一、需求分析

1.1 智能化数控系统需求分析

数控系统是代替人工操作完成加工过程的控制中心，其发展历程与工业革命的进程息息相关。随着制造业的迅猛发展与信息技术的不断革新，数控系统已经由最初的 “NC” 阶段发展到如今的 “CNC” 阶段。新一代智能制造技术赋予数控系统感知、学习、决策及自主执行的能力，数控系统向 “Intelligent CNC” 阶段迈进，实现智能化转型已经成为必然趋势。

图 1 数控系统发展历程

目前，国内外对智能化数控系统的研究主要集中于工艺优化、加工过程实时监测、误差补偿、质量监测以及系统预测性维护等单一智能化功能的实现，对于智能化数控系统尚未形成一个明确的定义。但学术界与工业界普遍认可智能化数控系统不再是狭义上服务单台机床的操作系统，而是一种结合了人工智能和数控技术的新型数控系统，是从单一数控产品到服务和集成解决方案提供者的全面转变。

表 1 国内外智能化数控系统技术

随着智能制造的深入实施，物联网、人工智能和边缘计算等技术的飞速发展在为智能化数控系统的研制创造了条件的同时也对其提出了如下智能化需求：

感知智能化：感知数据包含内部数据和外部数据两部分。内部数据反映机床内部状态，如电源状态、操作模式等；外部数据是由振动、温度等传感器收集的过程监测数据。随着传感器技术发展，感知数据具有海量、多源异构等大数据特征。实现异构多源数据的泛在感知，打破数据孤岛，实现装备间互联互通，成为智能制造对智能化数控系统的首要要求。

加工智能化：通过智能化感知获取车间、机床及加工过程信息，利用算力和智能算法挖掘知识，赋予机床自主学习、优化、决策与执行能力。通过建立模型、生成知识，实现基于数据和模型的混合驱动，根据模型预测优化工艺，提升加工质量和效率，这是智能制造对智能化数控系统功能的根本要求。

维护智能化：数控机床加工环境恶劣，故障概率高，故障预测和健康管理水平影响企业营收。每年因机床故障造成的损失高达数千亿元，机床的实时状态检测、故障诊断和预测性维护是保障生产的重要手段。维护智能化通过智能算法分析数控系统模型，提前预警问题并给出控制指令，避免损失，是智能制造对智能化数控系统的核心要求。

操作智能化：目前多数商用机床操作方式局限于固定控制面板，限制了智能化数控系统的决策支持和人机交互能力。提供多种 HMI 和丰富人机交互方式，方便不同人员与机床交互，已逐步成为智能制造对智能化机床的基本要求。

管理智能化：操作智能化方便车间 / 工厂管理者了解情况，在智能制造背景下，智能化数控系统可能涉及多个模块协同生产。管理智能化要求系统为上层管理者提供更多功能，如监控运行状态、分析效率和能耗等，帮助掌握生产情况，完善生产管理，是智能制造对智能化数控系统的重要要求。

1.2 标准化需求分析

标准是对重复性事物和概念的统一规定，标准化是综合性技术基础和科学管理手段。世界各制造强国重视智能制造顶层设计，开展标准化工作。德国完善《工业 4.0 标准化路线图》，构建参考模型框架；美国从产品、生产系统与业务维度打造标准生态；日本推出工业价值链参考架构。国际标准化组织 IEC/TC65 和 ISO/TC184 联合成立工作组制定智能制造相关标准。我国发布《国家智能制造标准体系建设指南》，启动相关标准研究编制工作。

近年来，我国制定了机床工具行业 “十四五” 发展规划，强调技术创新的重要性。数控系统技术水平影响数控机床产业发展，标准化贯穿其技术研究和应用阶段。我国政府与企业认识到数控系统标准化工作的重要性，截至目前，共制定数控系统相关标准 130 余项，其中国家标准 50 余项。国际上，数控系统技术标准主要出自国际标准化组织 ISO/TC 184/SC1 和国际电工委员会 IEC/TC 44 两个标委会。

图 2 数控技术国际标准体系

随着技术发展，数控系统不断演化。传统数控系统多采用封闭式结构，开放式及 PC 技术推动其走向开放，降低使用成本。我国制定《GB/T18759 机械电气设备 开放式数控系统》系列标准，规定了相关内容。国际上，我国主导制定的 ISO23218 系列国际标准建立了数控系统基本性能指标评价体系，解决了多项难题。

