我國輪胎裝備智能化發展的思考及實踐

官炳政

（軟控股份有限公司，山東 青島 266045）

目前，中國輪胎行業正在經歷轉型升級的歷史階段，在智能化浪潮下，企業轉型升級加速，產品品質和品牌影響力快速提升[1-2]。雖面臨新冠肺炎疫情、國際貿易壁壘等不確定性因素影響，中國輪胎企業快速增長的步伐未曾停止。

中國制造2025、德國工業4.0、美國工業互聯網計劃等都將制造業轉型升級提升到國家戰略高度，智能化發展已成為制造業轉型升級的主要方向[3-4]。與德國、美國等傳統制造業強國相比，我國裝備制造業基礎薄弱，行業之間、企業之間發展不平衡，中國制造業從1.0—3.0時代同步向4.0時代轉型。對輪胎行業而言，現存的行業基礎不平衡現象尤其明顯，企業之間具備智能化轉型的基礎能力存在巨大差異[5-7]。

根據國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》，新一代智能制造系統是由人、信息系統和物理系統有機集成的綜合智能系統。人在智能制造系統中居于核心位置，是信息系統和物理系統的創造者，同時也是系統的使用者、運營者和管理者，整個智能制造系統的目的仍然是為人類服務。

智能化為中國輪胎裝備的發展提供了新的歷史機遇和挑戰。目前，中國輪胎企業智能制造轉型升級的熱情和參與度很高，輪胎裝備的智能化發展如火如荼，中國輪胎裝備的智能化發展值得全行業認真思考與積極實踐。

1 智能技術賦能輪胎行業轉型升級

輪胎行業面臨客戶需求越來越多、個性化定制需求旺盛、企業輪胎型號眾多、成本上漲、管理復雜度提高、生產過程不可控因素增多等諸多問題。輪胎行業現有的生產模式難以滿足客戶不斷增長的個性化需求，迫切需要轉型升級，智能化發展是解決輪胎企業不確定性、多樣性的有效手段，可以提升企業資源配置效率和產品品質，提升企業的競爭力。

輪胎裝備是連接物料和人、承載輪胎生產工藝方法的載體，作為輪胎生產過程中的核心工具，輪胎裝備的品質和智能化程度決定輪胎企業智能化的進程，進而影響輪胎品質。

新一代智能制造技術包括5G、物聯網、信息物理系統、云計算和大數據等技術，這些技術可以從設備互聯、數據傳輸、自動化控制、分析決策等層面提高制造系統的自適應、自決策等能力，輪胎行業智能化升級需求引領、倒逼輪胎裝備智能升級[8-9]。

2 智能化發展賦予我國輪胎裝備實現飛躍的新機遇

2.1 輪胎裝備已形成成熟的產業積累

雖然我國輪胎裝備企業起步晚，但憑借其在裝備制造領域的深耕，已經取得巨大的進步。中國是全球輪胎發展的重要市場，各大輪胎企業紛紛在中國建廠，給我國輪胎裝備企業提供了與高端客戶開展合作的良好機遇，也形成了全門類的輪胎裝備企業，眾多輪胎裝備企業憑借其優異的產品、高性價比、優質的服務和靈活快速的交付能力進入了頂端輪胎企業的供應商行列。根據《歐洲橡膠雜志》（ERJ）2020年發布的橡膠裝備企業排名，全球前36名中，中國企業占據14席，中國是進入企業排名最多的國家。

我國輪胎裝備企業在發展的同時，對輪胎生產工藝、裝備研發設計、加工制造等各環節進行了深入研究，與國外輪胎裝備企業的差距逐漸縮小，甚至在某些產品上更富有競爭力。我國輪胎裝備由“中國制造”向“中國創造”轉型，由追趕者的狀態向引領者挺進，這個過程得益于中國更加開放的市場環境、更加健全的生產保障體系和更加充裕的人才隊伍。

