摘要：智能轮胎融合了信息技术、传感器技术、通信技术等多种先进技术，能够实现轮胎状况的实时追踪与监控，避免在使用过程中出现老化、破损等情况，以及二手胎、翻新胎等问题，降低交通事故率，并能为智能网联汽车的控制提供参考数据。从理论研究与应用研究2个方面，总结了智能轮胎的3个主要技术发展阶段：射频技术阶段（实现轮胎的身份标记与追踪）、传感器检测阶段（实现轮胎的实时监控）与物联网和大数据阶段（实现智能汽车与轮胎的数据互补与轮胎全生命周期的监管），探讨了3个阶段的基本特征、技术手段和主要功能，并分析了智能轮胎在发展过程中的机遇与挑战。

　　关键词：智能轮胎；射频识别；传感器监测；大数据；物联网

　　0引言

　　作为全球第一的汽车生产与销售大国，我国的汽车保有量逐年攀升。根据公安部提供的数据显示，截止2022年，我国机动车保有量达到4.17亿辆，相比2021年增长了2 129万辆，机动车驾驶人总量突破了5亿人[1]。

　　工信部、发改委等8个部门于2021年12月发布了《“十四五”智能制造发展规划》[2]，要求以新一代信息技术与先进制造技术深度融合为主线，深入实施智能制造工程，着力提升创新能力、供给能力、支撑能力和应用水平，加快构建智能制造发展生态，持续推进制造业数字化转型、网络化协同、智能化变革，为促进制造业高质量发展、加快制造强国建设、发展数字经济、构筑国际竞争新优势提供有力支撑。

　　轮胎作为车辆行走机构中举足轻重的一部分，在车辆的使用过程中扮演着非常重要的角色，轮胎状态的好坏直接影响车辆行驶过程中的安全性。随着轮胎使用年限的增加，轮胎的橡胶日渐老化，磨损也日趋严重，加之路面凹凸不平或存在异物，使用过程受热受力不均等因素都有可能造成轮胎内部气压不均、胎壁变薄，甚至局部产生裂缝，从而引起安全隐患[3]。

　　为提高汽车行驶过程中轮胎的可靠性，减少相关事故，轮胎的设计者和生产者做了大量的尝试，还将虚拟仿真技术应用到了轮胎的设计之中[4]，包括改善材料的性能，改进轮胎的结构，增加轮胎的强度，嵌入金属网层等。这些技术在显著提升轮胎寿命的同时，确实提高了轮胎的安全性，但对于轮胎自身的状态无法主动监测，不能及时预知可能发生的危险。

　　由于缺少追踪手段，轮胎在使用过程可能出现遗失、库存混乱等情况，从而出现运营损失。另一方面，由于监管方面的漏洞，不符合回收与翻新标准的二手轮胎种类繁多，难以统一管理，重新流入市场时无法查询相关记录，也无法杜绝将二手胎冒充全新胎的情况[5]。

　　信息技术的发展促进了监测技术与算法不断成熟，智能的概念不断扩展。为应对轮胎领域的问题，智能轮胎应运而生。通过在传统轮胎上增加射频芯片或传感器阵列，实现轮胎身份标记、运行参数检测等功能，并采取一定的算法监控轮胎的工作状态，通过及时预警避免可能发生的安全隐患[6]。

　　智能轮胎的发展经历了从简单到复杂，从单机到联网的变迁历程，其功能越来越丰富，寿命越来越长，在使用便携性不断提高的同时，也给驾乘人员带来了更好的乘坐体验。本文将从几个方面分析智能轮胎的发展脉络，并探讨其未来的发展方向，脉络图如图1所示。

      1智能轮胎的技术领域分析

　　汽车轮胎作为汽车行走机构的重要组成部分，其性能与车辆的行驶情况息息相关。经过长期坚持不懈的探索，如今想要在轮胎的结构和材料上进一步创新已经非常困难，电子技术的出现让轮胎技术的快速升级成为了可能。

　　关于智能轮胎的研究很早就已经开始。早期的智能轮胎主要用于规范轮胎市场，避免出现“假冒胎”“翻新胎”以及“二手胎”等乱象而产生的，通常通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术实现。将轮胎的身份信息和一些基本使用与维护情况写入RFID芯片，通过配套仪器即可非接触式读出，从而实现对轮胎的身份识别以及使用与维护情况的跟踪[7]。

　　随着电子技术的发展，很多检测手段日趋成熟，简单的身份标记已经不能满足轮胎智能化的发展。为此，通过引入多种类型的传感器实时监测轮胎状态，并根据检测到的各类参数判断轮胎或者汽车的运行状态，当出现问题时，能够及时干预或报警，从而提高整车的安全性与舒适性。

