IEC TS 61496-4-22022 机械安全.电敏感保护设备.第4-2部分使用视觉保护装置（VBPD）的设备的特殊要求.使用参考图形技术（VBPDPP）时的附加要求标准立项发展报告

机械安全电敏感保护设备第4-2部分：使用视觉保护装置（VBPD）的设备使用参考图形技术（VBPDPP）时的附加要求标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SafetyofMachinery–Electro-sensitiveProtectiveEquipment–Part4-2:ParticularRequirementsforEquipmentUsingVisionBasedProtectiveDevices(VBPD)–AdditionalRequirementswhenUsingReferencePatternTechniques(VBPDPP)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物理防护向智能化、视觉化感知防护的深刻转变。视觉保护装置（VisionBasedProtectiveDevices,VBPD）作为新一代电敏感保护设备（ESPE）的代表性技术，凭借其非接触、大范围、高灵活性的探测能力，在现代工业机器人、自动化装配线及物流系统等领域获得日益广泛的应用。其中，基于参考图形技术（VBPDPP）的视觉保护方案，通过预先定义并识别场景中的特征图形模式来实现危险区域的精确界定与人员侵入的可靠检测，对算法的鲁棒性、环境适应性和安全完整性等级提出了更为严苛的技术要求。在此背景下，国际电工委员会（IEC）正式发布了IECTS61496-4-2:2022技术规范，为采用参考图形技术的视觉保护装置建立了统一的技术准则与验证框架。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及产业影响，深入分析了标准中关于安全要求、性能等级、测试方法及设计指南等关键技术条款，并结合国内外标准化动态与发展趋势，探讨了该标准对推动机械安全技术进步、促进视觉防护产品国际贸易与市场准入的重要支撑作用，以期为相关科研人员、标准制定者及产业界提供有价值的参考与借鉴。关键词：机械安全；电敏感保护设备；视觉保护装置；参考图形技术；功能安全；国际电工委员会Keywords:Safetyofmachinery;Electro-sensitiveprotectiveequipment(ESPE);Visionbasedprotectivedevices(VBPD);Referencepatterntechniques(VBPDPP);Functionalsafety;InternationalElectrotechnicalCommission(IEC)一、引言在现代工业生产环境中，人与机器的协同作业日益频繁，机械伤害事故的风险防控成为制造业安全管理的关键课题。根据国际劳工组织（ILO）的统计，全球每年因机械安全事故导致的伤亡事件数以百万计，其中相当比例的事故发生在操作人员进入危险区域或设备异常动作的瞬间。传统的机械防护装置（如固定式防护罩、联锁装置等）虽能提供基础性的安全防护，但其灵活性不足、空间占用大、影响生产效率等弊端在柔性制造和智能产线场景下愈发突出。电敏感保护设备（ESPE）作为一类基于光电、电容、超声波或视觉传感原理的非接触式安全防护装置，能够在不影响设备正常运行的前提下实时监测人员或物体是否进入危险区域，并在检测到侵入时迅速触发安全停机或减速控制。自IEC61496系列标准第一版发布以来，ESPE已从最初的光幕（AOPD）和主动式光电保护装置（AOPDDR）逐步演进至涵盖多种传感原理和技术架构的完整标准体系。近年来，随着计算机视觉、深度学习与嵌入式高性能计算技术的迅猛发展，基于视觉的机械安全防护方案从实验室研究走向了工业化应用的前沿。与传统的点式或线式光电传感器相比，视觉保护装置能够利用一个或多个摄像头获取监控区域的高维图像信息，通过图像处理算法实现对人员、肢体、工具及其他物体的检测、分类与定位。这一技术路线不仅具备更大的探测覆盖范围和更高的空间分辨率，还能够适应复杂多变的环境条件和多样化的应用场景需求，为机械安全防护提供了全新的技术维度和解决方案。然而，视觉保护装置的安全性能验证远比传统光电保护装置复杂。图像采集质量受光照变化、背景干扰、镜头畸变、噪声等因素影响显著；目标检测算法的准确性和实时性直接决定了装置的安全响应能力；系统的随机硬件失效和系统性失效模式也与传统电子安全系统存在本质差异。因此，如何建立一套适用于视觉保护装置的安全要求和验证方法，成为国际标准化领域亟需解决的技术课题。在此背景下，IEC/TC44（机械安全——电工技术委员会）下属的WG5工作组（电敏感保护设备工作组）在IEC61496系列标准的框架下，启动了针对视觉保护装置各技术路线的专项标准编制工作。