ISO 18497-12024 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1部分机械设计原则和词汇标准立项发展报告

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1部分：机械设计原则和词汇标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SafetyofAgriculturalMachineryandTractors—PartiallyAutomated,Semi-AutonomousandAutonomousMachinery—Part1:MachineDesignPrinciplesandVocabulary摘要随着全球农业劳动力结构性短缺问题的日益突出，以及传感器技术、人工智能、北斗导航等新一代信息技术在农业装备领域的深度融合应用，农业机械的自动化与智能化进程显著加速，部分自动化、半自主和全自主作业机械已从概念验证阶段步入产业化初期。然而，由于自主农业机械在感知环境、决策执行和人机交互等方面与传统农业机械存在本质差异，既有的安全标准体系难以覆盖其全生命周期的风险控制需求，亟需建立专门的安全技术规范。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ISO18497-1:2024《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1部分：机械设计原则和词汇》。该标准作为ISO18497系列标准的基础性文件，首次在国际层面统一了农业自主机械的核心术语定义，系统规定了部分自动化、半自主和自主机械的安全设计原则、风险评估框架和防护措施要求，填补了农业机械自主作业安全领域的国际标准空白。本报告围绕该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容和应用价值展开系统分析，并结合国际标准化组织农业机械技术委员会（ISO/TC23）的工作架构，对该标准的实施路径和未来发展趋势进行展望，为行业企业和科研机构理解和应用该标准提供参考。关键词：农业机械；自主作业；功能安全；机械设计原则；国际标准；ISO18497Keywords:Agriculturalmachinery;Autonomousoperation;Functionalsafety;Machinedesignprinciples;Internationalstandard;ISO18497一、引言1.1研究背景农业现代化是国家现代化的基石，农业装备智能化是农业现代化的核心驱动力。近年来，全球主要经济体普遍面临农业劳动力老龄化、青壮年劳动力流失等严峻挑战。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的统计数据，全球农业就业人口占比持续下降，而粮食生产需求却逐年攀升。在这一矛盾驱动下，以自动驾驶拖拉机、无人植保机、自主收获机械等为代表的自主农业机械发展迅猛。据市场研究机构预测，全球农业机器人和自主农业装备市场规模在2030年前将保持年均20%以上的增长率。然而，自主农业机械在田间作业时面临的环境具有高度非结构化和动态变化特征——作业对象（作物、土壤）的状态不均匀、田间障碍物种类繁多、作业人员可能随时进入作业区域、多种机械协同作业日益普遍，这些因素使得自主农业机械的安全风险显著区别于传统人工驾驶农业机械，也区别于在结构化道路环境中运行的自动驾驶车辆。传统的农业机械安全标准，如ISO4254系列，主要针对有人操作的机械进行安全设计规范，其在设计理念、风险评估方法和安全防护要求上均以"操作人员在场并直接控制机械"为前提假设，无法充分覆盖自主作业模式下"操作人员不在场"或"仅进行远程监督"的新型作业场景。1.2标准立项的必要性在上述背景下，制定专门针对部分自动化、半自主和自主农业机械的安全标准具有突出的必要性和紧迫性。首先，缺乏统一的国际安全标准，导致各国自主农业机械的安全监管要求不一致，制约了跨境贸易和技术交流。其次，自主农业机械的安全涉及机器视觉、传感器融合、决策算法、执行机构、通信协议等多个技术领域，需要在系统层面建立协调一致的安全设计框架。