　　随着轮胎控制理论研究的不断深入，与轮胎相关的控制参数越来越多，相关的算法也越发复杂，因此需要强大的算力支持。而5G技术的大带宽与低延时特性让大量数据的无线传输成为现实的同时，数据的实时性也有了保障，物联网的概念也因此渗透到了轮胎领域，从而具备了让智能轮胎成为物联网其中一环的基础[8]。通过先进的信息传输技术，智能轮胎系统已经具备了将车载系统、手机甚至远程服务器变成其数据处理终端的能力，其功能越来越丰富，可靠性也不断提高。
       2智能轮胎在理论研究领域的进展

　　2.1射频技术在智能轮胎领域的理论研究

　　射频技术是一种非接触式的数据通信技术，其通过射频无线信号识别目标电子标签，并无接触地完成电子标签的读写操作，RFID技术即为射频技术的一种。智能轮胎的RFID系统结构如图2所示。

智能轮胎的RFID标签通常紧贴在轮胎内部，也可以在生产制造过程中嵌入到轮胎橡胶里，利用专用的RFID读写工具即可方便写入数据，在需要的时候可以再将数据读出。进一步地，如果将低功耗的传感器与RFID标签结合，利用RFID标签自身的存储空间，就可以使用读写工具周期性地读取传感器数据，进而开展轮胎使用过程的研究[9]。

　　RFID标签虽然方便，但其通常既薄又脆，要应对轮胎在车辆行驶过程中周期性的伸缩与压力的变化，很容易发生疲劳断裂，因此常常需要在结构上进行一些创新，以增强其延展性和韧性，延长其使用寿命[10]。另一方面，RFID芯片的数据存储量较小，又必须要有专用读取器的配合才能够将数据传输出来，无法输出具有实时性的数据。

　　2.2多传感器数据融合在智能轮胎领域的理论研究

　　轮胎行驶过程中的温度和压力参数比较容易获取，它们与轮胎的安全性有着直接关系，其值如果不正常将很容易引发爆胎事故，是急需解决的问题，因此最早获得了关注。通过将温度传感器加入智能轮胎系统，即可时刻监测轮胎的温度，配合水箱，可以及时为轮胎降温[11]，或通过声表面波技术监测轮胎的压力、温度等参数，避免因胎压、胎温不合适而发生危险[12]。

　　除了通过胎压监测在胎压出现异常情况的时候及时报警之外，还可以在此基础之上增加车载气泵，为胎压监测构建一个闭环的控制逻辑，从而在胎压不正常的情况下及时给轮胎增减气压，达到胎压自动调整的目的[13]。

　　除了温度和压力至关重要之外，对于扎入轮胎的异物也需要给予足够的关注。异物刺入或卡入轮胎，在轮胎高速旋转或负荷高频变换时极易刺破轮胎，产生漏气或爆胎。针对金属与非金属这两种不同异物的物理特性，分别采用电涡流传感器与电容传感器进行监测，对检测信号进行处理发现相关异物后及时发出警报，从而消除漏气或爆胎等安全隐患，提高车辆行驶过程中的安全性[14-15]。

　　以上这几项参数都可以通过传感器相对直接地检测出来，无需经过复杂的数据处理即可获得。随着科技进步，智能检测及算法寻优的方法更加高效，智能轮胎的功能已经由最初的胎压、胎温检测，升级到越来越丰富的轮胎转速、加速度检测等，再配合先进的算法进行传感器数据融合，使智能轮胎除了具备最基本的安全预警功能之外，还能显著延长轮胎使用寿命，提高车辆的能量利用率[16]。智能轮胎传感器系统结构如图3所示。

通过加速度传感器获取车辆的加速度测算获得汽车行驶过程中轮胎所受到的纵向和垂向作用力[17]，或者通过图像识别轮胎转动过程中的形变得到各个工况下的各向轮胎力来修正ESP的控制过程[18]，从而为车辆的稳定性控制系统提供重要辅助。除了用加速度获取轮胎力之外，还可以同时通过不同胎压状态下的振动加速度信号的相应机理，利用神经网络算法估算胎压，并建立刷子轮胎模型估测轮胎的路面附着系数，实现多种轮胎状态信息的获取，提高底盘控制系统的性能[19]，更进一步，通过检测轮胎的各向加速度，统计特征参数，并使用支持向量机进行训练，选择训练出来的最优参数完成对不同类型路面的附着系数的识别，进而完成路面类别的分类识别[20]。

