實(shí)現(xiàn)智能制造安全性的動(dòng)態(tài)方法

北京2022年4月1日 /美通社/ -- TUV南德意志集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱“TUV南德”）近期發(fā)布的“自適應(yīng)物理安全與信息安全系統(tǒng)” (AS3)，提出了面向智能制造的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全措施自動(dòng)驗(yàn)證和系統(tǒng)變化的動(dòng)態(tài)確認(rèn)。本文將由TUV南德專家介紹并分析AS3在幾種含有AGV/AMR的典型工業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用。

隨著工業(yè)4.0生產(chǎn)設(shè)施的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法難以適應(yīng)快速進(jìn)化的生產(chǎn)系統(tǒng)，企業(yè)需要能夠?qū)崿F(xiàn)“動(dòng)態(tài)安全”的全新風(fēng)險(xiǎn)管理方法。TUV南德通過(guò)受專利保護(hù)的“自適應(yīng)物理安全和信息安全系統(tǒng)”（Adaptive Safety & Security System，簡(jiǎn)稱AS3），實(shí)現(xiàn)對(duì)以大量交互和數(shù)據(jù)流為特征的動(dòng)態(tài)工業(yè)4.0系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)“@Run-time”監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全措施的自動(dòng)驗(yàn)證和系統(tǒng)變化的動(dòng)態(tài)確認(rèn)。

AS3成功的關(guān)鍵在于嵌入了實(shí)際制造系統(tǒng)的數(shù)字表示 (Digital Representation) -- 數(shù)字孿生 (Digital Twin/DT)。AS3為數(shù)字孿生配備了定制化的物理安全檔案 (Safety Profile) 和信息安全檔案 (Security Profile)。物理安全檔案的建模可從一般和特定的應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)明資產(chǎn)的安全屬性。這可以認(rèn)為是工業(yè)資產(chǎn)的“安全孿生” 或者“安全子模型”，其中危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)屬性以數(shù)字形式定義。然后，推理引擎會(huì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的約束來(lái)處理這些檔案。這一步相當(dāng)于在虛擬世界定義了現(xiàn)實(shí)世界中工業(yè)應(yīng)用的環(huán)境邊界和風(fēng)險(xiǎn)抑制能力，從而在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行自動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

AS3解決方案與整個(gè)系統(tǒng)生命周期相關(guān)，跨越計(jì)劃，設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程。

工業(yè)機(jī)械及機(jī)器人在現(xiàn)代的制造、倉(cāng)儲(chǔ)、物流、巡檢、特種危險(xiǎn)工作場(chǎng)所中越來(lái)越不可或缺。然而，“機(jī)-機(jī)”數(shù)字交互在為我們提供生產(chǎn)和生活便利的同時(shí)，也伴隨著一系列的安全風(fēng)險(xiǎn)，存在人員傷害及財(cái)產(chǎn)損失的隱患。除了傳統(tǒng)的危險(xiǎn)場(chǎng)景造成的潛在機(jī)械傷害，電氣傷害，火災(zāi)，電池爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，由于機(jī)-機(jī)交互，機(jī)械-環(huán)境交互以及人機(jī)交互產(chǎn)生的附加風(fēng)險(xiǎn)也必須考慮，此外，機(jī)械的嵌入式系統(tǒng)也必須考慮數(shù)字接口的信息安全。

在進(jìn)入具體場(chǎng)景分析之前先簡(jiǎn)單介紹一下AGV的現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。AGV的國(guó)際機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 3691-4:2020中定義了AGV存在的機(jī)械傷害風(fēng)險(xiǎn)，并規(guī)定了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和功能安全保護(hù)方面的要求。隨著AGV型式和功能的不斷增多，北美工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ANSI RIA R15.08:2020進(jìn)一步將AGV細(xì)分為AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)向車），AMR（Autonomous Mobile Robot，自主移動(dòng)機(jī)器人）和IMR（Industrial Mobile Robot，即裝備有協(xié)作機(jī)械手的AGV或AMR）。

值得注意的是ISO 3691-4和ANSI RIA R15.08都只是機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)，并未對(duì)AGV的其他風(fēng)險(xiǎn)，例如信息安全，做出規(guī)范，也不涉及應(yīng)用于存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)場(chǎng)地的特種AGV。而且，即使是機(jī)械安全的評(píng)估，標(biāo)準(zhǔn)的要求也是基于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件或范圍的諸多“假設(shè)”。這就帶了三個(gè)基本問(wèn)題，一是經(jīng)過(guò)以上工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的AGV的安全性并不全面，無(wú)法覆蓋AGV存在的各類風(fēng)險(xiǎn)；二是AGV依賴自身的機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及嵌入式安全功能的安全性不是“無(wú)條件”的，而必須依賴于場(chǎng)地和環(huán)境的額外保護(hù)，需要在系統(tǒng)集成時(shí)進(jìn)行整體的驗(yàn)證與確認(rèn)，這可能會(huì)給終端企業(yè)造成安全隱患。特別是在系統(tǒng)變更時(shí)，需要重新對(duì)系統(tǒng)的安全完整性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其中大部分的工作是重復(fù)的。三是AGV的保護(hù)設(shè)定是基于“最壞可能”，而具體應(yīng)用往往并不會(huì)出現(xiàn)“最壞可能”的情況，這會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降并增加不必要的停機(jī)時(shí)間。

