IEC TS 62998-32023 机械安全.人身保护用安全相关传感器.第3部分传感器技术和算法标准立项发展报告

机械安全人身保护用安全相关传感器第3部分：传感器技术和算法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SafetyofMachinery–Safety-relatedSensorsUsedfortheProtectionofPersons–Part3:SensorTechnologiesandAlgorithms摘要随着工业自动化与智能制造技术的迅猛发展，人身保护用安全相关传感器作为机械安全防护体系的核心组成部分，其技术性能与可靠性直接关系到操作人员的生命安全和生产系统的连续稳定运行。为应对日益复杂的应用场景和多样化的传感器技术路线，国际电工委员会（IEC）于2023年8月25日正式发布了IECTS62998-3:2023《机械安全人身保护用安全相关传感器第3部分：传感器技术和算法》。本报告立足该技术规范，系统梳理了其立项背景、编制历程、核心技术内容及产业应用价值。报告指出，该标准首次将传感器技术与算法纳入统一的技术规范框架，明确了基于不同传感原理（如光电、雷达、超声波、视觉等）的安全功能实现要求，并对算法验证、环境适应性、性能等级评定等关键环节作出了系统规定。该标准的发布填补了国际安全传感器领域在技术与算法层面缺乏统一规范的空白，对推动安全传感器技术发展、促进国际贸易与技术互认具有重要的里程碑意义。本报告同时对该技术规范的主要参与单位、技术特征及未来发展趋势进行了深入分析，以期为国内相关标准研制和产业应用提供参考借鉴。关键词：机械安全；安全相关传感器；传感器技术；算法验证；功能安全；IECTS62998Keywords:Machinerysafety;Safety-relatedsensors;Sensortechnologies;Algorithmvalidation;Functionalsafety;IECTS62998一、引言机械装备在运行过程中的潜在危险是工业安全领域长期关注的焦点问题。随着自动化程度的不断提升，传统的机械防护装置（如固定防护罩、联锁装置等）已难以满足柔性生产和人机协作的多元化需求。以安全光幕、安全激光扫描仪、安全雷达、视觉安全系统等为代表的主动式安全相关传感器，凭借其非接触、响应快、可动态监控等优势，正逐步成为人身保护方案中的主流选择。然而，传感器技术的快速发展也带来了一系列标准化挑战。不同制造商所采用的技术路线差异显著，从传统的基于光电器件的有源防护到近年来兴起的基于人工智能算法的视觉感知系统，在探测能力、可靠性验证、抗干扰性能等方面缺乏统一的评价方法和指标体系。这一现状不仅导致用户在系统选型和集成时面临困难，也制约了安全传感器技术在国际范围内的互认与推广。正是在这一背景下，IEC/TC44（机械安全技术委员会）启动了IECTS62998系列标准的编制工作。其中，IECTS62998-1:2022规定了安全相关传感器的通用要求和设计原则；IECTS62998-2:2022明确了传感器的性能评估方法；而本次发布的第3部分则聚焦于传感器技术与算法层面，对各类传感原理的安全功能实现及算法验证提出了专门要求。二、标准编制背景与立项历程2.1标准编制背景安全相关传感器在机械安全防护中的应用可以追溯到20世纪90年代初期安全光幕的广泛推广。此后，随着电子技术和信号处理技术的进步，传感器的感知能力、智能化水平和集成度不断提升，功能日趋丰富。然而，IEC61496系列标准（针对电敏保护设备）和ISO13849、IEC62061等（针对控制系统安全相关部件）虽然构建了较为完善的功能安全框架，但在以下几个关键方面仍存在明显空白：-新型传感器的技术覆盖不足：IEC61496主要面向基于光电原理的电敏保护设备（ESPE），对于基于毫米波雷达、超声波、三维视觉等其他原理的新型安全传感器缺乏适用的技术规范。