基于RPN的機(jī)器人制造數(shù)字化車間安全評(píng)估方法及應(yīng)用研究

閆炳均,胡 波,徐皚冬,王志平

（1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽110016；2.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽110016）

1 引言

當(dāng)前，我國大力推進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，工信部發(fā)布《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，提出了產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，要求規(guī)模持續(xù)增長、技術(shù)水平顯著提升、關(guān)鍵零部件取得重大突破、集成應(yīng)用取得顯著成效［1］。

隨著制造機(jī)器人所需的機(jī)器設(shè)備越來越先進(jìn)，生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度大幅度提高，生產(chǎn)工藝和設(shè)備變得越來越復(fù)雜，因而設(shè)備的安全性也變得極為重要，近年來，伴隨著機(jī)器人的大量應(yīng)用，一些安全事件也頻繁發(fā)生，最為典型的是2015年德國大眾“機(jī)器殺人”事件，德國大眾車間，操作工人在調(diào)試機(jī)器人時(shí)受到撞擊不幸身亡。因此，針對(duì)應(yīng)用機(jī)器人批量制造機(jī)器人的數(shù)字化車間，建立基于機(jī)器人制造單元的安全評(píng)估方法和風(fēng)險(xiǎn)降低策略，能夠行之有效的避免生產(chǎn)過程中發(fā)生人機(jī)事故，保障人員和設(shè)備的安全意義重大［2］。

2 數(shù)字化車間的危險(xiǎn)分析

2.1 機(jī)器人制造車間的過程危險(xiǎn)

機(jī)器人制造車間的危險(xiǎn)分析，主要是確定車間制造單元中的危險(xiǎn)源和危險(xiǎn)事件，為后續(xù)安全功能的設(shè)計(jì)、實(shí)施、驗(yàn)證和確認(rèn)提供依據(jù)。在機(jī)器人制造數(shù)字化車間中，各個(gè)制造單元之間按照工藝進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，工藝流程見圖1，根據(jù)工藝特點(diǎn)不同，各制造單元含有不同的危險(xiǎn)源和危險(xiǎn)事件。

圖1 機(jī)器人制造數(shù)字化車間工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Robot Manufacturing Workshop

在裝配單元中，各工序采用AGV（移動(dòng)機(jī)器人）配合裝配機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流水作業(yè)，裝配過程中存在AGV與裝配機(jī)器人的碰撞、機(jī)器人之間的相互碰撞、裝配機(jī)器人對(duì)人的傷害等危險(xiǎn)；在自動(dòng)化噴涂單元中存在化學(xué)品泄漏、液體噴射傷人、以及通風(fēng)設(shè)備故障造成的可燃?xì)怏w爆炸的危險(xiǎn)；在自動(dòng)化倉儲(chǔ)單元中，采用堆垛機(jī)和貨架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制造過程中成品及半成品的立體化倉儲(chǔ)，存在貨物傾倒進(jìn)而引發(fā)貨物損壞和設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)；在自動(dòng)化物流單元中，存在AGV與人員和設(shè)備的碰撞危險(xiǎn)；在調(diào)試與測試單元中，操作過程中存在機(jī)器人臂傷人的危險(xiǎn)［3］［4］。

2.2 機(jī)器人制造車間的過程危險(xiǎn)識(shí)別

危險(xiǎn)識(shí)別用于辨識(shí)機(jī)器人系統(tǒng)本身或外圍設(shè)備產(chǎn)生的危險(xiǎn)或危險(xiǎn)狀態(tài)，在機(jī)器人制造數(shù)字化車間，結(jié)合各制造單元的工藝特點(diǎn)，識(shí)別數(shù)字化車間中單元設(shè)備間、人員與設(shè)備間和在包括調(diào)試、運(yùn)行以及維護(hù)等不同運(yùn)行模式下的所有合理可預(yù)見的危險(xiǎn)、危險(xiǎn)狀態(tài)和危險(xiǎn)事件，以及危險(xiǎn)的后果［6］；危險(xiǎn)源的種類包括安全控制系統(tǒng)或設(shè)備失效引起的危險(xiǎn)、機(jī)械部件引起的危險(xiǎn)、危險(xiǎn)氣體環(huán)境等引起的危險(xiǎn)和電氣原因產(chǎn)生的危險(xiǎn)等。

3 數(shù)字化車間的故障樹分析

故障樹分析法是一種評(píng)價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)安全性的重要方法，運(yùn)用演繹法逐級(jí)分析，尋找危險(xiǎn)事件（頂事件）的各種可能原因，故障樹是一種樹狀邏輯圖，用規(guī)定的事件、邏輯門和其他符號(hào)描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。

以機(jī)器人制造數(shù)字化車間的制造單元為對(duì)象，通過故障樹演繹的分析方法，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、危險(xiǎn)的評(píng)價(jià)理論，對(duì)裝配單元、自動(dòng)化噴涂單元、自動(dòng)化倉儲(chǔ)單元、自動(dòng)化物流單元、調(diào)試與測試單元中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行故障樹分析，識(shí)別出各制造單元的危險(xiǎn)事件［6］。

