摘要

隨著新一代信息技術(shù)和工業(yè)的深入融合，智能制造日益成為未來制造業(yè)發(fā)展的重大趨勢(shì)和核心內(nèi)容。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)+智能制造的不斷推進(jìn)下，機(jī)械安全面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，本文分析了我國機(jī)械安全的發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢(shì)，提出了智能安全這一理念，以與智能制造的安全新需求相匹配。

關(guān)鍵詞：智能安全；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；智能制造；工業(yè)4.0

1引言

近年來，在信息技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域，都發(fā)生了重大變革，如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、3D打印、工業(yè)機(jī)器人等，其中智能制造作為信息化與工業(yè)化深度融合的產(chǎn)物，更是得到了各國政府的廣泛關(guān)注和普遍重視，如美國先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略、法國“新工業(yè)法國計(jì)劃”、德國“工業(yè)4.0”等。與此同時(shí)，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，制造業(yè)面臨的資源和環(huán)境約束不斷強(qiáng)化。在此背景下，我國提出《中國制造2025》規(guī)劃，把發(fā)展智能制造作為主攻方向，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型，加快從制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國。

通常情況下，人們認(rèn)為智能制造相關(guān)的機(jī)械設(shè)備已經(jīng)達(dá)到本質(zhì)安全，不需要考慮安全問題。但是，2015年6月29日，德國大眾汽車制造廠中的21歲工人在安裝調(diào)試機(jī)器人時(shí)，后者突然“出手”擊中工人的胸部，并將其碾壓在金屬板上，造成這名工人當(dāng)場(chǎng)死亡；同年7月，美國密歇根州愛奧尼亞的一家汽車零部件制造商的一條裝配線上，工業(yè)機(jī)器人意外啟動(dòng)將零部件組裝到了維護(hù)技師WandaHolbrook的頭上，導(dǎo)致其頭骨被壓碎當(dāng)場(chǎng)死亡；2018年8月4日，蘋果iPhone芯片代工廠商臺(tái)積電的智能工廠系統(tǒng)遭到計(jì)算機(jī)病毒攻擊，多條生產(chǎn)線停擺，事故導(dǎo)致?lián)p失約11.5億元人民幣。這些事件無不警示著我們，智能制造需要更加嚴(yán)格的安全要求與之相匹配才能夠保障其健康發(fā)展。

2機(jī)械安全的發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)械安全是指機(jī)械在全生命周期內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)被充分減小的情況下，執(zhí)行其預(yù)定功能而對(duì)人體不產(chǎn)生損傷或危害健康的能力。也即，機(jī)械安全是從人的需求出發(fā)，在使用機(jī)械全過程的各種狀態(tài)下（包括運(yùn)輸、安裝、調(diào)試、維護(hù)等），達(dá)到人體免受外界因素危害的狀態(tài)和條件。為確保機(jī)械安全，需從設(shè)計(jì)（制造）和使用方面采取安全措施。凡是能由設(shè)計(jì)階段解決的安全措施，決不能留給用戶去解決。同時(shí)要考慮合理的、可預(yù)見的各種誤用的安全性，采取的各種安全措施不能妨礙機(jī)械執(zhí)行其正常使用功能。提高機(jī)械的安全性，防止或減少機(jī)械傷害事故，是當(dāng)今人們共同關(guān)心的問題。

機(jī)械安全的基本特征主要包括六個(gè)方面：一是系統(tǒng)性。機(jī)械安全自始至終運(yùn)用了系統(tǒng)工程的思想和理念，將機(jī)械作為一個(gè)系統(tǒng)來考慮；二是綜合性。機(jī)械安全綜合運(yùn)用了心理學(xué)、控制論、可靠性工程、環(huán)境科學(xué)、工業(yè)工程、計(jì)算機(jī)及信息科學(xué)等方面的知識(shí)；三是整體性。機(jī)械安全全面、系統(tǒng)地對(duì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的因素進(jìn)行定性、定量分析和評(píng)價(jià)，整體尋求降低風(fēng)險(xiǎn)的最優(yōu)方案；四是科學(xué)性。機(jī)械安全全面、綜合地考慮了諸多影響因素，通過定性、定量分析和評(píng)價(jià)，最大限度地降低機(jī)械在安全方面的風(fēng)險(xiǎn)；五是防護(hù)性。機(jī)械安全使機(jī)械在全壽命周期內(nèi)發(fā)揮預(yù)定功能，其防護(hù)效果要求人員、機(jī)械和環(huán)境等都是安全的；六是和諧性。機(jī)械安全要求人與機(jī)械之間能滿足人的生理、心理特性，充分發(fā)揮人的能動(dòng)性，提高人機(jī)系統(tǒng)效率，改善機(jī)械操作性能，提高機(jī)械的安全性。

第三次工業(yè)革命后，機(jī)械化、自動(dòng)化及信息化已成為工業(yè)領(lǐng)域主要生產(chǎn)方式，對(duì)于減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)環(huán)境、降低生產(chǎn)成本等具有非常重要的意義。然而，伴隨著機(jī)械的大量使用，由于人的不安全行為、機(jī)械的不安全狀態(tài)或惡劣的工作環(huán)境，人們?cè)谂c機(jī)械打交道的過程中時(shí)常會(huì)發(fā)生各種事故，直接影響著人體健康，或造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，機(jī)械安全問題日趨凸顯，我國一直致力于機(jī)械設(shè)備本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、安全防護(hù)技術(shù)以及安全控制系統(tǒng)的研究，機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的廣泛應(yīng)用對(duì)提升機(jī)械設(shè)備的安全水平起到了重要的作用。

