IEC TS 61496-4-22022 RLV 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

IECTS61496-4-2:2022RLV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）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StandardizationDevelopmentReport:Safetyofmachinery-Electro-sensitiveprotectiveequipment-Part4-2:Particularrequirementsforequipmentusingvisionbasedprotectivedevices(VBPD)-Additionalrequirementswhenusingreferencepatterntechniques(VBPDPP)摘要随着工业自动化与智能制造深入推进，机械安全防护技术正经历从传统物理防护向智能感知防护的深刻转型。视觉保护装置（VisionBasedProtectiveDevices,VBPD）作为新一代电敏感保护设备的核心分支，凭借其非接触、高分辨率与可编程检测区域等优势，在协作机器人、柔性生产线及物流装备等领域获得日益广泛的应用。其中，基于参考图形技术（ReferencePatternTechniques,VBPDPP）的视觉防护方案通过连续监测场景中的参照特征实现危险区域入侵检测，其检测可靠性直接关系到操作人员的生命安全。然而，由于该类设备的检测原理与传统光幕、扫描仪存在本质差异，如何在复杂光照、动态背景及振动等干扰条件下保障检测性能的可重复性与可验证性，成为国际标准化领域亟需解决的关键课题。为此，国际电工委员会（IEC）下属机械安全技术委员会（IEC/TC44）制定了IECTS61496-4-2:2022RLV技术规范，系统规范了采用参考图形技术的视觉保护装置的安全要求与试验方法。本报告全面梳理了该标准的立项背景、研制历程、核心技术内容及国际影响，分析了标准对机械安全技术体系、视觉检测产业发展及全球市场准入格局的重要作用，并对标准的后续修订方向与应用推广前景进行了展望。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；IECTS61496Keywords:Machinerysafety;Electro-sensitiveprotectiveequipment;Visionbasedprotectivedevices;Referencepatterntechniques;Functionalsafety;IECTS61496一、引言1.1标准立项背景机械安全是工业生产的基石，也是国际标准化组织长期关注的核心议题。在机械安全防护体系中，电敏感保护设备（ESPE）承担着在危险运动部件与操作人员之间建立可靠安全屏障的关键职能。传统ESPE产品主要包括有源光电保护装置（AOPD，如安全光幕）和有源光学反射保护装置（AOPDDR，如安全激光扫描仪），这类设备在过往数十年中为冲压机械、注塑设备、自动化装配线等提供了切实有效的安全防护。进入21世纪第三个十年，工业机器人特别是协作机器人的大规模部署，使得人机共融作业成为制造业的常态。传统安全光幕只能提供平面或线性检测区域，难以适应协作机器人复杂多变的工作空间需求；安全激光扫描仪虽可提供二维检测区域，但无法识别物体的形状和姿态信息。在此背景下，基于视觉传感器的保护装置应运而生——通过摄像头采集工作区域图像，利用图像处理算法实时判别危险区域是否存在人员侵入，从而实现对三维空间的全方位态势感知。视觉保护装置中，采用参考图形技术（VBPDPP）的设备具有独特的技术优势：通过在保护区域内设置具有特定图案的参考标记，设备可以持续监控这些参考图案在图像中的位置与形态变化，从而精确地感知遮挡物（如人体肢体）的出现位置与运动轨迹。