全国机械安全标准化技术委员会 李勤，刘治永，付卉青，居里锴

作者简介

李勤（1957-），男，河北秦皇岛人，研究员，本科，现任全国机械安全标准化技术委员会主任委员，长期致力于机械安全技术及标准化研究工作，多项成果获中国标准创新贡献奖及中国机械工业科学技术奖。

摘要：虚拟现实技术是近年来发展十分迅速的一项计算机技术，该技术是模拟人类视觉、听觉、力觉、触觉等感知行为的高度逼真的人机交互技术，虚拟现实技术现在已经成功地应用在各种领域，如机械、电子、航空航天、医疗、教育等。在机械安全领域通过运用虚拟现实技术，可以模拟再现安全事故的发生，深入研究事故的因果，以便优化机械安全设计，降低机械安全风险，保障人身安全和健康。本文就虚拟现实技术在机械安全领域的应用进行分析探讨，并对应用前景进行了展望。

关键词：机械安全；虚拟现实；风险评估；本质安全设计

1　引言

随着经济全球化进程的加剧，制造业企业之间的竞争范围已由过去的局部演变成全球，且日趋激烈。为了适应快速变化的市场需求，制造业企业必须做到最快的上市速度，最好的质量，最低的成本，最优的服务来满足不同用户的需求；同时随着安全理念的不断深入人心，本质安全设计已经成为机械设计中不可或缺的一部分。这都给传统的机械安全技术带来严峻的挑战。计算机网络和虚拟现实等先进技术的成熟，为虚拟仿真技术在现代制造技术和机械安全技术的应用奠定了坚实的基础。

2　虚拟现实技术

虚拟现实（VR：Virtual Reality）是由美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier在1989年提出的。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种虚拟环境，借助一些特殊的输入输出设备，让用户与虚拟环境进行交互，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受。

虚拟现实技术具备沉浸性、交互性和想象性三个最突出的特征。

2.1　沉浸性

沉浸性又称临场感，指用户感受到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。一般来说，导致沉浸产生的原因主要有以下两个方面：多感知性。指除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知等；自主性。虚拟物体在独立活动、相互作用或与用户交互作用中，其动态都要有一定的表现，这些表现应服从于自然规律或设计者的规定。自主性就是指虚拟环境中物体依据物理定律做出动作的程度。

2.2　交互性

交互性指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。这种交互的产生主要借助于各种专用的三维交互设备（如头盔显示器、数据手套等），它们使人类能够利用自然技能，如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的对象发生交互关系。

2.3　想象性

想象性是指在虚拟环境中，用户可以根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过联想、推理和逻辑判断等思维过程，随着系统的运行状态变化对系统运动的未来进展进行想象，以获取更多的知识，认识复杂系统深层次的运动机理和规律性。

借助于VR技术，人们可以从定性和定量集成的虚拟环境中得到感性和例行的认识，进而深化概念，产生新意和构想，主动地寻求，探索信息，而不是被动的接受信息。

3　虚拟现实技术在机械安全领域的应用

由于机械安全事故通常都伴随着人员伤亡和财产损失，并且具有不可预见性、突发性、随机性、潜伏性和可预防性等特点。因此，通过对事故因果性进行研究可实现预防事故的目的。由于机械安全事故具有不可重现、危害大等特点，无法通过试验再现的方法对其进行研究和验证，制约了机械安全致因理论和应用技术的发展。虚拟现实技术利用计算机生成一个虚拟的三维空间，将用户置身于该环境中，借助轻便的多维输入输出设备，并根据由此而产生的一种身临其境的感觉去感知和研究机械设备安全事故的规律，是寻找预防和减少机械安全事故有效的方法。利用虚拟现实技术在机械设计、使用等阶段的应用可以直观的分析机械安全设计缺陷、预见可能发生的危险，从而指导设计人员将机械设备的安全风险降到最低。