在工業(yè)4.0時(shí)代，企業(yè)需要為客戶提供更多定制化的選擇，產(chǎn)品的生命周期也不斷縮短，因此要求生產(chǎn)設(shè)施有更高的靈活性，以上三個(gè)問(wèn)題也就變得更加突出。特別是智能制造大大增加了機(jī)械、人、企業(yè)系統(tǒng)和云之間的交互性和數(shù)據(jù)交換的需求，生產(chǎn)設(shè)施的復(fù)雜度也相應(yīng)大大增加。傳統(tǒng)的，生產(chǎn)設(shè)施的任何變更都必須由安全專家現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，經(jīng)過(guò)手工安全確認(rèn)才能重新運(yùn)行的靜態(tài)評(píng)估方法已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)工業(yè)4.0企業(yè)。

通過(guò)以下的多個(gè)場(chǎng)景的分析，讀者可以了解AS3的潛在應(yīng)用。

示例1：流程優(yōu)化

自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 在有人操作區(qū)域內(nèi)駛向機(jī)械，存在“碰撞風(fēng)險(xiǎn)”。該風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)在AGV的設(shè)計(jì)中使用三種安全措施進(jìn)行抑制（根據(jù)《ISO 3691-4-工業(yè)車輛-安全要求和驗(yàn)證-第四部分：無(wú)人駕駛工業(yè)車輛及其系統(tǒng)》）：1. 人員檢測(cè)系統(tǒng)，2. 速度控制系統(tǒng)，3. 制動(dòng)控制系統(tǒng)。此外，基于安全一體化原則，也可以依據(jù)《ISO 12100-機(jī)械安全-一般設(shè)計(jì)原則-風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)降低》通過(guò)對(duì)智能工廠的整體保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV“碰撞風(fēng)險(xiǎn)”的抑制。

在當(dāng)前實(shí)踐中，對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景會(huì)考慮人的可能存在而限速，即使在很多時(shí)刻操作區(qū)域?qū)嶋H并沒(méi)有人，這會(huì)造成生產(chǎn)（物流）效率的下降。

在上圖所示的智能工廠車間內(nèi)布置有多種機(jī)械，AGV與操作人員在同一空間工作，有多種方法可以通過(guò)傳統(tǒng)的靜態(tài)安全評(píng)估。方法一是通過(guò)安全圍欄將操作員與AGV完全分隔，AGV工作在限定區(qū)域，無(wú)需限速，也不需要配置以上提到的安全功能，按該方法車間現(xiàn)場(chǎng)需要被分割成很多空間，空間利用率低，不同空間之間的物料傳送會(huì)很不方便，安全圍欄不宜改動(dòng)，車間的布局也難以動(dòng)態(tài)調(diào)整。方法二將所有AGV的速度限定在最低安全限速0.3m/s以下，AGV與操作員可以協(xié)同工作，AGV也無(wú)需配置人員檢測(cè)功能，但是生產(chǎn)效率降低。方法三是選擇具有以上提到的安全功能，且通過(guò)ISO 3691-4認(rèn)證的AGV，并基于現(xiàn)場(chǎng)情況，比如AGV到通道兩側(cè)的障礙物的安全間隙，通道終端是否配置急停開(kāi)關(guān)，是否有逃生通道等，設(shè)置一定的安全限速（高于方法二的最低安全限速），再配以其他現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)措施，比如部分區(qū)域設(shè)置門禁，只允許有授權(quán)人員進(jìn)入等，綜合的進(jìn)行安全防護(hù)。方法三相對(duì)前兩種方法更加靈活，但也存在防護(hù)方案復(fù)雜，難以動(dòng)態(tài)調(diào)整的缺點(diǎn)。AS3的動(dòng)態(tài)監(jiān)控可以有效的提升方法三的靈活性和安全性，從而促進(jìn)其在智能制造工廠的應(yīng)用。對(duì)于廣泛采用方法一和方法二的傳統(tǒng)工廠，通過(guò)引入AS3并進(jìn)行相應(yīng)改造也可以實(shí)現(xiàn)流程優(yōu)化。