该技术能够在保持较高检测精度的同时，降低对复杂深度学习算法的依赖，具有响应速度快、计算资源消耗低、鲁棒性好等优点，特别适用于工业现场的实时安全防护需求。然而，参考图形技术的检测性能高度依赖于参考图案的设计质量、摄像头的成像质量以及环境光照条件的稳定性。一旦参考图案部分被遮挡、光照剧烈波动或摄像头发生振动漂移，设备的检测可靠性便可能受到严重影响。由于该类产品在国际范围缺乏统一的性能要求和试验验证方法，不同制造商生产的产品在安全性能上参差不齐，严重制约了其在国际市场的推广应用，也对设备采购方的安全选型带来了巨大挑战。1.2标准制定意义在此背景下，制定专门的VBPDPP技术规范具有重要而紧迫的现实意义。一方面，该标准的出台填补了国际范围内视觉保护装置参考图形技术标准化空白，为制造商提供了明确的设计与测试依据，使不同企业的产品在安全性能方面具备可比较、可验证的统一基准；另一方面，该标准为设备使用方和第三方检测认证机构提供了权威的性能评价工具，有助于构建公平有序的市场竞争环境，促进先进安全技术的健康可持续发展。二、标准研制历程2.1IEC/TC44与视觉保护装置标准化整体框架IECTS61496-4-2:2022RLV由国际电工委员会机械安全技术委员会（IEC/TC44）归口制定。IEC/TC44是国际电工委员会负责机械电气安全领域标准制定的核心技术委员会，其工作范围涵盖电工机械的安全要求、防护装置的设计与验证、功能安全评估方法等。IEC/TC44制定的IEC61496系列标准是电敏感保护设备领域最具权威性和影响力的国际标准族。IEC61496系列标准采取“通用要求+专项要求”的结构化框架。其中，IEC61496-1规定了电敏感保护设备的通用安全要求与试验方法，包括设备分类、安全功能要求、设计原则、型式试验与例行检验等；IEC61496-2针对有源光电保护装置（AOPD）规定了专项要求；IEC61496-3针对有源光学反射保护装置（AOPDDR）制定专项要求。随着视觉保护装置技术的兴起，IEC/TC44适时启动了IEC61496-4系列标准的研制工作，其中第4-1部分规定了使用视觉保护装置的一般性要求，第4-2部分则聚焦于参考图形技术的附加要求，本报告所述标准即为IECTS61496-4-2。2.2标准各版本沿革IECTS61496-4-2标准的研制经历了严谨的多阶段推进过程。在视觉保护装置标准化需求提出后，IEC/TC44成立了专门工作组（WG）负责该领域的标准预研工作。工作组对全球范围内视觉保护装置的技术现状、产品种类与应用场景进行了深入调研，识别出参考图形技术作为一种重要技术路线需要专门的标准化规范。在完成充分的技术调研和草案讨论后，IEC/TC44于2018年前后正式启动了IECTS61496-4-2的制定立项程序。标准草案经过多轮工作组会议讨论、委员会征求意见（CDV阶段）和最终草案投票（FDIS阶段），最终于2022年9月16日正式发布。值得关注的是，本版本采用了RLV（RedlineVersion）的出版形式，即在同一文档中并列展示标准前一版本与现行版本的内容对照，使用红色删除线和红色下划线分别标注删除和新增内容，极大地方便了使用者快速识别标准技术内容的变化情况。这一出版形式也从侧面反映出该标准在研制过程中经历了若干重要的技术修订与完善。2.3标准在IEC61496体系中的定位IECTS61496-4-2在IEC61496标准家族中占据重要地位。它与IECTS61496-4-1共同构成了视觉保护装置（VBPD）的专项要求体系：第4-1部分规定了VBPD的基础安全要求与验证方法，涵盖摄像机系统的最小分辨率要求、检测区域定义方法以及不同安全等级（如ENISO13849性能等级PL）下的性能指标；第4-2部分则针对参考图形技术（VBPDPP）的特殊性，提出更为具体的补充要求。