面對工業4.0的中國無損檢測

金宇飛

(上海材料研究所， 上海 200437)

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面對工業4.0的中國無損檢測

金宇飛

(上海材料研究所， 上海 200437)

摘要：面對德國提出的工業4.0戰略和我國政府提出的中國制造2025發展規劃，中國無損檢測需要在術語、方法、觀念等方面實現統一，需要正確理解無損評價，使我國無損檢測向智能化方向發展,降低成本，有利于無損檢測在中國的合理應用。

關鍵詞：工業4.0；中國制造2025；無損檢測；無損評價

2011年在漢諾威工業博覽會開幕式致辭中，德國人工智能研究中心負責人和執行總裁WOLFGANG W教授首次提出“工業4.0”這一詞[1]。

在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等的大力推動下，德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部于2013年將工業4.0項目納入了《高技術戰略2020》的十大未來項目中。隨后，德國機械及制造商協會(VDMA)等設立了“工業4.0平臺”，德國電氣電子和信息技術協會發表了德國首個工業4.0標準化路線圖[2]。

至此，德國工業4.0全面啟動，并影響著全球，包括中國。

1工業4.0及其對無損檢測的要求

1.1關于工業4.0

工業4.0，又稱第四次工業革命，是相對于前三次工業革命而言的,這幾次工業革命包括:

① 工業1.0：機械化，代表性技術為蒸汽機；

② 工業2.0：電氣化，代表性技術為發電機；

③ 工業3.0：數字化，代表性技術為計算機、數控技術；

④ 工業4.0：智能化/無人化，可能的代表性技術為互聯網/物聯網、智能制造/智能工廠、綠色制造、增材制造(3D打印)。

工業4.0最為吸引人的一點是其對于未來工業智能化和數字化的闡述：未來的工業產品從設計創意開始，直到成品出廠，都可以由信息化系統提供無縫的數據和管理支持[3]。工業4.0的內涵可分為兩方面：第一方面是智能化、綠色化和人性化；第二方面是分散網絡化和信息物理的深度融合。目前工業4.0處于理念和戰略思考階段，還不是現實[4]。所以，有學者認為中國企業別急著學德國工業4.0[5],但也有的學者認為工業4.0可以拯救中國制造[6]。

雖然中德兩國制造業所處發展階段不同，面對工業4.0，中國還是做出了積極反應。最近，由工業和信息化部、中國工程院、國家質量監督檢驗檢疫總局等聯合起草的“中國制造2025”發展規劃已經完成。

“中國制造2025”也被稱為中國版的“工業4.0”，兩者在核心理念、主要內容和具體做法上多有異曲同工之處。“中國制造2025”發展規劃的核心是：創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本。明確了智能制造是主攻方向，工業機器人是智能制造的重要組成部分[7]。

而智能化的前提是自動化和數字化，包括控制系統的數字化、工業網絡的數字化、測量和執行手段的數字化，也就是工業自動化所有環節的全面數字化。即使實現了這一切，也僅僅是創建了智能制造的基礎[8]。

所以，工業4.0的實現并不是一蹴而就的。更何況中國工業在很多領域還需要補上工業3.0甚至是工業2.0的許多課程[9]。

1.2工業4.0對無損檢測的要求

無損檢測是工業產品質量控制的重要技術手段，并且是無可替代甚至還可能有效替代其他檢測技術的一種質量控制手段。“中國制造2025”的核心之一就是“質量為先”，無損檢測必然是實現工業4.0中不可或缺的技術之一。

從工業4.0的目標來看，工業4.0對無損檢測的基本要求，主要涉及如下三個方面：

① 數字化和自動化:這是對檢測設備的要求，包括儀器的數字化和設備系統的自動化。

② 智能化和無人化:這是對檢測方法的要求，包括自動采集、通訊和評價檢測結果。

③ 標準化和統一化:這是對檢測標準的要求，包括術語、方法、人員、機構等各方面。

2中國無損檢測的現狀和問題

2.1數字化和自動化20世紀70年代，德國、法國等發達國家就已經開發和應用了自動化無損檢測設備和系統，涉及鋼板、環焊縫、直焊縫的自動超聲檢測，渦流、漏磁、電磁分選的自動化，工業電視的半自動化，自動射線照相機械手等方面[10]。自20世紀80年代開始，國內企業競相進口了自動化無損檢測設備和系統，同時也開始了自主研發半自動化和自動化無損檢測設備和系統。

與發達國家相比，我國在自動化方面的起步雖然比較晚，但發展速度很快，目前在很多領域已經與發達國家差距不大。

20世紀70年代微機的問世和大規模集成電路的發展，也促進了無損檢測儀器設備的計算機化。80年代起，國外陸續推出了各種類型的計算機化無損檢測儀器設備，國內也開展了相應的研究和開發。90年代初，蔣危平就提出了要發展計算機化儀器或數字化儀器[11]。