第三，用户和监管机构需要明确的依据来评估和验证自主农业机械的安全性，而这必须以统一的术语定义和安全设计原则为前提。ISO18497-1:2024正是在这一历史节点上应运而生的具有里程碑意义的国际标准。二、标准概况2.1标准基本信息ISO18497-1:2024《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1部分：机械设计原则和词汇》由国际标准化组织（ISO）发布，标准发布日期为2024年7月31日。该标准归口于ISO/TC23（农业机械技术委员会），具体由ISO/TC23/SC3（操作者安全、舒适性和健康分技术委员会）负责制定。标准采用国际通用的ICS分类号65.060.01（农业机械和设备综合）。该标准的英文名称为"Agriculturalmachineryandtractors—Safetyofpartiallyautomated,semi-autonomousandautonomousmachinery—Part1:Machinedesignprinciplesandvocabulary"，中文标准名称为《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1部分：机械设计原则和词汇》。标准版本为电子版加密PDF格式，具有标准的数字版权保护措施，售价808元人民币。2.2标准在ISO18497系列中的定位ISO18497-1:2024是ISO18497系列标准的第一部分，其在整个系列中承担基础性和纲领性的功能。根据国际标准化组织已公布的标准工作规划，ISO18497系列标准预计由以下部分构成：-第1部分：机械设计原则和词汇（ISO18497-1:2024，已发布）——规定自主农业机械安全的通用术语、设计原则和基本要求框架；-第2部分：安全相关系统的设计（ISO18497-2，制定中）——针对安全相关控制系统的功能安全要求进行详细规范；-第3部分：操作者监督和控制（ISO18497-3，制定中）——规定远程操作和监督模式下的人机交互安全要求；-第4部分：通信接口和数据安全（制定中）——涉及V2X通信、数据安全与隐私保护等内容。这种"总—分"结构的设计理念确保了系列标准在体系上的逻辑严密性，第1部分作为纲领性文件为后续各专业部分提供了统一的术语基础和设计原则框架，避免了各专项标准之间出现概念歧义和要求冲突。2.3编制历程ISO18497-1:2024的编制经历了严谨而漫长的国际标准制定流程。该标准项目于2019年正式立项，其前身可追溯至ISO/TC23/SC3内部关于"农业机械自动化作业安全"的预研工作项目（PWI）。2019年至2021年间，工作组（WG）先后召开了多次国际会议和网络研讨会，来自中国、德国、美国、日本、法国、意大利、荷兰、芬兰、澳大利亚、加拿大等主要农业装备制造国的专家代表参加了讨论。在标准编制过程中，各利益相关方围绕"自动化等级划分""风险可接受水平""安全功能分配""人机交互模式""验证与确认方法"等核心议题展开了深入讨论和反复论证。部分观点认为应参照国际自动机工程师学会（SAE）J3016标准中关于驾驶自动化的六级分类框架来定义农业机械的自动化等级，但工作组最终根据农业机械作业的特殊性，采用了三分类法（部分自动化、半自主、自主），以更贴合农田作业的实际工况需求。该标准草案经过委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）等多个阶段，最终于2024年7月31日获正式批准发布，标准状态为现行有效。三、标准核心技术内容分析3.1适用范围ISO18497-1:2024规定了部分自动化、半自主和自主农业机械在设计和制造过程中的安全要求和设计原则。该标准的适用范围覆盖了在农业和林业作业中使用的各类自主化机械，包括但不限于自主拖拉机、自主植保机械、自主收获机械、自主耕作机械以及具有自主功能的农机具。值得注意的是，该标准明确将以下情形排除在适用范围之外：完全由操作人员在场实时手动操作的机械、在结构化公共道路上行驶的农业运输车辆（其安全要求应遵循道路车辆相关法规和标准）、以及主要用于林业作业的机械。