IECTS61496-4-2:2022《机械安全电敏感保护设备第4-2部分：使用视觉保护装置（VBPD）的设备使用参考图形技术（VBPDPP）时的附加要求》即为该系列工作的阶段性成果之一，于2022年9月由国际电工委员会正式发布，成为全球机械安全视觉防护领域的重要技术规范性文件。二、标准编制背景与立项过程（一）IEC61496系列标准的演进脉络IEC61496是国际电工委员会机械安全领域的基础性安全标准系列，其标准框架围绕电敏感保护设备（ESPE）的分类、设计要求、安全功能和验证方法展开。系列标准的第一部分IEC61496-1确立了ESPE的通用要求和基本安全功能框架，包括安全相关性能等级（PerformanceLevel,PL）的评估方法、安全功能的分类（Type2/Type3/Type4）以及电磁兼容性和环境适应性要求。随后的分标准分别针对不同的技术类型制定了专项要求：IEC61496-2针对有源光电保护装置（AOPD），IEC61496-3针对有源光电保护装置的漫反射型（AOPDDR），而IEC61496-4-1则规定了使用视觉保护装置（VBPD）的设备的通用要求。随着视觉保护技术应用场景的不断拓展和细分，仅依靠IEC61496-4-1的通用要求已无法涵盖不同视觉检测技术路线的差异化安全功能需求。为此，IEC/TC44决定将VBPD标准拆分为多个子部分，针对不同的技术方案制定附加要求。其中，第4-2部分专门面向采用参考图形技术（VBPDPP）的视觉防护设备，即在监控场景中人为设置或利用环境中已有的特征图形（如棋盘格、二维码阵列、结构化光斑等）作为参考标记，通过检测参考图形是否被遮挡、变形或位移来判断危险区域内是否有人员或物体侵入。（二）参考图形技术的原理与标准化需求参考图形技术（ReferencePatternTechniques）的核心原理是：在危险区域的地面、墙壁或设备表面布置具有特定几何特征和已知空间位置的图形标记，视觉系统的摄像头实时采集包含这些参考图形的图像，并利用图像处理算法对参考图形的完整性、位置和形态进行监测。当人员或物体进入危险区域时，必然会遮挡或改变部分参考图形的成像特征，系统据此判断发生了侵入事件，并触发安全响应。与基于人员检测的视觉方案（如人体姿态识别、目标跟踪等）相比，参考图形技术具有以下几方面技术优势：一是算法复杂度相对较低，无需进行高层次的语义理解即可实现可靠的侵入检测，处理延迟更低；二是检测准确率对环境光照变化和背景干扰的敏感度较低，参考图形本身提供了稳定的特征基准；三是系统安全功能的安全性论证更为直观——只要参考图形的完整性被破坏即触发安全响应，逻辑链条明确，便于进行安全完整性分析和验证。然而，参考图形技术的实际工程应用仍面临一系列需要标准化的技术问题，例如：参考图形的最小尺寸、密度和布置方式如何确定才能保证覆盖所有可能的侵入路径？系统对参考图形局部遮挡的检测灵敏度和误报率之间如何平衡？在强烈的环境光直射、频闪照明或反射干扰条件下，图形检测算法的鲁棒性如何保证？在安全相关的性能等级要求下，图形检测的响应时间、检测概率和失效行为应满足何种指标？这些问题均需要在标准层面给出明确的技术要求和验证方法。（三）标准立项与编制历程IECTS61496-4-2的编制工作由IEC/TC44/WG5工作组统筹推进。在标准立项阶段，WG5工作组组织了来自德国、日本、美国、中国、意大利、瑞典等主要工业国家的安全专家和视觉技术专家，就VBPDPP的技术方案和应用需求开展了充分讨论，最终确定采用技术规范（TechnicalSpecification,TS）而非国际标准（InternationalStandard,IS）的形式发布。选择技术规范形式主要基于以下考量：首先，VBPDPP技术仍处于快速演进阶段，各类技术路线和实现方案尚未完全收敛，过早以国际标准的形式固化技术要求可能制约技术创新；其次，技术规范相较于正式国际标准具有更快的制定周期和更灵活的修订机制，能够及时响应技术发展和产业需求的变化；第三，TS作为IEC官方出版物，具有足够的权威性和参考价值，可供各国标准化机构、认证机构和制造商在标准制定和产品认证中参照执行。该技术规范经委员会草案（CD）、国际投票草案（DIS）等各阶段审议和投票后，于2022年9月16日正式出版发布。三、标准主要内容与技术解析（一）标准定位与适用范围IECTS61496-4-2:2022在IEC61496系列中处于分标准地位，是对IEC61496-4-1通用要求的补充和细化。标准明确规定了采用参考图形技术的人体检测视觉保护装置在安全相关性能、设计原则、测试方法等方面的附加技术要求，适用于：-使用单目或多目摄像头作为传感元件的VBPD设备；-在监控区域内布置具有已知几何特征和空间位置的参考图形标记的检测方案；-通过检测参考图形的遮挡或形态变化来判定人员和物体侵入的系统；-用于机械危险区域保护的固定式、移动式或可调式安装方式。