智慧起航，共创未来
导读：2024年11月2-3日，由中国自动化学会主办，青岛科技大学、国家橡胶与轮胎工程技术研究中心承办的2024中国自动化大会在青岛召开。会议特别邀请了国家橡胶与轮胎工程技术研究中心副主任、软控股份有限公司董事长兼总裁官炳政作了题为“轮胎行业智能制造与精益管控”的报告。报告指出，轮胎作为安全产品，轮胎质量影响到交通出行安全，中国轮胎产量占到全球的50%以上，是典型的轮胎制造大国。轮胎制造过程为流程+离散的混合型制造模式，面临完备信息、机理经验、质量控制等难题，对高质量、高效能、高一致制造轮胎产品提出巨大的挑战。针对这些问题，官炳政董事长分享了轮胎智能制造的进阶之路与轮胎精益管控的实践探索等内容，他在总结中提出，中国橡胶轮胎正处于由跟跑、并跑到领跑，由大向强的发展过程，希望产业出题，学界答题，共同做好轮胎产业这篇文章，让中国轮胎服务好国家大战略、大工程，服务好每一个家庭。
众所周知，在现代文明中，通信和交通是两个不可或缺的关键因素。在交通领域，轮胎作为汽车的重要部件，其制造过程复杂且精密，甚至轮胎是否能够做到完美的圆形，都是一个极具挑战性的课题。
一、轮胎行业典型特征
轮胎行业在国家的重大战略和重大工程实践中发挥着重要作用。以橡胶材料为例，它在空间站建设、太空服研制、神舟飞船推进剂以及蛟龙号等项目中，发挥了不可替代的作用，在这些高精尖领域，橡胶材料和密封件是关键技术之一，特别是在航天与深海探测过程中，橡胶部件的应用至关重要。
在陆地上，轮胎同样服务于军工装备，例如装甲车、飞机以及特种车辆等，如图1所示。这些装备在战略核心任务中的作用不可或缺，正是轮胎使得这些设备能够顺利运行，缺乏轮胎的支持，这些装备将寸步难行。
图1 轮胎的广泛应用
除了其在战略意义上的重要性，轮胎还是一种关乎安全的重要产品。日常出行中，汽车轮胎是唯一与地面接触的部件，它承载着驾驶者及乘客的安全与幸福。因此，轮胎的质量与性能直接关系到每个人的生命安全。
随着中国新能源战略的推进，中国新能源汽车市场份额已经达到全球64.5%。新能源乘用车的市场渗透率突破了53.3%，如图2所示，这一切都推动了轮胎产业的快速发展。
根据权威机构的预测，到2029年，全球轮胎市场的规模将达到1.6万亿人民币。中国轮胎产业在这一庞大市场中占据了重要地位，生产量超过全球50%的份额，并且在全球轮胎行业的75强企业中，中国企业占据了38家，中国已经成为了轮胎产业的全球领导者。
图2 中国橡胶轮胎行业
尽管中国轮胎产业在全球市场中占据了重要地位，但从品牌影响力和市场销售来看，仍然面临着“大而不强”的挑战。首先，特种轮胎领域，如航空轮胎和巨型轮胎等，其先进制造工艺仍然被国外企业垄断，这成为了“卡脖子”问题。中国国产轮胎在品质一致性方面存在差距，质量水平参差不齐。中国轮胎品牌的国际影响力较为薄弱，尚未能够在全球市场上形成强有力的竞争力。
其次，尽管中国企业在全球轮胎行业的75强中占据了38席，但其销售收入占比仅为18%。从前10强企业来看，中国企业仅有两席，分别是中策橡胶和赛轮轮胎。因此，中国轮胎企业正面临着从“大”到“强”的历史性跨越阶段。
为了应对这一挑战，国家橡胶与轮胎工程技术研究中心应运而生，致力于解决轮胎行业中的“卡脖子”技术问题，并推动产业化创新。该中心由青岛科技大学、软控股份和赛轮集团共同承建，如图3所示。软控股份和赛轮集团均由青岛科技大学孵化，青岛科技大学被誉为“橡胶界的黄埔军校”，在橡胶领域具有重要地位，是亚洲规模最大、门类最齐全的橡胶类院校。