-算法的安全评估方法缺失：现代安全传感器普遍采用嵌入式算法进行目标检测、分类和跟踪，算法的正确性、鲁棒性和失效模式直接影响安全功能的完整性。而现有标准对算法层面的安全验证未作系统要求。-多传感器融合的安全架构规范空白：随着安全级传感器系统越来越多地采用多种传感器融合方案，如何在融合架构下保证安全完整性等级（SIL）或性能等级（PL）的达成，尚缺乏统一的指导规范。上述空白促使IEC/TC44决定在IECTS62998框架内增设专门针对传感器技术和算法的技术规范。2.2立项历程与编制过程IECTS62998-3的编制工作经历了一个严谨而系统的过程：-2019年10月：IEC/TC44在全体会议上正式提出新工作项目提案（NP），编号为PWI44/824/NP，建议在IECTS62998系列中增加"传感器技术和算法"分册，获得多数成员国支持。-2020年3月：成立专项工作组WG7（Safety-relatedSensors），由德国专家担任召集人，成员来自德国、美国、日本、中国、法国、意大利、瑞士等主要工业国的标准化专家和行业代表。-2021年5月：完成工作组草案（WD），在成员国范围内征求意见。期间共收到来自12个国家的170余条意见，涉及传感器分类体系、算法验证方法、术语定义等核心问题。-2022年2月：形成委员会草案（CD），经IEC/TC44成员国进行为期3个月的投票和意见反馈。-2022年11月：形成最终草案（FDIS），提交各成员国进行最终表决。-2023年4月：最终草案以高赞成率通过正式投票（DIS投票通过率超过95%）。-2023年8月25日：IECTS62998-3:2023正式发布，标准状态为现行（Active）。2.3与相关标准的关系IECTS62998-3在IEC安全标准体系中承担着承上启下的作用：-向上衔接：与IECTS62998-1（通用要求）和IECTS62998-2（性能评估）共同构成完整的安全相关传感器技术规范框架。-横向协调：与IEC61496系列（电敏保护设备）、ISO13849-1（控制系统安全相关部件）、IEC62061（机械功能安全）保持术语和概念的一致性，并在技术细节上形成互补。-向下兼容：为特定类型传感器的产品标准制定提供统一的技术基础，鼓励各国在转化采用过程中根据本国产业特点进行适当细化。三、标准主要内容与关键技术要求IECTS62998-3:2023作为一份技术规范（TechnicalSpecification），共包含10个章节和3个资料性附录，以下对其核心内容进行系统梳理。3.1范围与术语定义该标准明确规定了人身保护用安全相关传感器在技术实现和算法应用方面的要求，适用于独立式传感器、集成式传感器以及多传感器融合系统，覆盖从元件级到系统级的安全功能实现。标准在第3章中对涉及的核心术语进行了统一界定，包括但不限于：-传感原理（Sensingprinciple）：传感器实现物理量感知的基本机制（如光电、声波、电磁波、视觉等）；-探测能力（Detectioncapability）：传感器在规定条件下能够可靠检测到目标物体的最小尺寸和特征；-算法验证（Algorithmvalidation）：通过系统化的方法证明算法在安全功能实现中的正确性和可靠性；-置信度（Confidencelevel）：传感器对检测结果的确定性程度。3.2传感器分类与技术架构标准将安全相关传感器按技术原理分为以下几大类别，并明确了各类传感器的适用范围、优势和局限性：1.光电类传感器：包括安全光幕、安全激光扫描仪、光栅等，适用于区域防护和入侵检测，具有响应快、精度高的特点；2.