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安全微访谈 |我国机械安全的发展趋势——智能安全

  点击数:2965  发布时间:2019-03-16 10:32
随着新一代信息技术和工业的深入融合,智能制造日益成为未来制造业发展的重大趋势和核心内容。同时,在互联网+智能制造的不断推进下,机械安全面临着更为严峻的挑战,本文分析了我国机械安全的发展现状以及趋势,提出了智能安全这一理念,以与智能制造的安全新需求相匹配。

1 引言

近年来,在信息技术与工业领域,都发生了重大变革,如大数据、云计算、3D打印、工业机器人等,其中智能制造作为信息化与工业化深度融合的产物,更是得到了各国政府的广泛关注和普遍重视,如美国先进制造业国家战略、法国“新工业法国计划”、德国“工业4.0”等。与此同时,我国经济发展进入新常态,制造业面临的资源和环境约束不断强化。在此背景下,我国提出《中国制造2025》规划,把发展智能制造作为主攻方向,坚持创新驱动、智能转型,加快从制造大国转向制造强国。

通常情况下,人们认为智能制造相关的机械设备已经达到本质安全,不需要考虑安全问题。但是,2015年6月29日,德国大众汽车制造厂中的21岁工人在安装调试机器人时,后者突然“出手”击中工人的胸部,并将其碾压在金属板上,造成这名工人当场死亡;同年7月,美国密歇根州爱奥尼亚的一家汽车零部件制造商的一条装配线上,工业机器人意外启动将零部件组装到了维护技师Wanda Holbrook的头上,导致其头骨被压碎当场死亡;2018年8月4日,苹果iPhone芯片代工厂商台积电的智能工厂系统遭到计算机病毒攻击,多条生产线停摆,事故导致损失约11.5亿元人民币。这些事件无不警示着我们,智能制造需要更加严格的安全要求与之相匹配才能够保障其健康发展。

2 机械安全的发展现状

机械安全是指机械在全生命周期内,风险被充分减小的情况下,执行其预定功能而对人体不产生损伤或危害健康的能力。也即,机械安全是从人的需求出发,在使用机械全过程的各种状态下(包括运输、安装、调试、维护等),达到人体免受外界因素危害的状态和条件。为确保机械安全,需从设计(制造)和使用方面采取安全措施。凡是能由设计阶段解决的安全措施,决不能留给用户去解决。同时要考虑合理的、可预见的各种误用的安全性,采取的各种安全措施不能妨碍机械执行其正常使用功能。提高机械的安全性,防止或减少机械伤害事故,是当今人们共同关心的问题。

机械安全的基本特征主要包括六个方面:一是系统性。机械安全自始至终运用了系统工程的思想和理念,将机械作为一个系统来考虑;二是综合性。机械安全综合运用了心理学、控制论、可靠性工程、环境科学、工业工程、计算机及信息科学等方面的知识;三是整体性。机械安全全面、系统地对导致危险的因素进行定性、定量分析和评价,整体寻求降低风险的最优方案;四是科学性。机械安全全面、综合地考虑了诸多影响因素,通过定性、定量分析和评价,最大限度地降低机械在安全方面的风险;五是防护性。机械安全使机械在全寿命周期内发挥预定功能,其防护效果要求人员、机械和环境等都是安全的;六是和谐性。机械安全要求人与机械之间能满足人的生理、心理特性,充分发挥人的能动性,提高人机系统效率,改善机械操作性能,提高机械的安全性。

第三次工业革命后,机械化、自动化及信息化已成为工业领域主要生产方式,对于减轻劳动强度、提高劳动生产率、改善劳动环境、降低生产成本等具有非常重要的意义。然而,伴随着机械的大量使用,由于人的不安全行为、机械的不安全状态或恶劣的工作环境,人们在与机械打交道的过程中时常会发生各种事故,直接影响着人体健康,或造成人身伤亡和财产损失,机械安全问题日趋凸显,我国一直致力于机械设备本质安全设计、安全防护技术以及安全控制系统的研究,机械安全风险评估的广泛应用对提升机械设备的安全水平起到了重要的作用。

