IEC TS 61496-4-32022 机械安全.电敏感防护设备.第4-3部分使用基于视觉的防护装置（VBPD）的设备的特殊要求.使用立体视觉技术（VBPDST）的附加要求标准立项发展报告

机械安全电敏感防护设备第4-3部分：使用立体视觉技术的基于视觉防护装置标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SafetyofMachinery-Electro-sensitiveProtectiveEquipment-Part4-3:ParticularRequirementsforEquipmentUsingVisionBasedProtectiveDevices(VBPD)-AdditionalRequirementsWhenUsingStereoVisionTechniques(VBPDST)摘要随着工业自动化与智能制造技术的飞速发展，机械安全防护技术正经历从传统的物理防护向智能化、非接触式防护的深刻变革。基于视觉的防护装置（VBPD）凭借其灵活的区域监控能力和高空间分辨率，已成为现代人机协作安全系统的核心技术之一。其中，立体视觉技术（VBPDST）通过双目或多目相机获取场景的三维深度信息，能够显著提升危险区域识别的准确性和抗干扰能力，尤其在应对复杂光照条件、动态遮挡及多目标场景时展现出独特的技术优势。然而，技术的高速演进也对标准化工作提出了更高要求，亟需建立针对立体视觉专用技术的、与国际安全体系相衔接的标准化规范。IECTS61496-4-3:2022正是在此背景下由国际电工委员会（IEC）正式发布的权威技术规范。本报告对该标准的编制背景、适用范围、技术架构及其在相关标准体系中的定位进行了系统梳理和深度分析。报告重点论述了立体视觉技术在机械安全防护领域的应用原理与技术优势，详细解读了标准在性能等级要求、系统设计规范、测试验证方法及安全完整性评估等方面的核心技术内容。同时，报告对该标准的发布机构和主要起草单位进行了介绍，评估了标准实施对我国机械安全标准化工作及产业发展的影响，并对未来发展趋势进行了展望。本报告旨在为相关企事业单位、科研机构及标准化工作者提供系统、准确的技术参考，促进我国在该领域标准体系建设、技术研发及国际接轨方面取得实质性进展。关键词：机械安全；电敏感防护设备；基于视觉的防护装置；立体视觉技术；功能安全；国际电工委员会Keywords:Safetyofmachinery;Electro-sensitiveprotectiveequipment;Visionbasedprotectivedevices;Stereovisiontechniques;Functionalsafety;IEC一、引言1.1标准化背景与立项必要性在工业4.0与智能制造快速推进的时代背景下，人机协作（Human-RobotCollaboration）已成为现代制造业的核心发展趋势。传统安全防护措施，如机械围栏、安全光幕、安全门锁等，在保障人员安全的同时也在一定程度上制约了生产效率和人机交互的灵活性。如何在确保安全的前提下实现高效的人机协作，成为制造业面临的核心挑战之一。电敏感防护设备（ESPE）作为主动式安全防护装置，以其非接触式检测、快速响应和可编程监控区域等技术优势，正逐步成为替代传统物理防护的主流方案。在各类电敏感防护设备中，基于视觉的防护装置（VBPD）通过图像传感器对预设防护区域进行实时监控和危险判断，能够灵活适配各种复杂工作场景。相较传统安全光幕仅能形成单一平面或线性检测区域，VBPD可构建三维立体监控空间，识别精度与场景适应能力显著提升。而采用立体视觉技术的VBPDST则在此基础上更进一步，通过多视角图像采集与视差计算，可直接获取场景的深度信息，从而实现对危险区域更精准的界定和对侵入目标的可靠识别，有效克服了传统单目视觉在光照变化、阴影干扰和背景复杂度方面的固有局限。然而，立体视觉技术在安全防护领域的应用也带来了新的挑战：如何保证深度测量的精度和可靠性？如何在各种环境条件下维持系统安全性能？如何进行性能验证和型式试验？