作为数控机床核心部件的数控系统正经历变革，人工智能等技术催生了智能化数控系统，我国现有数控系统标准体系难以满足产业发展需求。目前，我国智能化数控系统标准体系缺失，相关术语及准则未统一规范，关键技术标准空白，标准化工作处于起步阶段。

《GB/T18759 机械电气设备 开放式数控系统》、ISO23218《工业自动化系统与集成 机床数控系统》等系列标准为智能化数控系统技术和标准体系构建奠定了基础，建立智能化数控系统标准体系、推动相关标准研制成为现阶段智能制造亟需解决的问题。

二、智能化数控系统标准体系

构建标准体系是运用系统论指导标准化工作的方法。标准体系是一定系统范围内，具有内在联系的标准组成的科学有机整体，是促进智能化数控系统相关技术标准达到科学、完备、有序的基础，是包含现有和未来发展的全面标准化规划蓝图。建立健全、完善的标准体系是开展智能化数控系统标准化工作的基础，也能为我国智能化数控系统研制及落地应用提供切实指导。

2.1 智能化数控系统标准体系结构

本文根据《国家智能制造标准体系指南》，从产品周期、系统层级和智能功能等三个维度对智能化数控系统所涉及的要素、装备、活动等内容进行描述，构造通用概念化框架，旨在明确智能化数控系统标准化的对象及范围，使用统一的标准化框架归档、集录差异化的执行方式。智能化数控系统架构的三维结构中，产品生命周期维度涵盖设计、生产、使用、维护及回收等阶段，各活动可迭代优化；系统层级根据数控系统生产活动相关组织结构层级划分为设备级、单元级、车间级、企业级和协同级；智能特征由感知连接、学习建模、评估优化、决策控制和系统集成等五个层级构成，描述了智能化数控系统的多项功能表征。

图 3 智能化数控系统架构三维结构图

在此基础上，依据 GB/T13016 - 2018《标准体系构建原则和要求》，按照 “目标明确、全面成套、层次适当、划分清楚” 的原则，建立智能化数控系统标准体系结构，覆盖智能化数控系统全生命周期，凝练关键技术。该标准体系结构包括基础共性标准和关键技术标准两大类共七个部分。

图 4 智能化数控系统标准体系结构图

2.2 智能化数控系统标准体系框架

标准体系框架以体系结构为基础，按层级逐步展开，包含了智能化数控系统标准体系的基本组成单元。

图 5 智能化数控系统标准体系框架

三、智能化数控系统基础共性标准

基础共性标准能够统一智能化数控系统的相关概念，解决共性关键问题，包括通用标准、安全标准和测评标准 3 大部分。

图 6 智能化数控系统基础共性标准子体系

3.1 通用标准

通用标准包含术语定义和通用要求两部分。术语定义标准统一智能化数控系统相关概念，规范缩略语、符号和代号等，明确其定义、功能和应用场景，为其他标准制定提供基础支撑。通用要求标准定义设计、生产和使用智能化数控系统的一般要求和指导方针，涵盖智能化功能、性能、安全可信、测评和应用等要求。

3.2 安全标准

安全问题贯穿智能化数控系统全生命周期和系统层级各层次。安全标准保障系统研制、使用和运维过程中的安全可信性，是建立通用、高性能智能化数控系统的必要条件。安全标准由安全要求与可信智能两方面内容构成。安全要求涵盖信息安全标准（保障可用性、完备性和保密性）和功能安全标准（避免危险时系统失效）。可信智能标准保证系统的可解释性、无歧视性、安全与隐私和可问责性。

3.3 测评标准

智能化数控系统测评标准为设计者、制造者与用户等利益相关方提供数控系统功能和性能的标准化测试方法和全面的评价指标体系，帮助判断系统是否满足预期要求。该测评标准包含测评通用要求、指标体系、测评方法和测评技术等四部分内容。测评通用要求指导测试验证及评估过程，确保规范性、公平性、准确性和可靠性；指标体系标准帮助相关方了解系统功能及性能，把握系统情况，推进智能化水平提升；测评方法标准提供统一规范的测评流程，明确测评对象、内容和方式等，并对结果进行标准化分析；测评技术标准规范测评过程中使用的具体手段，如软件、硬件、在线实时和离线仿真测评等。