至今，在無損檢測儀器數字化進程中，我國基本上與發達國家保持相當的水平。

2.2智能化和無人化

數字化并不是智能化，數字化只是計算機化，并且對操作人員的要求依然很高。自動化也不是無人化，自動化只是在某些場合和某個階段實現了無人操作。智能化不僅要實現無人操作，還要實現檢測結果評價的無人化，就是要實現由機器代替檢測人員來做檢測并對檢測結果做出評價結論，是無損檢測全過程無人化。

所以智能化的目標就是要開發出傻瓜機(就像數碼照相機)，可以自動校準和采集數據、實現數據通訊、評價檢測結果、給出評價結論。這其中需要解決一系列問題，包括如何采集數據、需要采集和處理哪些數據、如何評價檢測結果、評價準則或依據是什么等等。

我國對智能化和無人化的開發和應用也在不斷進步中，譬如將分析和評價軟件應用于自動射線檢測[12]、超聲檢測機械手[13]等，但還遠遠不夠。我國已經開發和應用了很多新方法和新技術[14]，但對檢測結果的解釋和評價，還是非常地依賴于檢測人員的經驗，這對于開發傻瓜機、實現智能化檢測會是很大的障礙。

2.3標準化和統一化

無論是數字化時代或者電氣化時代，還是未來的智能化時代，標準化和統一化都是基礎。由于智能化時代將會充分利用互聯網，交流面將會更加廣闊，所以標準化和統一化將越來越重要，任何不標準或不統一的細節，都有可能會導致不良后果，甚至是障礙和糾紛。

標準是應用無損檢測的主要依據,撇開標準就難以有效應用無損檢測。因此,無損檢測標準化程度,直接影響到無損檢測應用的效果。標準化的目標就是統一化。對于無損檢測標準化而言，其目標就是要讓術語和方法達成統一。但在我國無損檢測領域，術語和方法的不統一現象還是比較嚴重的。

譬如，大家至今還在普遍使用甚至還在堅持濫用術語“缺陷”，而拒絕使用術語“缺欠”或“不連續”。但是，缺欠與缺陷的定義是不同的。

缺欠對應的英文詞是imperfection。缺陷對應的英文詞是defect。在焊接標準中，焊接缺陷是指超過規定限值的缺欠[15]。在無損檢測術語標準中，缺陷是指尺寸、形狀、取向、位置或性質不滿足規定的驗收準則而拒收的一個或多個傷[16]，而缺欠(imperfection)、不連續(discontinuity)、傷(flaw)等術語也是各有定義的。

根據定義，缺陷意味著不合格或不可驗收，意味著拒收、召回或不得出廠。但無損檢測所發現和記錄的結果并不都是不合格或不可驗收的，所以要慎用術語“缺陷”，尤其不要把合格或可驗收的檢測結果也都叫做缺陷。就像GB/T 19000-2008(ISO 9000:2005)的第3.6.3節所提示的那樣：使用術語“缺陷”應當極其慎重[17]。

因此，出具檢測報告時不要把合格的數據說成是缺陷，要注意規避風險或不必要的糾紛；撰寫研究報告，也要慎用術語缺陷，因為在可選用的各種術語中，缺陷的尺寸是最大的，所以能檢測出缺陷并不意味著是有很高的檢測靈敏度或檢測能力。

一定要準確使用術語，如果用詞不當甚至還不以為然，讓人感覺無損檢測人員說話不靠譜，何談無損檢測的可靠性，哪來無損檢測的地位和無損檢測人員的地位。

除了術語問題之外，方法標準的不統一現象似乎更加嚴重。

目前，我國涉及無損檢測方法的標準數量巨大，國家標準和行業標準合計總數約500項。并且很多標準中的方法是同類的，譬如超聲檢測類方法標準，超過150項。存在的問題不僅是標準數量大，而且很多標準中的方法名稱雖然相同(如都叫超聲檢測)，但具體要求卻各自不同，相互之間就無法比較，也無法交流和溝通。這樣的標準本身就很不標準，這樣的標準越多，制造的麻煩和障礙也就越多。

3中國無損檢測如何應對工業4.0

3.1要解決術語不統一的問題

無損檢測界，包括無損檢測人員和研究人員，應當自覺地使用相同的術語。使用相同的術語應當以無損檢測術語標準為依據，如GB/T 12604、GB/T 20737等術語標準。

使用統一的術語，不僅有利于無損檢測業內的交流，更有利于與其他專業人員和管理人員的交流，因為無損檢測的客戶幾乎都是不太明白無損檢測的業外人士，如果無損檢測人員各自使用不同的術語講同一件事，或者使用相同的術語講不同的事，都會誤導客戶和管理機構，最終受損的是自己。