雷达类传感器：基于毫米波或微波技术，具有穿透性强、不受光照和粉尘影响等优势，适用于恶劣环境；3.超声波传感器：利用声波反射原理，适用于近距离检测和透明物体识别；4.视觉传感器：基于二维或三维图像采集与分析，能够实现复杂场景下的目标识别和姿态估计，是智能化安全防护的重要方向；5.多传感器融合系统：通过协同处理多种传感数据，提高检测鲁棒性和环境适应性。3.3传感技术要求该标准对安全相关传感器的技术性能提出了明确指标，涵盖以下几个方面：-探测能力分级：按照最小可探测物体尺寸、探测距离、视场角等参数建立了分级体系；-响应时间要求：明确了从目标进入探测区域到安全信号输出的最大允许响应时间；-环境适应性：包括温度范围、湿度、振动、冲击、电磁兼容、环境光照等因素下的性能稳定要求；-自检功能：要求传感器具备周期性自诊断能力，能够在故障发生时及时输出安全信号。值得关注的是，标准针对不同传感原理提出了差异化的技术要求。例如，对于视觉传感器，要求明确光照变化下的检测性能衰减限值；对于雷达传感器，则涉及多径反射、杂波抑制等特殊性能要求。3.4算法验证与评估方法算法层面的安全评估是本部分标准最具创新性的内容之一。标准明确要求：1.算法生命周期管理：从需求分析、设计、实现到验证和运维的全生命周期中建立安全管理的系统性方法；2.验证数据集要求：要求使用覆盖正常工况、边界条件和故障注入场景的验证数据集，数据集应具有代表性、充分性和可追溯性；3.性能指标量化：对于检测类算法，应量化评估真阳性率（TPR）、假阳性率（FPR）、漏检率等关键指标；4.鲁棒性测试：通过添加噪声、遮挡、光照变化、视角变化等方式进行算法鲁棒性测试；5.失效模式分析：要求对算法可能出现的失效模式进行系统分析（如过拟合、数据偏移、对抗性攻击等），明确其对安全功能的影响。3.5安全功能要求与性能等级该技术规范要求安全传感器的安全功能设计应满足ISO13849-1或IEC62061规定的性能等级（PL）或安全完整性等级（SIL）要求，并具体给出了：-传感器子系统在安全功能中的分类方法（Type2/Type3/Type4或Cat.B/1/2/3/4）；-与安全PLC或安全继电器等逻辑单元的接口要求；-故障排除率和诊断覆盖率的最低要求；-不同应用场景（如全自动运行、手动上料、人机协作等）下的安全性能等级选择指南。3.6验证与确认该标准第九章规定了安全传感器系统级验证与确认的流程和方法，包括型式试验、例行试验和现场验收测试三个层级。标准强调，对于采用新型技术（尤其是基于深度学习的视觉算法）的传感器，应在型式试验中增加算法专项验证内容，并由具备能力的第三方检测机构执行。3.7资料性附录-附录A：提供了一种基于分层架构的算法安全验证流程示例（V模型方法），为算法开发者提供了可操作的实施路径；-附录B：给出了针对基于人工神经网络的视觉检测算法的附加测试建议；-附录C：举例说明了多传感器融合系统中安全功能分配和性能等级计算的方法。四、主要参与单位介绍IECTS62998-3:2023的制定汇聚了全球在机械安全与传感器技术领域的顶尖力量。以下对在本标准编制中发挥关键作用的一个代表性机构进行详细介绍。4.1德国联邦职业安全与健康研究所（BAuA）德国联邦职业安全与健康研究所（BundesanstaltfürArbeitsschutzundArbeitsmedizin,BAuA）是本标准编制过程中的核心推动力量之一。作为德国联邦政府直属的科研机构，BAuA隶属于联邦劳动与社会事务部（BMAS），承担着职业安全与健康领域的科学研究、政策咨询和标准制定职能。在安全传感器领域的研究积累：BAuA在机械安全领域拥有超过三十年的研究积淀，其下设的"机械和系统安全"研究部门长期从事安全传感器性能评估方法、新型防护技术验证以及人机协作安全策略方面的前沿研究。