四、智能化数控系统关键技术标准

关键技术标准用于规范智能化数控系统研制及使用过程中所涉及关键技术要求，主要包含体系结构、统一模型、感知与智能边缘单元，以及智能部署与应用规范。

图 7 智能化数控系统关键技术标准子体系

4.1 智能化数控系统体系结构标准

智能化数控系统在硬件上集成云计算和边缘计算服务器集群，软件上融合多种技术。智能化数控系统体系结构标准指定数控系统的组织结构和拓扑结构，显示系统需求及构成元素间的对应关系，规范硬件平台，定义软件平台基础功能组件及其主要功能模块，明确互联互通及互操作要求，提供可扩展体系结构。

图 8 智能化数控系统体系结构标准子体系

智能化数控系统硬件平台标准主要规范物理设备配置，包括感知配置、计算配置、执行器配置和安全配置 4 个部分。感知配置规范物理层数据感知要求，明确内部和外部数据来源；计算配置规范运行所需设备组件，包括云组件和边缘组件；执行器配置规范执行控制命令所需组件；安全配置规范物理层相关安全要求。

智能化数控系统软件平台标准从机加流程角度，规范实现感知连接、学习建模、评估优化和决策控制等功能的相关组件及功能模块要求。功能组件是实现单独功能的控制器组成部分，功能模块实现功能组件中的功能，具有数据接口，可按需选配连接。感知连接标准规范数据预处理和特征提取技术要求；学习建模标准规范建立数字孪生模型及自主学习生成知识的技术要求；评估优化标准规范评估任务计划和相关事件，进行多目标迭代优化并形成策略的技术要求；决策控制标准规范任务决策和执行控制指令的技术要求，包括任务分解和排序等。

互联互通及互操作标准统一智能化数控系统装置、装备间互联互通及互操作规范，包含总线接口与协议规范和网络接口与协议规范 2 个部分。总线接口与通信协议规范规定系统中总线接口和通信协议，支持装置间传输命令及应答；网络接口与通信协议规范规定网络接口和通信协议，为数控装备间及其与上层生产线或工厂间的互联互通及互操作提供支撑。

4.2 统一模型

数字孪生是工业 4.0 发展较快的技术之一，数控系统的数字孪生模型是智能化数控系统对外部世界的内部表达，是实现智能化的核心，能反映机床和加工过程的属性和状态，提供决策支持。统一模型标准主要对智能化数控系统的数字孪生模型建模技术进行规范，包括智能体领域模型、数字孪生模型构建方法和模型管理 3 个部分。

图 9 智能化数控系统统一模型标准子体系

智能体领域模型标准从系统工程角度，将智能化数控系统看作智能体，根据美国国家标准与技术研究院对智能体的定义，在数控系统数字孪生体系结构基础上，将智能化数控系统抽象为六元组，规范外部应用组件和内部智能元素的技术要求，包括六元组定义、功能要求、性能要求和交互方式等。

数字孪生模型构建标准规范对外部环境和系统本身构建数字孪生模型的技术标准，包括可视化模型和语义模型 2 部分。可视化模型规范相关技术要求，帮助直观认识物理对象，包括可视化理论、建模规则、方法、工具和人机交互规范等；语义模型规范对采集数据进行结构化管理和分析处理的技术要求，由信息模型、机理模型和数据库构成，包括语义模型组成、建模规则、各模型构建方法及数据库构建方法等。

模型管理标准主要规范数字孪生模型管理相关技术，包括模型验证、模型库和模型更新与优化 3 部分内容。模型验证规范确保模型与物理实体行为一致的技术要求，包括验证环境、方法、功能和性能验证等；模型库规范确保模型可复用、可维护和可扩展的技术要求，包括组装耦合、封装格式、接口和存储等；模型更新与优化规范确保模型可靠性和忠诚度的技术要求，包括数据来源、约束条件、更新周期、优化目标、方法等。

4.3 智能边缘单元

随着智能制造深入实施，人工智能算法发展对智能化数控系统提出更高要求。传统数控系统计算能力有限，早期将数据上传至云数据中心的方式，因工业物联网普及带来的数据量和计算量增长，以及网络环境问题，无法满足数据实时交互需求。边缘智能单元由云计算、边缘计算与人工智能融合而成，能利用数控系统边缘和终端的嵌入式计算能力，为智能化数控系统落地应用提供保障。

