【導讀】2024年11月2-3日，由中國自動化學會主辦，青島科技大學、國家橡膠與輪胎工程技術研究中心承辦的2024中國自動化大會在青島召開。會議特別邀請了國家橡膠與輪胎工程技術研究中心副主任、軟控股份有限公司董事長兼總裁官炳政作了題為“輪胎行業智能制造與精益管控”的報告。報告指出，輪胎作為安全產品，輪胎質量影響到交通出行安全，中國輪胎產量占到全球的50%以上，是典型的輪胎制造大國。輪胎制造過程為流程+離散的混合型制造模式，面臨完備信息、機理經驗、質量控制等難題，對高質量、高效能、高一致制造輪胎產品提出巨大的挑戰。針對這些問題，官炳政董事長分享了輪胎智能制造的進階之路與輪胎精益管控的實踐探索等內容，他在總結中提出，中國橡膠輪胎正處于由跟跑、并跑到領跑，由大向強的發展過程，希望產業出題，學界答題，共同做好輪胎產業這篇文章，讓中國輪胎服務好國家大戰略、大工程，服務好每一個家庭。
眾所周知，在現代文明中，通信和交通是兩個不可或缺的關鍵因素。在交通領域，輪胎作為汽車的重要部件，其制造過程復雜且精密，甚至輪胎是否能夠做到完美的圓形，都是一個極具挑戰性的課題。
一、輪胎行業典型特征
輪胎行業在國家的重大戰略和重大工程實踐中發揮著重要作用。以橡膠材料為例，它在空間站建設、太空服研制、神舟飛船推進劑以及蛟龍號等項目中，發揮了不可替代的作用，在這些高精尖領域，橡膠材料和密封件是關鍵技術之一，特別是在航天與深海探測過程中，橡膠部件的應用至關重要。
在陸地上，輪胎同樣服務于軍工裝備，例如裝甲車、飛機以及特種車輛等，如圖1所示。這些裝備在戰略核心任務中的作用不可或缺，正是輪胎使得這些設備能夠順利運行，缺乏輪胎的支持，這些裝備將寸步難行。
圖1 輪胎的廣泛應用
除了其在戰略意義上的重要性，輪胎還是一種關乎安全的重要產品。日常出行中，汽車輪胎是唯一與地面接觸的部件，它承載著駕駛者及乘客的安全與幸福。因此，輪胎的質量與性能直接關系到每個人的生命安全。
隨著中國新能源戰略的推進，中國新能源汽車市場份額已經達到全球64.5%。新能源乘用車的市場滲透率突破了53.3%，如圖2所示，這一切都推動了輪胎產業的快速發展。根據權威機構的預測，到2029年，全球輪胎市場的規模將達到1.6萬億人民幣。中國輪胎產業在這一龐大市場中占據了重要地位，生產量超過全球50%的份額，并且在全球輪胎行業的75強企業中，中國企業占據了38家，中國已經成為了輪胎產業的全球領導者。
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圖2 中國橡膠輪胎行業
盡管中國輪胎產業在全球市場中占據了重要地位，但從品牌影響力和市場銷售來看，仍然面臨著“大而不強”的挑戰。首先，特種輪胎領域，如航空輪胎和巨型輪胎等，其先進制造工藝仍然被國外企業壟斷，這成為了“卡脖子”問題。中國國產輪胎在品質一致性方面存在差距，質量水平參差不齊。中國輪胎品牌的國際影響力較為薄弱，尚未能夠在全球市場上形成強有力的競爭力。
其次，盡管中國企業在全球輪胎行業的75強中占據了38席，但其銷售收入占比僅為18%。從前10強企業來看，中國企業僅有兩席，分別是中策橡膠和賽輪輪胎。因此，中國輪胎企業正面臨著從“大”到“強”的歷史性跨越階段。
