ISO 18497-22024 农业机械和拖拉机部分自动化、半自主和自主机械的安全第2部分障碍物保护系统的设计原则标准立项发展报告

农业机械和拖拉机部分自动化、半自主和自主机械的安全第2部分：障碍物保护系统的设计原则标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Safetyofpartiallyautomated,semi-autonomousandautonomousmachinery—Part2:Designprinciplesforobstacleprotectionsystems摘要随着全球农业现代化进程的加速推进，农业机械的自动化与智能化水平显著提升，部分自动化、半自主和自主机械已在田间作业中得到日益广泛的应用。这一技术变革在显著提升农业生产效率和作业精度的同时，也带来了全新的安全挑战，其中障碍物保护系统的设计与性能直接关系到作业人员、周边人员及设备本身的安全保障。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2024年7月31日正式发布了ISO18497-2:2024《农业机械和拖拉机部分自动化、半自主和自主机械的安全第2部分：障碍物保护系统的设计原则》，作为ISO18497系列标准的重要组成部分。本标准系统规定了障碍物保护系统的功能要求、检测性能指标、失效响应机制及验证方法，构建了覆盖系统全生命周期的技术规范体系。本报告全面梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及其行业影响，并重点介绍了主要起草单位的贡献，旨在为相关领域的标准制定、产品研发和政策制定提供参考。关键词：农业机械；自主机械；障碍物保护系统；功能安全；ISO18497；标准化一、引言1.1立项背景全球农业生产正经历从传统机械化向数字化、智能化转型的深刻变革。根据国际农机工业协会（CEMA）的统计数据，2023年全球智能农机市场规模已达约420亿美元，预计2028年将突破680亿美元，年均复合增长率超过10%。在此发展浪潮中，具备部分自动化、半自主和全自主作业能力的农业机械已从概念验证阶段进入商业化应用阶段，涵盖田间耕作、播种、植保、收获等多个作业环节。然而，自主农业机械在无人或少人干预条件下运行，其安全性问题尤为突出。与传统由驾驶员操控的农机不同，自主机械依赖各类传感器（如激光雷达、毫米波雷达、视觉相机、超声波传感器等）感知周边环境并进行决策。障碍物保护系统（ObstacleProtectionSystem,OPS）作为确保自主机械安全运行的核心子系统，其设计质量直接决定了机械在复杂田间环境中能否可靠地识别和规避障碍物——包括人员、动物、树木、电线杆、沟渠以及其他移动或静止物体。在ISO18497-1:2024（通用安全要求）发布之前，国际范围内尚缺乏针对自主农业机械障碍物保护系统设计原则的专门标准。各制造商在系统架构、传感器配置、检测性能要求和验证方法等方面各自为政，导致产品安全水平参差不齐，也阻碍了技术的国际化推广与贸易流通。因此，制定一项专门针对障碍物保护系统设计原则的国际标准，成为国际农机行业的迫切需求。1.2标准定位与作用ISO18497-2:2024是ISO18497系列标准的第2部分，定位于为部分自动化、半自主和自主农业机械的障碍物保护系统提供统一的设计原则和技术要求。该标准与ISO18497-1（通用安全要求）形成互补，前者确立总体安全框架，后者聚焦于障碍物保护这一关键子系统的具体设计规范，共同构成自主农业机械功能安全的完整标准体系。该标准的发布具有多重意义：其一，为制造商提供了明确的技术研发方向和设计依据，有助于缩短产品开发周期，降低合规成本；其二，为第三方检测认证机构提供了统一的评价准则，促进了产品安全性能的可比性和可验证性；其三，为各国监管部门制定自主农机安全管理政策提供了权威的技术参考，有利于消除国际贸易技术壁垒。1.3适用范围本标准适用于在农业和园艺作业中使用的部分自动化、半自主和自主机械，包括但不限于自主拖拉机、无人植保机、自主收获机械、自主除草机器人等。