對(duì)于上圖的場(chǎng)景，應(yīng)用AS3系統(tǒng)可以有以下幾方面（不限于）的優(yōu)勢(shì)：

• 減少安全圍欄的設(shè)置，布局更加靈活
• 提高AGV的運(yùn)行速度，提升生產(chǎn)效率
• 生產(chǎn)設(shè)施的變更更加容易，動(dòng)態(tài)確認(rèn)，減少停機(jī)時(shí)間
• 提升物理安全性，特別是涉及人與機(jī)器以及機(jī)器之間的動(dòng)態(tài)交互的場(chǎng)景
• 增加了信息安全的監(jiān)控

示例 2：系統(tǒng)變化的動(dòng)態(tài)確認(rèn)

在圖三所示的爆炸風(fēng)危險(xiǎn)場(chǎng)地與普通安全場(chǎng)地混合分布的智能工廠車間中，因擴(kuò)產(chǎn)需求企業(yè)要增加一臺(tái)自主移動(dòng)機(jī)器人AMR，這臺(tái)AMR能進(jìn)入哪些作業(yè)區(qū)域？

在上圖布局二這個(gè)系統(tǒng)變化中，分別需要對(duì)機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)和防爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全確認(rèn)。從規(guī)格書中可以獲知該AMR經(jīng)過(guò)ISO 3491-4的認(rèn)證，具有人員檢測(cè)，速度控制和制動(dòng)控制且達(dá)到相應(yīng)的的PL等級(jí)，這臺(tái)AMR具有ATEX防爆認(rèn)證，防爆標(biāo)志為II 3G Ex IIB T3 Gc。此外，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還需要知道和場(chǎng)地相關(guān)的安全信息，包括各工作區(qū)域的區(qū)域劃分和場(chǎng)地安全措施。 

對(duì)于區(qū)域劃分，ISO 3691-4中規(guī)定了四種機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，包括操作區(qū) (Operating Zones),

操作危險(xiǎn)區(qū) (Operating Hazard Zone)，限入?yún)^(qū)(Restricted Zone)，封閉區(qū) (Confined Zone)。IEC 60079-10中定義了6種危險(xiǎn)區(qū)域氣體危險(xiǎn)區(qū)域0區(qū)，1區(qū)，2區(qū)和粉塵危險(xiǎn)區(qū)域20區(qū)，21區(qū)，22區(qū)。

其他場(chǎng)地相關(guān)的安全信息包括機(jī)械傷害的識(shí)別與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，機(jī)械防護(hù)措施，安全回路及其中的安全器件，SIL等級(jí)，各工作區(qū)域內(nèi)部的空間，布局，狹窄通道的安全間隙等等；各爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的分區(qū)，涉及爆炸性氣體的氣體組別和溫度等級(jí)等。

布局二中簡(jiǎn)單標(biāo)出了新AMR允許進(jìn)入的區(qū)域及其許可條件（圖中限速值 x (m/s)非固定值，須按照現(xiàn)場(chǎng)條件依ISO 3691-4的要求進(jìn)行設(shè)定）。為了簡(jiǎn)化分析，以上所列僅為最基本的安全信息，且僅考慮了物理安全。智能工廠往往涉及大量的機(jī)械，自動(dòng)控制裝置和智能器件，除了物理安全，可能還涉及電氣安全，電磁兼容性，信息安全等，實(shí)際情況遠(yuǎn)較示例復(fù)雜。

值得注意的是系統(tǒng)變化的安全確認(rèn)往往涉及多種領(lǐng)域知識(shí)，可能需要OT人員，如機(jī)械安全工程師，防爆安全工程師，信息安全工程師，工藝流程工程師，自動(dòng)化工程師，系統(tǒng)集成人員，設(shè)備制造商/供應(yīng)商，運(yùn)行人員，質(zhì)量管理人員等，與工廠信息化 (IT) 人員的協(xié)同工作，造成長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)停機(jī)。通過(guò)AS3的動(dòng)態(tài)管理功能，在系統(tǒng)變化的時(shí)刻，可以根據(jù)預(yù)先建立的該智能工廠的物理安全和信息安全檔案，由AS3的邏輯引擎在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)執(zhí)行安全確認(rèn)，或者快速給出安全建議。

以上僅討論了部分案例，TUV南德將會(huì)持續(xù)探索更多的應(yīng)用領(lǐng)域。AS3已經(jīng)由TUV南德香港分公司申請(qǐng)專利保護(hù)。

《“自適應(yīng)物理安全與信息安全”白皮書》中文版已通過(guò)TUV南德官網(wǎng)正式發(fā)布，讀者可免費(fèi)申請(qǐng)： https://www.tuvsud.com/zh-cn/resource-centre/white-papers/adaptive-safety-and-security-in-smart-manufacturing