1 引言  

隨著礦山機(jī)械、港口設(shè)備等重型裝備的大型化，57''~63'' G-OTR輪胎需求激增。成型工序作為輪胎制造的核心瓶頸，存在以下痛點(diǎn)：  

1) 工藝離散：一條輪胎需經(jīng)歷120+步序，任何一步超時(shí)或超限均導(dǎo)致質(zhì)量缺陷；  

2) 設(shè)備復(fù)雜：主機(jī)+20余套伺服工位，部件壽命難以精確管理；  

3) 數(shù)據(jù)割裂：PLC、MES、質(zhì)檢系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)法形成閉環(huán)。  

傳統(tǒng)MES只能做到事后統(tǒng)計(jì)，難以實(shí)時(shí)干預(yù)。數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)“物理-虛擬”雙向映射，為上述問(wèn)題提供了新的解決思路。  

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)  

3 數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)  

數(shù)據(jù)庫(kù)采用“一機(jī)一庫(kù)”模式，核心表清單如表1所示（節(jié)選）。  

表1 關(guān)鍵業(yè)務(wù)表及作用  

通過(guò)InfluxDB存儲(chǔ)高頻時(shí)序數(shù)據(jù)（10 Hz），MySQL存儲(chǔ)關(guān)系維度，實(shí)現(xiàn)冷熱數(shù)據(jù)分層。  

4 數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)  

4.1 工藝孿生模型  

- 機(jī)理模型：基于PE（Pressure-Expansion）方程建立鼓肩膨脹-材料應(yīng)力耦合模型；  

- 數(shù)據(jù)模型：采用XGBoost對(duì)120維步序數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，預(yù)測(cè)下一周期時(shí)長(zhǎng)，MAPE<3 %。  

4.2 部件壽命預(yù)測(cè)  

- 規(guī)則：t_machine_parts_life 同時(shí)支持“時(shí)間壽命”與“次數(shù)壽命”，取min()作為剩余壽命；  

- AI：LSTM對(duì)歷史載荷譜進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測(cè)精度提升至97 %。  

4.3 3D可視化引擎  

- Unity3D實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)>3萬(wàn)個(gè)Mesh，幀率≥30 FPS；  

- 支持VR/AR模式，可在Oculus Quest中遠(yuǎn)程巡檢。  

5 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)  

5.1 設(shè)備儀表板  

實(shí)時(shí)展示：當(dāng)前規(guī)格、班組生產(chǎn)率、最近循環(huán)周期、工位瓶頸（圖略）。  

5.2 部件壽命管理  

- 壽命百分比閾值可配置，低于設(shè)定值自動(dòng)觸發(fā)短信/釘釘；  

- 提供“一鍵重置壽命”功能，需二次密碼確認(rèn)，避免誤操作。  

5.3 產(chǎn)量分析  

- 支持日/周/月多維度切換，圖表聯(lián)動(dòng)；  

- 引入“節(jié)拍分布”概念，將秒級(jí)周期聚合為小時(shí)級(jí)產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)快速定位瓶頸工位。  

5.4 故障報(bào)警  

- 采用“事件編號(hào)+EM+部套”三維索引，3 s內(nèi)完成億級(jí)記錄檢索；  

- 提供錯(cuò)誤排行榜、報(bào)警同比環(huán)比分析，輔助設(shè)備工程師精準(zhǔn)定位。  

5.5 3D工藝&孿生大屏  

- 工藝展示：以動(dòng)畫(huà)形式呈現(xiàn)帶束層貼合、胎面纏繞等關(guān)鍵步驟；  

- 孿生大屏：實(shí)時(shí)映射鼓肩位移、伺服扭矩，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)同步”。  

6 試點(diǎn)驗(yàn)證與效果  

6.1 試點(diǎn)環(huán)境  

- 機(jī)型：57''巨胎二次法成型機(jī)；  

- 運(yùn)行周期：2023-11-1 至 2025-08-31，共601天。  

6.2 關(guān)鍵指標(biāo)  

- 產(chǎn)量：平均日產(chǎn)由5.5條提升至6.3條；  

- 質(zhì)量：胎胚均勻性指數(shù)CV值下降12 %；  

- 故障停機(jī)：由每月11.2 h降至3.4 h；  

- 追溯：實(shí)現(xiàn)單胎-工序-參數(shù)-部件的4級(jí)追溯，查詢耗時(shí)<1 s。  

7 結(jié)論與展望  

本文構(gòu)建的G-OTR成型機(jī)3D數(shù)字孿生系統(tǒng)，已在某橡膠廠三期成型車(chē)間成功落地，顯著提升了產(chǎn)能與質(zhì)量。未來(lái)將：  

1) 引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的自適應(yīng)優(yōu)化；  

2) 擴(kuò)展至硫化、檢測(cè)工序，打造G-OTR全生命周期數(shù)字孿生工廠。  

參考文獻(xiàn)  

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[1] Tao F, Qi Q. Make more digital twins[J]. Nature, 2022, 612: 26-28.  

[2] 王飛躍. 平行控制與數(shù)字孿生：邁向工業(yè)5.0[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2023, 49(1): 1-11.

論文作者：張文標(biāo)、何維榕、王曉稷、盧金洪