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本书针对机器设计阶段采取的机械安全措施对人、机器、环境可能发生的不安全状态无法预警问题，基于事故致因理论，研究机械安全风险预警，主要内容包括机械安全风险预警体系、机械安全风险预警监测要素的确定、机械安全风险预警风险值计算模型及权重的确定、面向机械安全风险预警的人的不安全行为检测与识别、机器状态监测、机械安全风险预警系统的构建、机器人机械安全风险预警系统。本书可作为高等院校机械工程、安全工程相关专业的教材，也适合从事机械安全技术工作的工程技术人员及相关培训机构使用。

目录

第1章  绪论	1
1.1  开展机械安全风险预警研究的背景和意义	1
1.2  国内外研究现状	2
1.2.1  机械安全研究现状	2
1.2.2  安全风险预警理论及系统研究现状	3
1.2.3  机械安全中人体异常行为识别与检测研究现状	4
1.2.4  风险值计算模型研究现状	5
1.3  机械安全风险预警的主要研究内容	6
第2章  机械安全风险预警体系	8
2.1  机械安全风险预警理论基础	8
2.1.1  危险源、事故与风险	8
2.1.2  事故致因理论	9
2.2  机械安全风险预警的概念	11
2.3  机械安全风险预警四维模型	14
2.3.1  机械安全风险预警四维模型的构建	14
2.3.2  逻辑维	15
2.3.3  要素维	17
2.3.4  系统维	18
2.3.5  知识维	21
2.4  机械安全风险预警实现的关键技术	21
第3章  机械安全风险预警监测要素的确定	23
3.1  机械危险基本类型	23
3.2  监测要素的确定原则	24
3.3  机械安全风险预警监测要素的确定方法	25
3.3.1  监测要素的确定流程	25
3.3.2  风险分析与风险评价	26
3.3.3  安全投资成本分析	27
3.4  基于年费用法的安全投资成本分析	29
3.4.1  最优可变安全投资	29
3.4.2  年费用法	30
3.5  基于模糊推理法的安全投资成本分析	30
3.5.1  模糊推理系统理论基础	31
3.5.2  模糊化变量的定义	32
3.5.3  模糊控制规则与模糊推理方法的确定	34
3.5.4  模糊推理结果	35
第4章  机械安全风险预警风险值计算模型及权重的确定	37
4.1  综合评价函数	37
4.2  用于机械安全风险预警的风险值计算模型	38
4.3  监测要素耦合权重的确定方法	39
4.3.1  监测要素权重确定的考虑因素	39
4.3.2  风险因素耦合概述	40
4.3.3  耦合权重确定方法的提出	40
4.3.4  AHP法	42
4.3.5  DEMATEL法	44
4.3.6  基于MSRAI的权重计算方法	45
4.3.7  耦合权重计算	45
第5章  面向机械安全风险预警的人的不安全行为检测与识别	46
5.1  机械安全中人的不安全行为的检测方式	46
5.2  人体与危险源之间的安全距离	47
5.2.1  安全距离分类	47
5.2.2  静态安全距离与动态安全距离	48
5.2.3  自主移动机器与人体之间动态安全距离的计算方法和验证	49
5.3  基于深度相机的人体位置检测	54
5.3.1  基于深度相机的人体位置检测概述	54
5.3.2  卷积神经网络简介	55
5.3.3  基于深度相机的人体位置检测方法	58
5.3.4  基于深度相机的机器人机械安全防护人体位置检测的实现	67
5.3.5  采用深度相机实现人体位置检测的优势	69
5.4  基于图像的个人防护用品佩戴识别	69
5.4.1  基于图像的个人防护用品佩戴识别流程	69
5.4.2  个人防护用品佩戴检测模型的构建	70
5.4.3  个人防护用品佩戴识别模型训练	76
5.4.4  个人防护用品佩戴检测模型测试	77
第6章  机器状态监测	80
6.1  机器状态监测流程	80
6.1.1  一般流程	80
6.1.2  设备审核	80
6.1.3  危害度审核	80
6.1.4  监测方法选择	81
6.1.5  数据采集与分析	81
6.1.6  评审	82
6.2  机器状态监测系统	82
6.2.1  机器状态监测系统的组成	82
6.2.2  数据采集模块	83
6.2.3  数据操作模块	84
6.2.4  数据分析模块	85
6.2.5  数据输出模块	86
6.2.6  数据存档模块与信息表示模块	87
第7章  机械安全风险预警系统的构建	88
7.1  预警监测系统	88
7.2  预警分级系统	89
7.3  预警措施系统	89
7.3.1  预警措施系统的构建要求	89
7.3.2  安全控制系统的组成	90
7.3.3  预警措施系统的组成	92
7.3.4  预警措施系统与安全控制系统的区别	92
7.4  机械安全风险预警系统安全相关部件的设计	92
7.4.1  SRP/MSREWS设计迭代过程	93
7.4.2  识别由SRP/MSREWS执行的安全功能	93
7.4.3  规定每种安全功能所要求的特征	93
7.4.4  确定所需性能等级PLr	93
7.4.5  安全功能设计和技术实现	94
7.4.6  评估性能等级PL	95
7.4.7  验证安全功能PL	98
第8章  机器人机械安全风险预警系统	99
8.1  监测要素的确定	99
8.1.1  机器限制的确定	99
8.1.2  危险识别	100
8.1.3  风险估计	100
8.1.4  基于年费用法的安全投资成本分析	104
8.1.5  基于模糊推理法的安全投资成本分析	105
8.1.6  监测要素	107
8.2  风险值计算及权重的确定	107
8.2.1  MSRAI权重计算	108
8.2.2  DEMATEL权重计算	108
8.2.3  耦合权重计算	109
8.2.4  风险值计算数据	109
8.2.5  预警级别界限确定	110
8.2.6  风险值计算	111
8.2.7  基于AHP与DEMATEL的耦合权重计算	111
8.3  机械安全风险预警系统的构建	114
8.3.1  机械安全风险预警系统总体设计	114
8.3.2  预警监测系统	116
8.3.3  预警分级系统	121
8.3.4  预警措施系统	122
8.4  基于数字孪生的三维虚拟监控系统的构建	123
8.4.1  基于数字孪生的三维虚拟监控系统架构	123
8.4.2  系统构建关键技术	123
8.4.3  系统开发流程	130
8.4.4  系统集成	131
8.5  机械安全风险预警实验	132
8.5.1  预警实验过程	132
8.5.2  风险预警优势分析	133
参考文献	135