2.2 智能化為輪胎裝備發展提供新機遇

輪胎產業鏈各企業積極擁抱智能化，推進傳統制造業向數字化和智能化模式轉型主要表現在兩個方面，一是自身管理對數字化和智能化制造轉型的需求，以及企業對輪胎品質和精益生產的追求，要求企業管理和設備能力必須向智能化轉型；二是輪胎的流通或者商業環境，例如需求側的個性定制、輪胎射頻識別（RFID）溯源等，倒逼企業的數字化制造轉型。

隨著智能技術和工業互聯網的興起，新一代信息技術與制造業開始深度融合。從國家戰略到地方產業政策，從行業推動到企業主導，從智能產品到智能裝備、智能生產線、智能車間、智能工廠，輪胎生產行業和輪胎制造裝備企業借助新技術不斷進行產品的升級改造，助推輪胎行業的快速發展，進一步提升了輪胎裝備行業的競爭力[10]。

2.3 輪胎裝備智能化升級仍面臨巨大挑戰

雖然我國輪胎裝備發展已經具有較好的產業積累，同時遇到最好的智能化升級時代，但輪胎裝備企業仍面臨著嚴峻的挑戰。

大環境不確定給輪胎裝備行業發展增加了不確定因素。新冠肺炎疫情對全球經濟產生巨大沖擊，全球貿易處于低位運行狀態；中美貿易摩擦、局部貿易保護主義抬頭給全球經濟帶來眾多不確定性；國內供給側結構性改革等一系列因素致使輪胎行業市場競爭異常激烈，輪胎行業處于去產能狀態，從內外部來看，輪胎裝備需求不強勁。

輪胎裝備研發基礎需長期積累，輪胎產品品質需進一步提升。與國外優秀裝備企業相比，我國輪胎裝備企業在行業積累方面偏薄弱，雖然在研發設計、基礎理論研究、加工制造等領域進行了巨大的投入，在產品深層次機理、技術細節方面還需要進行深入研究和機理分析。

輪胎裝備復雜度高、裝備企業眾多，數據具有異源、異構特性，數據之間標準性差，數據之間多關聯、強耦合，數據噪音大[11]。輪胎生產過程中的大數據特性與制造業對大數據的專業性、時序性、關聯性和流程性要求之間存在沖突。大數據蘊藏著巨大的價值，通過大數據探尋設備深層次原因，運用好大數據對產品機理、過程優化、設備管理具有重要的價值。

3 我國輪胎裝備智能化發展途徑

隨著智能化的發展，裝備產品的復雜性持續增大，傳動和控制技術越來越復雜和多樣化，生產工序的用時越來越短，還要滿足客戶的高度個性化需求[12]。面對復雜的裝備系統、生產工序和智能制造體系，輪胎裝備在擁抱智能化發展的同時，在物理系統層面，必須首先要解決復雜系統的可靠性問題；在信息系統層面，要抓住智能制造的核心基礎大數據；推動輪胎生產關鍵影響環節的無人化；保證人在智能系統中的核心地位，增強用戶智能交互和體驗，有序推進產業的智能化升級。

3.1 夯實物理系統——輪胎生產系統的可靠性

工業4.0絕不僅僅是靠構建信息物理系統（CPS）網絡就能實現的。德國推出工業4.0的基礎是其具備強大的工業基礎，在研發設計、生產制造等領域積累了豐富的經驗。中國輪胎制造是在1.0—3.0并存的情況下開展的，產業基礎相對薄弱。智能制造是一項使能技術，可靠的系統疊加智能系統后會更加強壯，脆弱系統疊加智能系統后會不堪一擊。在提升輪胎裝備穩定性和可靠性的過程中，需著重從模塊化和可靠性提升兩個方面開展。

模塊化是解決復雜系統的有效方法。智能橡膠裝備、智能工廠是一個復雜的系統，零部件之間、產品之間的強耦合難以對產品進行有效的管理，通過模塊化方式將復雜產品轉化為具有標準接口的模塊和產品平臺，可有效簡化產品管理難度，在保證小模塊穩定、可靠的基礎上促成大系統的穩定可靠。對于智能制造而言，只有更好的模塊化設計產品，才能在制造環節更有效地提升流程效率，實現智能化的產品要素[13]。

