全國機械安全標準化技術(shù)委員會(huì ) 李勤，劉治永，付卉青，居里鍇

作者簡(jiǎn)介

李勤（1957-），男，河北秦皇島人，研究員，本科，現任全國機械安全標準化技術(shù)委員會(huì )主任委員，長(cháng)期致力于機械安全技術(shù)及標準化研究工作，多項成果獲中國標準創(chuàng )新貢獻獎及中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎。

摘要：虛擬現實(shí)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展十分迅速的一項計算機技術(shù)，該技術(shù)是模擬人類(lèi)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等感知行為的高度逼真的人機交互技術(shù)，虛擬現實(shí)技術(shù)現在已經(jīng)成功地應用在各種領(lǐng)域，如機械、電子、航空航天、醫療、教育等。在機械安全領(lǐng)域通過(guò)運用虛擬現實(shí)技術(shù)，可以模擬再現安全事故的發(fā)生，深入研究事故的因果，以便優(yōu)化機械安全設計，降低機械安全風(fēng)險，保障人身安全和健康。本文就虛擬現實(shí)技術(shù)在機械安全領(lǐng)域的應用進(jìn)行分析探討，并對應用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：機械安全；虛擬現實(shí)；風(fēng)險評估；本質(zhì)安全設計

1　引言

隨著(zhù)經(jīng)濟全球化進(jìn)程的加劇，制造業(yè)企業(yè)之間的競爭范圍已由過(guò)去的局部演變成全球，且日趨激烈。為了適應快速變化的市場(chǎng)需求，制造業(yè)企業(yè)必須做到最快的上市速度，最好的質(zhì)量，最低的成本，最優(yōu)的服務(wù)來(lái)滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求；同時(shí)隨著(zhù)安全理念的不斷深入人心，本質(zhì)安全設計已經(jīng)成為機械設計中不可或缺的一部分。這都給傳統的機械安全技術(shù)帶來(lái)嚴峻的挑戰。計算機網(wǎng)絡(luò )和虛擬現實(shí)等先進(jìn)技術(shù)的成熟，為虛擬仿真技術(shù)在現代制造技術(shù)和機械安全技術(shù)的應用奠定了堅實(shí)的基礎。

2　虛擬現實(shí)技術(shù)

虛擬現實(shí)（VR：Virtual Reality）是由美國VPL Research公司創(chuàng )始人Jaron Lanier在1989年提出的。虛擬現實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng )建和體驗虛擬世界的計算機技術(shù)，它利用計算機生成一種虛擬環(huán)境，借助一些特殊的輸入輸出設備，讓用戶(hù)與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等獲得身臨其境的真實(shí)感受。

虛擬現實(shí)技術(shù)具備沉浸性、交互性和想象性三個(gè)最突出的特征。

2.1　沉浸性

沉浸性又稱(chēng)臨場(chǎng)感，指用戶(hù)感受到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度。一般來(lái)說(shuō)，導致沉浸產(chǎn)生的原因主要有以下兩個(gè)方面：多感知性。指除了一般計算機所具有的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、力覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運動(dòng)感知等；自主性。虛擬物體在獨立活動(dòng)、相互作用或與用戶(hù)交互作用中，其動(dòng)態(tài)都要有一定的表現，這些表現應服從于自然規律或設計者的規定。自主性就是指虛擬環(huán)境中物體依據物理定律做出動(dòng)作的程度。

2.2　交互性

交互性指用戶(hù)對虛擬環(huán)境中對象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。這種交互的產(chǎn)生主要借助于各種專(zhuān)用的三維交互設備（如頭盔顯示器、數據手套等），它們使人類(lèi)能夠利用自然技能，如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的對象發(fā)生交互關(guān)系。

2.3　想象性

想象性是指在虛擬環(huán)境中，用戶(hù)可以根據所獲取的多種信息和自身在系統中的行為，通過(guò)聯(lián)想、推理和邏輯判斷等思維過(guò)程，隨著(zhù)系統的運行狀態(tài)變化對系統運動(dòng)的未來(lái)進(jìn)展進(jìn)行想象，以獲取更多的知識，認識復雜系統深層次的運動(dòng)機理和規律性。