赛轮集团目前其产值规模位居全国第二，是国家首家智能制造试点示范企业；软控股份为全球领先的智能制造工厂整体解决方案供应商，其规模多年位居全球第一。
国家橡胶与轮胎工程技术研究中心自2009年由科技部批复以来，在推动中国轮胎产业技术创新和产业升级方面发挥了关键作用。
图3 国家橡胶与轮胎工程技术研究中心
二、轮胎智能制造进阶之路
国家橡胶与轮胎工程技术研究中心积极推进轮胎产业的智能化转型升级，探索产业从小到大、再由大到强的过程，分为三个主要阶段，如图4所示。首先，装备自动化阶段通过攻关核心工艺和装备，实现工厂的自动化，解决了部分制造效率和质量问题，重点是通过机器替代人工。接着进入全流程协同阶段，推动工艺、装备、材料等环节的上下游协同，虽然取得了一定成效，但制造一致性问题仍需解决。最后，进入全要素精益管控阶段，依托智能技术提升核心质控点的管理水平，实现生产过程的精细化控制，进一步提升质量一致性。
图4 中国轮胎智能制造进阶之路
在装备制造的自动化进程中，第一阶段主要集中在物流领域，特别是通过现代化的物流方式替代传统的人工搬运工作，如图5所示。在轮胎制造过程中，胶块和胶片等材料的搬运和处理往往存在较高的劳动强度。自2015年以来，行业推动了“机器换人”计划，显著提升了物流效率和减少了人工劳动的重复性。
图5 机器换人的物流自动化
第二阶段的自动化目标是促进机器与工艺的协同，机器人技术与轮胎制造过程的节拍紧密结合，实现高效、零延迟的制造，如图6所示。在多品种、小批量生产的背景下，快速换模和智能控制技术的应用，使得生产过程中规格切换的时间缩短了50%以上，显著提升了生产的灵活性和效率。
图6 机器与工艺协同自动化
第三阶段则是将自动化与物料特性相结合，尤其是针对橡胶这种具有弹性体特性的材料，如图7所示。在轮胎生产过程中，通过控制算法的应用，解决了制造过程中的卡点和技术难题。例如，通过张力控制技术，确保在轮胎的贴合、卷曲和输送过程中，材料的变形保持在可控范围内。国橡中心针对这一问题进行了深入的研究，采用PID控制和模型预测控制等方法，在应对材料变化、生产速度调整以及未知扰动时，能够做出及时反应，优化控制策略。
图7 智能算法驱动设备控制自动化
在装备自动化方面，国橡中心取得了显著的技术突破，涵盖了关键装备和技术的创新。例如，轮胎行业首个由中国企业主导的轮胎用RFID四项国际标准，联合国际领先企业如米其林、普利斯通等共同制定。此外，半钢子午线轮胎成型机获得了工业和信息化部制造业单项冠军的荣誉，而全自动称量系统则获得了国家科技进步二等奖。
国橡中心经过十年的研究，发明了被誉为“液体黄金”的新型橡胶材料，如图8所示，该材料显著提升了轮胎的耐磨性能、抗湿滑性能和滚动阻力性能。尤其是在滚动阻力和耐磨性之间的矛盾中，采用该材料打破了传统的“魔鬼三角”定律，达到国际先进水平。
图8 创新制造工艺
为了支撑这些技术创新，国橡中心推动了自动化装备的进一步发展，强调数字化平台驱动下的制造高质量。通过模块化设计和软件自动化，提升了生产过程中设备的一致性和可靠性。工业视觉技术的应用，也有效解决了人工检查过程中可能出现的误差和疲劳问题，实现了轮胎生产的高精度检测，准确率超过99.7%。