　　除了单纯通过增加传感器增强轮胎的相关性能外，还有一些其他的尝试。有的轮胎企业尝试将其他研究方法与传感器监测相结合，改善轮胎的监测状况。

　　张向文等[21]构建了一个基于实际轮胎的人工轮胎虚拟仿真模型，将安装在实际轮胎上的传感器传回的实测数据导入模型，在使用模型进行轮胎安全状态评估的同时，使用实际数据对模型开展学习和训练，不断提高人工轮胎模型的精度，完善与轮胎模型相关的路面模型、汽车模型和驾驶人模型，并扩大其使用范围。

　　国外某公司利用了先进的电子显微镜影像，通过高精度结构分析，将原材料的真实数据与轮胎内部结构结合，并通过传感器监测新材料在车辆运行过程中的相关性能参数。其研发出的人工智能技术，不仅可以分析橡胶结构数据精确预测橡胶性能，还能通过检测橡胶在使用过程中的结构变化预测橡胶使用后的性能[22]。

　　2.3物联网与大数据在智能轮胎领域的理论研究

　　随着智能轮胎技术不断发展，所需监测的轮胎参数的种类与数量持续增加，再加上智能轮胎的算法不断复杂化，传统的车载系统已经无法应付物联网与大数据技术的发展，让智能轮胎系统的数据存储与处理的能力得到几何级扩展及提升，使智能轮胎的进一步发展成为了可能。智能轮胎物联网系统结构如图4所示。

在轮胎内部安装多种传感器采集多种轮胎运行状态，通过数据处理获得了轮胎胎压、转速、载荷等相关状态后，通过蓝牙将信息上报给一套基于安卓系统的显示终端，实现了对轮胎多种状态的监测，为驾驶员提前得知轮胎的状态打下了基础，也为无人驾驶技术与辅助驾驶技术提供了支撑[23]。

　　将轮胎型号、规格、花纹等信息，与传感器收集到的胎压、胎温、加速度变化、轮胎磨损情况以及轮胎动平衡数据等初步整合之后，将数据上传至北斗云计算平台，利用北斗云计算技术建立实时汽车轮胎自动检测信息系统[24]。

　　袁野[25]提出一种基于大数据与云计算轮胎自动检测系统，可以将轮胎型号、规格等特征信息连同胎压、胎温、磨损情况与动平衡情况等轮胎行驶数据发送至车载计算机，再由车载计算机上传至大数据系统中，通过云计算处理后，再由车载计算机等终端设备实现轮胎性能参数的实时显示与监控。

　　吉林大学李雅欣[26]将智能轮胎实时测量的地面特征参数与彩色图像、三维激光点云以及车辆状态等多源传感信息等融合，开展智能越野汽车的行驶风险评估，实现越野汽车在复杂多变的路面条件上安全行驶的任务，进一步保证行车安全。

　　3智能轮胎在应用领域的研究进展
      3.1射频技术在智能轮胎领域的应用

　　早期实际应用的智能轮胎多使用RFID技术为轮胎构建电子身份证，将轮胎的商标、规格型号、产品编号等基本信息固化到标签内部，使轮胎具备了可追溯的“身份识别”功能[10]。

　　进一步地，在轮胎内部增加温度和压力检测装置，使轮胎具有“电子身份证”的同时，还可以在记录轮胎在使用过程中的温度和压力数据，利用RFID技术的非接触式传输数据的功能，通过射频天线将相关信息读取出来。

　　丰源轮胎通过RFID设置不可更改的防伪功能，从而避免出现假冒伪劣产品、翻新产品等，完善轮胎的管理手段，跟踪轮胎的维修过程[27]。

　　厦门公交公司为轮胎植入“全生命周期”智能芯片[28]，可以通过感应机快速读出轮胎的行驶里程、花纹深度、保养信息、检测记录等，驾驶室内能得到胎温、胎压值，异常时及时预警，除此之外，该系统还可以用于延长轮胎的生命周期。

　　中国主导、软控股份牵头制定了轮胎用RFID电子芯片技术领域的四项国际标准，芯片可以保证轮胎全生命周期的有效管理和信息追溯，提高了安全性[29]。

　　3.2多传感器数据融合在智能轮胎领域的应用

　　固特异可联网轮胎通过内置传感器不断测量轮胎特性，并记录与车辆其他数据相匹配的信息，结合固特异的运转有算法，实时监测轮胎的磨损、负载、气压、温度和路面状况等，提高车辆的性能与安全性，缩短停车距离30%，可有效地用于自动驾驶汽车和电动汽车[30]。

　　普利司通公司通过技术手段监测轮胎的胎压、老化与异常磨损等问题，并联合微软公司，通过微软互联汽车平台搭建云框架连接安装在汽车硬件中的传感器数据，通过算法检测轮胎的异常迹象，发生危险时会立即警示车主并采取措施，该系统不需要增加额外的硬件[31]。