这种适用范围的界定充分体现了该标准聚焦"农业作业场景下自主运行"这一特定技术领域的特点。3.2核心术语定义标准在第3章对自主农业机械领域的核心术语进行了系统定义，这是该标准最具基础性价值的贡献之一。标准中关键的术语定义包括：部分自动化机械（partiallyautomatedmachinery）：在特定作业功能或特定作业阶段由机械自动完成控制，但操作人员仍需持续在场并保持对机械的监控和干预能力的农业机械。这类机械的自动化水平最为基础，操作人员在作业过程中随时准备介入控制。半自主机械（semi-autonomousmachinery）：机械能够在特定作业任务中自主完成决策和执行，但需要操作人员在作业区域内进行周期性监督或在特定条件下进行干预的农业机械。半自主机械的特点是能够在无人直接操作的情况下完成一段完整的作业过程。自主机械（autonomousmachinery）：能够在规定的作业条件和运行边界内，自主完成感知、决策、执行全链条作业任务，无需操作人员持续在场干预，并具备对不可预见情况的自主响应能力的农业机械。此外，标准还定义了"运行边界（operationalenvelope）""安全状态（safestate）""风险降低（riskreduction）""监督（supervision）""远程操作（remoteoperation）""感知系统（perceptionsystem）""安全相关功能（safety-relatedfunction）"等关键术语，这些定义共同构成了自主农业机械安全领域的概念体系。3.3机械设计原则ISO18497-1:2024在第4章系统规定了自主农业机械的安全设计原则。标准明确要求设计者应采用"本质安全设计→安全防护→安全信息"的三级风险降低策略，这一策略与国际通行的机械安全设计理念（如ISO12100）保持了一致性，同时又针对自主作业的特点进行了适应性扩展。在本质安全设计层面，标准提出了"安全性优先于功能性"的核心设计原则。这意味着当自主机械面临安全性决策与任务完成效率之间的冲突时，安全响应必须具有最高优先级。例如，当感知系统检测到作业区域内出现未经授权的人员时，机械必须优先执行安全停机或其他风险降低措施，而非继续完成作业任务。标准还要求设计者在方案设计阶段就充分识别机械在自主作业模式下的所有潜在危险源，包括但不限于：机械运动导致的碰撞和挤压危险、工作装置引起的切割和缠绕危险、能源系统引发的高压和热能危险、自主决策错误导致的非预期运动危险、通信中断引发的失控危险以及网络安全威胁等。在安全防护设计层面，标准重点强调了感知系统的可靠性和冗余要求。标准要求自主机械应配备适当的感知系统以检测运行边界内的人员和障碍物，感知系统的探测范围和响应时间必须与机械的最大运行速度相匹配，确保在最小停车距离内能够可靠地识别和响应潜在危险。标准还引入了"安全状态达成"的概念，要求机械在检测到安全相关故障或超出运行边界条件时，能够自主地实现安全状态转换，例如安全停机、降速运行或进入安全待机模式。在安全信息层面，标准对自主机械的信息提示和警示系统提出了要求。考虑到自主机械可能在无人监控状态下运行，传统的视觉和听觉告警方式已无法满足信息传递需求，标准要求机械应具备向远程操作者或周边人员传递安全状态信息的能力。同时，标准还要求机械本体上应清晰标示其自主运行状态，以便于作业区域内的其他人员识别和防范。3.4风险评估框架标准在第5章提出了适用于自主农业机械的风险评估框架。该框架在传统机械安全风险评估方法（基于ISO12100的风险矩阵方法）的基础上增加了针对自主功能特性的考量维度。标准要求风险评估应考虑以下因素：自动化等级与风险的关系：自动化程度的提高并不必然意味着风险水平的降低。在某些情况下，自动化可能导致新的风险类型，例如操作人员对自动化系统的过度信任导致监控松懈、自动化系统在非预期工况下的错误决策等。因此，风险评估应根据机械的实际自动化等级和作业环境进行差异化分析。可预见性误用：标准强调风险评估应充分考虑可预见的误用情形，包括操作人员对自主机械安全功能和运行边界的误解、未按操作规程对机械进行维护和校准、擅自修改安全参数等行为。多机械协同作业风险：当多台自主机械在同一区域内协同作业时，风险评估应涵盖机械间的碰撞风险、作业重叠区域的风险叠加效应以及通信延迟导致的安全功能响应不及时等特有风险。