ISO 109752023 农业机械和拖拉机操作员控制的拖拉机和自推进机械的自动导向系统安全要求标准立项发展报告

标准化发展报告：农业机械和拖拉机操作员控制的拖拉机和自推进机械的自动导向系统安全要求StandardizationDevelopmentReport:AgriculturalMachineryandTractors—Auto-guidanceSystemsforOperator-ControlledTractorsandSelf-PropelledMachines—SafetyRequirements摘要随着精准农业和智能化农机装备技术的快速发展，自动导向系统（Auto-guidanceSystems）已成为现代拖拉机和自推进式农业机械的核心配置之一。该系统通过卫星定位、惯性测量和传感器融合等技术实现农业机械的自动导航与路径跟踪，显著提高了作业精度和效率，降低了操作员劳动强度。然而，自动导向系统的引入也带来了新的安全风险，对操作员安全、机械控制和作业环境提出了更高的要求。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年10月正式发布ISO10975:2023《农业机械和拖拉机操作员控制的拖拉机和自推进机械的自动导向系统安全要求》。该标准是农业机械领域自动导向系统安全要求的首个国际标准，规定了此类系统的安全要求、设计原则、性能准则及验证方法，填补了国际标准在该技术领域的空白。本报告对该标准的立项背景、编制历程、技术内容、核心特点及行业影响进行系统阐述，分析了标准对农业机械装备制造业、精准农业发展和国际化贸易的深远影响，并展望了该标准在全球范围内推广应用的前景和后续修订方向。报告指出，ISO10975:2023的发布是国际农业机械安全标准化进程中的重要里程碑，将对全球农机智能化发展产生深远的规范和引领作用。关键词：农业机械；自动导向系统；安全要求；ISO标准；精准农业；拖拉机Keywords:Agriculturalmachinery;Auto-guidancesystem;Safetyrequirements;ISOstandard;Precisionagriculture;Tractor一、引言1.1标准立项背景近年来，全球农业正经历以数字化、智能化为核心特征的深刻变革。据联合国粮食及农业组织（FAO）统计，全球人口预计在2050年达到97亿，粮食产量需要在现有基础上增加约70%才能满足人类需求。在此背景下，提高农业生产效率和资源利用率的精准农业技术受到世界各国的高度重视。自动导向系统作为精准农业的关键支撑技术，利用全球导航卫星系统（GNSS）、实时运动学（RTK）定位、惯性导航和视觉导航等技术，使农业机械能够按照预设路径自动行驶和作业。该系统不仅大幅提高了作业精度（行间误差可达±2.5厘米以内），减少了重播和漏播，而且显著降低了操作员长时间作业的精神疲劳，延长了有效作业时间（包括夜间和低能见度条件下的作业）。据市场研究机构的数据显示，全球农业机械自动导航系统市场规模在2022年已超过40亿美元，预计到2030年将突破120亿美元，年复合增长率约为14.5%。北美、欧洲和亚太地区是主要应用市场，中国、印度等新兴农业大国正加速推广该技术的应用。然而，自动导向系统的普及也引发了新的安全问题。由于该系统部分或完全取代了人工转向控制，操作员对机械的控制权发生改变，由此带来的安全风险主要包括以下几个方面：1.碰撞和碾压风险：在自动导向模式下，系统需要依靠安全传感器（如雷达、超声波、视觉传感器）和功能安全机制来检测障碍物。若检测不充分或响应不及时，可能导致机械与人员、动物或其他障碍物发生碰撞。2.系统失效风险：卫星信号丢失、传感器故障、执行器失效或控制算法异常等情况可能导致机械偏离预定路径，产生不可预测的运动行为。3.操作员认知负荷与态势感知下降：长期依赖自动系统可能导致操作员对周围环境的关注度降低，在系统需要人工接管时无法及时做出正确响应。