农业领域日益依赖在复杂多变环境中运行的自主系统。与道路应用不同，农业自动化集成了驾驶与作业过程，两者均施加了独特的操作约束。处理这种复杂性并确保整个开发与验证过程的一致性，需要对环境进行结构化、透明且经过验证的描述。然而，现有的运行设计域概念尚未解决农业应用的独特挑战。因此，本研究引入了农业运行设计域框架，可用于描述和验证自主农业系统的运行边界。该框架由三个核心要素组成。首先，农业运行设计域描述概念，提供了一种利用ASAM Open ODD和CityGML的概念来明确界定环境和操作参数的结构化方法。其次，7层模型源自PEGASUS 6层模型，通过扩展一个过程层以捕获动态农业操作。第三，迭代验证过程根据该7层模型衍生的逻辑场景来验证农业运行设计域，以确保其完整性和一致性。这些要素共同为创建明确且可验证的农业运行设计域提供了一致的方法。演示用例展示了该框架如何支持自主农业系统环境描述的标准化和可扩展性。
论文解读：《通过逻辑场景与农业运行设计域推导实现农场自主性》
研究背景与意义
近年来，农业领域的技术进步深刻改变了非道路领域自动化的潜力。尽管神经网络机器感知、边缘设备高性能计算和网络化机械的发展使得在复杂、非结构化环境中的自主操作成为可能，但农业自动化面临着比汽车行业更为复杂的挑战。农业自动化不仅涉及驾驶任务，还深度集成了作业过程，且车辆的运动通常从属于农业过程本身，这对速度、轨迹和时机提出了特定要求。此外，土壤条件、作物类型和生长阶段以及自然障碍物的存在，使得一致地描述自主系统必须运行的情况范围变得困难。现有的运行设计域概念主要针对道路应用设计，缺乏描述动态农业过程和明确界定农业运行边界的机制。因此，为了支持自主农业系统的标准化开发、验证与部署，建立结构化的农业运行设计域框架显得尤为迫切。该论文发表于《Smart Agricultural Technology》，旨在填补这一空白。
关键技术方法
研究人员采用理论分析与框架构建的方法开展研究。首先，系统分析了现有标准与框架，包括汽车领域的SAE J3016、PEGASUS方法与ASAM OpenODD，以及非道路领域的EMESRT PR-5A和NATO AMSP-06，同时评估了CityGML、OpenPLX等标记语言的适用性。在此基础上，研究人员提出了一个专为农业设计的Ag-ODD框架。该框架的核心技术方法包括：基于ASAM OpenODD结构并结合CityGML的细节层次概念，定义农业环境与操作参数；将PEGASUS 6层模型扩展为包含动态农业过程的7层模型，用于推导逻辑场景；建立Ag-ODD与逻辑场景之间的迭代验证闭环流程，通过反复比较与修正，确保定义的完整性、一致性与无歧义性。
研究结果
1. 引言
研究人员指出，农业自动化是驾驶自动化与作业过程自动化的结合，不能简单套用汽车行业的自动化分级标准。由于农业环境的高度可变性和作业过程的动态性，明确界定自主系统的运行边界是确保安全、进行有效验证和支持产品开发的先决条件。
2. 相关标准与框架
通过对现有方法的梳理，研究人员发现，虽然汽车领域的ODD定义、PEGASUS的场景描述方法以及ASAM OpenODD的分层结构具有很高的参考价值，但它们均无法直接适用于农业场景。例如，CityGML虽能描述静态环境，但缺乏对动态过程的建模能力；而现有的非道路标准则未形成统一的、机器可读的ODD描述体系。这凸显了开发专门农业ODD框架的必要性。
3. 农业应用的综合与合成
研究人员阐述了农业与汽车行业在机械几何尺寸、作业过程动态性以及运行速度上的三大根本差异。基于此，研究明确了Ag-ODD框架必须满足的核心需求：能够建模完整的农业作业任务、引入过程相关的属性上下文，并提供上下文敏感的环境描述抽象机制。
4. 创建农业运行设计域的框架
Ag-ODD框架由四个核心组件构成。首先是用例，作为推导的基础。其次是Ag-ODD概念本身，它从功能需求、系统能力和危险分析及风险评估结果中推导而来，包含静态环境、环境条件、动态对象和新增的过程类别。第三是7层模型，在原有6层基础上增加了描述环境永久改变的过程层。第四是迭代验证过程，通过不断比对Ag-ODD与逻辑场景，修正不一致和遗漏之处，直至达到稳定状态。此外，框架引入了条件依赖变量来描述作业引起的状态变化，并结合了允许模式和限制模式以及细节层次概念，实现了高效且无歧义的领域描述。
5. 评估与使用Ag-ODD框架的示例
研究人员通过两个代表性用例验证了框架的适用性。第一个是耕作用例，展示了如何将土壤、天气和过程参数整合到Ag-ODD中，并通过迭代验证逐步细化地理范围和对象检测限制。第二个是小麦收获用例，展示了框架如何处理持续变化的作业状态，以及如何通过子Ag-ODD区分自动驾驶与收获过程的不同功能视角。这两个案例证明了该框架在应对复杂农业操作时的灵活性与结构化优势。
6. 结论
讨论部分强调，现有的ODD结构缺乏足够的机制来表示动态农业过程，而本研究提出的Ag-ODD框架通过引入过程类别和迭代验证机制，成功解决了这一问题。研究人员得出结论，该框架为自主农业系统提供了一个明确、可验证且标准化的环境描述方法。它不仅支持农业领域的应用，其基于ASAM OpenODD和PEGASUS的模块化结构也确保了与道路环境的兼容性，为未来自主农业功能的开发、验证及认证奠定了坚实的基础。
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