穩定可靠是產品的基礎，我國大部分輪胎裝備在產品的一致性、穩定性方面還有進步的空間，這是產品發展的桶底工程?？煽啃怨こ淌且惶紫到y的產品發展理論，涉及到產品設計、產品加工制造和運營維護管理。在設計端，通過可靠性設計消滅前期故障，在產品的運維階段通過預防性維修控制偶然故障，通過壽命預測降低損耗故障。智能技術疊加至產品上會導致產品更加復雜，缺少模塊的基礎，產品內部的耦合性更強，故障率更高；缺少穩定性的產品是缺少地基的“樓房”，一旦有風險就會坍塌。

3.2 快速提升信息系統——輪胎生產系統大數據利用

大數據思維注重的是對象之間的相互關系，它是以大見小的思維方式，能夠對形式多樣的數據進行監控、操作，總體把握、全局掌控事物的發展變化[14-15]。

數據是未來制造業的“石油”，大數據將傳統工業中的隱形因素、生產流程和操作經驗顯性化。傳統生產中的諸多不可見問題，必須在故障和問題發生之后才能發現。在智能時代，通過大數據可以發現輪胎生產過程中的隱形損耗和不可預知的變化，例如，基于裝備自身的疲勞、振動、噪聲等數據，實現生產過程的數據采集、清洗、篩選、算法分析等，提前對內襯層生產電動機、成型機的關鍵核心單元進行故障預測，降低設備的非計劃停機風險；通過對輪胎成型、檢測環節數據分析，建立胎坯質量預測系統，提升胎坯成型質量。

目前，輪胎行業數據集成和共享水平處于初級階段，掌握大數據并不代表擁有了“金礦”。來源于不同環節、系統的數據結構存在差異，制造數據缺少標簽，數據噪音大、可信度低等，如果不能對數據進行有效的分類聚合、流轉和分析，大數據仍將成為生產過程中的負擔。新一代智能制造通過深度融合數理建模與大數據智能建模所形成的混合建模方法，將推動復雜系統分析方法從“強調因果關系”的模式向“強調關聯關系”的創新模式轉變，進而向“關聯關系”與“因果關系”深度融合的先進模式發展，從根本上提高復雜制造系統建模和分析的能力[16]。

輪胎行業需充分發揮大數據價值，以用戶為中心，通過大數據將產品設計、市場銷售、用戶使用和售后服務等環節連接，打通生產全流程，讓用戶參與產品設計，實現設備運行各環節信息的透明化，創新資源配置方式和生產組織模式，準確滿足客戶的個性化需求，實現協同研發、協同制造。

3.3 以人為核心，解決輪胎生產關鍵影響因素

目前，大部分輪胎企業數字化、智能化程度不高，在輪胎生產過程中，人的操作給輪胎質量帶來很多不確定因素。輪胎行業智能化發展的路徑之一是通過智能技術將輪胎生產中人的寶貴經驗知識數字化，同時要解決人在關鍵生產環節中的負面影響。

智能輪胎裝備成為輪胎生產過程中的新型“智能終端”。輪胎裝備向自動化、智能化方向發展已成為共識。例如，半成品生產過程中通過智能傳感等技術對大型電動機進行故障診斷和預測，可代替通過人眼和經驗判斷；成型工序向無人化發展迅速，設備循環時間進一步縮短，出現智能控制單元、智能傳感技術監測和控制設備貼合、接頭等，可實現設備自診斷、自適應。

智能車間向少人化、無人干涉方向發展。國內已經建立的智能車間，通過智能搬運、智能輸送技術解放人的重復性勞動；在管理決策端，通過MES等管理軟件、大數據可視化、分析技術實現生產過程透明化、決策簡單化。