4.人机交互不充分：如果系统状态显示不清晰、报警信息不足或人为干预接口设计不合理，操作员可能无法及时、准确地介入控制。此前，国际上缺乏专门针对农业机械自动导向系统的安全标准。ISO10975:2023的制定正是为了填补这一空白，为自动导向系统的设计、制造、使用和维护提供统一的安全技术规范，从而在推动技术创新的同时保障人员安全和作业安全。1.2标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|ISO10975:2023||标准名称|农业机械和拖拉机操作员控制的拖拉机和自推进机械的自动导向系统安全要求||英文名称|Agriculturalmachineryandtractors—Auto-guidancesystemsforoperator-controlledtractorsandself-propelledmachines—Safetyrequirements||发布机构|国际标准化组织（ISO）||技术委员会|ISO/TC23/SC3（农林拖拉机和机械操作者安全、舒适性和健康）||发布日期|2023年10月2日||标准状态|现行||分类号|农业机械和设备综合||国别|国际组织||语言|英语|二、标准编制过程和主要参与单位2.1编制历程ISO10975:2023的制定工作由国际标准化组织ISO/TC23（农林拖拉机和机械技术委员会）下属的SC3分技术委员会（操作者安全、舒适性和健康）负责，具体由WG24工作组（自动导向系统安全）承担起草任务。2017年，ISO/TC23/SC3在充分调研行业需求和现有技术的基础上，正式提出制定自动导向系统安全国际标准的提案（NP），同年获得批准立项。2018—2020年，工作组先后形成委员会草案（CD）和国际标准草案（DIS）；在DIS投票阶段，该标准草案获得了来自美国、德国、法国、日本、中国、意大利、澳大利亚、加拿大等主要成员国的广泛支持和积极反馈。2022—2023年，根据各成员国意见完成最终国际标准草案（FDIS）并顺利通过最终投票，于2023年10月正式出版发布。整个编制周期历时约六年，凝聚了全球农业机械安全领域专家的集体智慧和技术共识。2.2标准主要起草单位2.2.1国际层面主要参与机构ISO10975:2023的制定汇集了全球主要农业机械制造强国和科研机构的力量，主要参与起草的单位包括但不限于：约翰迪尔公司（JohnDeere，美国）——全球最大的农业机械制造商之一，在自动导航技术领域拥有深厚积累；爱科集团（AGCOCorporation，美国）——旗下芬特（Fendt）、麦赛福格森（MasseyFerguson）等品牌广泛装备自动导向系统；CNHIndustrial（意大利/美国）——旗下凯斯（CaseIH）和新荷兰（NewHolland）品牌的自动导航系统在全球市场占有重要份额；克拉斯集团（CLAAS，德国）——欧洲领先的农业机械制造商；久保田株式会社（Kubota，日本）——亚洲主要的农业机械制造商之一，在精密农业领域的技术研发持续加码。此外，德国不来梅大学、美国普渡大学等研究机构也深度参与了标准讨论和验证工作。2.2.2标准核心起草单位介绍：约翰迪尔公司（JohnDeere）在所有参与标准制定的企事业单位中，约翰迪尔公司（JohnDeere）凭借其在自动导向系统技术领域的先驱地位和长期技术积累，在标准制定过程中发挥了核心引领作用。约翰迪尔公司成立于1837年，总部位于美国伊利诺伊州莫林市，是全球最大的农业机械制造商之一，2023财年全球净销售额超过550亿美元，业务遍及160多个国家和地区。约翰迪尔公司早在20世纪90年代就开始布局农业机械自动导航技术，是全球最早将GPS定位技术应用于农业机械转向控制的企业之一。2000年代，该公司率先推出商用化的自动导向系统——AutoTrac™，截至目前其自动导航产品在全球的部署规模已位居行业前列。