所以應當做的是：

① 慎用那些容易引起歧義或誤解的術語，如缺陷等。

② 少用那些已淘汰或落后的術語，如磁痕、K值等。

③ 不用那些沒有定義或基本概念不清的術語，如對比試樣、試樣、晶片、波形、波幅等。

④ 使用那些定義明確且不會引起歧義或誤解的術語，如缺欠、不連續等。

3.2要解決方法不統一的問題

無損檢測方法標準的不統一，其結果就是：人員需要增加學習，企業需要增加裝備，產品質量難以統一控制。這種不統一現象，不僅大大增加了生產成本，同時也導致了產品質量的整體下降。因此，必須糾正無損檢測方法標準的不統一現象。

方法標準的統一，也就是要在不同行業和標委會之間實現協調和統一，而這一任務必定是由無損檢測界的全體同仁團結一心才能完成和實現的，因為這種不統一現象都是無損檢測界的同仁自己造成的。

所以，針對同樣的檢測方法和技術，應當做到以下幾點：

① 反對制定標準內容不同的標準，同樣的無損檢測方法或技術應當是相同的。

② 反對制定標準內容相同的標準，同樣的無損檢測方法或技術應當相互引用。

③ 反對制定自成體系的產品類無損檢測標準，推動使用通用的無損檢測標準。

3.3要解決觀念不統一的問題

為什么要使用無損檢測？有越來越多的人會認為，使用無損檢測就是為了保證產品質量、保證運行安全。有越來越多的人已經不再清楚，使用無損檢測的首要目的其實是為了降低生產成本和運行成本。

由于我國無損檢測界的各自封閉，導致無損檢測術語和方法使用的不統一，不同行業的人員素質差異較大，再加上前段時期盲目地鼓吹無損評價，甚至用無損評價來貶低無損檢測，導致無損檢測的地位和無損檢測人員的地位在我國持續下降，逐漸也迷失了使用無損檢測的真正目的。

越來越多的人已經習慣地把無損評價與無損檢測分立開來，認為無損評價不但要檢測缺陷的有無，而且要給出材料的定量評價。其中包括對缺陷的定量(形狀、大小、位置、取向、內含物等)測量，以及對有缺陷的材料和產品的質量評價。也包括對無缺陷的材料和產品給出質量評價。無損評價是無損檢測更高層次的發展，無損檢測這一術語已逐漸為無損評價所取代[18]。國外無損檢測技術已由NDT(無損檢測)經NDI(無損試驗)而發展到NDE(無損評定)階段[19]。早期稱為無損探傷(NDI)，第二階段成為無損檢測(NDT)，第三階段稱為無損評價(NDE)[20]。經過一系列的演化，最終形成了所謂的無損探傷、無損檢測、無損評價三階段發展論。

在這一觀念的影響下，我國的無損檢測開始朝著定量測量甚至精密測量的方向發展，并積極地開發越來越多的無損檢測方法和技術，應用于越來越多的檢測項目，甚至超過了發達國家，并且不惜成本地提高檢測精度和增加判廢科目，從而與使用無損檢測和開展無損評價的目的漸行漸遠。

其實，并不存在無損檢測三個發展階段，也不存在無損評價取代無損檢測的發展趨勢。因為根據國際標準ISO/TS 18173: 2005[21]和美國標準ASTM E1316-02[22]的定義，NDI、NDT、NDE等術語都是同義詞。譬如日本，至今還叫日本NDI協會，但這并不代表日本還處于早期階段。

根據美國標準ASTM E1316的定義，評價(evaluation)是指將相關顯示判定為接收還是拒收[23]。通常，把標準中的evaluation翻譯成“評定”。所以無損評價，也就是無損評定，也就是無損檢測結果評定。

由于翻譯的原因，在我國，無損檢測一詞曾使用過許多同義詞，譬如：探傷(1953年[24])、無損探傷(1958年[25])、無損檢驗(1962年[26])。而《理化檢驗通訊》在1963～1968年期間，先后開設了“無損探傷”、“無損試驗”、“無損檢驗”專欄，到了1978年有了無損檢測分冊，正式開始使用無損檢測這一術語。這一系列變化，只是代表了術語的變化而已。正因為這些曾經使用過的術語都是同義詞，所以從標準化和統一化出發，建議大家統一使用術語“無損檢測”，而不要再使用無損探傷、無損檢驗、無損試驗等等。

無損評價一詞最早可能出現于1978年[27]，那只是對NDE的直譯。而最早對無損評價做詳細介紹的是1986年《無損檢測》雜志刊登的一篇譯文，其中提到：現代工業正在努力將無損檢測方法和技術用于結構、強度、硬度、殘余應力等材料的物理性能的測試。這種努力起因于對提高產品質量、確保安全，降低生產成本及提高生產率的需要[28]。而無損評價的目的，是為了實現自動化。

