我國輪胎裝備智能化發(fā)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(yè)正在經(jīng)歷轉(zhuǎn)型升級的歷史階段，在智能化浪潮下，企業(yè)轉(zhuǎn)型升級加速，產(chǎn)品品質(zhì)和品牌影響力快速提升[1-2]。雖面臨新冠肺炎疫情、國際貿(mào)易壁壘等不確定性因素影響，中國輪胎企業(yè)快速增長的步伐未曾停止。

中國制造2025、德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)計劃等都將制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級提升到國家戰(zhàn)略高度，智能化發(fā)展已成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要方向[3-4]。與德國、美國等傳統(tǒng)制造業(yè)強國相比，我國裝備制造業(yè)基礎(chǔ)薄弱，行業(yè)之間、企業(yè)之間發(fā)展不平衡，中國制造業(yè)從1.0—3.0時代同步向4.0時代轉(zhuǎn)型。對輪胎行業(yè)而言，現(xiàn)存的行業(yè)基礎(chǔ)不平衡現(xiàn)象尤其明顯，企業(yè)之間具備智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)能力存在巨大差異[5-7]。

根據(jù)國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，新一代智能制造系統(tǒng)是由人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)有機集成的綜合智能系統(tǒng)。人在智能制造系統(tǒng)中居于核心位置，是信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的創(chuàng)造者，同時也是系統(tǒng)的使用者、運營者和管理者，整個智能制造系統(tǒng)的目的仍然是為人類服務(wù)。

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

1 智能技術(shù)賦能輪胎行業(yè)轉(zhuǎn)型升級

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

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

新一代智能制造技術(shù)包括5G、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，這些技術(shù)可以從設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)傳輸、自動化控制、分析決策等層面提高制造系統(tǒng)的自適應(yīng)、自決策等能力，輪胎行業(yè)智能化升級需求引領(lǐng)、倒逼輪胎裝備智能升級[8-9]。

2 智能化發(fā)展賦予我國輪胎裝備實現(xiàn)飛躍的新機遇

2.1 輪胎裝備已形成成熟的產(chǎn)業(yè)積累

雖然我國輪胎裝備企業(yè)起步晚，但憑借其在裝備制造領(lǐng)域的深耕，已經(jīng)取得巨大的進步。中國是全球輪胎發(fā)展的重要市場，各大輪胎企業(yè)紛紛在中國建廠，給我國輪胎裝備企業(yè)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(yè)，眾多輪胎裝備企業(yè)憑借其優(yōu)異的產(chǎn)品、高性價比、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和靈活快速的交付能力進入了頂端輪胎企業(yè)的供應(yīng)商行列。根據(jù)《歐洲橡膠雜志》（ERJ）2020年發(fā)布的橡膠裝備企業(yè)排名，全球前36名中，中國企業(yè)占據(jù)14席，中國是進入企業(yè)排名最多的國家。

我國輪胎裝備企業(yè)在發(fā)展的同時，對輪胎生產(chǎn)工藝、裝備研發(fā)設(shè)計、加工制造等各環(huán)節(jié)進行了深入研究，與國外輪胎裝備企業(yè)的差距逐漸縮小，甚至在某些產(chǎn)品上更富有競爭力。我國輪胎裝備由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)型，由追趕者的狀態(tài)向引領(lǐng)者挺進，這個過程得益于中國更加開放的市場環(huán)境、更加健全的生產(chǎn)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(fā)展提供新機遇

輪胎產(chǎn)業(yè)鏈各企業(yè)積極擁抱智能化，推進傳統(tǒng)制造業(yè)向數(shù)字化和智能化模式轉(zhuǎn)型主要表現(xiàn)在兩個方面，一是自身管理對數(shù)字化和智能化制造轉(zhuǎn)型的需求，以及企業(yè)對輪胎品質(zhì)和精益生產(chǎn)的追求，要求企業(yè)管理和設(shè)備能力必須向智能化轉(zhuǎn)型；二是輪胎的流通或者商業(yè)環(huán)境，例如需求側(cè)的個性定制、輪胎射頻識別（RFID）溯源等，倒逼企業(yè)的數(shù)字化制造轉(zhuǎn)型。

隨著智能技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的興起，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)開始深度融合。從國家戰(zhàn)略到地方產(chǎn)業(yè)政策，從行業(yè)推動到企業(yè)主導，從智能產(chǎn)品到智能裝備、智能生產(chǎn)線、智能車間、智能工廠，輪胎生產(chǎn)行業(yè)和輪胎制造裝備企業(yè)借助新技術(shù)不斷進行產(chǎn)品的升級改造，助推輪胎行業(yè)的快速發(fā)展，進一步提升了輪胎裝備行業(yè)的競爭力[10]。