3.1　在机械安全设计中的应用

通过运用虚拟现实技术，可以把多种安全参数指标进行整合，将复杂、专业的数据信息通过立体、直观和可交互的方式体现出来，为机械设计过程中的安全设计、在用设备的风险评估和安全改造升级以及机械安全教学和培训等方面提供非常直观的参考，便于设计、评估以及培训等人员及时了解设备存在的危险与风险，并在虚拟环境中形成高效可行的改进和优化方案。

目前，虚拟现实技术可以使机械产品设计制造流程完全在虚拟中进行，在计算机上进行产品设计、制造、检测，甚至设计人员或用户可以“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，直观的展现可能产生的各种危险，并及时修正。虚拟现实的优势就是可以通过外部数据输入对其参数进行实时修改，所以对其改动将会非常快捷方便，避免机械安全事故的发生和沉重的代价。

3.2　在机械安全教学与培训中的应用

随着我国高校的教学模式逐步由传统理论教学向互动实践教学发展，机械专业实践教学需要实验室的支撑，而由于机械设备的多样性，高校在实验室建立过程中大都面临着投入资本高、运行维护高以及操作危险高的难题，随着虚拟现实技术的成熟以及虚拟仿真平台的发展，越来越多的实践教学采用计算机技术来构建虚拟平台。

学生对虚拟设备进行操作时，操作过程中不可避免的误操作带来的危险也是虚拟的，不会产生真正的伤害。同时，基于网络的虚拟仿真平台可以不受场地限制，老师与学生一对多同时进行操作与观看三维“虚拟”设备。通过模拟现实世界真实场景可以让学生有“身临其境”的感觉。学生可以通过虚拟操作获得直观的亲历体验，从而在获得安全操作方面知识的同时，提高他们在不同的复杂环境下的推理判断和瞬间决策能力。以这种方式获得的经验也会成功的转移到学生以后的工作实践中。

同样，虚拟现实技术也可应用于企业员工培训。对于设计人员与安全评估人员，可以依托虚拟仿真平台了解并熟悉风险评估与风险减小过程的迭代三步法，进一步指导安全设计与评估；对于操作人员，尤其是操作高危设备，在虚拟平台上进行上岗前虚拟操作培训可以提高操作人员的安全操作技能与应急反应能力。

3.3　在机械安全标准化产学研基地中的应用

2014年12月14日，全国首家机械安全标准化产学研示范基地在南京理工大学成立。该示范基地的主要任务是开辟机械安全标准贯彻实施的新途径，宣传机械安全标准、技术和方法，以及“大安全”的安全理念；推动机械安全技术、产品和标准进入高校、步入课堂、融入教材，提高高校学生对其认知；培养既有机械安全理论知识，又有实践经验的复合型人才。

该示范基地已借助虚拟仿真实验室完成了机械设备样机安全解决方案仿真，可以直观的让学生体验单台机械设备不加装防护装置的状态，以及加装安全光幕、压敏垫、区域扫描装置等不同防护装置对各种不安全行为的不同反应。在不加装防护装置时，学生佩戴头盔显示进入危险区并继续接近设备直到眼前出现虚拟溅血效果同时声音提醒“您已受伤”，如果加装防护装置以后进入危险区，学生佩戴头盔显示进入危险区以后发出设备危险运动停止并有红灯闪烁。不同的防护装置会有不同的表现形式，通过不同方式保护操作人员的安全。

全国机械安全标准化示范基地仿真实验室的建设，将发挥其巨大的示范辐射作用，带动我国更多高校培养机械安全专业技术人才，源源不断地为各个行业输送全面人才，使机械安全先进的理念、安全设计方法向各个行业推广，从而为推动我国机械安全技术水平的进步以及自主研制相关国家标准或国际标准奠定坚实的人才基础。

4　展望

虚拟仿真技术在机械安全领域的应用将不断拓展。不久的将来，计划将虚拟仿真技术从单台设备的应用扩展至生产线安全、智能制造装备安全等多个机械安全领域的应用和研究。这将为机械安全设计提供更加安全、高效的方案，有效降低安全事故的各类成本。同时在机械安全教学中发挥重要的作用。虚拟现实技术将对安全理念造成深远影响，并带来显著的社会和经济效益。

参考文献：

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摘自2016年《今日自动化技术应用在中国》