以數(shù)字化車間發(fā)生危險(xiǎn)為頂事件，通過逐層的分級(jí)和分解，確定了各個(gè)制造單元設(shè)備的危險(xiǎn)，其中CA表示頂事件，GTX表示危險(xiǎn)發(fā)生的中間事件，EVX表示危險(xiǎn)發(fā)生的低事件，表1描述了數(shù)字化車間故障樹中各事件及其代號(hào)。

表1 故障樹各事件及其代號(hào)Tab.1 The Events and Their Code Names in the Fault Tree

通過故障樹可以自頂端逐層對(duì)車間危險(xiǎn)進(jìn)行分析，逐層的分級(jí)最終確定危險(xiǎn)發(fā)生的底事件，主要包括設(shè)備產(chǎn)生的危險(xiǎn)、人為因素、環(huán)境因素等；如圖2所示，在頂事件以下按照單元分解成裝配單元、噴涂單元、倉儲(chǔ)單元、物流單元、調(diào)試與測試單元中間事件；如圖3-圖6，在各中間事件以下，按照邏輯關(guān)系分解到低事件。以裝配單元為例，中間事件為為總裝機(jī)器人和舉升機(jī)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)中間事件進(jìn)行分解，最終劃分為人員碰撞的風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備碰撞的風(fēng)險(xiǎn)等5種風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 車間級(jí)故障樹分析Fig.2 Fault Tree Analysis of Workshop

圖3 裝配單元的故障樹分析Fig.3 Fault Tree Analysis of Assembly Unit

圖6 噴涂、調(diào)試與測試單元的故障樹分析Fig.6 Fault Tree Analysis of Spray，Debug and Test Unit

圖4 物流單元的故障樹分析Fig.4 Fault Tree Analysis of Logistics Unit

圖5 倉儲(chǔ)單元的故障樹分析Fig.5 Fault Tree Analysis of Storage Unit

4 數(shù)字化車間安全評(píng)估

在機(jī)器人制造數(shù)字化車間故障樹分析的基礎(chǔ)上，識(shí)別出各制造單元的危險(xiǎn)事件，通過RPN方法對(duì)危險(xiǎn)事件進(jìn)行的計(jì)算，對(duì)危險(xiǎn)事件的危害性進(jìn)行定量的評(píng)估。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)分析（RPN）

RPN是在進(jìn)行某項(xiàng)工程活動(dòng)類別、分布、出現(xiàn)條件和事故可能造成的后果進(jìn)行宏觀、概略分析的系統(tǒng)安全分析方法。RPN能夠?qū)撛谖ｋU(xiǎn)模式風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，它反映了對(duì)危險(xiǎn)失效模式發(fā)生的可能性及其后果嚴(yán)重性的綜合度量。RPN值越大，即該危險(xiǎn)失效模式的危害性越大［7］。

RPN是危險(xiǎn)失效模式的嚴(yán)酷度等級(jí)（S）、危險(xiǎn)失效模式的發(fā)生概率等級(jí)（O）和危險(xiǎn)失效模式的被檢測難度等級(jí)（D）的乘積，各參數(shù)等級(jí)的劃分詳見GJBZ 1391-2006標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 基于RPN的數(shù)字化車間安全評(píng)估

針對(duì)機(jī)器人制造數(shù)字化車間所有可能的危險(xiǎn)，依據(jù)數(shù)字化車間的工藝特性，利用RPN分析方法對(duì)車間的各制造單元工序進(jìn)行定量的分析，確定危險(xiǎn)的危害性。

評(píng)估的過程如下：首先針對(duì)5個(gè)制造單元，建立危險(xiǎn)的索引目錄，之后構(gòu)建機(jī)器人制造數(shù)字化車間的12種失效模式，分別為人員碰撞危險(xiǎn)、設(shè)備碰撞危險(xiǎn)、吸盤脫落危險(xiǎn)、油噴射危險(xiǎn)、打磨粉塵擴(kuò)散、危害氣體、溫度過高、貨物傾倒、位置偏移、用電設(shè)備過載和調(diào)教模式下設(shè)備失控，并將上述失效模式分配給各個(gè)制造單元的設(shè)備中，最后通過RPN對(duì)制造單元風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

以裝配單元的總裝機(jī)器人為例，將人員碰撞危險(xiǎn)、設(shè)備碰撞、吸盤脫落風(fēng)險(xiǎn)分配給總裝機(jī)器人的4個(gè)危險(xiǎn)事件。圖7和圖8分別為制造單元危險(xiǎn)分析和總裝機(jī)器人危險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果。

圖7 制造單元危險(xiǎn)分析Fig.7 Hazard Analysis of Manufacturing Units

圖8 總裝機(jī)械危險(xiǎn)識(shí)別Fig.8 Hazard Identification of Assembly Robot in Assembly Units