2.3 輪胎裝備智能化升級仍面臨巨大挑戰(zhàn)

雖然我國輪胎裝備發(fā)展已經(jīng)具有較好的產(chǎn)業(yè)積累，同時遇到最好的智能化升級時代，但輪胎裝備企業(yè)仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

大環(huán)境不確定給輪胎裝備行業(yè)發(fā)展增加了不確定因素。新冠肺炎疫情對全球經(jīng)濟產(chǎn)生巨大沖擊，全球貿(mào)易處于低位運行狀態(tài)；中美貿(mào)易摩擦、局部貿(mào)易保護主義抬頭給全球經(jīng)濟帶來眾多不確定性；國內(nèi)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革等一系列因素致使輪胎行業(yè)市場競爭異常激烈，輪胎行業(yè)處于去產(chǎn)能狀態(tài)，從內(nèi)外部來看，輪胎裝備需求不強勁。

輪胎裝備研發(fā)基礎(chǔ)需長期積累，輪胎產(chǎn)品品質(zhì)需進一步提升。與國外優(yōu)秀裝備企業(yè)相比，我國輪胎裝備企業(yè)在行業(yè)積累方面偏薄弱，雖然在研發(fā)設(shè)計、基礎(chǔ)理論研究、加工制造等領(lǐng)域進行了巨大的投入，在產(chǎn)品深層次機理、技術(shù)細節(jié)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(yè)眾多，數(shù)據(jù)具有異源、異構(gòu)特性，數(shù)據(jù)之間標準性差，數(shù)據(jù)之間多關(guān)聯(lián)、強耦合，數(shù)據(jù)噪音大[11]。輪胎生產(chǎn)過程中的大數(shù)據(jù)特性與制造業(yè)對大數(shù)據(jù)的專業(yè)性、時序性、關(guān)聯(lián)性和流程性要求之間存在沖突。大數(shù)據(jù)蘊藏著巨大的價值，通過大數(shù)據(jù)探尋設(shè)備深層次原因，運用好大數(shù)據(jù)對產(chǎn)品機理、過程優(yōu)化、設(shè)備管理具有重要的價值。

3 我國輪胎裝備智能化發(fā)展途徑

隨著智能化的發(fā)展，裝備產(chǎn)品的復雜性持續(xù)增大，傳動和控制技術(shù)越來越復雜和多樣化，生產(chǎn)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(tǒng)、生產(chǎn)工序和智能制造體系，輪胎裝備在擁抱智能化發(fā)展的同時，在物理系統(tǒng)層面，必須首先要解決復雜系統(tǒng)的可靠性問題；在信息系統(tǒng)層面，要抓住智能制造的核心基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)；推動輪胎生產(chǎn)關(guān)鍵影響環(huán)節(jié)的無人化；保證人在智能系統(tǒng)中的核心地位，增強用戶智能交互和體驗，有序推進產(chǎn)業(yè)的智能化升級。

3.1 夯實物理系統(tǒng)——輪胎生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性

工業(yè)4.0絕不僅僅是靠構(gòu)建信息物理系統(tǒng)（CPS）網(wǎng)絡(luò)就能實現(xiàn)的。德國推出工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是其具備強大的工業(yè)基礎(chǔ)，在研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造等領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗。中國輪胎制造是在1.0—3.0并存的情況下開展的，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱。智能制造是一項使能技術(shù)，可靠的系統(tǒng)疊加智能系統(tǒng)后會更加強壯，脆弱系統(tǒng)疊加智能系統(tǒng)后會不堪一擊。在提升輪胎裝備穩(wěn)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(tǒng)的有效方法。智能橡膠裝備、智能工廠是一個復雜的系統(tǒng)，零部件之間、產(chǎn)品之間的強耦合難以對產(chǎn)品進行有效的管理，通過模塊化方式將復雜產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為具有標準接口的模塊和產(chǎn)品平臺，可有效簡化產(chǎn)品管理難度，在保證小模塊穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上促成大系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。對于智能制造而言，只有更好的模塊化設(shè)計產(chǎn)品，才能在制造環(huán)節(jié)更有效地提升流程效率，實現(xiàn)智能化的產(chǎn)品要素[13]。

