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全國(guó)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)任全國(guó)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)主任委員，長(zhǎng)期致力于機(jī)械安全技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，多項(xiàng)成果獲中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)及中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，該技術(shù)是模擬人類視覺、聽覺、力覺、觸覺等感知行為的高度逼真的人機(jī)交互技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成功地應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如機(jī)械、電子、航空航天、醫(yī)療、教育等。在機(jī)械安全領(lǐng)域通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以模擬再現(xiàn)安全事故的發(fā)生，深入研究事故的因果，以便優(yōu)化機(jī)械安全設(shè)計(jì)，降低機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)，保障人身安全和健康。本文就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械安全領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析探討，并對(duì)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)械安全；虛擬現(xiàn)實(shí)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

1　引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加劇，制造業(yè)企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)范圍已由過去的局部演變成全球，且日趨激烈。為了適應(yīng)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)來滿足不同用戶的需求；同時(shí)隨著安全理念的不斷深入人心，本質(zhì)安全設(shè)計(jì)已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。這都給傳統(tǒng)的機(jī)械安全技術(shù)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)的成熟，為虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代制造技術(shù)和機(jī)械安全技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR：Virtual Reality）是由美國(guó)VPL Research公司創(chuàng)始人Jaron Lanier在1989年提出的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種虛擬環(huán)境，借助一些特殊的輸入輸出設(shè)備，讓用戶與虛擬環(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(duì)象，從而通過視覺、觸覺和聽覺等獲得身臨其境的真實(shí)感受。

虛擬現(xiàn)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

沉浸性又稱臨場(chǎng)感，指用戶感受到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度。一般來說，導(dǎo)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(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知等；自主性。虛擬物體在獨(dú)立活動(dòng)、相互作用或與用戶交互作用中，其動(dòng)態(tài)都要有一定的表現(xiàn)，這些表現(xiàn)應(yīng)服從于自然規(guī)律或設(shè)計(jì)者的規(guī)定。自主性就是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律做出動(dòng)作的程度。

2.2　交互性

交互性指用戶對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)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用的三維交互設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等），它們使人類能夠利用自然技能，如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的對(duì)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，用戶可以根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過聯(lián)想、推理和邏輯判斷等思維過程，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的未來進(jìn)展進(jìn)行想象，以獲取更多的知識(shí)，認(rèn)識(shí)復(fù)雜系統(tǒng)深層次的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和規(guī)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(rèn)識(shí)，進(jìn)而深化概念，產(chǎn)生新意和構(gòu)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(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械安全領(lǐng)域的應(yīng)用

由于機(jī)械安全事故通常都伴隨著人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并且具有不可預(yù)見性、突發(fā)性、隨機(jī)性、潛伏性和可預(yù)防性等特點(diǎn)。因此，通過對(duì)事故因果性進(jìn)行研究可實(shí)現(xiàn)預(yù)防事故的目的。由于機(jī)械安全事故具有不可重現(xiàn)、危害大等特點(diǎn)，無法通過試驗(yàn)再現(xiàn)的方法對(duì)其進(jìn)行研究和驗(yàn)證，制約了機(jī)械安全致因理論和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)虛擬的三維空間，將用戶置身于該環(huán)境中，借助輕便的多維輸入輸出設(shè)備，并根據(jù)由此而產(chǎn)生的一種身臨其境的感覺去感知和研究機(jī)械設(shè)備安全事故的規(guī)律，是尋找預(yù)防和減少機(jī)械安全事故有效的方法。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)、使用等階段的應(yīng)用可以直觀的分析機(jī)械安全設(shè)計(jì)缺陷、預(yù)見可能發(fā)生的危險(xiǎn)，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員將機(jī)械設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3.1　在機(jī)械安全設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以把多種安全參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行整合，將復(fù)雜、專業(yè)的數(shù)據(jù)信息通過立體、直觀和可交互的方式體現(xiàn)出來，為機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的安全設(shè)計(jì)、在用設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全改造升級(jí)以及機(jī)械安全教學(xué)和培訓(xùn)等方面提供非常直觀的參考，便于設(shè)計(jì)、評(píng)估以及培訓(xùn)等人員及時(shí)了解設(shè)備存在的危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)，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(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造流程完全在虛擬中進(jìn)行，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)，甚至設(shè)計(jì)人員或用戶可以“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)、加工、裝配和操作，直觀的展現(xiàn)可能產(chǎn)生的各種危險(xiǎn)，并及時(shí)修正。虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)就是可以通過外部數(shù)據(jù)輸入對(duì)其參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，所以對(duì)其改動(dòng)將會(huì)非常快捷方便，避免機(jī)械安全事故的發(fā)生和沉重的代價(jià)。