标准规定了障碍物保护系统的设计要求、功能特性、性能指标、验证方法和文档要求，覆盖从概念设计到实际应用的全过程。需要指出的是，本标准的核心关注点是障碍物保护系统的设计原则，而非具体的传感器技术方案。这种"性能导向、技术中立"的编写思路，确保了标准既能够适应当前的技术发展水平，又具有一定的前瞻性，不会因传感器技术的快速迭代而过时。二、标准编制历程2.1立项阶段ISO18497-2的编制工作可追溯至2018年。随着ISO18497-1制定工作的推进，ISO/TC23/SC3（农林拖拉机和机械—操作者控制和操作其他附件安全）技术委员会内部逐渐认识到，障碍物保护系统作为自主机械安全的关键技术环节，其复杂性值得单独设立标准加以规范。经过多轮技术讨论和成员国征询，ISO/TC23/SC3于2019年正式提出新工作项目提案（NWIP），建议在ISO18497系列框架下增设"障碍物保护系统的设计原则"标准。该提案得到了包括德国、美国、日本、中国、法国、荷兰等主要农业机械制造国在内的多数成员国支持，于2020年初正式立项，编号为ISO18497-2。2.2编制阶段项目立项后，ISO/TC23/SC3成立了由成员国专家组成的工作组WG6，专门负责该标准的起草工作。工作组先后召开了十余次国际工作会议和数十次在线技术讨论会，围绕以下关键技术议题进行了深入研讨：-检测性能要求：如何科学定义障碍物检测的范围、分辨率和响应时间，既确保足够的安全水平，又不过度限制技术的可实现性和经济性；-失效安全机制：当传感器、计算单元或执行机构发生故障时，系统应如何安全降级或停机，以确保不会因系统失效而导致危险；-误报与漏报的平衡：农业田间环境复杂多变的背景（如作物、杂草、尘土、光照变化等）容易导致传感器误报或漏报，如何合理设定系统性能要求以在可用性和安全性之间取得平衡；-动态障碍物与静态障碍物的差异化处理：行走的人员、奔跑的动物与静止的树木、建筑物等对保护策略的要求存在本质差异，标准需分别给出设计要求；-验证与确认方法：如何在标准化、可重复的试验条件下验证系统性能，并考虑田间实测的必要性和可行性；-与ISO18497-1的协调：确保两部分标准术语一致、要求互补，避免矛盾和重叠。经过三年多的反复讨论和修改，工作组于2023年初形成委员会草案（CD），并进入征询意见阶段。此后经过国际最终草案（FDIS）投票程序，最终于2024年7月经ISO中央秘书处正式发布。三、标准主要内容ISO18497-2:2024正文共分为若干章节，系统性地规定了障碍物保护系统的设计原则与技术要求，以下对其核心内容作梳理与分析。3.1范围与规范性引用文件标准第一章明确了适用范围，即适用于ISO18497-1所定义的部分自动化、半自主和自主农业机械的障碍物保护系统。标准第二章引用了多项ISO相关标准，包括ISO18497-1（基本安全要求）、ISO12100（机械安全设计通则）、ISO13849（控制系统安全相关部件）等，确保了与既有安全标准体系的衔接。3.2术语与定义标准对障碍物保护系统相关核心术语进行了规范定义，包括"障碍物"（obstacle）、"检测区"（detectionzone）、"响应时间"（responsetime）、"安全停机"（safestop）、"降级模式"（degradedmode）等。统一的术语体系为全球范围内的技术沟通和标准实施奠定了共同语言基础。3.3障碍物保护系统的功能要求标准将障碍物保护系统划分为三个核心功能层级：检测功能：系统应能够在规定的检测区域内持续地检测障碍物的存在。检测区域的范围需根据机械的运行速度、制动性能和作业环境等因素确定。例如，运行速度较快的自主拖拉机需要更大的前方检测距离，以留出足够的制动安全余量。评估与决策功能：系统应能对检测到的障碍物信息进行分类和评估，区分静态障碍物与动态障碍物、危险障碍物与非危险障碍物，并根据机械当前运行状态（速度、转向角等）做出合理的响应决策。响应与执行功能：系统应根据决策结果执行相应的安全响应动作，包括减速、转向避让、紧急停机等。其中，"安全停机"被定义为在任何预期的运行条件下，机械能够在与障碍物发生碰撞之前完成停止的能力。