先進技術保護航空增材制造數(shù)字線索的安全

2018年5月，波音宣布將部署云服務技術，在設計和制造階段安全地管理和傳輸增材制造數(shù)據，保護知識產權，防止數(shù)據被攔截、損壞或解密；無獨有偶，穆格在4月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)塊鏈技術跟蹤和確認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注，增材制造因其全數(shù)字化的設計制造流程和網絡化、分布式生產的特性，安全隱患尤其突出。目前，業(yè)界已經開發(fā)出多項先進技術，以保護航空零件增材制造數(shù)字線索的安全。

一、航空零件增材制造數(shù)字線索面臨嚴重賽博安全隱患
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。這些假冒零件因為更便宜并且與真品幾乎無差別，繞過了嚴格的測試和認證，進入了供應鏈。增材制造的廣泛應用將使航空零件假冒風險更為嚴峻，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，航空制造商在應用增材制造時要保護自己的數(shù)字資產；另一方面，在整個生產流程的數(shù)字和物理對象中，賽博安全隱患無處不在。

增材制造供應鏈重度依賴數(shù)字文件、網絡連接和數(shù)字通信，增材制造過程中會產生大量與產品設計和制造流程有關的數(shù)據，繼而在產品生命周期中產生一系列信息，其中有許多都是敏感信息。航空零件增材制造的數(shù)字線索從設計階段一直延伸到制造階段和產品交付，甚至還會延續(xù)到產品使用和退役，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。賽博安全隱患影響著增材制造數(shù)字線索的每個階段，數(shù)據和信息可能被別有用心者攔截、損壞或解密，導致產品故障、侵犯知識產權、產生假冒零件等許多傳統(tǒng)生產流程不會遇到的威脅。而且，賽博安全隱患會影響供應鏈上各個環(huán)節(jié)的參與方，包括供應商、制造設備所有者、產品采購者、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。

增材制造數(shù)字線索中的賽博安全風險（德勤公司）

二、業(yè)界開發(fā)多項先進技術保護航空零件增材制造數(shù)字線索的安全
以往，保護增材制造知識產的傳統(tǒng)方式是加強網絡安全防護，以及在三維CAD文件中加入授權請求，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，包括化學指紋技術、缺陷植入技術、云服務技術以及當下最熱門的區(qū)塊鏈技術。

1．化學指紋技術
知識產權保護專業(yè)公司InfraTrac開發(fā)了一種化學指紋技術，在零件增材制造過程中，通過在金屬或聚合物表面下層植入一個化學標簽，為增材制造零件增加相當于指紋的驗證碼�；瘜W標簽選擇與零件材料兼容的配方，由公司與用戶共同測試以確保不會影響零件性能�；瘜W標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商業(yè)現(xiàn)貨近紅外光譜儀掃描標簽，以鑒別組件在哪里和被誰制造。2016年8月，公司與賓夕法尼亞州立大學的先進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Ti6Al4V鈦合金的研究，團隊利用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標簽。這些零件由馬里蘭大學先進生命周期工程中心使用X射線熒光分光光度計進行了測試，在所有零件中都成功探測到了標簽。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。

通過掃描化學標簽驗證零件（InfraTrac公司）

2．缺陷植入技術
紐約大學研究人員開發(fā)了一項缺陷植入技術，通過向CAD文件中植入基于條件的缺陷標簽，以阻止制假者使用竊取的設計文件非法制造山寨零件。當把一個CAD文件轉換為增材制造設備可識別的文件時，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的零件參數(shù)，才能完全按照設計完成打印，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簽，使增材制造出的零件帶有按像素云排列的微細缺陷，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行逆向工程。通過對多種航空級材料、增材制造技術以及像素云分布構型進行壓力試驗，研究人員證實了這些缺陷幾乎不會影響結構完整性和強度性能。

三維像素云掩蓋源二維碼（紐約大學）

3．云服務技術
以色列Assembrix公司利用云服務技術開發(fā)的“虛擬制造空間”軟件可實現(xiàn)增材制造的虛擬化，即根據特定的零件尺寸，實時地將可用的增材制造設備資源分配給眾多客戶以生產其產品�；�于云的服務可在分配任務（發(fā)送設計文件等信息）和制造過程中，防止客戶的數(shù)據被攔截、損壞或解密。2018年5月，波音宣布將部署該技術，針對分布在全球20家工廠中的增材制造能力，監(jiān)管從初始零件模型到已確認物理零件的整個增材制造數(shù)字線索，以面向內部用戶或外部客戶分配并監(jiān)控增材制造設備，從而讓整個設計和制造過程全面自動化與可控，提高設備利用率和波音的投資回報率。

虛擬制造空間解決方案示意（Assembrix公司）

4．區(qū)塊鏈技術
區(qū)塊鏈技術是保護增材制造供應鏈網絡和知識產權的最新方法。全球信息技術公司Wipro認為該技術在航空增材制造領域潛力巨大，并且開發(fā)了4個基于區(qū)塊鏈的解決方案用于反制假、試航取證跟蹤、供應鏈可視化以及實物制造。增材制造的數(shù)字文件、產品、認證、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)務流程、增加透明度并降低風險。Wipro公司表示與之合作的某航空制造商，已經受益于制造系統(tǒng)和認證系統(tǒng)的區(qū)塊鏈系統(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備并跟蹤零件的數(shù)字線索，首個對象就是F-18艦載機，當F-18的起落架零件在航母上發(fā)生損壞時，需要在保護波音知識產權的同時利用增材制造生產備件，區(qū)塊鏈技術將提供解決方案。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備就可以安全地記錄每個生產的零件，并且向波音支付相應專利費。這樣還可以優(yōu)化供應鏈，讓海軍直接生產所需零件而不是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)塊鏈技術以數(shù)字化手段管理供應鏈的VeriPart解決方案，并與ST航宇公司共同在增材制造上進行了驗證。VeriPart可支撐建立一個安全且可跟蹤的數(shù)字化供應鏈，在分布式網絡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)塊鏈技術同步到產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，支持授權交易查詢和信息追溯。為保護制造階段的數(shù)據交換安全，VeriPart通過區(qū)塊鏈建立起信任機制，根據給定分布式制造網絡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行評估，并且在必要時采取防范措施。為進一步測試和提升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)塊鏈技術對老舊零件增材制造以及數(shù)字化供應鏈的適應性，穆格還與美國國家制造科學中心簽訂了為期18個月的項目，通過微軟Azure平臺對VeriPart進行驗證。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，有助于減少作戰(zhàn)人員的后勤負擔，提高戰(zhàn)備完好性。

VeriPart區(qū)塊鏈解決方案示意（穆格公司）

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：讀取包含了制造設備控制指令的制造文件；接收指示特定批次制造媒介的材料標識符；通過一個分布式分類賬本確認制造文件和材料標識符的正確性，以驗證制造文件生成者或特定批次制造媒介源頭的至少一個；利用制造文件控制制造設備以使用特定批次制造媒介生產零件；零件完成生產后，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的正確性確認結果。GE航空近年來大舉投資增材制造技術和設備，這項專利將使其增材制造過程和供應鏈更加安全可控。

三、結束語
航空工業(yè)正越來越多地采用增材制造完成關鍵零部件生產，這一全數(shù)字化的設計和制造方法所存在的賽博安全風險也越來越為軍方用戶和航空制造商所重視。業(yè)界已經開發(fā)出了基于物理、化學和網絡的諸多先進技術來保護航空增材制造數(shù)字線索的安全，這將進一步助力增材制造在航空領域的應用，加快未來航空研制生產模式的變革。

作者：盧志軍　劉亞威
來源：空天防務觀察