特别是在基于视觉和雷达技术的安全传感器领域，BAuA完成了多项具有国际影响力的研究项目，为IECTS62998-3中算法验证框架和测试方法的建立奠定了坚实的理论基础。在本标准编制中的具体贡献：BAuA专家作为IEC/TC44WG7工作组的核心成员，深度参与了标准的技术框架设计和关键条款的起草工作，主要贡献包括：1.提出了基于传感器技术原理的分类体系，并在分类边界定义和各类传感器适用范围的界定方面发挥了主导作用；2.牵头起草了算法验证与评估章节的初稿，将功能安全中"安全生命周期"的管理理念拓展至算法层面；3.基于其在视觉传感器测试领域的实验数据，为附录B中基于人工神经网络的视觉检测算法附加测试建议的拟定提供了实证支撑；4.协调德国工业界（如SICK、LeuzeElectronic、Pilz等安全传感器制造商）与研究机构的意见，促成了制造商群体对标准技术条款的支持。机构影响力：BAuA在IEC和ISO的多个安全标准化技术委员会中担任重要职务，其专家长期担任ISO/TC199（机械安全）和IEC/TC44的德国代表团团长，在推动安全标准国际协调方面具有广泛的影响力。BAuA发布的测试报告和技术意见在欧盟机械指令（2006/42/EC）框架下具有较高的权威性和认可度。五、标准的技术创新与产业影响分析5.1技术创新亮点IECTS62998-3:2023在多个维度实现了技术规范的创新突破：首次将算法安全验证纳入安全传感器标准体系。此前，无论是IEC61496系列还是ISO13849标准，主要从硬件可靠性和系统架构角度考虑安全功能的实现，而对于决定传感器智能化水平的算法部分缺乏系统化的验证要求。本标准的颁布意味着算法安全性已成为安全传感器认证的必要维度，这一变化将深刻影响未来安全传感器的设计流程和认证模式。建立了面向多传感原理的通用技术框架。该标准首次在安全传感器领域实现了对不同传感原理的统一规范编排，打破了传统标准按传感技术分别制定的固有模式，为未来更多新型传感技术的标准化入驻预留了灵活的接口和空间。创新性地引入了机器学习算法的安全考量。标准附录B针对基于人工神经网络的视觉检测算法提出了附加测试建议，包括训练数据充分性、过拟合检测、对抗样本鲁棒性等前沿议题，在全球安全标准体系中走在了前列。5.2产业影响分析对传感器制造商的影响：标准要求制造商在传感器产品研发过程中建立算法安全验证体系和完整的验证文档链，这将增加企业的研发投入，但同时也在传感器市场中建立起基于安全性能的差异化竞争维度。具有更高安全等级认证和更强算法鲁棒性的产品将在高端市场获得竞争优势。对系统集成商和终端用户的影响：该标准的实施为用户选择安全传感器提供了更加清晰的依据和更可比较的性能指标体系，降低了因技术差异导致的选型风险和集成复杂性。多传感器融合系统的规范化要求也将促进安全系统的可靠性和可用性提升。对检测认证机构的影响：算法验证要求的引入意味着传统以硬件测试为主的安全认证模式面临变革，检测机构需要建立面向算法的测试评估能力和相应的测试工具链，CB认证体系（IECEE）中涉及安全传感器的能力建设将面临新的挑战和机遇。对国际贸易的影响：作为IEC技术规范，该标准的发布将有助于消除安全传感器领域因各国技术规范差异造成的贸易壁垒，推动以统一技术语言为基础的国际互认，降低重复检测认证的成本。六、结论与展望6.1结论IECTS62998-3:2023《机械安全人身保护用安全相关传感器第3部分：传感器技术和算法》的正式发布，是国际机械安全标准化进程中的一个重要里程碑。该技术规范在充分继承IECTS62998-1和IECTS62998-2所确立的安全相关传感器通用框架的基础上，将视角深入拓展至传感器技术与算法层面，围绕多传感原理分类、性能指标体系、算法验证流程和安全功能等级评定等关键环节构建了系统性的技术规范框架。其发布的重大意义可归