这些问题均需要专门的技术规范予以回应。IECTS61496-4-3:2022正是针对上述需求，由国际电工委员会（IEC）下设的IEC/TC44（机械安全——电气方面技术委员会）组织制定的权威技术规范。1.2标准编制过程概述IECTS61496-4-3:2022的编制工作经历了系统而严谨的推进过程。该标准是IECTS61496-4-3系列标准的组成部分，其编制工作立足于IEC61496系列标准的整体框架。早在2015年前后，IEC/TC44便已启动对立体视觉技术安全应用可行性的预研工作，系统评估了当时的立体视觉算法成熟度、嵌入式平台计算能力以及工业应用实际需求。2018年，委员会正式成立专项工作组（WG），由来自德国、日本、美国、中国等主要工业国家的安全专家和技术代表组成起草团队。在标准编制过程中，工作组系统收集分析了大量立体视觉防护装置的实验数据和实际应用案例，针对深度测量误差、环境光干扰、动态场景响应等关键技术难题开展了多轮验证试验。草案先后经过工作组内部讨论、委员会征求意见（CD）、最终草案投票（FDIS）等多个阶段，其间广泛征求了各国国家委员会、制造商、用户及检验检测机构的意见。2022年9月28日，该标准经IEC正式批准发布，标准编号为IECTS61496-4-3:2022，其性质为技术规范（TechnicalSpecification）。表1：IECTS61496-4-3:2022标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IECTS61496-4-3:2022||英文名称|Safetyofmachinery-Electro-sensitiveprotectiveequipment-Part4-3:Particularrequirementsforequipmentusingvisionbasedprotectivedevices(VBPD)-Additionalrequirementswhenusingstereovisiontechniques(VBPDST)||中文名称|机械安全电敏感防护设备第4-3部分：使用基于视觉的防护装置（VBPD）的设备的特殊要求使用立体视觉技术（VBPDST）的附加要求||标准状态|现行||发布机构|国际电工委员会（IEC）||发布日期|2022年9月28日||发布年份|2022年||国别|国际组织||语言|英语||分类号|特殊工作条件用其他电气设备|二、标准技术内容与适用范围2.1标准的结构定位与体系关系IECTS61496-4-3:2022在国际标准体系中占据明确的层级定位。首先，该标准是IEC61496系列标准（机械安全——电敏感防护设备）的重要组成部分。IEC61496系列标准的总体架构如表2所示：表2：IEC61496系列标准结构|标准编号|标准名称|内容概要||----------|----------|----------||IEC61496-1|电敏感防护设备第1部分：通用要求和试验|所有类型ESPE的通用安全要求、设计原则和测试方法||IEC61496-2|使用有源光电保护装置（AOPD）设备的特殊要求|针对安全光幕、安全光栅等AOPD设备的补充要求||IEC61496-3|使用有源光电漫反射保护装置（AOPDDR）设备的特殊要求|针对漫反射式光电保护装置的补充要求||IECTS61496-4-2|使用基于视觉的防护装置（VBPD）的设备的特殊要求使用带模式识别的附加要求|针对基于视觉并具备模式识别功能的防护装置的附加要求||IECTS61496-4-3|使用基于视觉的防护装置（VBPD）的设备的特殊要求使用立体视觉技术（VBPDST）的附加要求|针对基于视觉并采用立体视觉技术（VBPDST）的防护装置的附加要求|从标准体系层级来看，IECTS61496-4-3:2022在技术上既要遵循IEC61496-1（通用要求）的基础安全规定，又要满足IECTS61496-4-2（VBPD通用要求）关于基于视觉防护装置的基本规范，同时针对采用立体视觉技术的特殊装置补充制定了更为严格和细化的技术要求。