大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的輪胎全生命周期管理

孫洪喜，張玉泉，武躍陽(yáng)

（1.青島彎弓信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266042；2.朝陽(yáng)浪馬輪胎有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽(yáng) 122009）

輪胎是安全產(chǎn)品，我國(guó)輪胎的產(chǎn)、銷、用量均居世界第一。輪胎的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、使用和服務(wù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，目前缺乏完善的系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和利用，沒(méi)有形成輪胎全生命周期管理。在智能制造、工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，信息技術(shù)向制造業(yè)全面嵌入，如何整合輪胎全生命周期的數(shù)據(jù)和信息，助力整個(gè)價(jià)值鏈由企業(yè)推動(dòng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩衾瓌?dòng)模式成為發(fā)展的新方向。輪胎企業(yè)亟需通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提升企業(yè)的智能化程度，提升我國(guó)輪胎企業(yè)在國(guó)際上的地位[1-4]。

目前我國(guó)輪胎企業(yè)在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中部署生產(chǎn)信息化管理（MES）系統(tǒng)、在營(yíng)銷環(huán)節(jié)中部署客戶關(guān)系管理（CRM）系統(tǒng)和企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）財(cái)務(wù)系統(tǒng)等，各系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)缺失，信息反饋與生產(chǎn)調(diào)度脫節(jié)，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層決策所需的綜合信息無(wú)法被及時(shí)準(zhǔn)確地提取與分析，大數(shù)據(jù)的分析和決策能力較低。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了企業(yè)整體效益的提高，制約了企業(yè)的發(fā)展，使其難以適應(yīng)快速發(fā)展及不斷全球化的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。

本工作研究大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的輪胎全生命周期管理，建立基于大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)的研發(fā)、采購(gòu)、生產(chǎn)、銷售、用戶使用、翻新及循環(huán)利用的全生命周期管理系統(tǒng)。以用戶為中心，基于大數(shù)據(jù)和邊緣計(jì)算技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪胎質(zhì)量及工藝的精準(zhǔn)控制。大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的智能決策和動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈和生產(chǎn)制造的快速協(xié)同，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)智能、精準(zhǔn)服務(wù)的應(yīng)用服務(wù)建設(shè)，打造智能化、數(shù)字化的企業(yè)，提升管理效率，助力企業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)橡膠、輪胎企業(yè)大數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化和決策的智能化。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）遵循集團(tuán)化的設(shè)計(jì)理念，搭建從輪胎生產(chǎn)至銷售、循環(huán)利用至消亡的全生命周期管理平臺(tái)。各模塊功能簡(jiǎn)介如下。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）關(guān)鍵技術(shù)：大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)底層集成各種先進(jìn)的技術(shù)，包括非接觸式射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、自動(dòng)傳感器技術(shù)、云協(xié)同制造技術(shù)、可編程邏輯控制器（PLC）和集散控制（DCS）自動(dòng)控制技術(shù)、5G移動(dòng)通訊技術(shù)等。

（2）協(xié)同采購(gòu)：搭建集團(tuán)化的采購(gòu)平臺(tái)，通過(guò)統(tǒng)一協(xié)同采購(gòu)平臺(tái)，建立和供應(yīng)商的系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)原材料供應(yīng)商和輪胎生產(chǎn)的協(xié)同。

（3）協(xié)同制造：搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同制造平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多工廠的生產(chǎn)制造協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)研發(fā)、工藝、質(zhì)量、生產(chǎn)、設(shè)備、計(jì)劃的一體化協(xié)同，發(fā)揮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)提質(zhì)增效和轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。

（4）市場(chǎng)營(yíng)銷：搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)營(yíng)銷管理平臺(tái)，建立智能模型，實(shí)現(xiàn)輪胎大數(shù)據(jù)營(yíng)銷管理，對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)、配套及大客戶市場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)分析及銷售預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)銷、生產(chǎn)及原材料的協(xié)同管控。

（5）循環(huán)利用：通過(guò)輪胎的芯片對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)跟蹤，實(shí)現(xiàn)輪胎使用數(shù)據(jù)的收集，對(duì)輪胎進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)輪胎的壽命，提高輪胎的使用安全性，同時(shí)使用數(shù)據(jù)可以為輪胎研發(fā)提供支持；對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行分解、磨粉等處理，對(duì)輪胎循環(huán)利用數(shù)據(jù)進(jìn)行采集管理。

（6）云平臺(tái)：輪胎大數(shù)據(jù)全生命周期管理平臺(tái)收集從輪胎原材料采購(gòu)、生產(chǎn)、銷售使用、回收至消亡的全生命周期的數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)的模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為研發(fā)、市場(chǎng)提供數(shù)據(jù)支持，為企業(yè)管理提供實(shí)時(shí)、多維度的數(shù)據(jù)分析和智能決策方案。