借助于VR技術(shù)，人們可以從定性和定量集成的虛擬環(huán)境中得到感性和例行的認識，進(jìn)而深化概念，產(chǎn)生新意和構想，主動(dòng)地尋求，探索信息，而不是被動(dòng)的接受信息。

3　虛擬現實(shí)技術(shù)在機械安全領(lǐng)域的應用

由于機械安全事故通常都伴隨著(zhù)人員傷亡和財產(chǎn)損失，并且具有不可預見(jiàn)性、突發(fā)性、隨機性、潛伏性和可預防性等特點(diǎn)。因此，通過(guò)對事故因果性進(jìn)行研究可實(shí)現預防事故的目的。由于機械安全事故具有不可重現、危害大等特點(diǎn)，無(wú)法通過(guò)試驗再現的方法對其進(jìn)行研究和驗證，制約了機械安全致因理論和應用技術(shù)的發(fā)展。虛擬現實(shí)技術(shù)利用計算機生成一個(gè)虛擬的三維空間，將用戶(hù)置身于該環(huán)境中，借助輕便的多維輸入輸出設備，并根據由此而產(chǎn)生的一種身臨其境的感覺(jué)去感知和研究機械設備安全事故的規律，是尋找預防和減少機械安全事故有效的方法。利用虛擬現實(shí)技術(shù)在機械設計、使用等階段的應用可以直觀(guān)的分析機械安全設計缺陷、預見(jiàn)可能發(fā)生的危險，從而指導設計人員將機械設備的安全風(fēng)險降到最低。

3.1　在機械安全設計中的應用

通過(guò)運用虛擬現實(shí)技術(shù)，可以把多種安全參數指標進(jìn)行整合，將復雜、專(zhuān)業(yè)的數據信息通過(guò)立體、直觀(guān)和可交互的方式體現出來(lái)，為機械設計過(guò)程中的安全設計、在用設備的風(fēng)險評估和安全改造升級以及機械安全教學(xué)和培訓等方面提供非常直觀(guān)的參考，便于設計、評估以及培訓等人員及時(shí)了解設備存在的危險與風(fēng)險，并在虛擬環(huán)境中形成高效可行的改進(jìn)和優(yōu)化方案。

目前，虛擬現實(shí)技術(shù)可以使機械產(chǎn)品設計制造流程完全在虛擬中進(jìn)行，在計算機上進(jìn)行產(chǎn)品設計、制造、檢測，甚至設計人員或用戶(hù)可以“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗其設計、加工、裝配和操作，直觀(guān)的展現可能產(chǎn)生的各種危險，并及時(shí)修正。虛擬現實(shí)的優(yōu)勢就是可以通過(guò)外部數據輸入對其參數進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，所以對其改動(dòng)將會(huì )非?？旖莘奖?，避免機械安全事故的發(fā)生和沉重的代價(jià)。

3.2　在機械安全教學(xué)與培訓中的應用

隨著(zhù)我國高校的教學(xué)模式逐步由傳統理論教學(xué)向互動(dòng)實(shí)踐教學(xué)發(fā)展，機械專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)需要實(shí)驗室的支撐，而由于機械設備的多樣性，高校在實(shí)驗室建立過(guò)程中大都面臨著(zhù)投入資本高、運行維護高以及操作危險高的難題，隨著(zhù)虛擬現實(shí)技術(shù)的成熟以及虛擬仿真平臺的發(fā)展，越來(lái)越多的實(shí)踐教學(xué)采用計算機技術(shù)來(lái)構建虛擬平臺。