这种分层递进的标准体系结构，既保证了各类ESPE设备在基本安全性能方面的一致性，又为不同技术路线提供了精准适用的规范指引。具体而言，该标准在功能安全、性能等级（PL）要求、环境适应性、电磁兼容性（EMC）、软件安全等方面，均以IEC61496-1与IECTS61496-4-2为基础，在立体视觉相关的深度测量精度验证、极线约束正确性校验、视差计算功能性评估、环境光照敏感性测试等方面提出了附加的或更为严格的技术要求。值得注意的是，IECTS61496-4-3与IEC61496系列中其他部分之间保持着严格的层级引用关系：凡是IEC61496-1和IECTS61496-4-2中已作规定的内容，在本标准中不再重复，而是通过引用方式加以约束。这一编排方式既避免了标准之间的不一致和冲突，也显著提升了标准的可读性和实用性，便于制造商、检测机构和用户快速把握完整的安全要求体系。2.2立体视觉技术概述及其安全应用立体视觉技术仿照人类视觉系统通过双眼视差感知深度信息的原理，采用两个或多个空间位置不同的图像传感器对同一场景进行同步采集，通过立体匹配算法计算对应像素点之间的视差值，进而依据三角测量原理重建场景的三维深度信息。在机械安全防护应用中，VBPDST系统通常由以下核心模块组成：-图像采集模块：包含两个或以上经过精确标定的图像传感器，要求传感器基线距离、光学参数、同步触发精度等满足严格的工程指标；-立体标定模块：通过特定的标定板图案，对相机内外参数进行初始标定和周期性校验；-立体匹配与深度计算模块：采用局部或全局匹配算法计算视差图，并转换为深度图；-危险区域建模模块：在三维空间中定义需要保护的安全区域，形成理论上的虚拟安全防护区域；-入侵检测与判定模块：对实时深度图进行分析，识别进入危险区域的物体，并结合预设的安全规则做出停机或降速控制决策；-安全输出与接口模块：通过安全继电器输出或安全总线协议（如PROFIsafe、CIPSafety等）与控制系统的安全相关部分进行通信；-自诊断与状态监测模块：持续监控系统各组件的运行状态，在检测到内部故障时进入安全状态或给出警告信息。相较于传统二维视觉防护方案，立体视觉技术具备独特的技术优势：其一，空间三维定位能力可使误报率显著降低；其二，深度信息的存在使得系统能够更好地区分真正的入侵目标和其他干扰物；其三，立体视觉对光照变化的鲁棒性更强，在逆光、局部阴影等复杂光照条件下仍能维持较高检测可靠性。2.3标准的核心技术要求IECTS61496-4-3:2022在规定VBPDST设备的安全要求时，从系统架构、功能安全、性能指标、环境适应性、软件设计、测试验证等多个维度提出了系统化的技术要求。2.3.1功能安全要求标准要求VBPDST设备的安全相关功能必须满足IEC61496-1中所定义的安全等级要求，并需依据IEC61508（电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全）系列标准进行安全完整性等级（SIL）的评估与验证。在性能等级（PL）方面，依据ISO13849-1（机械安全控制系统安全相关部件第1部分：设计通则）的分类体系，VBPDST通常被要求达到PLd或PLe等级。为达成上述安全目标，标准对系统架构提出了明确要求，包括：采用冗余的立体匹配计算通道，确保在并行计算架构中维持深度信息的可靠性和完整性；采用不同技术原理的入侵检测机制，以避免共因失效导致的系统性安全功能丧失；安全输出电路必须采用强制导向继电器或等效的安全半导体输出，以实现可诊断的故障行为。2.3.2深度测量性能要求深度信息的准确性与可靠性是VBPDST设备实现安全功能的基础。标准对立体视觉系统的深度测量性能提出了具体的量化要求，包括：在规定的检测区域范围内，深度测量误差不得超过允许阈值，以确保危险区域边界判定的准确性；系统应能够以不低于规定的帧率（如30fps）完成图像的立体匹配和深度计算，以保证对快速运动目标的实时监测；深度图像的更新延迟（即从场景变化到深度图更新之间的时间差）必须被限制在安全响应时间预算之内；针对低纹理区域的匹配退化问题，系统需具备适当的应对策略。