為了應對這一挑戰，國家橡膠與輪胎工程技術研究中心應運而生，致力于解決輪胎行業中的“卡脖子”技術問題，并推動產業化創新。該中心由青島科技大學、軟控股份和賽輪集團共同承建，如圖3所示。軟控股份和賽輪集團均由青島科技大學孵化，青島科技大學被譽為“橡膠界的黃埔軍校”，在橡膠領域具有重要地位，是亞洲規模最大、門類最齊全的橡膠類院校。
賽輪集團目前其產值規模位居全國第二，是國家首家智能制造試點示范企業；軟控股份為全球領先的智能制造工廠整體解決方案供應商，其規模多年位居全球第一。
國家橡膠與輪胎工程技術研究中心自2009年由科技部批復以來，在推動中國輪胎產業技術創新和產業升級方面發揮了關鍵作用。
圖3 國家橡膠與輪胎工程技術研究中心
二、輪胎智能制造進階之路
國家橡膠與輪胎工程技術研究中心積極推進輪胎產業的智能化轉型升級，探索產業從小到大、再由大到強的過程，分為三個主要階段，如圖4所示。首先，裝備自動化階段通過攻關核心工藝和裝備，實現工廠的自動化，解決了部分制造效率和質量問題，重點是通過機器替代人工。接著進入全流程協同階段，推動工藝、裝備、材料等環節的上下游協同，雖然取得了一定成效，但制造一致性問題仍需解決。最后，進入全要素精益管控階段，依托智能技術提升核心質控點的管理水平，實現生產過程的精細化控制，進一步提升質量一致性。
圖4 中國輪胎智能制造進階之路
在裝備制造的自動化進程中，第一階段主要集中在物流領域，特別是通過現代化的物流方式替代傳統的人工搬運工作，如圖5所示。在輪胎制造過程中，膠塊和膠片等材料的搬運和處理往往存在較高的勞動強度。自2015年以來，行業推動了“機器換人”計劃，顯著提升了物流效率和減少了人工勞動的重復性。
圖5 機器換人的物流自動化
第二階段的自動化目標是促進機器與工藝的協同，機器人技術與輪胎制造過程的節拍緊密結合，實現高效、零延遲的制造，如圖6所示。在多品種、小批量生產的背景下，快速換模和智能控制技術的應用，使得生產過程中規格切換的時間縮短了50%以上，顯著提升了生產的靈活性和效率。
圖6 機器與工藝協同自動化
第三階段則是將自動化與物料特性相結合，尤其是針對橡膠這種具有彈性體特性的材料，如圖7所示。在輪胎生產過程中，通過控制算法的應用，解決了制造過程中的卡點和技術難題。例如，通過張力控制技術，確保在輪胎的貼合、卷曲和輸送過程中，材料的變形保持在可控范圍內。國橡中心針對這一問題進行了深入的研究，采用PID控制和模型預測控制等方法，在應對材料變化、生產速度調整以及未知擾動時，能夠做出及時反應，優化控制策略。
圖7 智能算法驅動設備控制自動化
在裝備自動化方面，國橡中心取得了顯著的技術突破，涵蓋了關鍵裝備和技術的創新。例如，輪胎行業首個由中國企業主導的輪胎用RFID四項國際標準，聯合國際領先企業如米其林、普利斯通等共同制定。此外，半鋼子午線輪胎成型機獲得了工業和信息化部制造業單項冠軍的榮譽，而全自動稱量系統則獲得了國家科技進步二等獎。
國橡中心經過十年的研究，發明了被譽為“液體黃金”的新型橡膠材料，如圖8所示，該材料顯著提升了輪胎的耐磨性能、抗濕滑性能和滾動阻力性能。尤其是在滾動阻力和耐磨性之間的矛盾中，采用該材料打破了傳統的“魔鬼三角”定律，達到國際先進水平。
圖8 創新制造工藝
為了支撐這些技術創新，國橡中心推動了自動化裝備的進一步發展，強調數字化平臺驅動下的制造高質量。通過模塊化設計和軟件自動化，提升了生產過程中設備的一致性和可靠性。工業視覺技術的應用，也有效解決了人工檢查過程中可能出現的誤差和疲勞問題，實現了輪胎生產的高精度檢測，準確率超過99.7%。
