1　引言

近年來(lái)，在信息技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域，都發(fā)生了重大變革，如大數據、云計算、3D打印、工業(yè)機器人等，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)國家戰略、法國“新工業(yè)法國計劃”、德國“工業(yè)4.0”等。與此同時(shí)，我國經(jīng)濟發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，制造業(yè)面臨的資源和環(huán)境約束不斷強化。在此背景下，我國提出《中國制造2025》規劃，把發(fā)展智能制造作為主攻方向，堅持創(chuàng )新驅動(dòng)、智能轉型，加快從制造大國轉向制造強國。

通常情況下，人們認為智能制造相關(guān)的機械設備已經(jīng)達到本質(zhì)安全，不需要考慮安全問(wèn)題。但是，2015年6月29日，德國大眾汽車(chē)制造廠(chǎng)中的21歲工人在安裝調試機器人時(shí)，后者突然“出手”擊中工人的胸部，并將其碾壓在金屬板上，造成這名工人當場(chǎng)死亡；同年7月，美國密歇根州愛(ài)奧尼亞的一家汽車(chē)零部件制造商的一條裝配線(xiàn)上，工業(yè)機器人意外啟動(dòng)將零部件組裝到了維護技師Wanda Holbrook的頭上，導致其頭骨被壓碎當場(chǎng)死亡；2018年8月4日，蘋(píng)果iPhone芯片代工廠(chǎng)商臺積電的智能工廠(chǎng)系統遭到計算機病毒攻擊，多條生產(chǎn)線(xiàn)停擺，事故導致?lián)p失約11.5億元人民幣。這些事件無(wú)不警示著(zhù)我們，智能制造需要更加嚴格的安全要求與之相匹配才能夠保障其健康發(fā)展。

2　機械安全的發(fā)展現狀

機械安全是指機械在全生命周期內，風(fēng)險被充分減小的情況下，執行其預定功能而對人體不產(chǎn)生損傷或危害健康的能力。也即，機械安全是從人的需求出發(fā)，在使用機械全過(guò)程的各種狀態(tài)下（包括運輸、安裝、調試、維護等），達到人體免受外界因素危害的狀態(tài)和條件。為確保機械安全，需從設計（制造）和使用方面采取安全措施。凡是能由設計階段解決的安全措施，決不能留給用戶(hù)去解決。同時(shí)要考慮合理的、可預見(jiàn)的各種誤用的安全性，采取的各種安全措施不能妨礙機械執行其正常使用功能。提高機械的安全性，防止或減少機械傷害事故，是當今人們共同關(guān)心的問(wèn)題。

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

第三次工業(yè)革命后，機械化、自動(dòng)化及信息化已成為工業(yè)領(lǐng)域主要生產(chǎn)方式，對于減輕勞動(dòng)強度、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(zhù)機械的大量使用，由于人的不安全行為、機械的不安全狀態(tài)或惡劣的工作環(huán)境，人們在與機械打交道的過(guò)程中時(shí)常會(huì )發(fā)生各種事故，直接影響著(zhù)人體健康，或造成人身傷亡和財產(chǎn)損失，機械安全問(wèn)題日趨凸顯，我國一直致力于機械設備本質(zhì)安全設計、安全防護技術(shù)以及安全控制系統的研究，機械安全風(fēng)險評估的廣泛應用對提升機械設備的安全水平起到了重要的作用。

近年來(lái)，裝備自動(dòng)化水平不斷提升，工業(yè)機器人在生產(chǎn)中得到了廣泛應用，如何正確并恰當地處理人機協(xié)作的安全性，成為未來(lái)一段時(shí)間內的難題。大數據、云計算等信息技術(shù)在制造業(yè)逐步得到應用，這使我國機械設備控制系統的信息安全形勢日趨嚴峻。據不完全統計，約80%的企業(yè)從來(lái)不對機械設備的工控系統進(jìn)行升級和漏洞修補，有52%的工控系統與企業(yè)的管理系統采用內網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)連接。隨著(zhù)工業(yè)4.0的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠(chǎng)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)安全的信息防護問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。由于智能制造發(fā)展引出的這些新安全問(wèn)題亟待解決。