3.4检测性能要求标准对障碍物检测性能给出了量化指标要求，涵盖以下几个方面：-空间覆盖范围：检测区域应在机械行进方向前方具有足够的纵向距离和横向宽度，具体数值需根据机械的最大运行速度、系统响应时间、制动距离等因素通过计算确定，并留有安全裕度。-最小可检测尺寸：标准给出了系统必须能够可靠检测的最小障碍物尺寸建议，该尺寸需兼顾安全需要和技术可行性，通常以具有典型人体特征尺寸的物体作为参考基准。-检测可靠性：系统在规定的环境条件（光照、天气、扬尘等）和运行条件下，应满足特定的检出概率和误报率指标要求。-响应时间：从障碍物进入检测区域到系统完成评估并触发响应动作的总时间应不超过规定限值，具体限值与机械运行速度相关。3.5失效处理与安全状态标准详细规定了障碍物保护系统在各类失效情形下的处理原则，构建了系统性的失效安全机制：-感知层失效（如传感器故障、信号丢失）：系统应在规定时间内检测到自身失效，并转入安全状态，即执行受控降速和停机。标准将失效检测时间（FDT）作为关键性能指标予以约束。-决策层失效（如处理器异常、算法超时）：系统应具备看门狗机制或等效的自我监控能力，在检测到决策单元失效时立即触发安全停机序列。-执行层失效（如制动系统故障、通讯中断）：系统应监测执行机构的状态反馈，若执行能力下降至无法保证安全停机的水平，应触发紧急停机。在降级策略方面，标准允许系统在部分功能失效时以"降级模式"继续运行一段时间，但必须满足以下条件：降级模式下风险已得到充分评估并确认可接受；系统向操作者发出明确警示；降级运行时间和范围受到严格限制。3.6人机交互与信息提示标准要求障碍物保护系统应具备与操作者进行有效信息交互的能力，包括：-障碍物检测和系统状态信息的实时显示；-当系统即将采取自动减速或停机动作时的事前警示（视觉和/或听觉信号）；-系统故障或降级状态的明确提示；-操作者对系统状态采取干预操作的合理人机接口。3.7验证方法与试验要求为检验系统是否满足设计要求，标准规定了一系列验证方法和试验条件，涵盖台架试验和田间试验两个层面：-仿真验证：允许使用基于模型的仿真方法对系统的检测算法和决策逻辑进行初步验证，但仿真结果不能替代实物验证；-台架试验：在受控环境下，对传感器检测能力、系统响应时间、失效响应行为等指标进行精确测量；-田间试验：在典型农业作业环境中，对系统在真实条件下的检测性能和可靠性进行综合评价；-试验对象：标准规定了试验用障碍物的尺寸、形状和反射特性等参数，并要求覆盖静态和动态障碍物测试场景。3.8文档与标识要求标准要求制造商提供完整的技术文档，包括系统设计说明、风险评估报告、验证试验记录、操作与维护手册等。同时，要求机械本体和/或操作界面上标注清晰的安全标识和警示信息，明确系统的设计边界和限制条件。四、主要起草单位介绍ISO18497-2:2024的制定汇集了全球多个国家和组织的专家智慧。在众多参与单位中，约翰迪尔公司（JohnDeere）凭借其在自主农业机械领域的技术积累和标准化经验，为标准的制定作出了突出贡献。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。近年来，约翰迪尔在自主农业机械领域投入巨资进行技术研发，先后推出了多款具备自动导航和部分自主作业能力的产品。2022年，约翰迪尔在CES展会上发布了全自主无人拖拉机概念产品，展示了其在感知、决策和控制方面的技术实力。在ISO18497-2的编制过程中，约翰迪尔作为WG6工作组的重要成员，主要贡献包括：基于其多年积累的自主农机传感器系统设计经验，提出了检测区域划分和响应时间计算的建议方法；利用其在全球多个农田环境中的测试数据，为检测可靠性指标的设定提供了实证依据；此外，约翰迪尔还深度参与了标准中障碍物分类方法、安全停机性能要求、降级模式设计原则等核心条款的讨论和起草工作。除约翰迪尔外，还有多家企业和机构深度参与了标准的制定。德国*CLAASKGaAmbH*（科乐收公司）重点参与了差异化检测区域划分和田间验证方法的起草，其在欧洲多种作物种植环境下的长期试验数据为标准的可靠性指标设定提供了重要参考。*CNHIndustrialN.V.