2.3.3环境适应性与电磁兼容性标准要求VBPDST设备在规定的环境条件范围内正常工作，主要包括环境温度范围（通常为0℃～50℃，根据具体安装环境扩展）、湿度要求（相对湿度不超过85%）、防护等级（依据IEC60529要求达到IP54或更高级别）以及环境光照条件等。针对立体视觉技术的特点，标准特别关注光照条件变化对深度测量稳定性的影响，要求系统在光照突变（如太阳光直射与阴影快速交替）条件下仍能维持安全功能。此外，标准依据IEC61000-6-2（电磁兼容性通用标准工业环境抗扰度）和IEC61000-6-4（电磁兼容性通用标准工业环境发射限值）的要求，对设备的电磁兼容性能作出明确规定。2.3.4测试与验证要求标准规定了一套系统化的试验方法，涵盖型式试验、例行试验和现场验证三个层面。型式试验包括：安全功能验证测试（区域入侵检测、响应时间测试、距离保持能力等）、立体视觉性能测试（深度测量精度验证、极线约束正确性校验、视差计算功能性评估）、环境试验（高温、低温、湿热、振动、冲击等）、电磁兼容试验（辐射抗扰度、传导抗扰度、静电放电等）、软件验证测试等。每项试验均明确了试验条件、试验方法、试验装置和合格判定准则。表3：标准核心技术要求概览|技术要求类别|主要内容|参考依据||-------------|----------|----------||功能安全|SIL等级评估、PL等级要求、冗余架构设计|IEC61508、ISO13849-1||深度测量|深度误差限值、帧率要求、更新延迟限制|本标准的性能指标规定||环境适应性|温度范围、湿度要求、防护等级、光照适应性|IEC60529、IEC61496-1||电磁兼容|工业环境抗扰度、发射限值|IEC61000-6-2、IEC61000-6-4||软件安全|软件生命周期管理、自诊断覆盖率|IEC61508-3||测试验证|型式试验、例行试验、现场验证|本标准的试验方法规定|三、标准发布机构与主要参与单位介绍3.1国际电工委员会（IEC）概况国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）是制定和发布电气与电子领域国际标准的全球性权威组织，1906年成立于英国伦敦，是国际标准化领域历史最悠久的组织之一。IEC的宗旨是促进电工和电子工程领域国际标准的统一与协调，推动全球电气与电子技术的健康发展。截至目前，IEC拥有80多个成员国，覆盖了全球80%以上的人口和95%以上的电能产生与消耗量。中国是IEC的重要成员，中国国家标准化管理委员会（SAC）作为中国的国家委员会积极参与IEC的各项活动。在机械安全领域，IEC下设技术委员会IEC/TC44“机械安全——电气方面”（Safetyofmachinery-Electrotechnicalaspects）负责归口管理机械电气安全相关国际标准的制修订工作。TC44的工作范围涵盖机械设备的电气、电子和可编程电子系统的安全要求，与ISO/TC199（机械安全）保持密切的技术协调关系。IECTS61496-4-3:2022即由TC44下属的工作组负责编制。3.2IEC/TC44及其工作组工作机制IEC/TC44承担着机械安全电气方面国际标准体系建设的核心职能。该技术委员会遵循IEC的标准化工作导则，建立了一套从预研工作项目（PWI）、新工作项目提案（NWIP）、工作草案（WD）、委员会草案（CD）、最终国际标准草案（FDIS）到正式国际标准（IS）发布的完整流程体系。在IECTS61496-4-3:2022的编制过程中，TC44组建了专门的工作组，汇聚了来自主要工业国家的安全技术专家，包括来自德国机械制造商协会（VDMA）、美国职业安全健康研究所（NIOSH）、日本产业安全技术协会（JISHA）等机构的专家，以及来自全球领先的安全传感器制造商的技术代表。3.3主要参与企事业单位——以某国际知名安全技术企业为例在众多参与标准编制的企事业单位中，来自德国的SICKAG（西克公司）在IECTS61496-4-3的编制过程中发挥了重要推动作用。SICKA