二者的逻辑关系为：所有符合IECTS61496-4-2的VBPDPP设备，首先须满足IECTS61496-4-1中的通用要求；在此基础上，还须额外满足第4-2部分中针对参考图形技术的专项要求——包括参考图案的布置与特征设计要求、图案遮挡检测算法的时间响应要求、不同环境条件下的性能稳定性验证方法等。此外，IEC61496-1中所规定的通用安全要求（如安全完整性等级、故障排除能力、环境适应性要求等）同样适用于本标准的设备范围。三、标准主要内容解读3.1范围界定与设备分类IECTS61496-4-2:2022RLV明确了其适用范围：用于人员安全防护的、采用基于视觉的保护装置且使用参考图形技术（VBPDPP）的电敏感保护设备。该标准不适用于采用非参考图形技术方案（如基于深度学习的人体姿态识别、基于背景建模的运动检测等）的视觉保护装置，后者由IECTS61496-4-1或不含第4-2附加要求的IEC标准体系覆盖。在安全等级等级要求方面，标准针对VBPDPP设备提出了与ISO13849-1和IEC62061相对应的性能等级（PL）和安全完整性等级（SIL）的适配要求。设备的参考图形监控功能须满足PLd及以上的性能等级要求，且安全相关功能在发生单点故障时能够安全地导向安全状态并输出合理的故障信号。3.2参考图形技术要求参考图形技术（VBPDPP）的核心在于：在保护区域内设置已知图案特征（如棋盘格、圆点阵列、条形码图案等）作为空间参照基准，摄像头持续采集图像，系统通过图像处理算法分析这些参考图案在图像中的位置、尺寸、形变和清晰度等信息。当操作人员身体的一部分侵入保护区域时，相应位置的参考图形会被遮挡，导致该区域图像特征缺失或畸变，系统据此判断侵入事件并触发安全停机。基于该技术原理，IECTS61496-4-2针对参考图形技术提出了一系列专项要求，主要包括以下方面：（1）参考图案的设计与布置要求。标准要求参考图案的尺寸、形状和空间分布须经过系统的理论分析和试验验证，确保在设备标称检测距离范围内，任意检测位置上的参考图案均能以足够的像素分辨率被摄像头清晰成像。图案的周期性特征设计应能避免与检测目标（如人体衣物纹理）产生混淆或混叠现象。（2）检测算法的可靠性要求。设备采用的图像处理算法须能有效区分参考图案的临时遮挡（如飞屑、粉尘短暂通过）与人员侵入事件，避免因误判导致非预期停机或安全功能缺失。标准对算法响应时间、误报率、漏检率等关键指标提出了明确的量化要求。（3）环境适应性要求。考虑到工业现场光照条件多变、存在振动和电磁干扰等实际情况，标准要求设备在环境光照波动（如忽然阴影、频闪照明）、光学镜头污染（如灰尘附着）、设备安装位置发生微小偏移等情况下，仍能保持可靠的检测性能。设备应具备对参考图案成像质量的自诊断功能，在图案不可识别或成像质量严重退化时，设备应进入安全状态并给出相应指示。3.3安全功能与性能要求在安全功能方面，IECTS61496-4-2明确了VBPDPP设备须实现的核心安全功能：当检测区域内出现超过设定尺寸阈值的目标（即操作人员身体部位或其他物体）时，设备能够在规定的响应时间内输出安全信号，驱动危险机械运动停止或进入安全状态。在性能等级方面，标准规定了在不同的安全完整性要求下，设备的参考图形监控功能须达到相应的故障检测能力。设备应通过结构冗余、自检机制或多样化的监控手段来满足规定的故障覆盖率要求。例如，当单个摄像头图像采集链路发生故障导致参考图案无法正常解析时，设备应通过独立的监控通道检测到该异常状态并触发安全停机。标准还对检测能力的最低边界进行了规定：设备应能够检测到直径不小于设定检测能力尺寸的检测目标（通常以人的手指、手部或肢体尺寸为基准）。同时，设备应明确规定其最小检测距离和最大检测距离范围，并在该范围内保证检测能力的一致性。3.4试验方法与评估要求为确保标准的可操作性和可验证性，IECTS61496-4-2设置了一套系统的试验方法体系，主要包括以下试验类型：（1）功能试验。在标准规定的正常光照和安装条件下，对设备的基本检测功能进行验证，包括检测区域内各位置的响应一致性检验、不同运动速度的侵入目标检测能力检验等。（2）环境试验。