duì)現(xiàn)有NDT方法進(jìn)行改革和創(chuàng)新，配合引進(jìn)的新型檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行人才隊(duì)伍的培養(yǎng)，使這些設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中真正發(fā)揮作用。產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)應(yīng)與NDT的要求保持一致，并制訂科學(xué)合理的智能化檢測(cè)驗(yàn)收指標(biāo)。VALESKE等[11]指出智能化NDT面臨的較重大挑戰(zhàn)是需要全球NDE界專家之間的合作和整個(gè)行業(yè)與社會(huì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。GOGOLINSKIY等[12]提醒注意所有“智能”與“智慧”儀器和測(cè)量與控制方法的標(biāo)準(zhǔn)化。開發(fā)智能NDT工具和狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題需要開發(fā)商與設(shè)備制造商、物理學(xué)家與數(shù)學(xué)家和信息技術(shù)(IT)、計(jì)量學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)化專家共同努力解決，推進(jìn)智能檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展。

(2)數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議

向智能化轉(zhuǎn)型的另一必要組成部分是標(biāo)準(zhǔn)化的通用數(shù)據(jù)格式接口。目前，在開發(fā)用于智能化傳感器系統(tǒng)的軟硬件時(shí)，一些組件仍在使用特殊數(shù)據(jù)格式和接口，使系統(tǒng)之間的兼容性較為復(fù)雜化。MAEV[13]強(qiáng)調(diào)NDT與NDE領(lǐng)域必須應(yīng)對(duì)的主要挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化和通信保證。由于數(shù)據(jù)的提供與交換是智能化檢測(cè)較重要的元素，因此在考慮數(shù)據(jù)完整性、保證數(shù)據(jù)主權(quán)和防止數(shù)據(jù)操縱的安全性等方面，必須實(shí)現(xiàn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

(3)虛擬現(xiàn)實(shí)的映射模型

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)的映射模型不僅是針對(duì)重大工程項(xiàng)目的計(jì)算分析和優(yōu)化仿真的技術(shù)手段，而且是技術(shù)人員進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要工具。現(xiàn)在的仿真技術(shù)發(fā)展方向是與人工智能技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)智能設(shè)計(jì)/分析的輔助系統(tǒng)，降低或消除仿真技術(shù)普及的阻力。MIYOSHI等[14]提出一種有限元代理系統(tǒng)，可智能處理部分分析有限元問(wèn)題，給出分析策略和提示，并具有錯(cuò)誤提示功能。各種集成化的系統(tǒng)正在逐漸發(fā)展，VR的映射模型在智能化檢測(cè)的應(yīng)用面臨改革升級(jí)。

(4)AI技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)的融合發(fā)展

在復(fù)雜組件的檢測(cè)過(guò)程中，專家級(jí)操作人員必不可少。對(duì)于一些相對(duì)簡(jiǎn)單的基于計(jì)算機(jī)的檢測(cè)方法，AI可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)越的掃查結(jié)果。當(dāng)前AI技術(shù)在檢測(cè)方面的應(yīng)用主要是缺乏具有代表性的數(shù)據(jù)集和對(duì)決策的可信任度，并在國(guó)際上缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。LIU等[10]計(jì)劃專注于基于高質(zhì)量超聲波三維成像的智能檢測(cè)方法和設(shè)備研發(fā)，在復(fù)合材料NDT過(guò)程中實(shí)現(xiàn)AI，并更多地參與創(chuàng)建新的國(guó)家與國(guó)際計(jì)量保證和標(biāo)準(zhǔn)化。

3 船舶建造智能化檢測(cè)的發(fā)展方向

若全面實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)的愿景，則NDT將會(huì)變得更有能力和價(jià)值。船舶的建造特點(diǎn)是高度離散化、定制化部件多、自動(dòng)化偏低，而船舶NDT現(xiàn)狀是高度依賴人工，數(shù)字化、信息化和自動(dòng)化程度低，作業(yè)環(huán)境惡劣。因此，如何將NDE深入融合船舶建造流程、推動(dòng)船舶企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是船舶建造智能化檢測(cè)的發(fā)展方向。

(1)智能化檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)

檢測(cè)主要基于NDT人員對(duì)檢測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)，與其經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平和相關(guān)背景知識(shí)密切相關(guān)。特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的復(fù)合材料，可能需要分析和評(píng)價(jià)大量的數(shù)據(jù)結(jié)果。必須建立相應(yīng)的智能超聲波檢測(cè)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。這需要在很多方面進(jìn)行創(chuàng)新，例如檢測(cè)方法、檢測(cè)參數(shù)設(shè)置、缺陷識(shí)別方法，以及建立智能超聲波檢測(cè)流程、進(jìn)行充分的檢測(cè)和應(yīng)用驗(yàn)證等。

(2)智能化檢測(cè)的可靠性

未來(lái)的智能化檢測(cè)概念必須應(yīng)對(duì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新速度與NDE界對(duì)安全可靠檢測(cè)系統(tǒng)的期望所產(chǎn)生的沖突。不斷提升檢測(cè)科研水平是保障船舶建造的重要手段，在NDT技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)中應(yīng)注意檢測(cè)結(jié)果的精度和可靠性，并應(yīng)強(qiáng)調(diào)檢測(cè)效率和成本。在自動(dòng)化評(píng)價(jià)過(guò)程中植入綜合思維和判別能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的智能化評(píng)價(jià)。

(3)人機(jī)交互界面

我國(guó)未來(lái)的船舶檢測(cè)內(nèi)容將逐步出現(xiàn)采用輔助機(jī)械伸展臂搭載攝像頭采集圖像進(jìn)行人機(jī)交互分析的嘗試，亟待與基于深度學(xué)習(xí)的缺陷高精度識(shí)別、目標(biāo)精確定位、圖像矯正、缺陷三維還原和VR演示等先進(jìn)技術(shù)深入融合。人機(jī)交互界面應(yīng)保持完整性、一致性和方便的使用原則，在降低操作人員工作量的同時(shí)，保證檢測(cè)的質(zhì)量和可持續(xù)性。

(4)將智能化檢測(cè)融入船舶建造流程

檢測(cè)技術(shù)在船舶產(chǎn)品全壽命周期中發(fā)揮重要作用，在產(chǎn)品供應(yīng)鏈的各階段發(fā)揮“質(zhì)量衛(wèi)士”的關(guān)鍵角色。在檢測(cè)技術(shù)作為智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)時(shí)，通過(guò)智能技術(shù)的賦能，智能檢測(cè)技術(shù)可視為工業(yè)4.0智能制造的質(zhì)量信息傳感器，貫穿船舶產(chǎn)品全壽命周期，可加快檢測(cè)方法的數(shù)字化進(jìn)程，加大檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化，提高檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用和集成創(chuàng)新力度。

4 結(jié) 語(yǔ)

新一代的智能化檢測(cè)技術(shù)支持提供可靠、快速和具有成本效益的方法檢測(cè)產(chǎn)品部件中的故障和缺陷，可快速檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程，并適應(yīng)大批量制造，支撐船舶建造的高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)和技術(shù)到標(biāo)準(zhǔn)體系的全面支持，助推我國(guó)船舶行業(yè)由“大”到“強(qiáng)”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。