目前，现场级制造资源包含大量边缘设备，为突破场景限制，构建面向基准能力的技术标准体系，从边缘终端、边缘服务器、连接交互、数据管理等 4 部分，对智能化数控系统的数据感知和基于边缘计算的数据处理相关技术进行规范，建立智能边缘单元标准子体系。

图 10 智能化数控系统感知与智能边缘单元标准子体系

边缘终端一般由具备一定数据处理等能力的设备组成。边缘终端标准明确终端设备并规范相关技术要求，包括通用要求（数据处理、网络通信和存储要求等）、构成与分类、功能要求（资源管理、边缘感知、分析、优化、控制等）。

边缘服务器集群包含多个服务器，除基础模块外还有云核组件、控制节点和边缘核组件。边缘服务器标准与边缘终端标准类似，明确服务器设备并规范通用要求、构成与分类和功能要求。

智能边缘单元支持多源传感器数据与实时加工数据集成融合，连接交互标准规范连接交互技术要求，通过多协议通信技术融合不同数控系统通信协议，包括连接要求（边缘终端间、与边缘服务器间、边缘服务器间、与数控系统间连接要求）、交互方式（数据、模型与服务的交互方式）和多边协同（端 - 边、边 - 云、端 - 云、端 - 边 - 云协同等技术要求）。

智能边缘单元的数据具有多源异构特征，数据管理标准规范数据处理及存储技术要求，包括数据清洗（数据来源、格式和清洗要求等）、数据融合（预处理、传输、标准化、降噪和特征提取等）、数据处理（处理架构、要求、方法和存储等）。

4.4 智能部署与应用 APP 规范

智能边缘单元可通过分布式协同计算提供低延迟、高可靠性计算服务，数控系统层次化结构允许分布式部署智能元素。通过使用容器化架构部署服务，在网络边缘训练和部署深度学习模型，能降低通信成本，提高实时性能，为用户提供高效智能服务。

图 10 智能化数控系统感知与智能边缘单元标准子体系

智能化数控系统利用分布式计算和虚拟资源管理技术，形成共享资源池，按需分配服务。智能部署标准规范在云、边设备上部署数字孪生模型和执行数据处理任务的技术要求，包括模型训练（为智能算法通用模型训练技术提供统一规范，包括训练要求、方法和性能要求等）和推理执行（规范智能算法模型推理执行过程的技术要求，包括模型分割、协同推理、精度和响应速度要求等）。

应用 APP 规范标准为智能化数控系统的服务提供通用范式和特定领域可扩展技术规范框架，包括系统集成服务（规范各功能服务集成技术要求，如集成平台、模型和智能功能集成等）、应用 APP 要求（规范服务功能相关要求，如云服务和微服务要求）、应用 APP 管理（规范服务管理技术要求，如测试、更新、调度、协作和安全等）、应用 APP 评价（面向用户规范评价标准，包括评价原则、程序、内容、指标、模型和方法等）。

图11 智能化数控系统智能部署与应用 APP 规范标准子体系

五、智能化数控系统标准体系的应用与展望

高端机床是制造业基石，数控系统作为其 “大脑”，关系国防与产业安全。随着新一代信息技术与先进制造技术融合，数控系统进入智能化发展新阶段。开展智能化数控系统标准体系研究，有助于厘清标准化工作思路，避免技术标准冗余或空缺，明确工作重点，加快数控系统智能化发展，推动其落地实施和应用推广。

目前，智能化数控系统关键技术及标准研究虽有进展，但缺乏体系化研究，现有智能化技术研究存在碎片化、重叠化现象，理论研究与实际应用和标准制定脱节。亟需依据智能化数控系统标准体系，坚持问题导向，确定重点标准，完善适应新形势的标准体系。

六、结语

智能制造，标准先行。标准体系框架是数控产业发展的战略顶层设计，是指导我国机床数控系统行业可持续发展、推进智能化数控系统发展的基础。标准是推动产品迈向中高端、促进产业转型升级、增强核心竞争力的战略技术支撑。本文提出的智能化数控系统标准体系期望为智能化数控系统发展提供体系化支撑，为相关标准制定提供指导，通过标准的制定与实施应用，提升工业母机产业链自主可控能力，助力传统制造业向智能制造转型升级。

作者：薛瑞娟 王楚婷 于东 黄祖广