大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的輪胎全生命周期管理

孫洪喜，張玉泉，武躍陽

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

輪胎是安全產(chǎn)品，我國輪胎的產(chǎn)、銷、用量均居世界第一。輪胎的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、使用和服務過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，目前缺乏完善的系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進行采集、分析和利用，沒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)時代，信息技術向制造業(yè)全面嵌入，如何整合輪胎全生命周期的數(shù)據(jù)和信息，助力整個價值鏈由企業(yè)推動模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩衾瓌幽Ｊ匠蔀榘l(fā)展的新方向。輪胎企業(yè)亟需通過大數(shù)據(jù)分析技術提升企業(yè)的智能化程度，提升我國輪胎企業(yè)在國際上的地位[1-4]。

目前我國輪胎企業(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)、在營銷環(huán)節(jié)中部署客戶關系管理（CRM）系統(tǒng)和企業(yè)資源計劃（ERP）財務系統(tǒng)等，各系統(tǒng)相對獨立，供應鏈數(shù)據(jù)缺失，信息反饋與生產(chǎn)調(diào)度脫節(jié)，企業(yè)領導層決策所需的綜合信息無法被及時準確地提取與分析，大數(shù)據(jù)的分析和決策能力較低。這些問題嚴重影響了企業(yè)整體效益的提高，制約了企業(yè)的發(fā)展，使其難以適應快速發(fā)展及不斷全球化的市場經(jīng)濟。

本工作研究大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的輪胎全生命周期管理，建立基于大數(shù)據(jù)技術平臺的研發(fā)、采購、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)和邊緣計算技術、區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)輪胎質(zhì)量及工藝的精準控制。大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的智能決策和動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)助力企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈和生產(chǎn)制造的快速協(xié)同，實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)智能、精準服務的應用服務建設，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，實現(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)架構設計

系統(tǒng)架構設計（見圖1）遵循集團化的設計理念，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。各模塊功能簡介如下。

圖1 系統(tǒng)架構設計

（1）關鍵技術：大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺底層集成各種先進的技術，包括非接觸式射頻識別（RFID）技術、自動傳感器技術、云協(xié)同制造技術、可編程邏輯控制器（PLC）和集散控制（DCS）自動控制技術、5G移動通訊技術等。

（2）協(xié)同采購：搭建集團化的采購平臺，通過統(tǒng)一協(xié)同采購平臺，建立和供應商的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)原材料供應商和輪胎生產(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，實現(xiàn)多工廠的生產(chǎn)制造協(xié)同管理，實現(xiàn)研發(fā)、工藝、質(zhì)量、生產(chǎn)、設備、計劃的一體化協(xié)同，發(fā)揮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，推動提質(zhì)增效和轉(zhuǎn)型升級，提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。

（4）市場營銷：搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)營銷管理平臺，建立智能模型，實現(xiàn)輪胎大數(shù)據(jù)營銷管理，對國內(nèi)外市場、配套及大客戶市場進行精準分析及銷售預測，實現(xiàn)營銷、生產(chǎn)及原材料的協(xié)同管控。

（5）循環(huán)利用：通過輪胎的芯片對其進行精準跟蹤，實現(xiàn)輪胎使用數(shù)據(jù)的收集，對輪胎進行大數(shù)據(jù)分析，預測輪胎的壽命，提高輪胎的使用安全性，同時使用數(shù)據(jù)可以為輪胎研發(fā)提供支持；對廢舊輪胎進行分解、磨粉等處理，對輪胎循環(huán)利用數(shù)據(jù)進行采集管理。

（6）云平臺：輪胎大數(shù)據(jù)全生命周期管理平臺收集從輪胎原材料采購、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)的模型對數(shù)據(jù)進行分析，為研發(fā)、市場提供數(shù)據(jù)支持，為企業(yè)管理提供實時、多維度的數(shù)據(jù)分析和智能決策方案。

2 模型設計

針對輪胎全生命周期管理設計的過程優(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 過程優(yōu)化模型

圖3 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)管理模型

過程優(yōu)化模型應用大數(shù)據(jù)異構數(shù)據(jù)集成和存儲技術，打通產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、ERP、MES、供應鏈管理（SCM）等應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)管理技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與控制雙向交互，保證數(shù)據(jù)的一致性和實時性，同時為全程品質(zhì)和工藝數(shù)據(jù)的智能分析和挖掘打下基礎。系統(tǒng)將基于多維質(zhì)量特征分析和挖掘技術、先進在線質(zhì)量控制與管理技術等應用到制造業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)和工藝過程優(yōu)化過程中，搭建用戶需求驅(qū)動的面向產(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)量多指標過程能力關系和規(guī)律，并利用大數(shù)據(jù)可視化技術進行信息的直觀展現(xiàn)和實時交互。建立產(chǎn)品品質(zhì)用戶評價模型，通過微博、手機應用客戶端、社交網(wǎng)絡等收集用戶評價數(shù)據(jù)，借助模型分析、篩選并及時掌握第一手有價值信息。該模型一方面可對市場營銷和企業(yè)生產(chǎn)進行指導，另一方面可及時調(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間戳的鏈式區(qū)塊結(jié)構、分布式節(jié)點的共識機制、基于共識算力的經(jīng)濟激勵和靈活可編程的智能合約，實現(xiàn)了輪胎全生命周期數(shù)據(jù)工藝、設備、質(zhì)量、訂單、使用、服務等信息的管理，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 關鍵技術

輪胎全生命周期管理設計的關鍵技術如下。

（1）大數(shù)據(jù)分析模型構建技術：研發(fā)輪胎制造行業(yè)大數(shù)據(jù)模型，輪胎企業(yè)設計、生產(chǎn)、銷售、使用、服務全過程應用大數(shù)據(jù)分析及應用。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)化關鍵點，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)品的技術指標。