在ISO10975:2023的编制过程中，约翰迪尔派出多名资深安全工程师和自动驾驶领域专家全程深度参与，承担了标准框架设计、核心安全条款起草、风险评估模型验证等工作，贡献了大量在自动导向系统实际运行中积累的安全数据和失效模式分析经验，为标准的科学性和可操作性提供了坚实的技术基础。约翰迪尔公司还积极推动自动导向安全技术在企业产品线中的全面落实，将ISO10975:2023的安全要求纳入其全球产品开发流程，并将其作为企业全球产品安全设计的重要基准之一。其参与不仅提升了标准的工程实用价值，也带动了产业链上下游企业对标准的重视和采纳。三、标准主要内容3.1标准适用范围ISO10975:2023适用于安装在操作员控制的拖拉机和自推进式农业机械上的自动导向系统。需要特别说明的是，该标准的适用范围限于“操作员控制的农业机械”——即驾驶位上仍有操作员存在，机械在自动导向模式下运行时操作员不需要操作转向装置，但操作员仍在车内并负有监督和干预职责。该标准不适用于无人驾驶农业机械（即无操作员在车上的完全自主作业模式）。该标准主要涵盖以下类型的自动导向系统：-基于GNSS（全球导航卫星系统）定位的自动转向系统；-基于地面信标或激光雷达等非卫星定位方式的自动导向系统；-基于视觉导航、传感器融合等方式实现自动导向的系统；-上述技术的组合系统。标准适用于自动导向系统的设计、制造、安装、调试、使用和维护各阶段的安全要求。3.2标准框架结构ISO10975:2023在结构上遵循ISO/IEC导则和ISO12100（机械安全——设计通则风险评估与风险减小）确立的基本框架，主要包括以下章节：1.范围：明确标准的适用对象和边界条件。2.规范性引用文件：列出了标准实施所必需引用的其他标准文件，主要包括ISO12100（机械安全设计通则）、ISO4254-1（农业机械安全第1部分：通用要求）、ISO13849（机械安全控制系统安全相关部件设计原则）等。3.术语和定义：对自动导向系统、操作员控制、转向控制、安全状态、故障检测等关键术语进行了统一定义，为标准的实施提供统一的技术语言。4.安全要求与保护措施：这是标准的核心章节，系统规定了自动导向系统的安全设计要求。5.安全要求和/或保护措施的验证：规定了验证上述安全要求所需的方法和判定准则。3.3关键技术要求3.3.1系统安全设计一般原则标准要求自动导向系统依据ISO12100确立的风险评估原则进行设计，在系统全生命周期内识别危险、评估风险和采取减小风险的措施。系统设计应采用本质安全设计、安全防护和补充保护措施、使用信息三级风险减小策略。标准特别强调，自动导向系统应被设计为“操作员可以随时、快速、安全地恢复对机械转向的完全控制”，这一总体原则贯穿于全部技术条款之中。3.3.2转向控制要求标准对自动导向系统的转向控制提出了明确的功能安全要求：-自动转向系统应具备在操作员不干预的情况下沿设定路径自动控制机械转向的功能；-系统应配备操作员易于识别和操作的启用/取消控制装置，操作员可随时解除自动导向状态；-当系统检测到无法继续安全执行自动导向作业时，应自动切换至安全状态，并通过声光信号等方式通知操作员；-系统涉及安全的部件性能等级（PL）应不低于ISO13849规定的PLr等级要求；-转向控制系统的响应时间应满足安全要求，应在合理时间范围内使机械转向进入安全状态或停止。3.3.3障碍物检测和人员安全保护自动导向系统需要利用传感器感知周围环境并避免碰撞。标准要求：-若系统的自动操作可能导致人员受到伤害，则应配备适当的人员和障碍物检测装置；-检测装置的探测范围、响应时间和可靠性应结合实际运行速度进行合理设计，"即使在较差的天气条件（如灰尘、雨水、强烈阳光等）下也应保持规定的性能"；-对于超过制造商规定运行界限的障碍物接近情况，系统应发出警告并触发安全响应（降速或停机）；-系统安全逻辑的设计应避免因传感器检测盲区或信号干扰导致的安全功能缺失。3.3.4人为干预接口操作员与自动导向系统之间的交互界面直接关系到使用的安全性。