参考IEC61496-1中规定的环境试验条件，对设备进行温度变化、湿度、振动、冲击、电磁兼容（EMC）等方面的试验，验证设备在环境应力作用下参考图形检测功能的稳定性。（3）特殊工况试验。针对视参考图形技术的特殊失效模式，标准增加了专项试验项目——包括非均匀光照条件下的检测能力验证、参考图案局部污损时的功能保持验证、光学镜头畸变条件下的检测精度验证等。这些专项试验是IECTS61496-4-2区别于通用VBPD标准的重要特色。四、主要参与单位介绍4.1标准归口技术委员会IECTS61496-4-2:2022RLV由国际电工委员会机械安全技术委员会（IEC/TC44）归口制定，其秘书处由德国承担。IEC/TC44下设多个工作组分别负责不同领域的标准研制工作，其中负责本标准的WG工作组成员来自德国、美国、日本、中国、法国、意大利、瑞典、瑞士等主要工业国家的标准化机构、安全检测认证机构和领先的安全产品制造商。IEC/TC44在机械电气安全领域具有深厚的标准化积淀，其制定的IEC60204系列标准（机械电气安全）、IEC61496系列标准（电敏感保护设备）、IEC62061标准（机械安全功能安全）等在全球范围内被广泛采纳，许多成员国将其转化为本国国家标准，并作为机械产品安全认证（如CE标志符合性评定）的重要依据。4.2主要贡献单位——德国SICKAG在IECTS61496-4-2标准的研制过程中，德国SICKAG（西克股份公司）作为全球领先的工业传感器和安全系统制造商之一，为标准的制定作出了突出贡献。SICKAG成立于1946年，总部位于德国巴登-符腾堡州的瓦尔德基尔希市，是全球最具影响力的工业传感器制造商之一。在安全防护领域，SICK拥有完善的安全产品线，包括安全光幕、安全激光扫描仪、安全编码器、安全控制器等，其产品广泛应用于汽车制造、物流自动化、包装机械、机床加工等众多行业。在视觉保护装置的研发与标准化方面，SICK敏锐地把握了工业安全防护向智能化发展的趋势，较早开展了基于视觉传感器的安全保护装置技术预研。SICK的技术团队在参考图形技术的算法优化、图案设计方法以及复杂光照条件下的可靠性保障方面积累了丰富的工程实践经验。在IECTS61496-4-2的研制过程中，SICK的专家积极参与工作组的多轮技术讨论，将视觉安全防护装置在工程应用中遇到的典型技术挑战和解决方案融入标准的技术要求中，为标准的先进性和可实施性提供了重要的技术支撑。特别是在参考图案像素最小化要求、检测算法时间响应指标的合理确定以及特殊环境试验方法的设计等方面，SICK的技术建议得到了工作组专家成员的广泛认可。作为国际电工委员会的重要成员单位之一，SICK在机械安全标准化领域长期发挥着积极作用，先后参与了多项IEC标准和ISO标准（如ISO13849、ISO13855等）的制修订工作，其多名资深技术专家长期担任IEC/TC44和ISO/TC199（机械安全）的重要职务，为全球机械安全标准的持续完善贡献了重要力量。五、标准的应用价值与影响分析5.1对机械安全技术体系的重要补充IECTS61496-4-2的发布进一步完善了IEC61496标准家族的结构，使电敏感保护设备的标准化从传统的光幕和扫描仪技术扩展到了新兴的视觉检测技术领域，构建了“通用要求—VBPD通用要求—VBPDPP附加要求”的三级标准体系。这一架构既保证了标准体系的系统性和连贯性，又为未来其他视觉检测技术路线（如基于人工智能的检测方法）的标准化预留了接口和空间，具有重要的顶层设计价值。5.2对视觉检测产业发展的推动对于安全视觉传感器制造商而言，IECTS61496-4-2提供了从技术研发到产品验证的全流程规范指引。制造商可以在标准框架下，有针对性地进行产品设计优化和测试验证，缩短研发周期，降低合规风险。同时，统一的技术标准也有助于打破国际贸易中的技术壁垒，促进安全视觉产品的国际化流通。5.3对设备使用方的选型支撑对于机械设备的集成商和使用方而言，标准的存在使得不同品牌的VBPDPP产品在安全性能上具有可比较的技术基础。使用方可以在了解标准要求的基础上，更为科学