标准不适用于基于人员直接识别的视觉方案（如人体关键点检测、面部识别等），也不适用于非安全相关的视觉监控系统。（二）安全要求与性能指标标准对VBPDPP设备的安全相关功能提出了系统性的技术要求。在安全功能分类方面，标准延续了IEC61496-1确立的Type2/Type3/Type4的分类体系，根据系统检测危险失效的能力和故障反应行为进行了适配性规定。对于参考图形检测这一具体技术路线，标准特别强调了以下核心安全指标：检测概率（ProbabilityofDetection）：标准要求VBPDPP在规定的检测区域内，参考图形的任何关键特征被侵入物体遮挡至规定程度时，系统能够以不低于特定概率（如Type3要求检测概率≥99.9%）触发安全响应。检测概率的确定需考虑参考图形的最小检测单元尺寸、物体相对于图形的位置关系、遮挡方向等因素，并在最不利工况下进行验证。响应时间（ResponseTime）：从侵入事件发生到安全输出动作之间的总时间必须满足应用安全距离计算的要求。标准规定了响应时间的测量方法，并要求制造商在技术文件中明确声明最大响应时间，同时考虑图像采集、算法处理、信号传输和执行元件动作的累积时延。参考图形完整性监测：系统须持续监测参考图形的状态，包括图形的位置偏移、尺度变化、部分遮挡等异常情况。当参考图形因环境因素（如清洁作业、维护操作）发生非侵入性改变时，系统应能区别对待，避免误触发安全停机，但任何导致安全检测功能降低的图形状态变化均应触发适当的响应。环境适应性与鲁棒性：标准要求设备在规定的环境条件范围内（包括环境光照强度与光谱分布、温度、湿度、振动等）均能维持其安全性能指标。特别针对视觉系统，标准对光照突变、眩光、频闪效应、反射干扰等光照相关异常工况给出了专项要求和测试条件。（三）设计与验证要求在参考图形设计方面，标准给出了系统的指导性建议和约束性要求：-图形几何特征：参考图形的特征尺寸、形状、对比度、间距及编码方式应使视觉系统在规定的检测距离和视角范围内能够稳定识别和定位。推荐使用具有自识别和容错能力的编码图形（如特定模式的二维码或专用标记阵列），以支持检测算法对预期图形状态和异常状态的有效区分。-图形布置密度与覆盖：参考图形的布置密度应保证在检测区域的任意位置，任何具有规定最小尺寸的物体侵入均能导致至少一个图形检测单元的状态发生可检测的变化。标准给出了基于检测灵敏度要求的图形间距设计方法和覆盖验证程序。-安全功能验证方法：标准规定了一套系统的验证框架，包括型式试验（typetest）中的性能测试、环境测试和EMC测试，以及例行检验中的功能确认测试。其中，性能测试部分详细规定了使用标准测试物体（如符合规定尺寸的圆柱形测试探棒）以规定路径穿越检测区域来验证系统检测能力的测试方法。（四）信息与文档要求标准还就产品说明书、技术文档和安全使用信息提出了明确要求。制造商应在技术文档中清晰地描述参考图形的设计规格和布置要求，包括图形类型、尺寸、材质、安装方式和维护周期。在说明书中，需向最终用户提供系统安全使用的必要信息，包括检测区域的三维边界定义、安全距离的计算方法、参考图形的日常检查和定期维护程序、以及运行环境限制条件等。此外，标准要求制造商提供关于系统在有干扰性视觉环境（如强反射物、高速运动物体、烟雾或粉尘条件）下性能和局限性的警示信息。四、标准编制的核心参与单位IECTS61496-4-2:2022的编制汇聚了全球机械安全领域和机器视觉领域的顶尖专家力量，其中德国作为工业安全标准化工作的传统强国，在标准编制过程中发挥了重要的引领作用。德国电气工程师协会（VDE,VerbandderElektrotechnik）及其下属的DKE（德国电气、电子和信息技术标准化委员会）在标准编制中承担了关键角色。VDE是欧洲最大的电气工程和信息技术专业协会之一，是IEC和CENELEC在德国的重要国家委员会成员，在功能安全、机械安全和人机协作安全领域拥有深厚的标准化积累。VDE在IECTS61496-4-2的编制中主要负责以下方面的工作：起草参考图形技术的安全功能要求框架，组织德国国内制造商和研究机构的技术研讨以凝练产业共识，以及主导标准中关于视觉检测系统安全性能验证方法的技术论证。除德国之外，日本、美国、中国、意大利等国也分别通过本国的IEC国家委员会选派专家参与了标准编制工作，从不同应用角度——如汽车制造、食品加工、物流自动化和人机协作——提出了多方面的应用需求和改进建议，使标准具有了更广泛的国际适用性和技术包容性。五、标准的意义与应用前景（一）填补视觉安全防护标准空白IECTS61496-4-2:2022的发布，标志着国际标准化层面首次针对参考图形技术的视觉保护装置建立了完整的、可操作的技术规范。该标准填补了IEC61496系列在视觉类安全防护专有技术路线方面的标准空白，不仅为VBPDPP制造商提供了清晰的设计开发和产品验证依据，也为认证检测机构和用户选型提供了重要的技术参考。