穩(wěn)定可靠是產(chǎn)品的基礎(chǔ)，我國大部分輪胎裝備在產(chǎn)品的一致性、穩(wěn)定性方面還有進步的空間，這是產(chǎn)品發(fā)展的桶底工程?？煽啃怨こ淌且惶紫到y(tǒng)的產(chǎn)品發(fā)展理論，涉及到產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品加工制造和運營維護管理。在設(shè)計端，通過可靠性設(shè)計消滅前期故障，在產(chǎn)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(shù)疊加至產(chǎn)品上會導致產(chǎn)品更加復雜，缺少模塊的基礎(chǔ)，產(chǎn)品內(nèi)部的耦合性更強，故障率更高；缺少穩(wěn)定性的產(chǎn)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(tǒng)——輪胎生產(chǎn)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)利用

大數(shù)據(jù)思維注重的是對象之間的相互關(guān)系，它是以大見小的思維方式，能夠?qū)π问蕉鄻拥臄?shù)據(jù)進行監(jiān)控、操作，總體把握、全局掌控事物的發(fā)展變化[14-15]。

數(shù)據(jù)是未來制造業(yè)的“石油”，大數(shù)據(jù)將傳統(tǒng)工業(yè)中的隱形因素、生產(chǎn)流程和操作經(jīng)驗顯性化。傳統(tǒng)生產(chǎn)中的諸多不可見問題，必須在故障和問題發(fā)生之后才能發(fā)現(xiàn)。在智能時代，通過大數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)輪胎生產(chǎn)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、清洗、篩選、算法分析等，提前對內(nèi)襯層生產(chǎn)電動機、成型機的關(guān)鍵核心單元進行故障預測，降低設(shè)備的非計劃停機風險；通過對輪胎成型、檢測環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)分析，建立胎坯質(zhì)量預測系統(tǒng)，提升胎坯成型質(zhì)量。

目前，輪胎行業(yè)數(shù)據(jù)集成和共享水平處于初級階段，掌握大數(shù)據(jù)并不代表擁有了“金礦”。來源于不同環(huán)節(jié)、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在差異，制造數(shù)據(jù)缺少標簽，數(shù)據(jù)噪音大、可信度低等，如果不能對數(shù)據(jù)進行有效的分類聚合、流轉(zhuǎn)和分析，大數(shù)據(jù)仍將成為生產(chǎn)過程中的負擔。新一代智能制造通過深度融合數(shù)理建模與大數(shù)據(jù)智能建模所形成的混合建模方法，將推動復雜系統(tǒng)分析方法從“強調(diào)因果關(guān)系”的模式向“強調(diào)關(guān)聯(lián)關(guān)系”的創(chuàng)新模式轉(zhuǎn)變，進而向“關(guān)聯(lián)關(guān)系”與“因果關(guān)系”深度融合的先進模式發(fā)展，從根本上提高復雜制造系統(tǒng)建模和分析的能力[16]。

輪胎行業(yè)需充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)價值，以用戶為中心，通過大數(shù)據(jù)將產(chǎn)品設(shè)計、市場銷售、用戶使用和售后服務(wù)等環(huán)節(jié)連接，打通生產(chǎn)全流程，讓用戶參與產(chǎn)品設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)備運行各環(huán)節(jié)信息的透明化，創(chuàng)新資源配置方式和生產(chǎn)組織模式，準確滿足客戶的個性化需求，實現(xiàn)協(xié)同研發(fā)、協(xié)同制造。

3.3 以人為核心，解決輪胎生產(chǎn)關(guān)鍵影響因素

目前，大部分輪胎企業(yè)數(shù)字化、智能化程度不高，在輪胎生產(chǎn)過程中，人的操作給輪胎質(zhì)量帶來很多不確定因素。輪胎行業(yè)智能化發(fā)展的路徑之一是通過智能技術(shù)將輪胎生產(chǎn)中人的寶貴經(jīng)驗知識數(shù)字化，同時要解決人在關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的負面影響。

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

智能車間向少人化、無人干涉方向發(fā)展。國內(nèi)已經(jīng)建立的智能車間，通過智能搬運、智能輸送技術(shù)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(shù)據(jù)可視化、分析技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)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(shù)、新業(yè)務(wù)模式提高了消費者的期望和權(quán)能。用戶體驗與交互不再局限于心理和情感反應(yīng)，未來向人的知識、設(shè)備認知方向發(fā)展。