标准要求风险评估的结果应形成文档化的风险评价报告，该报告应作为设计评审和型式验证的重要输入资料。同时，标准还要求设计者将风险降低措施的有效性进行验证和确认，确保残余风险处于可接受的水平。四、标准关键技术指标与技术特点4.1关键性能参数ISO18497-1:2024针对自主农业机械安全系统的关键技术参数提出了要求，这些参数的设计直接关系到安全功能的可靠性。标准要求安全相关系统的性能等级（PerformanceLevel,PL）应符合ISO13849-1的要求，其中涉及人员检测的安全功能最低性能等级应为PLd，涉及防止非预期启动的安全功能最低性能等级应为PLc。安全相关系统的平均危险失效时间（MTTFd）、诊断覆盖率（DC）和共因失效（CCF）等量化指标也需满足相应的要求。这些参数的设定，为自主农业机械安全系统的设计提供了明确的量化基准，也为后续的产品检测认证提供了可操作的判定依据。4.2与其他标准的协调一致性ISO18497-1:2024在制定过程中充分考虑了与现有标准体系的协调一致性。在安全设计总则方面，该标准与ISO12100:2010《机械安全设计通则风险评估与风险减小》形成了衔接关系，ISO12100提供通用的机械安全设计方法和风险评估框架，ISO18497-1则在此框架基础上针对自主农业机械的特殊性进行细化和补充。在控制系统安全方面，该标准引用了ISO13849-1:2023《机械安全控制系统安全相关部件第1部分：设计通则》和IEC62061:2021《机械安全安全功能安全相关控制系统的功能安全》中关于功能安全的要求。在农机基础安全方面，该标准与ISO4254-1:2013《农业机械安全第1部分：通用要求》保持了术语和设计原则的一致性。此外，该标准还与ISO25119《农林机械控制系统安全相关部件》系列标准形成了互补关系。这种多层次的引用和衔接关系体现了国际标准体系的系统性和协调性，也使ISO18497-1:2024得以在现有标准生态中准确定位，避免与其他标准产生冲突或重复。五、主要起草单位介绍5.1ISO/TC23/SC3组织架构ISO18497-1:2024由国际标准化组织ISO/TC23（农业机械技术委员会）下属的SC3（操作者安全、舒适性和健康分技术委员会）负责制定。ISO/TC23是国际标准化组织中专门负责农业机械领域标准制定的技术委员会，其工作范围涵盖农业机械、拖拉机、园林机械等各类农业装备的设计、安全和试验方法标准。SC3则专门聚焦于农业机械操作者和相关人员的安全、舒适性和健康相关标准的制定工作，汇集了来自全球各主要农业装备制造国的安全技术专家。5.2核心参与单位——德国农业协会（DLG）在ISO18497-1:2024的编制过程中，德国农业协会（DeutscheLandwirtschafts-Gesellschaft，简称DLG）及其下属的测试与研究机构发挥了核心引领作用。DLG成立于1885年，总部位于法兰克福，是德国最大的农业专业组织之一，在农业机械测试认证、标准化工作和国际技术合作方面拥有超过百年的深厚积累。DLG在自主农业机械安全领域的研究工作可以追溯至2015年前后。随着德国"工业4.0"战略在农业领域的延伸，DLG前瞻性地启动了"农业4.0"研究计划，将自主农业机械的功能安全和作业安全作为重点研究方向。DLG下属的机械测试中心拥有世界领先的农业机械安全测试设施，包括自动驾驶拖拉机安全测试场、传感器性能评估实验室和功能安全仿真平台等，这些基础设施为ISO18497-1标准的技术验证提供了有力的试验条件支撑。在标准编制过程中，DLG的专家团队主导了标准中"运行边界"概念框架的建立和"安全状态达成"技术要求的起草工作。DLG基于其在自主农业机械实际测试中积累的大量数据，提出了对感知系统可靠性和响应时间的具体量化建议，这些建议最终被标准采纳。此外，DLG还积极协调了欧洲各国在自主农业机械安全监管政策方面的立场，促进了欧盟成员国在标准制定过程中的共识达成。除DLG外，该标准的制定还汇聚了来自约翰迪尔（JohnDeere）、CNHIndustrial、爱科集团（AGCO）、久保田（Kubota）、洋马（Yanmar）等全球主要农业装备制造商的安全技术专家，以及来自德国联邦职业安全与健康研究所（BAuA）、美国国家职业安全与健康研究所（NIO