支持全球制造的智能化网络数控系统
王治森 吴焱明 王纯贤 赵福民 张勇
摘要 提出了一种支持全球制造的新型数控系统——智能化网络数控系统(INet-CN
C)。对其功能、特点及体系结构进行了研究。讨论了其运行环境、功能划分、接口协议
,并提出了基于Multi-Agent的任务动态随机协同调度的概念。
关键词 多智能主体 全球制造 分布式工艺数据库 协同调度
中国图书资料分类法分类号 TP393 TG659
Intelligent Network Numerical Control System Supporting
Global Manufacturing
Wang Zhisen(Hefei University of Technology,Hefei,China)
Wu Yanming Wang Chunxian Zhao Fumin Zhang Yong p 1354-1357
Abstract:A new CNC system-Intelligent Network Numerical Control System (
INet-CNC) supporting global manufacturing is introduced and the features are
emphasized. The system structure such as running environment, function orga
nization, interfaces define, are discussed. A new shop floor dispatch concep
t—Random Dynamical Cooperative Dispatch based on multi-agent system is pres
ented, which differs from the traditional centralizing mode.
Key words:Internet/Intranet Multi-Agent Global Manufacturing Di
stributed Technology Data Base Cooperative Dispatch CNC System
在计算机技术和网络技术特别是Internet/Intranet技术迅猛发展的冲击下，制造业
正发生着一场深刻的变革，各种先进制造理念不断涌现，如敏捷制造、虚拟制造、智能
制造、网络化分散制造等［1～6］。综合这些先进制造思想，我们认为，制造业的发展
将在两点上汇集：
(1)充分利用网络技术特别是Internet和Intranet技术，实现制造资源的全球共享、
支持跨地区跨平台的全球制造；
(2)利用分布式人工智能，实现制造业由传统的递阶控制向多智能主体（Multi-Age
nt）［7～11］扁平化协同控制转变。
作为制造业的重要资源，新一代数控系统必须有效地支持上述发展。尽管数控系统
的发展经历了从硬件数控、封闭式计算机数控到现在的开放式数控等阶段，但目前数控
系统的网络通信能力都很弱。传统的封闭系统，如Fanuc、Siemens等都只带有普通的通
信接口，如RS232C、RS422和RS485等仅具有ISO物理层的功能。目前研制开发出的基于P
C的数控系统，虽然可以在硬件上配置网卡，但并未开发出相应的应用程序，全面可靠地
支持CIMS底层的联网运行,更不用说支持与Internet/Intranet的联网。
为此，我们提出了一种新型数控系统——智能化网络数控系统(INet-CNC)。
1 智能化网络数控系统的功能和特点
1.1 支持网络化制造
智能化网络数控设备作为一种全球共享的制造资源，能够提供服务器功能，通过In
ternet/Intranet支持本地和异地制造，包括接受远程查询、发布自身参数、接受远程N
C程序和指令、提供现场数据、支持异地生产调度等。
1.2 支持远程服务
智能化网络数控设备作为一种高技术产品，能够在其全寿命周期中通过Internet获
得远程数字化服务，包括用户特定功能的追加、个性化人机界面的辅助设计、远程培训
和技术咨询、远程交互式协同故障诊断等。
1.3 支持分布式工艺数据库
智能化网络数控设备能够支持建立企业和全球的分布式工艺数据库，支持切削用量
和工时定额标准的制订。
切削用量和工时定额标准的制订是机械加工技术和实现CIMS底层自动化的一项十分
重要的基础工作。早在70年代，欧共体国家就联合开展了跨国合作来共同进行建立工艺
数据库这一工作。我国“七五”、“八五”和“九五”期间也一直把建立工艺数据库作
为数控攻关中的重要课题。但过去这些工作都是靠实验室中的切削试验加上人工到现场
收集数据的方法，既耗费资金和人力，又不能得到充分与可靠的数据。INet-CNC具有实
时或定时采集现场加工数据的功能，并拥有自身的局部数据库和局部数据处理功能。这