3.2　在機(jī)械安全教學(xué)與培訓(xùn)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)高校的教學(xué)模式逐步由傳統(tǒng)理論教學(xué)向互動(dòng)實(shí)踐教學(xué)發(fā)展，機(jī)械專業(yè)實(shí)踐教學(xué)需要實(shí)驗(yàn)室的支撐，而由于機(jī)械設(shè)備的多樣性，高校在實(shí)驗(yàn)室建立過程中大都面臨著投入資本高、運(yùn)行維護(hù)高以及操作危險(xiǎn)高的難題，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟以及虛擬仿真平臺(tái)的發(fā)展，越來越多的實(shí)踐教學(xué)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來構(gòu)建虛擬平臺(tái)。

學(xué)生對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，操作過程中不可避免的誤操作帶來的危險(xiǎn)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(tái)可以不受場(chǎng)地限制，老師與學(xué)生一對(duì)多同時(shí)進(jìn)行操作與觀看三維“虛擬”設(shè)備。通過模擬現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)場(chǎng)景可以讓學(xué)生有“身臨其境”的感覺。學(xué)生可以通過虛擬操作獲得直觀的親歷體驗(yàn)，從而在獲得安全操作方面知識(shí)的同時(shí)，提高他們?cè)诓煌膹?fù)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(yàn)也會(huì)成功的轉(zhuǎn)移到學(xué)生以后的工作實(shí)踐中。

同樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可應(yīng)用于企業(yè)員工培訓(xùn)。對(duì)于設(shè)計(jì)人員與安全評(píng)估人員，可以依托虛擬仿真平臺(tái)了解并熟悉風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)減小過程的迭代三步法，進(jìn)一步指導(dǎo)安全設(shè)計(jì)與評(píng)估；對(duì)于操作人員，尤其是操作高危設(shè)備，在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行上崗前虛擬操作培訓(xùn)可以提高操作人員的安全操作技能與應(yīng)急反應(yīng)能力。

3.3　在機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)學(xué)研基地中的應(yīng)用

2014年12月14日，全國(guó)首家機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)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)是開辟機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)貫徹實(shí)施的新途徑，宣傳機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和方法，以及“大安全”的安全理念；推動(dòng)機(jī)械安全技術(shù)、產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入高校、步入課堂、融入教材，提高高校學(xué)生對(duì)其認(rèn)知；培養(yǎng)既有機(jī)械安全理論知識(shí)，又有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的復(fù)合型人才。

該示范基地已借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室完成了機(jī)械設(shè)備樣機(jī)安全解決方案仿真，可以直觀的讓學(xué)生體驗(yàn)單臺(tái)機(jī)械設(shè)備不加裝防護(hù)裝置的狀態(tài)，以及加裝安全光幕、壓敏墊、區(qū)域掃描裝置等不同防護(hù)裝置對(duì)各種不安全行為的不同反應(yīng)。在不加裝防護(hù)裝置時(shí)，學(xué)生佩戴頭盔顯示進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)并繼續(xù)接近設(shè)備直到眼前出現(xiàn)虛擬濺血效果同時(shí)聲音提醒“您已受傷”，如果加裝防護(hù)裝置以后進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，學(xué)生佩戴頭盔顯示進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)以后發(fā)出設(shè)備危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)停止并有紅燈閃爍。不同的防護(hù)裝置會(huì)有不同的表現(xiàn)形式，通過不同方式保護(hù)操作人員的安全。

全國(guó)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)化示范基地仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，將發(fā)揮其巨大的示范輻射作用，帶動(dòng)我國(guó)更多高校培養(yǎng)機(jī)械安全專業(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(jī)械安全先進(jìn)的理念、安全設(shè)計(jì)方法向各個(gè)行業(yè)推廣，從而為推動(dòng)我國(guó)機(jī)械安全技術(shù)水平的進(jìn)步以及自主研制相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)奠定堅(jiān)實(shí)的人才基礎(chǔ)。

4　展望

虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械安全領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷拓展。不久的將來，計(jì)劃將虛擬仿真技術(shù)從單臺(tái)設(shè)備的應(yīng)用擴(kuò)展至生產(chǎn)線安全、智能制造裝備安全等多個(gè)機(jī)械安全領(lǐng)域的應(yīng)用和研究。這將為機(jī)械安全設(shè)計(jì)提供更加安全、高效的方案，有效降低安全事故的各類成本。同時(shí)在機(jī)械安全教學(xué)中發(fā)揮重要的作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將對(duì)安全理念造成深遠(yuǎn)影響，并帶來顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在中國(guó)》