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

德國在第四次工業(yè)革命的基礎上提出工業(yè)4.0的概念，利用人機交互、數(shù)字通信、人工智能、機器學習和量子技術(shù)等監(jiān)督整個生產(chǎn)線流程并自主執(zhí)行決策[1]。世界各工業(yè)強國紛紛投入技術(shù)革新的熱潮中，盡管各國的提法不同，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)，促進效能、綠色、安全等多維度的價值提升，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。

在此背景下，無損檢測(Non-Destructive Testing，NDT)技術(shù)成為無損評價(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，船舶自動化、控制和通信導航等電氣系統(tǒng)正朝分布型、網(wǎng)絡型和智能型的方向發(fā)展，NDT技術(shù)未來對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)可行性則會逐步加大。

1 產(chǎn)品智能化檢測需求

基于數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化等技術(shù)構(gòu)成的智能化檢測業(yè)務流程架構(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)、服務和管理，而產(chǎn)品的可追溯、可識別、可定位和可管理是產(chǎn)品智能化制造的關鍵所在。

智能化檢測需求的出發(fā)點是工業(yè)4.0模型架構(gòu)的3個維度：產(chǎn)品全壽命周期、空間層級和商業(yè)層級。從產(chǎn)品全壽命周期來看，NDT技術(shù)實際上貫穿產(chǎn)品全壽命周期的各環(huán)節(jié)，在設計、試生產(chǎn)、生產(chǎn)和使用等階段始終遵循NDE規(guī)程，同時進行反饋優(yōu)化，為智能制造關鍵環(huán)節(jié)提供有效和高效的質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)。從空間層級來看，智能化檢測的發(fā)展規(guī)律是由低層級向高層級逐步推進：在單個技術(shù)層面發(fā)力，實現(xiàn)技術(shù)性突破；產(chǎn)生面向智能化檢測的組線技術(shù)，并逐漸形成高度自動化的檢測流水線；在此基礎上實現(xiàn)多條線的智能調(diào)度和集成中央管控等技術(shù)，形成智能檢測標準。從商業(yè)層級來看，智能化檢測作為產(chǎn)品開發(fā)過程、工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)運營的組成部分，提供工業(yè)所需要的質(zhì)量保證手段。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，生產(chǎn)和檢驗規(guī)范通過設計、材料科學、生產(chǎn)和NDE由多位專家合作制定。檢測人員以其對組織結(jié)構(gòu)的了解可為改進設計和生產(chǎn)提出建議，并進一步促進對整體結(jié)構(gòu)的改進和升級。從檢測數(shù)據(jù)來看，檢測涉及環(huán)境信息、檢測設備設置和現(xiàn)有技術(shù)文檔等要素。智能化檢測的基礎創(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應用、剩余壽命預測和大數(shù)據(jù)分析，乃至更大維度的智能船舶工廠和船舶自動化檢測流水線等。

智能化檢測需求不僅體現(xiàn)于產(chǎn)品層面，而且體現(xiàn)于對檢測人員的影響?？朔衔ｋU環(huán)境對檢測人員的潛在傷害、減少重復勞動和提高效率等需要集成數(shù)據(jù)可視化、遠程檢測、遠程監(jiān)控和遠程(實時)決策等新技術(shù)，開拓靈活性更強和更便捷的NDT道路，并促進傳統(tǒng)檢測工藝改進和質(zhì)量提升。智能化檢測應以檢測數(shù)據(jù)為基礎，以檢測技術(shù)和智能化技術(shù)的基礎創(chuàng)新和集成創(chuàng)新為驅(qū)動，聯(lián)合原材料、零部件、操作人員和用戶等不同主體角色，融合貫通設計、制造和使用等全壽命周期的不同階段，充分實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值。

2 智能化檢測現(xiàn)狀與關鍵問題

2.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

智能化檢測的主要元素包括檢測軟件(算法模型、自動控制和人機交互等)、檢測硬件(傳感器、數(shù)據(jù)采集設備和自動化設備等)和檢測人員。

(1)智能化檢測軟件開發(fā)

ALDRIN等[3]介紹用于航空工業(yè)復合材料沖擊損傷區(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)分隱蔽分層場輪廓的功能，為難以辨別的深層缺陷提供快速識別的可能。BIRLIK等[4]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對核電站變壓器的健康指標進行預測，為變壓器建立可靠的健康指標，進行最優(yōu)壽命預測和健康評價。AIZPURUA等[5]提出一種融合不確定性建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動預測模型和基于模型的試驗模型的變壓器狀態(tài)評價方法，以提高預測精度和處理不確定性。

(2)智能化檢測設備研究

宋曉峰等[6]介紹針對建筑和橋梁鋼結(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的方法，并結(jié)合機器人研發(fā)焊縫系統(tǒng)，該方法的應用大幅減少傳統(tǒng)手持探頭進行的檢測工作，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的生產(chǎn)力和效率。換能器通過基于智能化深度學習的模型降低勞動力成本、昂貴的破壞性測試和生產(chǎn)周期時間，其實際實施將對基礎設施行業(yè)產(chǎn)生長期的積極影響。鐘繼衛(wèi)等[8]自主研發(fā)一系列橋梁智能檢測技術(shù)和裝備，實現(xiàn)橋梁各類復雜、隱蔽和高空部位的檢測。