些分布在全球的成千上万的制造智能体（Agent）随时随地都在采集着来自生产现场的加
工数据以及操作者的经验，经过本地的数据处理、压缩存贮和定期更新，然后逐级上报
，最终汇集到本公司和全球若干个大型数据处理中心。首先用以建立企业的工艺数据库
和工时定额标准，进而建立全球的工艺数据库和国际标准。可以肯定，在全球走向网络
化的时代，在INet-CNC的支持下，制造业长期追求的上述目标将能较快地得以实现。
1.4 支持车间生产计划智能调度
INet-CNC在调度中，分布式智能Agent具备自治、自律和协同工作的能力，从而有利
于减少传统递阶控制的层次，使制造网络趋于扁平化。更重要的是在这种由INet-CNC构
成的Multi-Agents环境中，单元控制器主要起着任务招标和评标的作用，而各智能体（
INet-CNC）则根据自身的能力和当前状态参加投标。这样就能够创造出一种不同于传统
的集中调度控制的新型模式——动态随机协同调度。这一技术将大大简化传统递阶控制
单元控制器的复杂性，可以有效地提高车间生产调度的可靠性和效率。
1.5 支持跨平台操作
INet-CNC是一种支持全球制造的资源，其最基本的要求是能够支持跨平台操作。因
此，其体系结构中融入了当今计算机网络的最新发展——Browser/Server体系结构(B/S
体系结构)，这是它和传统数控系统的重要区别。
INet-CNC是在开放式数控系统［12～15］的基础上发展的。美国NGC和欧共体SOSAS
等计划提出的开放式数控系统，其核心是建立一种向数控系统的硬软件开发商、机床制
造商和最终用户都开放的体系结构和标准，使数控系统不依赖特定厂家，达到可互联、
可互操作、可重组和可互换的目的。开放体系结构CNC是对传统封闭CNC的巨大挑战，但
从其提出到现在的10年间，它并没有在市场上占据重要份额。我们认为，NGC和SOSAS等
计划过分强调了一切从头开始，没有明确地采用在计算机工业中占据统治地位的PC机标
准。其中部分原因可能是因为PC机在实时控制等方面还不能充分满足CNC要求，因而上述
计划在注重基础性和具有战略意义的标准制订及平台开发的同时，忽视了采用已经存在
的PC机的巨大软硬件资源来迅速形成产品，以市场需求和效益来驱动标准和平台的完善
与推广。实际上，从标准和平台的定型到产品的形成和占领市场还需要相当长的过程。
因此应当充分借鉴国外的经验，在INet-CNC的研究和开发上，要充分利用PC机的强大资
源，尤其是B/S体系结构和分布式组件（CORBA、DCOM）等技术，从已有成果的高起点出
发进行创新，就能以较快的速度使INet-CNC变为现实。
值得指出的是，支持全球制造的INet-CNC并不一定要求（除了特别需要）车间的每
台数控机床都直接连接到Internet上。一般情况下仍然是通过车间局域网服务器连到In
tranet再经过防火墙连接到Internet上。INet-CNC的核心是要求从设备级支持异地制造
和全球制造。这就要求从全球联网的角度重新审视数控系统的设计，使得任何一个数控
系统都对应于开放系统互联协议(ISO/OSI)的相应层次（链路层、网络层），都能支持I
ntranet/Internet标准，从而达到开放性、互联性、互换性和互操作性的要求。正是从
这个意义上，我们说当前各种商品化的数控系统的联网能力都还十分薄弱。
2 INet-CNC的运行环境
INet-CNC的网络运行环境见图1。多台INet-CNC协同工作可构成一条柔性生产线或一
个柔性生产车间。实际上多台INet-CNC与Web服务器构成一个Intranet，通过防火墙隔离
等安全措施与Internet相连，可以支持全球制造和实现全球范围的数字化服务。INet-C
NC在单机模式下可通过Modem或者ISDN专线与邻近单位的Web服务器相连,或者直接上Int
ernet。这样，一方面可以得到远程数字化服务，另一方面，作为全球共享资源，一台I
Net-CNC也可以参加动态联盟。只是在这种情况下INet-CNC应增加身份认证等安全措施。
图1 INet-CNC网络运行环境
Internet/Intranet采用了B/S体系结构(见图2)。在这个结构中，当用户需要查询数
据库时，通过运行HTML中嵌入的Java Applet，启用由CGI、ISAPI、JAVA-ODBC等实现的
数据库查询引擎进行数据库查询，再把查询结果按照HTML格式回送给浏览器。B/S结构的
客户端采用通用浏览器（如Internet Explorer、Netscape Navigator等），具有统一的
界面；服务器端则以Web Server为核心，集成数据库服务（支持SQL Server、Oracle、
Sybase等）及其它特定应用服务，并与其它如E-mail、BBS、Telnet等Internet Server