由于客戶更關(guān)注產(chǎn)品使用中的價值，輪胎裝備在向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型的過程中，要持續(xù)為客戶提供價值。大批量生產(chǎn)向大規(guī)模定制轉(zhuǎn)型，用戶角色與地位進一步提升，更多用戶參與到產(chǎn)品設(shè)計和價值創(chuàng)造環(huán)節(jié)[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(jié)束，而是設(shè)備生命運維、管理的開始，需要借助智能化技術(shù)為產(chǎn)品生命周期使用提供便利性、易用性?？蛻魧Ξa(chǎn)品的體驗體現(xiàn)在設(shè)備的操作、更體現(xiàn)在設(shè)備的便利性、決策的易用性等方面。

更強的智能交互體現(xiàn)在設(shè)備的使用、運維、交流等環(huán)節(jié)。通過數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)增強用戶沉浸感、重現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用場景。例如，通過大數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化，企業(yè)可以對設(shè)備實時運行狀態(tài)進行監(jiān)控，實現(xiàn)對運營過程的遠程控制、診斷和服務(wù)，降低運營、維修等服務(wù)成本。為提高設(shè)備操作效率，虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）/混合現(xiàn)實（MR）等技術(shù)將發(fā)揮關(guān)鍵作用，通過MR在工業(yè)裝配和維護過程中實現(xiàn)對員工的虛擬培訓[18]。

5G技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用為制造業(yè)帶來高速率、低時延、高可靠、大容量的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，AR/MR等智能技術(shù)和產(chǎn)品融合將進一步增強設(shè)備的交互性和沉浸式體驗[19-21]。

4 軟控在輪胎智能化發(fā)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(yè)20年，積極擁抱智能化發(fā)展，致力于將20年裝備制造經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為工業(yè)智能。軟控以智能橡膠裝備研發(fā)平臺為基礎(chǔ)，提供輪胎生產(chǎn)全流程80%以上的核心智能裝備，累計交付智能工廠和數(shù)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(zhì)為基礎(chǔ)。將產(chǎn)品模塊化、標準化和可靠性作為智能裝備提升的基礎(chǔ)。公司推行全系列產(chǎn)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(chǎn)線等產(chǎn)品。將可靠性系統(tǒng)工程理論貫穿于產(chǎn)品全流程中，以虛擬測試和物理測試雙輪驅(qū)動產(chǎn)品和技術(shù)的迭代升級，形成對產(chǎn)品關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵部套單元和整機的產(chǎn)品測試平臺。

（2）堅持創(chuàng)新引領(lǐng)。中國智能制造在設(shè)備管理服務(wù)、生產(chǎn)過程管控等環(huán)節(jié)應(yīng)用的案例和場景最多，這正是輪胎裝備的主戰(zhàn)場，軟控加強設(shè)備遠程運營維護、MR交互平臺、設(shè)備故障診斷、大數(shù)據(jù)預測分析、機器視覺等技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用場景推廣。

（3）堅持標準引領(lǐng)。軟控主導的輪胎用RFID 4項國際標準已經(jīng)發(fā)布；聯(lián)合行業(yè)內(nèi)合作伙伴發(fā)布輪胎智能制造6項標準，在數(shù)據(jù)字典、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)可視化、工廠物流、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）部署和設(shè)備健康管理等方面進行了有益的探索和應(yīng)用。

5 結(jié)語

輪胎行業(yè)智能轉(zhuǎn)型升級勢在必行，輪胎裝備作為輪胎生產(chǎn)過程的關(guān)鍵裝備，其產(chǎn)品品質(zhì)和智能化程度決定輪胎品質(zhì)。雖然我國輪胎裝備已經(jīng)形成了一定的產(chǎn)業(yè)積累，但是在產(chǎn)品品質(zhì)提升、智能化應(yīng)用方面還需要進一步增強。

輪胎裝備智能化發(fā)展的途徑主要包括：在物理系統(tǒng)層面提升輪胎裝備的可靠性及品質(zhì)；在新一代信息技術(shù)應(yīng)用方面充分做好大數(shù)據(jù)的收集和分析，利用大數(shù)據(jù)驅(qū)動智能控制和過程優(yōu)化；堅持以人為核心，減少人對輪胎生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的非必要影響；轉(zhuǎn)變產(chǎn)品交互方式，加強人與設(shè)備的智能交互。

提升產(chǎn)品品質(zhì)是輪胎裝備的存在基礎(chǔ)，激活大數(shù)據(jù)的能力是實現(xiàn)輪胎裝備飛躍的關(guān)鍵因素；未來輪胎行業(yè)的智能化發(fā)展將以人為核心，減少輪胎生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(fā)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(yè)參與，爭取實現(xiàn)更大的發(fā)展。