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全國機械安全標準化技術委員會 李勤，劉治永，付卉青，居里鍇

作者簡介

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委員會主任委員，長期致力于機械安全技術及標準化研究工作，多項成果獲中國標準創新貢獻獎及中國機械工業科學技術獎。

摘要：虛擬現實技術是近年來發展十分迅速的一項計算機技術，該技術是模擬人類視覺、聽覺、力覺、觸覺等感知行為的高度逼真的人機交互技術，虛擬現實技術現在已經成功地應用在各種領域，如機械、電子、航空航天、醫療、教育等。在機械安全領域通過運用虛擬現實技術，可以模擬再現安全事故的發生，深入研究事故的因果，以便優化機械安全設計，降低機械安全風險，保障人身安全和健康。本文就虛擬現實技術在機械安全領域的應用進行分析探討，并對應用前景進行了展望。

關鍵詞：機械安全；虛擬現實；風險評估；本質安全設計

1　引言

隨著經濟全球化進程的加劇，制造業企業之間的競爭范圍已由過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需求，制造業企業必須做到最快的上市速度，最好的質量，最低的成本，最優的服務來滿足不同用戶的需求；同時隨著安全理念的不斷深入人心，本質安全設計已經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帶來嚴峻的挑戰。計算機網絡和虛擬現實等先進技術的成熟，為虛擬仿真技術在現代制造技術和機械安全技術的應用奠定了堅實的基礎。

2　虛擬現實技術

虛擬現實（VR：Virtual Reality）是由美國VPL Research公司創始人Jaron Lanier在1989年提出的。虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機技術，它利用計算機生成一種虛擬環境，借助一些特殊的輸入輸出設備，讓用戶與虛擬環境進行交互，實時感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而通過視覺、觸覺和聽覺等獲得身臨其境的真實感受。

虛擬現實技術具備沉浸性、交互性和想象性三個最突出的特征。

2.1　沉浸性

沉浸性又稱臨場感，指用戶感受到作為主角存在于虛擬環境中的真實程度。一般來說，導致沉浸產生的原因主要有以下兩個方面：多感知性。指除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知等；自主性。虛擬物體在獨立活動、相互作用或與用戶交互作用中，其動態都要有一定的表現，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境中物體依據物理定律做出動作的程度。

2.2　交互性

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

2.3　想象性

想象性是指在虛擬環境中，用戶可以根據所獲取的多種信息和自身在系統中的行為，通過聯想、推理和邏輯判斷等思維過程，隨著系統的運行狀態變化對系統運動的未來進展進行想象，以獲取更多的知識，認識復雜系統深層次的運動機理和規律性。

借助于VR技術，人們可以從定性和定量集成的虛擬環境中得到感性和例行的認識，進而深化概念，產生新意和構想，主動地尋求，探索信息，而不是被動的接受信息。

3　虛擬現實技術在機械安全領域的應用

由于機械安全事故通常都伴隨著人員傷亡和財產損失，并且具有不可預見性、突發性、隨機性、潛伏性和可預防性等特點。因此，通過對事故因果性進行研究可實現預防事故的目的。由于機械安全事故具有不可重現、危害大等特點，無法通過試驗再現的方法對其進行研究和驗證，制約了機械安全致因理論和應用技術的發展。虛擬現實技術利用計算機生成一個虛擬的三維空間，將用戶置身于該環境中，借助輕便的多維輸入輸出設備，并根據由此而產生的一種身臨其境的感覺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。利用虛擬現實技術在機械設計、使用等階段的應用可以直觀的分析機械安全設計缺陷、預見可能發生的危險，從而指導設計人員將機械設備的安全風險降到最低。

3.1　在機械安全設計中的應用

通過運用虛擬現實技術，可以把多種安全參數指標進行整合，將復雜、專業的數據信息通過立體、直觀和可交互的方式體現出來，為機械設計過程中的安全設計、在用設備的風險評估和安全改造升級以及機械安全教學和培訓等方面提供非常直觀的參考，便于設計、評估以及培訓等人員及時了解設備存在的危險與風險，并在虛擬環境中形成高效可行的改進和優化方案。

目前，虛擬現實技術可以使機械產品設計制造流程完全在虛擬中進行，在計算機上進行產品設計、制造、檢測，甚至設計人員或用戶可以“進入”虛擬的制造環境檢驗其設計、加工、裝配和操作，直觀的展現可能產生的各種危險，并及時修正。虛擬現實的優勢就是可以通過外部數據輸入對其參數進行實時修改，所以對其改動將會非常快捷方便，避免機械安全事故的發生和沉重的代價。

3.2　在機械安全教學與培訓中的應用

隨著我國高校的教學模式逐步由傳統理論教學向互動實踐教學發展，機械專業實踐教學需要實驗室的支撐，而由于機械設備的多樣性，高校在實驗室建立過程中大都面臨著投入資本高、運行維護高以及操作危險高的難題，隨著虛擬現實技術的成熟以及虛擬仿真平臺的發展，越來越多的實踐教學采用計算機技術來構建虛擬平臺。

學生對虛擬設備進行操作時，操作過程中不可避免的誤操作帶來的危險也是虛擬的，不會產生真正的傷害。同時，基于網絡的虛擬仿真平臺可以不受場地限制，老師與學生一對多同時進行操作與觀看三維“虛擬”設備。通過模擬現實世界真實場景可以讓學生有“身臨其境”的感覺。學生可以通過虛擬操作獲得直觀的親歷體驗，從而在獲得安全操作方面知識的同時，提高他們在不同的復雜環境下的推理判斷和瞬間決策能力。以這種方式獲得的經驗也會成功的轉移到學生以后的工作實踐中。

同樣，虛擬現實技術也可應用于企業員工培訓。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險評估與風險減小過程的迭代三步法，進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學研基地中的應用

2014年12月14日，全國首家機械安全標準化產學研示范基地在南京理工大學成立。該示范基地的主要任務是開辟機械安全標準貫徹實施的新途徑，宣傳機械安全標準、技術和方法，以及“大安全”的安全理念；推動機械安全技術、產品和標準進入高校、步入課堂、融入教材，提高高校學生對其認知；培養既有機械安全理論知識，又有實踐經驗的復合型人才。

該示范基地已借助虛擬仿真實驗室完成了機械設備樣機安全解決方案仿真，可以直觀的讓學生體驗單臺機械設備不加裝防護裝置的狀態，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，學生佩戴頭盔顯示進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聲音提醒“您已受傷”，如果加裝防護裝置以后進入危險區，學生佩戴頭盔顯示進入危險區以后發出設備危險運動停止并有紅燈閃爍。不同的防護裝置會有不同的表現形式，通過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驗室的建設，將發揮其巨大的示范輻射作用，帶動我國更多高校培養機械安全專業技術人才，源源不斷地為各個行業輸送全面人才，使機械安全先進的理念、安全設計方法向各個行業推廣，從而為推動我國機械安全技術水平的進步以及自主研制相關國家標準或國際標準奠定堅實的人才基礎。

4　展望

虛擬仿真技術在機械安全領域的應用將不斷拓展。不久的將來，計劃將虛擬仿真技術從單臺設備的應用擴展至生產線安全、智能制造裝備安全等多個機械安全領域的應用和研究。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成本。同時在機械安全教學中發揮重要的作用。虛擬現實技術將對安全理念造成深遠影響，并帶來顯著的社會和經濟效益。

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摘自2016年《今日自動化技術應用在中國》