近年来,装备自动化水平不断提升,工业机器人在生产中得到了广泛应用,如何正确并恰当地处理人机协作的安全性,成为未来一段时间内的难题。大数据、云计算等信息技术在制造业逐步得到应用,这使我国机械设备控制系统的信息安全形势日趋严峻。据不完全统计,约80%的企业从来不对机械设备的工控系统进行升级和漏洞修补,有52%的工控系统与企业的管理系统采用内网或互联网连接。随着工业4.0的发展,物联网、智能工厂等新兴技术崛起,生产网络与管理网络的界限被打破,企业生产安全的信息防护问题也逐渐暴露出来。由于智能制造发展引出的这些新安全问题亟待解决。

3 机械安全的发展趋势

随着物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的发展,机械安全正逐步朝着集上述技术之大成的智能安全方向发展,安全理念也逐渐从原来的物理隔离、能量释放到未来实现人机协作和谐相处。智能安全主要通过风险预警来实现,风险预警就是综合考虑人、机、环境等要素,对三者可能产生的风险进行即时监测,并对其以后的发展趋势做出及时预测,对预测到的不利后果提出警示,依据警示及时采取相应防范措施,避免不利事件的发生。

风险预警主要包括监测、实时风险评估与应对措施三个方面。

3.1 监测

通过信息感知技术、信息传输技术、信息处理技术和信息安全技术在内的物联网技术,构建一体化、智能化机械安全风险预警监测与分析系统,获取设备运行的“实时数据”,结合大数据综合分析人的异常行为与设备的危险状态,实现全面感知、可靠传输、智能处理,对系统危险状态进行预警,在出现异常状态时进行统一调度,并采取相应的措施。如监测到操作人员疲劳时,触发警示灯及提醒警报;监测到某元件寿命即将到期时,在显示界面给出提示。

需要监测设备运行的“实时数据”主要有:

(1)设备状态;

(2)操作状态;

(3)人员状态;

(4)故障代码;

(5)时间和次数;

(6)工艺顺序;

(7)暂停代码;

(8)运动监控(速度、加速度、方向、角度等);

(9)安全逻辑的变更提示等。

3.2 实时风险评估

通过实时抓取、分析整理机械设备运行数据,将风险预警装置和安全防护装置在线监控获得的数据应用到机械装备风险评估中,根据机器的运行情况实时评估机械装备的风险。复杂的生产线由于各工位生产工艺不同,不同时间段的风险等级各不相同,通过实时风险评估,能够及时计算出当前各工位中各风险点的风险等级,通过风险预警对风险等级高的风险点给出警示或采取相应措施加以应对。

3.3 应对措施

风险预警的应对措施主要基于设备危险状态的识别、分析和处理,建立设备危险状态预测模型,并给出与之相匹配的安全检测、安全处理及安全控制实现方法。

常见的应对措施主要有:

(1)提示;

(2)警示;

(3)警报;

(4)暂停危险运动;

(5)停机;

(6)急停等。运用人工智能、物联网等技术,构建人、机、环境三位一体的风险预警体系是智能安全的发展趋势之一,风险预警对实施科学化管控,实现智能安全,预防及减少事故发生有着重要意义。

机械装备的信息安全也是智能安全的一个重要组成部分,机械安全中的信息化发展正从“被动防御”转到“主动智能防御”。传统安全如防火墙、杀毒、WAF(网站应用级入侵防御系统)、漏洞评估等都以防御为导向,这样的模式难以适应云和大数据为代表的新安全时代需求,只有通过大数据深度挖掘与学习,采用智能安全分析、识别内部安全威胁、身份和访问管理等方式,才能应对千变万化的安全威胁。

4 小结

智能安全是当前我国智能制造健康发展的重要保障,智能安全的提出能够指导智能制造系统、装备及车间的安全设计,促进智能工厂安全生产、保护人员安全与健康,提升国际竞争力等方面具有显著的作用。

参考文献:

[1] 全国机械安全标准化技术委员会. 机械安全标准应用指南[M]. 北京: 中国标准出版社, 2014.

[2] 夏春明, 刘涛, 王华忠, 等. 工业控制系统信息安全现状及发展趋势[J]. 网络空间安全, 2013, 4 ( 2 ) : 13 - 18.

作者简介:

刘治永(1986-)男,山西朔州人,中级工程师,硕士研究生,现就职于全国机械安全标准化技术委员会,研究方向为机械安全标准化及机械安全风险评估。



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