3.4 以人為核心，增強人機交互

智能化時代下，新技術、新業務模式提高了消費者的期望和權能。用戶體驗與交互不再局限于心理和情感反應，未來向人的知識、設備認知方向發展。

由于客戶更關注產品使用中的價值，輪胎裝備在向服務型制造轉型的過程中，要持續為客戶提供價值。大批量生產向大規模定制轉型，用戶角色與地位進一步提升，更多用戶參與到產品設計和價值創造環節[17]。這些都對輪胎裝備提出更高的交互體驗，為客戶交付智能化解決方案并不代表項目結束，而是設備生命運維、管理的開始，需要借助智能化技術為產品生命周期使用提供便利性、易用性?？蛻魧Ξa品的體驗體現在設備的操作、更體現在設備的便利性、決策的易用性等方面。

更強的智能交互體現在設備的使用、運維、交流等環節。通過數字孿生、虛擬現實等技術增強用戶沉浸感、重現工業應用場景。例如，通過大數據采集、數據可視化，企業可以對設備實時運行狀態進行監控，實現對運營過程的遠程控制、診斷和服務，降低運營、維修等服務成本。為提高設備操作效率，虛擬現實（VR）/增強現實（AR）/混合現實（MR）等技術將發揮關鍵作用，通過MR在工業裝配和維護過程中實現對員工的虛擬培訓[18]。

5G技術的商業化應用為制造業帶來高速率、低時延、高可靠、大容量的網絡環境，AR/MR等智能技術和產品融合將進一步增強設備的交互性和沉浸式體驗[19-21]。

4 軟控在輪胎智能化發展中的實踐

軟控股份有限公司（以下簡稱軟控）深耕輪胎行業20年，積極擁抱智能化發展，致力于將20年裝備制造經驗轉化為工業智能。軟控以智能橡膠裝備研發平臺為基礎，提供輪胎生產全流程80%以上的核心智能裝備，累計交付智能工廠和數字化車間升級改造項目50余項，其主要實踐如下。

（1）堅持品質為基礎。將產品模塊化、標準化和可靠性作為智能裝備提升的基礎。公司推行全系列產品、全要素、全流程模塊化，基于模塊化平臺先后推出PS2A半鋼一次法成型機、TPRO-S全鋼三鼓一次法成型機、BC-6小角度裁斷機、AT3全鋼三角膠生產線等產品。將可靠性系統工程理論貫穿于產品全流程中，以虛擬測試和物理測試雙輪驅動產品和技術的迭代升級，形成對產品關鍵零部件、關鍵部套單元和整機的產品測試平臺。

（2）堅持創新引領。中國智能制造在設備管理服務、生產過程管控等環節應用的案例和場景最多，這正是輪胎裝備的主戰場，軟控加強設備遠程運營維護、MR交互平臺、設備故障診斷、大數據預測分析、機器視覺等技術的研發和應用場景推廣。

（3）堅持標準引領。軟控主導的輪胎用RFID 4項國際標準已經發布；聯合行業內合作伙伴發布輪胎智能制造6項標準，在數據字典、網絡架構、數據可視化、工廠物流、制造執行系統（MES）部署和設備健康管理等方面進行了有益的探索和應用。

5 結語

輪胎行業智能轉型升級勢在必行，輪胎裝備作為輪胎生產過程的關鍵裝備，其產品品質和智能化程度決定輪胎品質。雖然我國輪胎裝備已經形成了一定的產業積累，但是在產品品質提升、智能化應用方面還需要進一步增強。

輪胎裝備智能化發展的途徑主要包括：在物理系統層面提升輪胎裝備的可靠性及品質；在新一代信息技術應用方面充分做好大數據的收集和分析，利用大數據驅動智能控制和過程優化；堅持以人為核心，減少人對輪胎生產關鍵環節的非必要影響；轉變產品交互方式，加強人與設備的智能交互。

提升產品品質是輪胎裝備的存在基礎，激活大數據的能力是實現輪胎裝備飛躍的關鍵因素；未來輪胎行業的智能化發展將以人為核心，減少輪胎生產關鍵環節中人的影響因素，增強人機交互。

目前，中國輪胎裝備智能化發展的實踐在軟控進展良好，未來輪胎裝備智能化實踐需要更多企業參與，爭取實現更大的發展。