3　機械安全的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，機械安全正逐步朝著(zhù)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(lái)的物理隔離、能量釋放到未來(lái)實(shí)現人機協(xié)作和諧相處。智能安全主要通過(guò)風(fēng)險預警來(lái)實(shí)現，風(fēng)險預警就是綜合考慮人、機、環(huán)境等要素，對三者可能產(chǎn)生的風(fēng)險進(jìn)行即時(shí)監測，并對其以后的發(fā)展趨勢做出及時(shí)預測，對預測到的不利后果提出警示，依據警示及時(shí)采取相應防范措施，避免不利事件的發(fā)生。

風(fēng)險預警主要包括監測、實(shí)時(shí)風(fēng)險評估與應對措施三個(gè)方面。

3.1　監測
通過(guò)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)在內的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構建一體化、智能化機械安全風(fēng)險預警監測與分析系統，獲取設備運行的“實(shí)時(shí)數據”，結合大數據綜合分析人的異常行為與設備的危險狀態(tài)，實(shí)現全面感知、可靠傳輸、智能處理，對系統危險狀態(tài)進(jìn)行預警，在出現異常狀態(tài)時(shí)進(jìn)行統一調度，并采取相應的措施。如監測到操作人員疲勞時(shí)，觸發(fā)警示燈及提醒警報；監測到某元件壽命即將到期時(shí)，在顯示界面給出提示。

需要監測設備運行的“實(shí)時(shí)數據”主要有：

（1）設備狀態(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；

（6）工藝順序；

（7）暫停代碼；

（8）運動(dòng)監控（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)險評估

通過(guò)實(shí)時(shí)抓取、分析整理機械設備運行數據，將風(fēng)險預警裝置和安全防護裝置在線(xiàn)監控獲得的數據應用到機械裝備風(fēng)險評估中，根據機器的運行情況實(shí)時(shí)評估機械裝備的風(fēng)險。復雜的生產(chǎn)線(xiàn)由于各工位生產(chǎn)工藝不同，不同時(shí)間段的風(fēng)險等級各不相同，通過(guò)實(shí)時(shí)風(fēng)險評估，能夠及時(shí)計算出當前各工位中各風(fēng)險點(diǎn)的風(fēng)險等級，通過(guò)風(fēng)險預警對風(fēng)險等級高的風(fēng)險點(diǎn)給出警示或采取相應措施加以應對。

3.3　應對措施

風(fēng)險預警的應對措施主要基于設備危險狀態(tài)的識別、分析和處理，建立設備危險狀態(tài)預測模型，并給出與之相匹配的安全檢測、安全處理及安全控制實(shí)現方法。

常見(jiàn)的應對措施主要有：

（1）提示；

（2）警示；

（3）警報；

（4）暫停危險運動(dòng)；

（5）停機；

（6）急停等。運用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構建人、機、環(huán)境三位一體的風(fēng)險預警體系是智能安全的發(fā)展趨勢之一，風(fēng)險預警對實(shí)施科學(xué)化管控，實(shí)現智能安全，預防及減少事故發(fā)生有著(zhù)重要意義。

機械裝備的信息安全也是智能安全的一個(gè)重要組成部分，機械安全中的信息化發(fā)展正從“被動(dòng)防御”轉到“主動(dòng)智能防御”。傳統安全如防火墻、殺毒、WAF（網(wǎng)站應用級入侵防御系統）、漏洞評估等都以防御為導向，這樣的模式難以適應云和大數據為代表的新安全時(shí)代需求，只有通過(guò)大數據深度挖掘與學(xué)習，采用智能安全分析、識別內部安全威脅、身份和訪(fǎng)問(wèn)管理等方式，才能應對千變萬(wàn)化的安全威脅。

4 小結

智能安全是當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智能制造系統、裝備及車(chē)間的安全設計，促進(jìn)智能工廠(chǎng)安全生產(chǎn)、保護人員安全與健康，提升國際競爭力等方面具有顯著(zhù)的作用。

參考文獻：

[1] 全國機械安全標準化技術(shù)委員會(huì ). 機械安全標準應用指南[M]. 北京: 中國標準出版社, 2014.

[2] 夏春明, 劉濤, 王華忠, 等. 工業(yè)控制系統信息安全現狀及發(fā)展趨勢[J]. 網(wǎng)絡(luò )空間安全, 2013, 4 ( 2 ) : 13 - 18.

作者簡(jiǎn)介：

劉治永（1986-）男，山西朔州人，中級工程師，碩士研究生，現就職于全國機械安全標準化技術(shù)委員會(huì )，研究方向為機械安全標準化及機械安全風(fēng)險評估。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年2月刊