基于RPN的機器人制造數字化車間安全評估方法及應用研究

閆炳均,胡 波,徐皚冬,王志平

（1.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽110016；2.中國科學院機器人與智能制造創新研究院，遼寧 沈陽110016）

1 引言

當前，我國大力推進機器人產業發展戰略，工信部發布《機器人產業發展規劃（2016-2020年）》，提出了產業發展目標，要求規模持續增長、技術水平顯著提升、關鍵零部件取得重大突破、集成應用取得顯著成效［1］。

隨著制造機器人所需的機器設備越來越先進，生產過程的自動化程度大幅度提高，生產工藝和設備變得越來越復雜，因而設備的安全性也變得極為重要，近年來，伴隨著機器人的大量應用，一些安全事件也頻繁發生，最為典型的是2015年德國大眾“機器殺人”事件，德國大眾車間，操作工人在調試機器人時受到撞擊不幸身亡。因此，針對應用機器人批量制造機器人的數字化車間，建立基于機器人制造單元的安全評估方法和風險降低策略，能夠行之有效的避免生產過程中發生人機事故，保障人員和設備的安全意義重大［2］。

2 數字化車間的危險分析

2.1 機器人制造車間的過程危險

機器人制造車間的危險分析，主要是確定車間制造單元中的危險源和危險事件，為后續安全功能的設計、實施、驗證和確認提供依據。在機器人制造數字化車間中，各個制造單元之間按照工藝進行協調工作，工藝流程見圖1，根據工藝特點不同，各制造單元含有不同的危險源和危險事件。

圖1 機器人制造數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（移動機器人）配合裝配機器人實現自動化流水作業，裝配過程中存在AGV與裝配機器人的碰撞、機器人之間的相互碰撞、裝配機器人對人的傷害等危險；在自動化噴涂單元中存在化學品泄漏、液體噴射傷人、以及通風設備故障造成的可燃氣體爆炸的危險；在自動化倉儲單元中，采用堆垛機和貨架系統實現制造過程中成品及半成品的立體化倉儲，存在貨物傾倒進而引發貨物損壞和設備損壞的風險；在自動化物流單元中，存在AGV與人員和設備的碰撞危險；在調試與測試單元中，操作過程中存在機器人臂傷人的危險［3］［4］。

2.2 機器人制造車間的過程危險識別

危險識別用于辨識機器人系統本身或外圍設備產生的危險或危險狀態，在機器人制造數字化車間，結合各制造單元的工藝特點，識別數字化車間中單元設備間、人員與設備間和在包括調試、運行以及維護等不同運行模式下的所有合理可預見的危險、危險狀態和危險事件，以及危險的后果［6］；危險源的種類包括安全控制系統或設備失效引起的危險、機械部件引起的危險、危險氣體環境等引起的危險和電氣原因產生的危險等。

3 數字化車間的故障樹分析

故障樹分析法是一種評價復雜系統安全性的重要方法，運用演繹法逐級分析，尋找危險事件（頂事件）的各種可能原因，故障樹是一種樹狀邏輯圖，用規定的事件、邏輯門和其他符號描述系統中各種事件之間的因果關系。

以機器人制造數字化車間的制造單元為對象，通過故障樹演繹的分析方法，結合風險辨識、危險的評價理論，對裝配單元、自動化噴涂單元、自動化倉儲單元、自動化物流單元、調試與測試單元中存在的風險因素進行故障樹分析，識別出各制造單元的危險事件［6］。

以數字化車間發生危險為頂事件，通過逐層的分級和分解，確定了各個制造單元設備的危險，其中CA表示頂事件，GTX表示危險發生的中間事件，EVX表示危險發生的低事件，表1描述了數字化車間故障樹中各事件及其代號。

表1 故障樹各事件及其代號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車間危險進行分析，逐層的分級最終確定危險發生的底事件，主要包括設備產生的危險、人為因素、環境因素等；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、倉儲單元、物流單元、調試與測試單元中間事件；如圖3-圖6，在各中間事件以下，按照邏輯關系分解到低事件。以裝配單元為例，中間事件為為總裝機器人和舉升機構風險，對中間事件進行分解，最終劃分為人員碰撞的風險、設備碰撞的風險等5種風險。

圖2 車間級故障樹分析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 倉儲單元的故障樹分析Fig.5 Fault Tree Analysis of Storage Unit

4 數字化車間安全評估

在機器人制造數字化車間故障樹分析的基礎上，識別出各制造單元的危險事件，通過RPN方法對危險事件進行的計算，對危險事件的危害性進行定量的評估。

4.1 風險優先數分析（RPN）

RPN是在進行某項工程活動類別、分布、出現條件和事故可能造成的后果進行宏觀、概略分析的系統安全分析方法。RPN能夠對潛在危險模式風險等級進行評價，它反映了對危險失效模式發生的可能性及其后果嚴重性的綜合度量。RPN值越大，即該危險失效模式的危害性越大［7］。