前言

机械产品对提升生产力、改善劳动强度具有重要意义。然而，由于人的不安全行为、机器的不安全状态、环境的不安全条件，机械安全事故经常发生。机械安全从人的需求出发，在使用机器的过程中达到人体免受外界因素危害的状态和条件。机械安全事故往往发生在机器的使用阶段，机器设计阶段采取的机械安全措施不能对机器使用时随着时间、应用情况等变化而出现的人、机器、环境状态改变发出预警，即不能避免事故发生或控制事故危害后果的扩大。目前，智能工厂已能够实现人、机器、环境状态信息的实时监测，可根据实时监测信息开展机械安全风险预警，达到风险减小并提高机器工作效率的目的。
本书开展了对机械安全风险预警的研究，以期提升我国机器装备的质量安全水平，降低机械安全事故发生的概率，减少机械安全事故造成的人员伤亡和财产损失。本书主要包括以下几方面内容：针对机器设计阶段采取的机械安全措施对人、机器、环境可能发生的不安全状态无法预警问题，构建了机械安全风险预警体系；针对现有机械安全风险评估方法不能用于确定机械安全风险预警监测要素问题，提出了机械安全风险预警监测要素的确定方法；针对机械安全风险预警缺少风险值计算模型问题，构建了综合考虑人、机器、环境及其耦合效应的机械安全风险预警风险值计算模型；针对自主移动机器与人体之间安全距离计算方法缺失问题，提出了用于安全防护装置定位的动态安全距离概念，并在此基础上提出了自主移动机器与人体之间动态安全距离的计算方法；针对安全光幕、安全激光扫描仪等人体存在检测装置使用时存在被绕开的可能，同时无法区分人或设备等问题，采用深度相机作为机械安全人体位置检测装置，达到只检测人而不检测可移动设备，人与可移动设备分离预警的目的；针对当前个人防护用品佩戴检测系统功能单一而无法同时实现多种个人防护用品佩戴检测问题，应用深度学习技术，通过个人防护用品佩戴检测模型同时实现安全帽、安全手套和防护眼镜的佩戴检测；此外，还构建了机械安全风险预警系统并对其进行了验证。
本书由国家技术标准创新基地（智能制造装备安全）的周成、居里锴编写，全国机械安全标准化技术委员会（TC208）的李勤主任、张晓飞秘书长、付卉青委员、刘治永委员审阅了书稿，研究生任大从、万舒昊在本书的文字方面做了一定的工作。
本书在编写过程中参考了大量的文献资料，由于篇幅所限，在参考文献中仅列出了主要文献，在此向文献资料作者表示感谢。限于时间和著者的水平，书中难免存在需要改进和提高的地方，十分期望读者提出宝贵的意见与建议，以便今后不断完善。

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