2 模型設(shè)計(jì)

針對(duì)輪胎全生命周期管理設(shè)計(jì)的過(guò)程優(yōu)化模型及區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)管理模型分別如圖2和3所示。

圖2 過(guò)程優(yōu)化模型

圖3 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)管理模型

過(guò)程優(yōu)化模型應(yīng)用大數(shù)據(jù)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成和存儲(chǔ)技術(shù)，打通產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、ERP、MES、供應(yīng)鏈管理（SCM）等應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與控制雙向交互，保證數(shù)據(jù)的一致性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)為全程品質(zhì)和工藝數(shù)據(jù)的智能分析和挖掘打下基礎(chǔ)。系統(tǒng)將基于多維質(zhì)量特征分析和挖掘技術(shù)、先進(jìn)在線質(zhì)量控制與管理技術(shù)等應(yīng)用到制造業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)和工藝過(guò)程優(yōu)化過(guò)程中，搭建用戶需求驅(qū)動(dòng)的面向產(chǎn)品品質(zhì)的全生命周期的質(zhì)量集成和優(yōu)化模型，挖掘和分析質(zhì)量多指標(biāo)過(guò)程能力關(guān)系和規(guī)律，并利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行信息的直觀展現(xiàn)和實(shí)時(shí)交互。建立產(chǎn)品品質(zhì)用戶評(píng)價(jià)模型，通過(guò)微博、手機(jī)應(yīng)用客戶端、社交網(wǎng)絡(luò)等收集用戶評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，借助模型分析、篩選并及時(shí)掌握第一手有價(jià)值信息。該模型一方面可對(duì)市場(chǎng)營(yíng)銷和企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)，另一方面可及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品品質(zhì)管控和工藝，使基于用戶合同的柔性生產(chǎn)成為可能。

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)管理模型包括基于時(shí)間戳的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)、分布式節(jié)點(diǎn)的共識(shí)機(jī)制、基于共識(shí)算力的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)和靈活可編程的智能合約，實(shí)現(xiàn)了輪胎全生命周期數(shù)據(jù)工藝、設(shè)備、質(zhì)量、訂單、使用、服務(wù)等信息的管理，研發(fā)了區(qū)塊鏈與大數(shù)據(jù)整合的解決方案，保證信息的安全性，提高數(shù)據(jù)利用的便利性和智能化。

3 關(guān)鍵技術(shù)

輪胎全生命周期管理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1）大數(shù)據(jù)分析模型構(gòu)建技術(shù)：研發(fā)輪胎制造行業(yè)大數(shù)據(jù)模型，輪胎企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、使用、服務(wù)全過(guò)程應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用。利用大數(shù)據(jù)分析模型確定產(chǎn)品質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)，研發(fā)輪胎行業(yè)大數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化系統(tǒng)，改造企業(yè)流程，提升產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。

（2）區(qū)塊鏈技術(shù)：研發(fā)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于輪胎全生命周期數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享，消除傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模型的重復(fù)內(nèi)容。區(qū)塊鏈技術(shù)的不可更改性保證了信息的安全性，提升信息傳遞的速度和效率，保證信息的可追溯，構(gòu)建安全、智能的輪胎數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

（3）輪胎身份標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)獲取方法：基于RFID芯片技術(shù)、數(shù)字加密、5G技術(shù)的輪胎身份標(biāo)識(shí)及數(shù)據(jù)集成的方法，實(shí)現(xiàn)了輪胎身份標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)獲取。

（4）云平臺(tái)建設(shè)，預(yù)測(cè)分析模型算法庫(kù)的構(gòu)建：建設(shè)基于大數(shù)據(jù)的智慧學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建分類、回歸分析、聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、數(shù)據(jù)挖掘等算法的組件庫(kù)。

4 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)架構(gòu)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]（見(jiàn)圖4）。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)端的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、條碼掃描技術(shù)、RFID技術(shù)、智能傳感器、監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）裝備組態(tài)、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）調(diào)度、輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)的采集。實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商數(shù)據(jù)、密煉、壓延、擠出、成型、硫化、成品出入庫(kù)、銷售、三包理賠、循環(huán)利用數(shù)據(jù)的全面采集和存儲(chǔ)。

圖4 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

邊緣層采用模塊化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備、第三方系統(tǒng)等的無(wú)縫集成，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；利用信息安全監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的檢測(cè)，保證數(shù)據(jù)通訊的安全性；利用邊緣處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理、緩存管理、數(shù)據(jù)壓縮處理等，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載及平臺(tái)計(jì)算的壓力，減輕云服務(wù)的負(fù)載。