學(xué)生對虛擬設備進(jìn)行操作時(shí)，操作過(guò)程中不可避免的誤操作帶來(lái)的危險也是虛擬的，不會(huì )產(chǎn)生真正的傷害。同時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò )的虛擬仿真平臺可以不受場(chǎng)地限制，老師與學(xué)生一對多同時(shí)進(jìn)行操作與觀(guān)看三維“虛擬”設備。通過(guò)模擬現實(shí)世界真實(shí)場(chǎng)景可以讓學(xué)生有“身臨其境”的感覺(jué)。學(xué)生可以通過(guò)虛擬操作獲得直觀(guān)的親歷體驗，從而在獲得安全操作方面知識的同時(shí)，提高他們在不同的復雜環(huán)境下的推理判斷和瞬間決策能力。以這種方式獲得的經(jīng)驗也會(huì )成功的轉移到學(xué)生以后的工作實(shí)踐中。

同樣，虛擬現實(shí)技術(shù)也可應用于企業(yè)員工培訓。對于設計人員與安全評估人員，可以依托虛擬仿真平臺了解并熟悉風(fēng)險評估與風(fēng)險減小過(guò)程的迭代三步法，進(jìn)一步指導安全設計與評估；對于操作人員，尤其是操作高危設備，在虛擬平臺上進(jìn)行上崗前虛擬操作培訓可以提高操作人員的安全操作技能與應急反應能力。

3.3　在機械安全標準化產(chǎn)學(xué)研基地中的應用

2014年12月14日，全國首家機械安全標準化產(chǎn)學(xué)研示范基地在南京理工大學(xué)成立。該示范基地的主要任務(wù)是開(kāi)辟機械安全標準貫徹實(shí)施的新途徑，宣傳機械安全標準、技術(shù)和方法，以及“大安全”的安全理念；推動(dòng)機械安全技術(shù)、產(chǎn)品和標準進(jìn)入高校、步入課堂、融入教材，提高高校學(xué)生對其認知；培養既有機械安全理論知識，又有實(shí)踐經(jīng)驗的復合型人才。

該示范基地已借助虛擬仿真實(shí)驗室完成了機械設備樣機安全解決方案仿真，可以直觀(guān)的讓學(xué)生體驗單臺機械設備不加裝防護裝置的狀態(tài)，以及加裝安全光幕、壓敏墊、區域掃描裝置等不同防護裝置對各種不安全行為的不同反應。在不加裝防護裝置時(shí)，學(xué)生佩戴頭盔顯示進(jìn)入危險區并繼續接近設備直到眼前出現虛擬濺血效果同時(shí)聲音提醒“您已受傷”，如果加裝防護裝置以后進(jìn)入危險區，學(xué)生佩戴頭盔顯示進(jìn)入危險區以后發(fā)出設備危險運動(dòng)停止并有紅燈閃爍。不同的防護裝置會(huì )有不同的表現形式，通過(guò)不同方式保護操作人員的安全。

全國機械安全標準化示范基地仿真實(shí)驗室的建設，將發(fā)揮其巨大的示范輻射作用，帶動(dòng)我國更多高校培養機械安全專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，源源不斷地為各個(gè)行業(yè)輸送全面人才，使機械安全先進(jìn)的理念、安全設計方法向各個(gè)行業(yè)推廣，從而為推動(dòng)我國機械安全技術(shù)水平的進(jìn)步以及自主研制相關(guān)國家標準或國際標準奠定堅實(shí)的人才基礎。

4　展望

虛擬仿真技術(shù)在機械安全領(lǐng)域的應用將不斷拓展。不久的將來(lái)，計劃將虛擬仿真技術(shù)從單臺設備的應用擴展至生產(chǎn)線(xiàn)安全、智能制造裝備安全等多個(gè)機械安全領(lǐng)域的應用和研究。這將為機械安全設計提供更加安全、高效的方案，有效降低安全事故的各類(lèi)成本。同時(shí)在機械安全教學(xué)中發(fā)揮重要的作用。虛擬現實(shí)技術(shù)將對安全理念造成深遠影響，并帶來(lái)顯著(zhù)的社會(huì )和經(jīng)濟效益。

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摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應用在中國》