近年來，裝備自動(dòng)化水平不斷提升，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，如何正確并恰當(dāng)?shù)靥幚砣藱C(jī)協(xié)作的安全性，成為未來一段時(shí)間內(nèi)的難題。大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)在制造業(yè)逐步得到應(yīng)用，這使我國機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的信息安全形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約80%的企業(yè)從來不對(duì)機(jī)械設(shè)備的工控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和漏洞修補(bǔ)，有52%的工控系統(tǒng)與企業(yè)的管理系統(tǒng)采用內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)連接。隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠等新興技術(shù)崛起，生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)的界限被打破，企業(yè)生產(chǎn)安全的信息防護(hù)問題也逐漸暴露出來。由于智能制造發(fā)展引出的這些新安全問題亟待解決。

3機(jī)械安全的發(fā)展趨勢(shì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械安全正逐步朝著集上述技術(shù)之大成的智能安全方向發(fā)展，安全理念也逐漸從原來的物理隔離、能量釋放到未來實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作和諧相處。智能安全主要通過風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警來實(shí)現(xiàn)，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警就是綜合考慮人、機(jī)、環(huán)境等要素，對(duì)三者可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其以后的發(fā)展趨勢(shì)做出及時(shí)預(yù)測(cè)，對(duì)預(yù)測(cè)到的不利后果提出警示，依據(jù)警示及時(shí)采取相應(yīng)防范措施，避免不利事件的發(fā)生。

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警主要包括監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與應(yīng)對(duì)措施三個(gè)方面。

3.1監(jiān)測(cè)

通過信息感知技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息處理技術(shù)和信息安全技術(shù)在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一體化、智能化機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，獲取設(shè)備運(yùn)行的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”，結(jié)合大數(shù)據(jù)綜合分析人的異常行為與設(shè)備的危險(xiǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理，對(duì)系統(tǒng)危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，在出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，并采取相應(yīng)的措施。如監(jiān)測(cè)到操作人員疲勞時(shí)，觸發(fā)警示燈及提醒警報(bào)；監(jiān)測(cè)到某元件壽命即將到期時(shí)，在顯示界面給出提示。

需要監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”主要有：

（1）設(shè)備狀態(tài)；

（2）操作狀態(tài)；

（3）人員狀態(tài)；

（4）故障代碼；

（5）時(shí)間和次數(shù)；

（6）工藝順序；

（7）暫停代碼；

（8）運(yùn)動(dòng)監(jiān)控（速度、加速度、方向、角度等）；

（9）安全邏輯的變更提示等。

3.2實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

通過實(shí)時(shí)抓取、分析整理機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，將風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警裝置和安全防護(hù)裝置在線監(jiān)控獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)用到機(jī)械裝備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)評(píng)估機(jī)械裝備的風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)雜的生產(chǎn)線由于各工位生產(chǎn)工藝不同，不同時(shí)間段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)各不相同，通過實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，能夠及時(shí)計(jì)算出當(dāng)前各工位中各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，通過風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)給出警示或采取相應(yīng)措施加以應(yīng)對(duì)。

3.3應(yīng)對(duì)措施

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的應(yīng)對(duì)措施主要基于設(shè)備危險(xiǎn)狀態(tài)的識(shí)別、分析和處理，建立設(shè)備危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，并給出與之相匹配的安全檢測(cè)、安全處理及安全控制實(shí)現(xiàn)方法。

常見的應(yīng)對(duì)措施主要有：

（1）提示；

（2）警示；

（3）警報(bào)；

（4）暫停危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)；

（5）停機(jī)；

（6）急停等。

運(yùn)用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建人、機(jī)、環(huán)境三位一體的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系是智能安全的發(fā)展趨勢(shì)之一，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警對(duì)實(shí)施科學(xué)化管控，實(shí)現(xiàn)智能安全，預(yù)防及減少事故發(fā)生有著重要意義。

機(jī)械裝備的信息安全也是智能安全的一個(gè)重要組成部分，機(jī)械安全中的信息化發(fā)展正從“被動(dòng)防御”轉(zhuǎn)到“主動(dòng)智能防御”。傳統(tǒng)安全如防火墻、殺毒、WAF（網(wǎng)站應(yīng)用級(jí)入侵防御系統(tǒng)）、漏洞評(píng)估等都以防御為導(dǎo)向，這樣的模式難以適應(yīng)云和大數(shù)據(jù)為代表的新安全時(shí)代需求，只有通過大數(shù)據(jù)深度挖掘與學(xué)習(xí)，采用智能安全分析、識(shí)別內(nèi)部安全威脅、身份和訪問管理等方式，才能應(yīng)對(duì)千變?nèi)f化的安全威脅。

4小結(jié)

智能安全是當(dāng)前我國智能制造健康發(fā)展的重要保障，智能安全的提出能夠指導(dǎo)智能制造系統(tǒng)、裝備及車間的安全設(shè)計(jì)，促進(jìn)智能工廠安全生產(chǎn)、保護(hù)人員安全與健康，提升國際競(jìng)爭力等方面具有顯著的作用。

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