在無損檢測中強調無損評價，其目的是為了實現自動化，實現智能化，加強無損檢測的實用性。這并不是說過去是沒有無損評價的，只是過去的無損評價工作比較粗糙，很多驗收準則可能是憑經驗甚至是憑感覺制定的。強調無損評價工作，就是要求把這一工作做的比過去更深入、更精細、更加數據化，其目的是為了最大限度地降低生產成本和運行成本。

當把無損評價誤以為是更高階段，把新方法和新技術的開發和應用、檢測科目的開拓、檢測能力的提高等都歸納為無損評價這一術語，并且以為這就是無損評價了，其實這些仍然是檢測技術甚至還是探傷技術(當然這些發展也是需要的)，而遠不是無損評價。真正的無損評價，是要解決如何對檢測結果進行評價，包括以怎樣的依據來判定其是否合格或可否繼續使用，而不是僅僅把檢測結果分個等級。真正的無損評價，國內卻少有試驗研究和文獻報道。真正的無損評價，正是實現智能化所需的基礎。這些都是無損檢測與其他檢測技術的最大不同之處。

針對產品的不同階段，無損檢測的目標有所不同，體現在以下幾方面：

① 制造階段：是判定傷或缺欠為缺陷(不可驗收或拒收)還是不連續(可驗收)。

② 使用階段：是判定傷為不可使用還是繼續使用。

而無損評價的目標就是要建立判定依據，也就是：

① 制造階段：需要建立基于制造質量的驗收準則。

② 使用階段：需要建立基于使用壽命的評價準則。

因而，即便是在早期的探傷時期，對探傷結果的合格評定就始終存在，否則探傷的目的就沒有了。所以使用的術語是探傷，還是檢測或評價，并不代表不同的發展階段。強調無損評價，是要求把評定依據建立得更精細、更準確，以避免不必要的浪費，從而有效地降低成本。

跟其他任何技術一樣，無損檢測或無損評價也同樣分為研究和應用兩大方面。通過大量與力學試驗、力學理論相配合的試驗數據，以及大量的經驗數據，來建立驗收準則或評價準則，然后作為無損檢測的實際應用。后者是無損檢測人員的工作，即如何實施無損檢測或無損評價；而前者可以是無損檢測人員的工作，也可以是無損檢測研究人員的工作，即如何開發無損檢測或無損評價。無損檢測人員(如3級人員)并不等于研究人員，無損檢測研究人員也不能取代無損檢測人員。所以無損評價并不能取代無損檢測，而只是無損檢測的一部分。

無損評價的目標，其中包括要大大減少甚至不依賴于檢測人員的技能和經驗。也就是要淡化經驗論，突出唯信號論，包括檢測數據和信號的采集、識別、評價、結論等，全部實現由智能化機器來完成。所以，無損評價的成果，是可以簡化操作的，而不是對無損檢測人員提出更高的素質要求。

在這一過程中，明確使用無損檢測的目的和用途是必要的：

無損檢測能應用于產品設計、材料選擇、加工制造、成品檢驗、在役檢查(維修保養)等多個方面。合理應用無損檢測，不僅有利于質量控制，更能有效降低成本。無損檢測還有助于保證產品的安全運行和(或)有效使用[29]。

如何通過使用無損檢測來降低成本，這才是無損檢測的真正目的，才是提高無損檢測地位和無損檢測人員地位的根本價值。

4結語

實現無損檢測觀念、術語、方法的統一，將關系到我國無損檢測未來的良性發展。正確理解無損評價，把無損評價看作是無損檢測的一項基礎性工作，將有利于我國無損檢測向智能化方向的發展，有利于降低成本，使無損檢測在中國合理應用，滿足工業4.0和中國制造2025對無損檢測的需求。

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Industry 4.0 and Nondestructive Testing of China

JIN Yu-fei

(Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Abstract：As facing the age of industry 4.0 and China manufacturing 2025 put forward by the Chinese government, one question must be answered by all the NDT workers is how to carry on the non-destructive testing in China. It is proposed that the NDT in China needs a unified terminology, unified methods and ideas. One also needs to correctly understand the non-destructive evaluation (NDE) to enable the NDT to develop towards intelligence and cost effective, and promoting its rational application in China.

Key words:Industry 4.0; China manufacturing 2025; Nondestructive testing (NDT); Nondestructive evaluation (NDE)

收稿日期：2015-05-28

作者簡介：金宇飛(1961-)，男，高級工程師，主要從事無損檢測研究和標準化工作。通信作者: 金宇飛,E-mail: jinyufei@srim.com.cn。

DOI:10.11973/wsjc201605014

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)05-0058-05