一起，构成Intranet的Server端。B/S结构优于传统的Client/Server结构的主要方面有
：服务器端的文件（网页）决定了客户端浏览器的显示结果，而客户浏览器只负责解释
HTML标记语言，使客户端软件开发的工作量降至最小，达到“瘦客户”的目的；使用Ja
va Applet技术，实现了不同平台之间的信息共享，使得客户端软件能真正跨平台运行。
图2 B/S体系结构
INet-CNC除与Internet/Intranet相联外，还需通过现场总线实现控制设备的实时通
讯。
3 INet-CNC的体系结构研究
INet-CNC的功能可划分为传统功能和新增功能两大部分(见图3)。其中，传统功能模
块包括伺服驱动、伺服控制、位置反馈、I/O控制等子模块；新增功能模块包括Intrane
t/Internet接口模块、智能体模块、机床局部数据库及其处理模块、现场总线的“即插
即用”模块等。
图3 功能结构示意图
(1)为了实现与Intranet或Internet的接口，把Browser及其它特定界面集成到数控
系统操作界面 由于Java是Sun公司开发的一种面向对象的编程语言，具有真正的跨平台
性，Java Applet应用程序能从服务器上下载，并在运行浏览器的计算机上的Java解释器
控制下运行，且安全性好。因此采用Java编程来实现INet-CNC与Web服务器间的动态交互
，从而实现数控系统的远程诊断、远程仿真、远程交互式专家系统的咨询等数字化服务
。
(2)机床数据库及其处理模块 在INet-CNC里配置了一个机床数据库，用来存取机床
的相关信息：机床基本参数、资源数据、当前任务和状态、由传感器实时反馈的数据、
实时采集的切削用量及其它工艺数据等，以支持制定工时定额标准、建立企业或全球工
艺数据库。机床数据中的动态数据需定时刷新。
(3)现场总线软部件模块 支持对不同现场总线适配卡的“即插即用”。现场总线的
任务是在生产线上各种机床和自动化设备间协调动作，从事一些数据的实时采集。为了
加强数控系统的可扩性、通用性、可重组性，采用软部件思想，研制一系列现场总线驱
动程序，以支持多种现场总线标准，做到“即插即用”。
4 INet-CNC的智能体模型
传统的FMS系统中由一台单元控制器（或工作站）集中负责作业计划、生产调度、质
量控制等任务，机床只是被动接受任务。这样，一方面单元控制器的相关控制软件十分
复杂，开发工作量很大，可靠性低；另一方面，运行中单元控制器的运算量大，且不能
适应现场的各种突发情况。而INet-CNC本身是一个智能体，具有一定的自主性、自律性
，能够与其它INet-CNC相协调完成制造过程，这样可以减轻单元控制器的负担。由多台
INet-CNC构成的FMS是一个Multi-Agent系统(见图4)。采用任务公布方式，引入市场中的
招标—投标—中标机制。任务公布后，INet-CNC根据已有的知识与能力进行投标，INet
-CNC之间相互协商解决任务的分配问题，然后利用模糊评判方法打分，由单元控制器Ag
ent仲裁,实现智能化的动态随机协同调度，使生产计划能自适应生产现场的变化，从而
大大增加车间任务调度的灵活性。动态随机协同调度是对传统FMS集中控制的重大突破。
图4 基于Multi-Agent的任务协调
智能体除了完成任务的智能协调外，还应完成加工质量与加工过程智能控制、智能
诊断等智能活动。
加工质量与加工过程的智能控制模块。根据对工件在线检测的结果和实时采集的机
床状态，预测工件的加工质量，并及时调整加工过程的工艺参数。
智能诊断模块。故障诊断的智能化表现在两方面：一方面是机床会对曾经产生的故
障作记录，当下次碰到该故障时，它会首先提示可能的原因；另一方面，现场信息经过
压缩，存贮在机床的“黑匣子”中，一旦机床发生的故障超出其自身的诊断能力，就可
以通过Internet从网上专家系统获得支持，进行交互式的远程协同诊断。
5 结论
今天的计算机工业已经为它的实现奠定了坚实的基础。随着Internet/Intranet和分
布式人工智能的迅速发展，它将成为新一代数控系统的发展趋势。世纪之交的Internet
/Intranet将迎来全球化的网络时代，它将会更迅猛地推动数控技术的发展。抓住机遇，
努力创新,这是我国制造业肩负的历史使命。
*国家“九五”攻关课题资助项目(97—776—02—08）
作者简介：王治森 男，1936年生。合肥工业大学(合肥市 230009)CIMS研究所所长，
教授、博士研究生导师，中国机电一体化应用技术协会理事。主要研究方向为数控技术
、柔性制造技术和CAD/CAM技术。曾获国家科委863/自动化领域课题一等奖1项和省部级
科技进步奖5项。发表论文90余篇。
作者单位：吴焱明、王纯贤、赵福民、张 勇：合肥市 230009 合肥工业大学
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