标准要求：-系统应向操作员清晰显示当前的运行模式（自动/手动）、系统状态（正常/故障/警告）、定位质量等信息；-状态信息的显示应易于阅读和理解，必要时辅以语音提示；-操作员可使用的干预手段（如使能开关、急停按钮等）应位置合理、操作方便、标识明确；-操作员控制装置的操作不应与其他控制功能产生混淆或误操作；-在自动导向模式与手动驾驶模式之间切换时，系统应确保切换过程的安全性和可预期性。3.3.5失效安全与故障响应标准要求自动导向系统具备完善的故障检测和响应机制：-系统应持续监测关键部件的工作状态，包括定位信号质量、传感器状态、执行器状态和控制单元状态；-当检测到可能导致不安全行为的故障时，系统应在规定的响应时间内进入安全状态；-系统应通过诊断功能识别故障类型并采取相应的响应措施，如警告、降速或安全停机；-涉及安全的故障信息应尽可能具体、明确，以帮助操作员或维修人员快速定位问题；-标准特别规定了"单点故障不应导致直接的不安全状态"的要求。3.3.6电气和电磁兼容性-系统电气设备应符合相应的电气安全标准要求；-系统应具备足够的电磁抗干扰能力，能够在农业机械常见的电磁环境中正常工作而不发生安全功能的失效；-系统在承受合理范围内的振动、温度变化、湿度和粉尘等环境因素时应保持安全性能。3.3.7验证要求标准的验证章节规定了若干验证方法，主要包括：-通过检查和设计评审验证系统的安全性是否符合要求；-通过功能测试验证系统的行为是否与设计预期一致，包括正常操作条件下的功能验证和模拟故障条件下的安全响应验证；-通过型式试验或生产一致性检验验证批量产品的合规性；-操作员指令和标识等使用信息应通过审查确认其充分性和准确性。3.4标准创新点ISO10975:2023在技术内容上具有若干突出创新：首次系统化定义了自动导向系统的安全层级架构。标准将自动导向功能的安全要求划分为两个层级：基于ISO13849的性能等级（PL）要求——确保控制系统在硬件层面具备足够的可靠性和故障容错能力；以及基于运行时监控的安全响应机制——确保系统在动态运行中能够及时感知异常并安全退出。这一"静态可靠性+动态安全性"的双层架构，为农业机械自动驾驶功能的安全设计提供了清晰的技术路径。前瞻性地建立了运行状态分类与安全响应联动机制。标准将自动导向系统的运行状态划分为正常工作、警告状态、降级运行状态和安全停机等不同层级，并为每种状态规定了明确的操作逻辑和安全响应要求。这种状态分类方法使自动导向系统的安全设计从"被动防护"转向"主动管理"，代表了农业机械安全标准的前瞻性方向。充分考虑了GNSS信号特性带来的独特安全挑战。标准针对卫星定位信号易受干扰、可能漂移或丢失的技术特点，提出了信号质量监测、误差容忍边界和失效响应机制等专项要求，为基于卫星定位的自动导航系统提供了针对性安全规范。采用目标性能导向的弹性技术框架。标准以性能目标和安全目标为主线，不限定具体技术方案，在稳健的安全底线之上为技术迭代留出了充分空间。四、标准的意义与影响4.1填补国际标准空白，引领全球行业规范在ISO10975:2023发布之前，全球范围内缺乏专门针对农业机械自动导向系统的安全标准。各国和地区在农业机械安全方面的要求分散于不同法规和标准中（如欧盟机械指令2006/42/EC、ISO4254-1等），但均未对自动导向系统做出专门、系统的安全规定。ISO10975:2023的发布填补了这一关键空白，首次在国际层面确立了农业机械自动导向系统的安全基准，为全球各主要农业机械制造企业提供了统一的设计依据和合规指引。4.2支撑精准农业技术推广应用自动导向系统是精准农业的核心技术之一，但安全疑虑在一定程度上制约了该技术的规模化推广。ISO10975:2023通过系统化地规范安全要求，有效降低了自动导向系统的残余风险，增强了用户和监管机构对该技术的信心。这不仅有利于自动导向系统在发达农业国家的进一步普及，也将为发展中国家引进和推广该技术提供重要的标准支撑，从而推动全球精准农业发展。4.3促进国际贸易和技术交流统一的安全标准是消除技术性贸易壁垒的有效