基于華為等公有云基礎(chǔ)設(shè)施，部署相關(guān)組件，建立海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)及管理。

建立云邊協(xié)同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)輪胎從研發(fā)、生產(chǎn)、制造、銷售、售后到循環(huán)利用數(shù)據(jù)的管理和分析，以微服務(wù)的方式對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)；對(duì)采購(gòu)、生產(chǎn)、設(shè)備、工藝、市場(chǎng)等領(lǐng)域的技術(shù)、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行封裝、組件化、模型化，為創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)平臺(tái)；利用區(qū)塊鏈技術(shù)搭建數(shù)字化、自動(dòng)化的云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯、安全性；集成信息安全技術(shù)，保證平臺(tái)數(shù)據(jù)的安全、通訊的安全性；構(gòu)建安全管控一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的分析、應(yīng)用和報(bào)警推送[6-7]；建立柔性生產(chǎn)優(yōu)化算法、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)等預(yù)測(cè)分析算法模型庫(kù)，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的智慧學(xué)習(xí)模型[8]，為企業(yè)應(yīng)用快速搭建預(yù)測(cè)分析應(yīng)用模型。

通過(guò)平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用，面向輪胎行業(yè)全流程提供采購(gòu)、研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、供應(yīng)鏈系統(tǒng)的智能預(yù)測(cè)、分析支持，實(shí)現(xiàn)輪胎全生命周期數(shù)據(jù)的分析、應(yīng)用、復(fù)用和推廣，創(chuàng)造智能制造場(chǎng)景，提供智能化采購(gòu)、智能化研發(fā)、智能設(shè)備控制、智能生產(chǎn)調(diào)度、智能化物流、智能化營(yíng)銷、智能化運(yùn)維的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和服務(wù)。

5 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于Hadoop集群建設(shè)分布式文件系統(tǒng)（HDFS）、YARN（Yet Another Resource Negotiator） 分布式資源管理和分布式計(jì)算；基于ZooKeeper建設(shè)分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù)，為分布式應(yīng)用提供一致性服務(wù)，提供配置維護(hù)、域名服務(wù)、分布式同步、組服務(wù)等業(yè)務(wù)組件；Kafka實(shí)現(xiàn)高吞吐量的分布式發(fā)布訂閱消息處理；基于Apache Spark建立為大規(guī)模數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì)的快速通用的計(jì)算引擎，提供數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算環(huán)境；基于Clickhouse搭建聯(lián)機(jī)分析處理（OLAP）的列式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理；構(gòu)建了通用性良好的微服務(wù)架構(gòu)模式，給實(shí)施、維護(hù)帶來(lái)極大的便利性。

6 應(yīng)用場(chǎng)景分析

通過(guò)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的輪胎全生命周期管理系統(tǒng)增強(qiáng)制造業(yè)企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新能力、縮短研發(fā)周期、提升產(chǎn)品品質(zhì)和滿意度，通過(guò)對(duì)海量制造數(shù)據(jù)及各工序詳細(xì)輸出數(shù)據(jù)的研究，分析制造工藝參數(shù)維度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；同時(shí)借助基于企業(yè)價(jià)值驅(qū)動(dòng)的智能分析技術(shù)，幫助制造業(yè)行業(yè)和企業(yè)優(yōu)化和重塑產(chǎn)品價(jià)值鏈，推動(dòng)企業(yè)管理、運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)模式升級(jí)和變革。

基于多維質(zhì)量特征分析和挖掘技術(shù)、先進(jìn)的在線質(zhì)量控制與管理等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)和工藝過(guò)程優(yōu)化過(guò)程中，搭建用戶需求驅(qū)動(dòng)的面向產(chǎn)品品質(zhì)全生命周期的質(zhì)量集成和優(yōu)化模型，挖掘和分析質(zhì)量多指標(biāo)過(guò)程能力關(guān)系和規(guī)律，并利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行信息直觀展現(xiàn)和實(shí)時(shí)交互。對(duì)市場(chǎng)營(yíng)銷和企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)；調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品品質(zhì)管控和工藝優(yōu)化。通過(guò)應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，保證信息的安全、可控、可追溯，同時(shí)推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的輪胎全生命周期管理平臺(tái)的研發(fā)有效提升企業(yè)管理效率50%以上，大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；形成大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下輪胎全生命周期管理的整體解決方案；推動(dòng)相關(guān)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，提升我國(guó)輪胎在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)消費(fèi)下輪胎的精準(zhǔn)制造，助力橡膠工業(yè)的快速轉(zhuǎn)型升級(jí)，可產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。