Safety of autonomous agricultural tractor-implement combinations with ISOBUS capabilities

Abstract

Autonomisten robottien kehitys on edennyt siihen vaiheeseen, että turvallisuus ongelmien ratkaisu on alkanut kiinnostaa valmistajia ja tutkijoita. Laitteen turvallisuus on edellytys laitteen markkinoille pääsylle. Standardi ISO 11783 määrittelee tiedonsiirtoväylän maataloustraktoreiden ja -työkoneiden välille. Standardi määrittelee myös työkoneelle mahdollisuuden ohjata traktoria ja siten mahdollistaa pitkälle automatisoitujen ja autonomisten toimintojen toteutuksen. Maataloustraktoreiden markkinoille pääsyä säätele Euroopan Unionissa kaksi tärkeää direktiiviä: ns. traktori direktiivi 2003/37/EY ja kone direktiivi 2006/42/EY. Tässä työssä tarkastellaan näiden direktiivien turvallisuusvaatimuksia autonomisten työkoneiden kannalta. Työssä todetaan valtaosan vaatimuksista tulevan konedirektiivistä ja autonomisten työkoneiden valmistamisen ja markkinoille saattamisen olevan näiden direktiivien puitteissa mahdollista. Ohjausjärjestelmien turvallisuuteen liittyviä standardeja ovat IEC 61508, EN62061 ja EN 13849 ja maatalouskoneille vielä lisäksi ISO/DIS 25119. Työssä tarkastellaan näiden standardien vaatimuksia ja näkemystä turvallisuuteen. Standardeista EN 62061 ja EN 13849 ovat konedirektiivissä tarkoitettuja yhdenmukaistettuja standardeja. Työssä todetaan standardien asettavan teknisten vaatimusten lisäksi myös vaatimuksia kehitysprosessille. Standardit näkevät turvallisuuden ennemminkin prosessina, jossa turvallisuutta rakennetaan järjestelmään sisään, kuin pelkästään teknisinä vaatimuksina. Työssä tarkastellaan, ISO 11783 standardin määrittelemän, ISOBUS-väylän käyttöä turvakriittisessä viestinnässä. Väylän ominaisuuksia tarkastellaan ohjausjärjestelmien turvallisuuden standardien näkökulmasta ja erityisesti standardin EN 50159-2 näkökulmasta. Väylän todetaan olevan nykyisellään riittämätön korkeaa turvallisuudeneheyttä vaativiin sovelluksiin, mutta muutamilla turvallisuuteen keskittyvillä parannuksilla väylästä saisi riittävän turvallisen. Maatalouskoneiden järjestelmätason sopimattomuudesta johtuvia turvallisuus ongelmia tunnistettiin. Case-esimerkkinä tassä työssä tarkasteltiin ISOBUS calss 3 yhteensopivan kylvölannoittimen turvallisuutta. Turvallisuutta tarkasteltiin käyttäen ISO 12100 standardin turvallismamisprosessia ja ISO 14121 standardin työkaluja. Havaittujen turvallisuus ongelmien poistamista tarkasteltiin ohjausjärjestelmien turvallisuus standardien näkökulmasta.

Development of autonomous machinery has advanced to the point where the safety has risen to interest of manufacturers and researchers. Safety is a requirement for machine s access to the market. ISO 11783 standard defines a data transfer bus for data exchange between an agricultural tractor and an implement. Standard also defines a control option where the implement could command the tractor, allowing creation of highly automated and autonomous functions. The market for agricultural tractors in European Union is controlled by two directives: the so called tractor directive 2003/37/EC and the machine directive 2006/42/EC. In this study requirements, set by these two directives, for autonomous work machinery are examined. In this study it is found that most requirements are set by the machine directive and it is possible to bring autonomous work machinery to market within the requirements of these directives. Standards related to the safety of control system are IEC 61508, EN 62061 and EN 13849 and in addition for agricultural machinery ISO/DIS 25119. In this study the requirements and views of these standards are examined. EN 62061 and EN 13849 are harmonized standards meant in the machine directive. It is found in this study that these standards set technical requrements, but in addition to that they also set requirements for design and development process of control systems. These standards keep safety as a process where the safety is built within the system in development phase, rather than a set of technical requirements. The use of ISOBUS data transfer bus, defined in ISO 11783, in safety-critical communication, is examined in this study. Properties of the bus are examined from the view of safety-related standards of control systems and especially from the view of EN 50159-2 standard. It is found that the ISOBUS is not usable for application requiring high levels of safety integrity. However the bus could be used, if certain safety-related improvements are made. A safety-related problem resulting from the lack of definitions in the system level of agricultural machinery was identified. In a case-example of this study, safety of ISBUS class 3 compatible seed drill was examined. The safety process described in ISO 12100 standard was used with the help of tools provided in ISO 14121 standard. Removal of identified safety problems was studied from the view of standards related to the safety of control systems.