（2）區(qū)塊鏈技術：研發(fā)區(qū)塊鏈技術應用于輪胎全生命周期數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)共享，消除傳統(tǒng)業(yè)務模型的重復內(nèi)容。區(qū)塊鏈技術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，構建安全、智能的輪胎數(shù)據(jù)管理平臺。

（3）輪胎身份標識、數(shù)據(jù)獲取方法：基于RFID芯片技術、數(shù)字加密、5G技術的輪胎身份標識及數(shù)據(jù)集成的方法，實現(xiàn)了輪胎身份標識和數(shù)據(jù)獲取。

（4）云平臺建設，預測分析模型算法庫的構建：建設基于大數(shù)據(jù)的智慧學習模型，構建分類、回歸分析、聚類、關聯(lián)規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡方法、數(shù)據(jù)挖掘等算法的組件庫。

4 平臺架構設計

平臺架構基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構標準進行設計[5]（見圖4）。通過現(xiàn)場端的移動互聯(lián)網(wǎng)技術、條碼掃描技術、RFID技術、智能傳感器、監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）裝備組態(tài)、自動導引運輸車（AGV）調(diào)度、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）等技術實現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)的采集。實現(xiàn)供應商數(shù)據(jù)、密煉、壓延、擠出、成型、硫化、成品出入庫、銷售、三包理賠、循環(huán)利用數(shù)據(jù)的全面采集和存儲。

圖4 平臺架構設計

邊緣層采用模塊化的架構設計，能夠?qū)崿F(xiàn)設備、第三方系統(tǒng)等的無縫集成，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(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)測技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的檢測，保證數(shù)據(jù)通訊的安全性；利用邊緣處理技術實現(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)絡傳輸負載及平臺計算的壓力，減輕云服務的負載。

基于華為等公有云基礎設施，部署相關組件，建立海量數(shù)據(jù)的存儲分析基礎平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲及管理。

建立云邊協(xié)同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構平臺，實現(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，以微服務的方式對外提供數(shù)據(jù)服務；對采購、生產(chǎn)、設備、工藝、市場等領域的技術、知識、經(jīng)驗等進行封裝、組件化、模型化，為創(chuàng)新應用開發(fā)提供基礎平臺；利用區(qū)塊鏈技術搭建數(shù)字化、自動化的云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯、安全性；集成信息安全技術，保證平臺數(shù)據(jù)的安全、通訊的安全性；構建安全管控一體化平臺，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的分析、應用和報警推送[6-7]；建立柔性生產(chǎn)優(yōu)化算法、網(wǎng)絡計劃優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡預測等預測分析算法模型庫，構建基于大數(shù)據(jù)的智慧學習模型[8]，為企業(yè)應用快速搭建預測分析應用模型。

通過平臺的建設和應用，面向輪胎行業(yè)全流程提供采購、研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、供應鏈系統(tǒng)的智能預測、分析支持，實現(xiàn)輪胎全生命周期數(shù)據(jù)的分析、應用、復用和推廣，創(chuàng)造智能制造場景，提供智能化采購、智能化研發(fā)、智能設備控制、智能生產(chǎn)調(diào)度、智能化物流、智能化營銷、智能化運維的業(yè)務場景和服務。

5 設計開發(fā)環(huán)境

基于Hadoop集群建設分布式文件系統(tǒng)（HDFS）、YARN（Yet Another Resource Negotiator） 分布式資源管理和分布式計算；基于ZooKeeper建設分布式應用程序協(xié)調(diào)服務，為分布式應用提供一致性服務，提供配置維護、域名服務、分布式同步、組服務等業(yè)務組件；Kafka實現(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)處理而設計的快速通用的計算引擎，提供數(shù)據(jù)挖掘和機器學習的計算環(huán)境；基于Clickhouse搭建聯(lián)機分析處理（OLAP）的列式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理；構建了通用性良好的微服務架構模式，給實施、維護帶來極大的便利性。

6 應用場景分析

通過大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的輪胎全生命周期管理系統(tǒng)增強制造業(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，通過對海量制造數(shù)據(jù)及各工序詳細輸出數(shù)據(jù)的研究，分析制造工藝參數(shù)維度的內(nèi)在關聯(lián)；同時借助基于企業(yè)價值驅(qū)動的智能分析技術，幫助制造業(yè)行業(yè)和企業(yè)優(yōu)化和重塑產(chǎn)品價值鏈，推動企業(yè)管理、運營和生產(chǎn)模式升級和變革。

基于多維質(zhì)量特征分析和挖掘技術、先進的在線質(zhì)量控制與管理等大數(shù)據(jù)分析技術應用到制造業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)和工藝過程優(yōu)化過程中，搭建用戶需求驅(qū)動的面向產(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)量多指標過程能力關系和規(guī)律，并利用大數(shù)據(jù)可視化技術進行信息直觀展現(xiàn)和實時交互。對市場營銷和企業(yè)生產(chǎn)進行指導；調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品品質(zhì)管控和工藝優(yōu)化。通過應用區(qū)塊鏈技術，保證信息的安全、可控、可追溯，同時推動數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。

7 結(jié)語

通過基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的輪胎全生命周期管理平臺的研發(fā)有效提升企業(yè)管理效率50%以上，大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力；形成大數(shù)據(jù)驅(qū)動下輪胎全生命周期管理的整體解決方案；推動相關行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，提升我國輪胎在國際上的競爭力，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)消費下輪胎的精準制造，助力橡膠工業(yè)的快速轉(zhuǎn)型升級，可產(chǎn)生極大的經(jīng)濟和社會效益。