RPN是危險失效模式的嚴酷度等級（S）、危險失效模式的發生概率等級（O）和危險失效模式的被檢測難度等級（D）的乘積，各參數等級的劃分詳見GJBZ 1391-2006標準。

4.2 基于RPN的數字化車間安全評估

針對機器人制造數字化車間所有可能的危險，依據數字化車間的工藝特性，利用RPN分析方法對車間的各制造單元工序進行定量的分析，確定危險的危害性。

評估的過程如下：首先針對5個制造單元，建立危險的索引目錄，之后構建機器人制造數字化車間的12種失效模式，分別為人員碰撞危險、設備碰撞危險、吸盤脫落危險、油噴射危險、打磨粉塵擴散、危害氣體、溫度過高、貨物傾倒、位置偏移、用電設備過載和調教模式下設備失控，并將上述失效模式分配給各個制造單元的設備中，最后通過RPN對制造單元風險進行評估。

以裝配單元的總裝機器人為例，將人員碰撞危險、設備碰撞、吸盤脫落風險分配給總裝機器人的4個危險事件。圖7和圖8分別為制造單元危險分析和總裝機器人危險識別結果。

圖7 制造單元危險分析Fig.7 Hazard Analysis of Manufacturing Units

圖8 總裝機械危險識別Fig.8 Hazard Identification of Assembly Robot in Assembly Units

通過RPN方法對機器人制造數字化車間進行風險評估，仍然以裝配單元的總裝機器人為例，針對人員碰撞擠壓的事件、機械手之間的碰撞等危險事件，分配嚴重程度等級、過程檢測等級和過程發生等級，最后形成針對索引事件的過程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險最大，1.1.4-AGV與機械臂的碰撞風險，1.1.2-機械手與機械手的碰撞和1.1.3-機械手吸盤脫落的砸壓風險相對較小，如圖9所示。

圖9 總裝機械的風險優先數分析Fig.9 Analysis of Risk Priority Number of Assembly Machine

針對整個機器人制造數字化車間的所有制造單元風險，構建RPN風險評價圖，進行風險優先數的統計，統計的結果如圖10所示。可以看出，索引2.2.1-危險氣體（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險為84，再往后分別是設備碰撞產生的風險為63，按照風險優先數進行排列，形成風險優先數的排列圖表，可以很直觀的對整個車間中的風險進行排序，針對風險較大的危險源，有必要通過相應的風險降低措施進行風險的管控。

圖10 機器人制造數字化車間RPN統計圖Fig.10 RPN Statistics Chart for Robot Manufacturing Digital Workshop

5 數字化車間風險降低

5.1 機器人制造數字化車間風險降低要求

在機器人制造數字化車間，通過增加安全措施，可以實現必要的風險降低，安全措施可以用一種或多種風險降低技術組合來實現。針對于機器人制造數字化車間的危險和風險分析結果，對每一個不能容忍的危險事件，制定數字化車間所需的安全措施，安全措施可以通過E/E/PE控制系統保護層安全措施能或其他的風險降低措施，如安全控制系統、安全防護、安全連鎖、安全停機、限制運行范圍和運行速度等功能［8］［9］［10］。

5.2 基于RPN分析的風險降低措施確定

在對機器人數字化車間風險優先數分析的基礎上，針對不同的風險因素，結合風險控制方法，分配不同的安全措施，通過各安全措施的分配和實施，能夠大幅降低風險RPN值，實現對風險的必要控制，保障機器人制造車間安全運行。

5.3 典型危險事件的風險降低示例

以裝配單元的總裝機器人為例，在故障樹分析基礎上，識別出總裝機器人對人員碰撞的危險，對該風險進行分析和控制，通過風險優先數的計算可以知道，RPN為84，風險的危害性很大，因此，有必要通過相應的風險降低措施進行風險的控制。

針對人員闖入工作區的危險事件，選擇安全光柵配合安全PLC建立安全控制系統，通過安全光柵來監測人員誤入工作區，并通過安全PLC進行邏輯控制，輸出停機信號，保證人員誤入時的安全停機［11］，安全措施功能框圖如圖11所示。

圖11 危險事件的風險控制功能圖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，大大降低了風險發生概率，通過風險優先數分析可知，增加安全光柵系統后，風險優先數降低到28，風險大大降低，滿足安全生產的需要。

圖12 安全光柵控制系統的防護圖Fig.12 Protection of Safety Grating Control System

6 結束語

該方法以機器人制造單元為研究對象，依據制造的工藝流程，并結合故障樹進行風險分析和危險識別，找出影響數字化車間運行的危險事件，并結合風險優先數分析方法，對危險事件危害性進行定量計算，結合計算結果對風險進行評估。在風險評估的基礎上，結合風險控制的要求，給出風險降低措施，最后以裝配單元機器人為例進行風險評估，以評估為依據通過增加安全光柵系統來控制人員傷害的風險，保證人員的安全。

綜上所述，基于風險優先數分析的數字化車間安全評估方法，能夠很好的應用于機器人制造數字化車間的風險評估和風險控制，為機器人制造數字化車間風險管控提供理論和實踐依據。