(3)檢測人員與智能化設備的融合

從實踐來看，應用的關鍵技術(shù)基礎在于檢測工藝的優(yōu)化和智能化概念的落實，主要難點在于如何將人與計算機軟件深度融合，實現(xiàn)智能化，減少對人的依賴。仇飛等[9]針對大型承壓設備超聲波檢測參數(shù)選用開發(fā)超聲波檢測工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)幫助超聲波檢測人員快速準確地確定相關參數(shù)，為承壓設備的安全運行保駕護航。LIU等[10]討論復合材料先進制造的智能化NDE，基于NDE 4.0分析概念，強調(diào)國內(nèi)許多實際應用與工業(yè)4.0的要求和智能制造的無縫對接存在較大差距。

2.2 關鍵問題

(1)系統(tǒng)化設計

檢測技術(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，需要對現(xiàn)有NDT方法進行改革和創(chuàng)新，配合引進的新型檢測設備進行人才隊伍的培養(yǎng)，使這些設備在現(xiàn)場檢測中真正發(fā)揮作用。產(chǎn)品的整體設計應與NDT的要求保持一致，并制訂科學合理的智能化檢測驗收指標。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行業(yè)與社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。GOGOLINSKIY等[12]提醒注意所有“智能”與“智慧”儀器和測量與控制方法的標準化。開發(fā)智能NDT工具和狀態(tài)檢測系統(tǒng)標準化問題需要開發(fā)商與設備制造商、物理學家與數(shù)學家和信息技術(shù)(IT)、計量學與標準化專家共同努力解決，推進智能檢測技術(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準化的通用數(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，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雜化。MAEV[13]強調(diào)NDT與NDE領域必須應對的主要挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)格式標準化和通信保證。由于數(shù)據(jù)的提供與交換是智能化檢測較重要的元素，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，必須實現(xiàn)過程標準化的要求。

(3)虛擬現(xiàn)實的映射模型

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)的映射模型不僅是針對重大工程項目的計算分析和優(yōu)化仿真的技術(shù)手段，而且是技術(shù)人員進行產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新設計的重要工具?，F(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)智能設計/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題，給出分析策略和提示，并具有錯誤提示功能。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的應用面臨改革升級。

(4)AI技術(shù)與檢測技術(shù)的融合發(fā)展

在復雜組件的檢測過程中，專家級操作人員必不可少。對于一些相對簡單的基于計算機的檢測方法，AI可實現(xiàn)更優(yōu)越的掃查結(jié)果。當前AI技術(shù)在檢測方面的應用主要是缺乏具有代表性的數(shù)據(jù)集和對決策的可信任度，并在國際上缺乏統(tǒng)一的標準數(shù)據(jù)格式。LIU等[10]計劃專注于基于高質(zhì)量超聲波三維成像的智能檢測方法和設備研發(fā)，在復合材料NDT過程中實現(xiàn)AI，并更多地參與創(chuàng)建新的國家與國際計量保證和標準化。

3 船舶建造智能化檢測的發(fā)展方向

若全面實現(xiàn)智能化檢測的愿景，則NDT將會變得更有能力和價值。船舶的建造特點是高度離散化、定制化部件多、自動化偏低，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、推動船舶企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是船舶建造智能化檢測的發(fā)展方向。

(1)智能化檢測標準研發(fā)

檢測主要基于NDT人員對檢測結(jié)果的評價，與其經(jīng)驗、技術(shù)水平和相關背景知識密切相關。特別是對于結(jié)構(gòu)較復雜的復合材料，可能需要分析和評價大量的數(shù)據(jù)結(jié)果。必須建立相應的智能超聲波檢測技術(shù)與標準。這需要在很多方面進行創(chuàng)新，例如檢測方法、檢測參數(shù)設置、缺陷識別方法，以及建立智能超聲波檢測流程、進行充分的檢測和應用驗證等。

(2)智能化檢測的可靠性

未來的智能化檢測概念必須應對數(shù)字化轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新速度與NDE界對安全可靠檢測系統(tǒng)的期望所產(chǎn)生的沖突。不斷提升檢測科研水平是保障船舶建造的重要手段，在NDT技術(shù)的應用和開發(fā)中應注意檢測結(jié)果的精度和可靠性，并應強調(diào)檢測效率和成本。在自動化評價過程中植入綜合思維和判別能力，實現(xiàn)對測試結(jié)果的智能化評價。

(3)人機交互界面

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

(4)將智能化檢測融入船舶建造流程

檢測技術(shù)在船舶產(chǎn)品全壽命周期中發(fā)揮重要作用，在產(chǎn)品供應鏈的各階段發(fā)揮“質(zhì)量衛(wèi)士”的關鍵角色。在檢測技術(shù)作為智能制造的關鍵環(huán)節(jié)時，通過智能技術(shù)的賦能，智能檢測技術(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，可加快檢測方法的數(shù)字化進程，加大檢測過程的自動化，提高檢測數(shù)據(jù)應用和集成創(chuàng)新力度。

4 結(jié) 語

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