此外，國橡中心還開發了自主的工業軟件MCC，如圖9所示，它優化了設備的操作系統，增強了設備間的互聯互通，并通過知識圖譜技術實現了設備的智能運維。這一系列創新舉措，不僅推動了輪胎制造過程中的技術進步，也為行業的高質量發展奠定了基礎。
圖9 工業視覺提升智造一致性
盡管如此，行業內仍然存在一些技術難題，需要通過專家的共同努力進行攻關。國橡中心也積極探索工業大模型在輪胎制造中的應用，致力于進一步提升制造過程中的一致性和精細管控，以推動中國輪胎行業從“跟跑”和“并跑”向“領跑”邁進。
三、輪胎精益管控實踐探索
在輪胎制造過程中，涉及五大關鍵工序和1100個質量控制點，體現了其生產過程的高度復雜性，如圖10所示。首先，輪胎制造采用大規模生產模式，涵蓋原材料、半成品、成品的物理和化學轉化過程，其中每個工序之間的連續性至關重要。其次，由于輪胎材料主要為彈性體，其生產過程中涉及粉料、固態顆粒、流體以及非牛頓流體等多種物態的精準控制。生產過程中，半成品和成品的質量要求尤為嚴格。
圖10 輪胎智能制造特點
輪胎作為安全產品，其批量生產具有高度一致性要求，尤其是在大規模生產中，每批次的質量誤差需要控制在極小范圍內，并且要求具有較強的可追溯性。此外，面對小批量、多樣化定制生產模式的需求，如何有效應對這些小批量、多樣化的生產任務也成為一大挑戰。因此，輪胎制造業需要通過高科技手段實現“流程制造”和“離散制造”的全價值鏈精益管理，從而提高生產過程的一致性、效率和質量。這一過程中，面臨幾個核心難題。
首先，數據價值的深度挖掘是提升質量預測準確性的重要方向，如圖11所示。然而，輪胎制造過程中異常數據的缺乏，導致了過程參數間的低相關性和生產工藝參數的復雜性。因此，如何在小樣本數據中識別出大數據規律，成為解決問題的關鍵。為此，我們正在聯合數學、算法控制及軟件領域的專家，共同攻克這些技術難題，特別是在基于大數據的工藝過程優化，尤其是質量預測方面，已展開相關研究。
圖11 輪胎智造數據價值
第二，工業視覺與大模型的融合，特別是圖像識別技術的應用，成為提升自動化檢測水平的關鍵，如圖12所示。在傳統輪胎檢測中，大量人工勞動和時間投入未能有效確保最終產品的質量。為了克服這一難題，基于大數據技術的自動判級系統已在研發中。通過圖像識別與大數據模型的結合，實現更為精準、高效的質量檢測。
圖12 工業視覺大模型
通過上述科技創新，中國橡膠輪胎產業將實現跨越式發展，從“跟跑”到“并跑”再到“領跑”，提升產業的整體競爭力，并為全球市場貢獻中國智慧。在這一過程中，學界與產業界的緊密合作將是推動技術進步和產業升級的關鍵。最終目標是通過技術創新，為國家戰略和社會需求提供強有力的支持，助力中國輪胎行業在全球占據領先地位。國家橡膠與輪胎工程技術研究中心將積極承擔國家使命，凝聚行業智慧，推動中國橡膠工業向世界領先水平邁進！
（本文根據作者所作報告速記整理而成）
作者簡介：
官炳政，國家橡膠與輪胎工程技術研究中心副主任，軟控股份有限公司董事長兼總裁，中國橡膠工業協會主席團主席、山東省橡膠行業協會副會長、青島市人大代表、青島拔尖人才、全國石油和化工優秀科技工作者。專利授權61項，作為項目負責人在研山東省重點研發計劃2項，青島市重點研發計劃1項，參與國家自然科學基金重大研究計劃1項，編制國家標準3項，團體標準1項。