此外，国橡中心还开发了自主的工业软件MCC，如图9所示，它优化了设备的操作系统，增强了设备间的互联互通，并通过知识图谱技术实现了设备的智能运维。这一系列创新举措，不仅推动了轮胎制造过程中的技术进步，也为行业的高质量发展奠定了基础。
图9 工业视觉提升智造一致性
尽管如此，行业内仍然存在一些技术难题，需要通过专家的共同努力进行攻关。国橡中心也积极探索工业大模型在轮胎制造中的应用，致力于进一步提升制造过程中的一致性和精细管控，以推动中国轮胎行业从“跟跑”和“并跑”向“领跑”迈进。
三、轮胎精益管控实践探索
在轮胎制造过程中，涉及五大关键工序和1100个质量控制点，体现了其生产过程的高度复杂性，如图10所示。首先，轮胎制造采用大规模生产模式，涵盖原材料、半成品、成品的物理和化学转化过程，其中每个工序之间的连续性至关重要。其次，由于轮胎材料主要为弹性体，其生产过程中涉及粉料、固态颗粒、流体以及非牛顿流体等多种物态的精准控制。生产过程中，半成品和成品的质量要求尤为严格。
图10 轮胎智能制造特点
轮胎作为安全产品，其批量生产具有高度一致性要求，尤其是在大规模生产中，每批次的质量误差需要控制在极小范围内，并且要求具有较强的可追溯性。此外，面对小批量、多样化定制生产模式的需求，如何有效应对这些小批量、多样化的生产任务也成为一大挑战。因此，轮胎制造业需要通过高科技手段实现“流程制造”和“离散制造”的全价值链精益管理，从而提高生产过程的一致性、效率和质量。这一过程中，面临几个核心难题。
首先，数据价值的深度挖掘是提升质量预测准确性的重要方向，如图11所示。然而，轮胎制造过程中异常数据的缺乏，导致了过程参数间的低相关性和生产工艺参数的复杂性。因此，如何在小样本数据中识别出大数据规律，成为解决问题的关键。为此，我们正在联合数学、算法控制及软件领域的专家，共同攻克这些技术难题，特别是在基于大数据的工艺过程优化，尤其是质量预测方面，已展开相关研究。
图11 轮胎智造数据价值
第二，工业视觉与大模型的融合，特别是图像识别技术的应用，成为提升自动化检测水平的关键，如图12所示。在传统轮胎检测中，大量人工劳动和时间投入未能有效确保最终产品的质量。为了克服这一难题，基于大数据技术的自动判级系统已在研发中。通过图像识别与大数据模型的结合，实现更为精准、高效的质量检测。
图12 工业视觉大模型
通过上述科技创新，中国橡胶轮胎产业将实现跨越式发展，从“跟跑”到“并跑”再到“领跑”，提升产业的整体竞争力，并为全球市场贡献中国智慧。在这一过程中，学界与产业界的紧密合作将是推动技术进步和产业升级的关键。最终目标是通过技术创新，为国家战略和社会需求提供强有力的支持，助力中国轮胎行业在全球占据领先地位。国家橡胶与轮胎工程技术研究中心将积极承担国家使命，凝聚行业智慧，推动中国橡胶工业向世界领先水平迈进！
个人简介
官炳政
国家橡胶与轮胎工程技术研究中心副主任
软控股份有限公司董事长兼总裁
官炳政，国家橡胶与轮胎工程技术研究中心副主任，软控股份有限公司董事长兼总裁，中国橡胶工业协会主席团主席、山东省橡胶行业协会副会长、青岛市人大代表、青岛拔尖人才、全国石油和化工优秀科技工作者。专利授权61项，作为项目负责人在研山东省重点研发计划2项，青岛市重点研发计划1项，参与国家自然科学基金重大研究计划1项，编制国家标准3项，团体标准1项。
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