通過RPN方法對(duì)機(jī)器人制造數(shù)字化車間進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，仍然以裝配單元的總裝機(jī)器人為例，針對(duì)人員碰撞擠壓的事件、機(jī)械手之間的碰撞等危險(xiǎn)事件，分配嚴(yán)重程度等級(jí)、過程檢測等級(jí)和過程發(fā)生等級(jí)，最后形成針對(duì)索引事件的過程RPN值，分別是84、30、18和45，按照RPN排序，可以得到索引1.1.1-人員闖入的碰撞擠壓風(fēng)險(xiǎn)最大，1.1.4-AGV與機(jī)械臂的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，1.1.2-機(jī)械手與機(jī)械手的碰撞和1.1.3-機(jī)械手吸盤脫落的砸壓風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，如圖9所示。

圖9 總裝機(jī)械的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)分析Fig.9 Analysis of Risk Priority Number of Assembly Machine

針對(duì)整個(gè)機(jī)器人制造數(shù)字化車間的所有制造單元風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建RPN風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)圖，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，索引2.2.1-危險(xiǎn)氣體（易燃易爆）氣體的RPN最大為108，其次1.1.1-人員闖入的碰撞擠壓風(fēng)險(xiǎn)為84，再往后分別是設(shè)備碰撞產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)為63，按照風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)進(jìn)行排列，形成風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的排列圖表，可以很直觀的對(duì)整個(gè)車間中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大的危險(xiǎn)源，有必要通過相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降低措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的管控。

圖10 機(jī)器人制造數(shù)字化車間RPN統(tǒng)計(jì)圖Fig.10 RPN Statistics Chart for Robot Manufacturing Digital Workshop

5 數(shù)字化車間風(fēng)險(xiǎn)降低

5.1 機(jī)器人制造數(shù)字化車間風(fēng)險(xiǎn)降低要求

在機(jī)器人制造數(shù)字化車間，通過增加安全措施，可以實(shí)現(xiàn)必要的風(fēng)險(xiǎn)降低，安全措施可以用一種或多種風(fēng)險(xiǎn)降低技術(shù)組合來實(shí)現(xiàn)。針對(duì)于機(jī)器人制造數(shù)字化車間的危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，對(duì)每一個(gè)不能容忍的危險(xiǎn)事件，制定數(shù)字化車間所需的安全措施，安全措施可以通過E/E/PE控制系統(tǒng)保護(hù)層安全措施能或其他的風(fēng)險(xiǎn)降低措施，如安全控制系統(tǒng)、安全防護(hù)、安全連鎖、安全停機(jī)、限制運(yùn)行范圍和運(yùn)行速度等功能［8］［9］［10］。

5.2 基于RPN分析的風(fēng)險(xiǎn)降低措施確定

在對(duì)機(jī)器人數(shù)字化車間風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)因素，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)控制方法，分配不同的安全措施，通過各安全措施的分配和實(shí)施，能夠大幅降低風(fēng)險(xiǎn)RPN值，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的必要控制，保障機(jī)器人制造車間安全運(yùn)行。

5.3 典型危險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)降低示例

以裝配單元的總裝機(jī)器人為例，在故障樹分析基礎(chǔ)上，識(shí)別出總裝機(jī)器人對(duì)人員碰撞的危險(xiǎn)，對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和控制，通過風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的計(jì)算可以知道，RPN為84，風(fēng)險(xiǎn)的危害性很大，因此，有必要通過相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降低措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的控制。

針對(duì)人員闖入工作區(qū)的危險(xiǎn)事件，選擇安全光柵配合安全PLC建立安全控制系統(tǒng)，通過安全光柵來監(jiān)測人員誤入工作區(qū)，并通過安全PLC進(jìn)行邏輯控制，輸出停機(jī)信號(hào)，保證人員誤入時(shí)的安全停機(jī)［11］，安全措施功能框圖如圖11所示。

圖11 危險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)控制功能圖Fig.11 Risk Control Function Diagram of Hazard

如圖12所示，在裝配單元中，通過增加安全光柵控制系統(tǒng)，大大降低了風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，通過風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)分析可知，增加安全光柵系統(tǒng)后，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)降低到28，風(fēng)險(xiǎn)大大降低，滿足安全生產(chǎn)的需要。

圖12 安全光柵控制系統(tǒng)的防護(hù)圖Fig.12 Protection of Safety Grating Control System

6 結(jié)束語

該方法以機(jī)器人制造單元為研究對(duì)象，依據(jù)制造的工藝流程，并結(jié)合故障樹進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和危險(xiǎn)識(shí)別，找出影響數(shù)字化車間運(yùn)行的危險(xiǎn)事件，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)分析方法，對(duì)危險(xiǎn)事件危害性進(jìn)行定量計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)控制的要求，給出風(fēng)險(xiǎn)降低措施，最后以裝配單元機(jī)器人為例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以評(píng)估為依據(jù)通過增加安全光柵系統(tǒng)來控制人員傷害的風(fēng)險(xiǎn)，保證人員的安全。

綜上所述，基于風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)分析的數(shù)字化車間安全評(píng)估方法，能夠很好的應(yīng)用于機(jī)器人制造數(shù)字化車間的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制，為機(jī)器人制造數(shù)字化車間風(fēng)險(xiǎn)管控提供理論和實(shí)踐依據(jù)。