*（凯斯纽荷兰工业集团）主要参与了传感器失效检测和系统降级策略相关条款的讨论与起草，其多种品牌产品的工程实践经验使其在失效安全设计方面贡献了多项技术建议。德国*Deutz-Fahr*（道依茨-法尔）公司参与了障碍物分类方法和人机交互界面设计原则的讨论，为其农用拖拉机的自动化功能演进提供了标准层面的技术指引。来自中国*中国农业机械化科学研究院*的专家团队则结合中国复杂多样的农田作业环境特点，在试验对象标准化和特殊作业场景适应性等方面提出了建设性意见。五、标准实施意义与影响5.1对行业的影响ISO18497-2:2024的发布实施，对全球农业机械行业将产生深远影响。首先，该标准统一了障碍物保护系统的设计准则和验证方法，使不同制造商的产品在安全性能上具备了可比性，为终端用户选择产品提供了明确的参考依据。其次，标准的"性能导向"设计理念既体现了当前的技术最佳实践，又不限制具体技术方案的创新空间，有助于激励制造商在传感器融合、智能感知算法等前沿方向持续投入研发。5.2对国际贸易的影响在国际贸易层面，该标准的发布有助于消除自主农机领域的非关税贸易壁垒。此前各主要农机生产国在自主机械安全要求方面存在差异，导致制造商需要针对不同市场进行差异化设计和认证，增加了合规成本。ISO18497-2作为统一的国际标准，为各国制定或修订相关技术法规提供了权威参考基准，有望促进自主农机产品的跨境流通。5.3对技术发展的影响标准的发布还将对农业机械自主化技术的发展方向产生引导作用。通过明确安全性能指标和验证方法，标准为各项技术方案的优劣评价提供了客观尺度，有助于行业将有限的技术资源集中于真正影响安全的关键环节。同时，标准所确立的系统工程方法和管理要求，也有助于推动自主农机研发从"经验驱动"向"规范驱动"转变。5.4挑战与展望尽管ISO18497-2:2024的发布标志着自主农机安全标准化迈出了重要一步，但仍面临一些挑战。一方面，农业田间环境的高度复杂性使得标准化验证场景难以完全覆盖所有实际工况，如何持续验证和改进系统在极端条件下的性能仍需行业共同努力。另一方面，随着人工智能技术的快速发展，基于深度学习的感知算法正在成为自主农机的主流技术方案，此类算法的可解释性和验证方法尚需在标准框架下进一步探索。展望未来，ISO/TC23/SC3将继续推进ISO18497系列标准体系的完善。可预见的发展方向包括：无人农机远程监控与操作的安全要求、多机协同作业的安全管理规范、以及面向特定作业类型（如植保、收获）的专用安全要求等。六、结论ISO18497-2:2024《农业机械和拖拉机部分自动化、半自主和自主机械的安全第2部分：障碍物保护系统的设计原则》是全球农业机械自动化与智能化发展进程中的一项重要标准成果。该标准在ISO/TC23/SC3的组织下，经过多国专家数年通力协作编制完成，系统性地规范了自主农业机械障碍物保护系统的功能架构、检测性能、失效安全和验证方法，填补了该领域国际标准的空白。该标准的发布实施，为全球自主农业机械的研发设计、生产制造和检测认证提供了统一的技术准则，对于保障作业人员安全、促进技术创新和推动国际贸易均具有重要意义。随着自主农业机械技术持续演进和应用场景不断拓展，相关标准体系也将在实践中不断完善，为全球农业的智能化转型提供坚实的安全保障基础。参考文献[1]ISO18497-2:2024,Agriculturalmachineryandtractors—Safetyofpartiallyautomated,semi-autonomousandautonomousmachinery—Part2:Designprinciplesforobstacleprotectionsystems[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2024.[2]ISO18497-1:2024,Agriculturalmachineryandtractors—Safetyofpartiallyautomated,semi-autonomousandautonomousmachinery—Part1:Generalrequ