　　森萨塔科技研发的新一代智能轮胎管理系统可从单纯的传感器升级到配合场景应用且可持续更新的系统，可以适应不同的客户定制需求，通信方式灵活、安装简单，能够为车辆的能量管理系统提供精确的参数，提高汽车的能量利用效率[32]。

　　东南大学的赵文举[33]基于冲击振动的独特优势，提出了一种基于智能轮胎和微波雷达的桥梁快速测试系统与方法。通过车辆本身的振动激励桥梁，将车轮受到的桥梁的反推作用力与微波雷达非接触式测量桥梁动态位移相结合，实现“边移动、边激振、边测量”的快速测试。

　　3.3物联网与大数据在智能轮胎领域的应用

　　山东青岛双星轮胎工业有限公司[34]基于物联网、人工智能等信息技术开发的“胎联网‘智慧云’平台”获评为工信部工业互联网平台创新领航应用案例。它实现了多种行驶数据的实时监控，并经过云平台实现多维度的信息链接，通过与车联网相关技术衔接，提高车辆的安全性与经济性，帮助企业节能降耗，实现多方共赢。

　　杨凯等[35]结合矿用卡车巨型轮胎智能化管控需求，设计了一种矿用卡车巨型轮胎物联网监测系统，实现轮胎内部温度、压力等数据的实时采集、传输、报警、定位等功能，神华北电胜利能源有限公司应用该系统之后，轮胎管理有了科学依据，保证轮胎安全、高效运行，延长了轮胎使用寿命，节约大量生产运营成本。

　　栾晓文等[36]基于大数据和云计算技术，构建了由数据采集整合、数据储存等5个功能模块组成的轮胎自动

　　检测大数据与云计算系统，实现海量轮胎信息的采集、整合、存储、计算与预测分析，为轮胎的研发与再利用单位，提供轮胎全生命周期的胎温、胎压、轮胎磨损等信息，为轮胎特征信息与监测信息的深度挖掘与融合应用提供了契机。

　　固铂轮胎通过与百度智能云战略合作[37]，利用人工智能、大数据和云计算等领先技术，推进企业智能化转型，全面提升固铂轮胎将在中国探索研发能力、产品质量、消费者的购买和使用体验。

　　4智能轮胎产业面临的机遇与挑战

　　机遇与挑战并存，我国作为全球第一的汽车产销大国，为智能轮胎带来了发展红利，各种各样的问题也随之产生。如何迎接机遇、面对挑战，是智能轮胎产业接下来必须解决的问题。

　　智能网联汽车作为我国近年来备受重视的产业，已经成为了我国与西方国家争夺技术话语权的重要载体，相关领域的投入不断加大。智能轮胎作为与地面直接接触的重要部件，通过嵌入其中的传感器和运算芯片，能直接获得第一手的路面数据，不仅能为轮胎的优化设计提供真实的研究数据，还能为智能网联汽车的控制提供重要的参考数据。而大数据与云计算的发展又为智能轮胎的生产、维修、报废、回收等环节提供监测服务，在客户端也可以根据轮胎的使用数据为用户提供个性化的增值服务，提升产品的品牌价值。

　　但是，轮胎的工作环境极其恶劣，嵌入或安装于轮胎上的各类电子器件均要承受周期性的冲击，保障电子器件长时间稳定运行也需要不断改进轮胎的生产工艺。为了保障电子器件工作时的抗干扰性与电磁兼容性，胎内供电系统的可靠性、传感器数据检测的精确性、数据传输的稳定性等，都是巨大的挑战。除此之外，为了应对复杂的数据运算、海量的数据传输、及时的运算结果回传，大带宽与低延时的通信与云计算技术也是必不可少的，这为网络技术的发展提出了更高的要求。

　　智能轮胎的研究、生产与应用的过程融合了材料研究、虚拟仿真、机械制造、人工智能、大数据、云计算、通信等多种学科，同时充分结合智能制造领域，促进多学科多产业的快速发展。因此，尽管在智能轮胎的发展过程中可能会遇到很多阻碍，但仍然应该想方设法地克服，并给予足够的重视。

　　智能轮胎3个阶段的发展情况总结如表1所示。

　　5结束语

　　智能轮胎产业作为信息技术与先进制造技术深度融合的产业，完全符合我国《“十四五”智能制造发展规划》提出的信息化与智能化的发展要求。在智能网联汽车技术飞速发展的背景下，智能轮胎迎来了极好的发展机遇。轮胎智能化一方面能够促进我国其他先进的主动安全系统，包括牵引控制系统（TCS）、车辆稳定性辅助（VSA）系统以及轮胎爆裂预防系统等综合发展，保障人民的生命财产安全；另一方面，还会促进材料技术、传感器技术、实验测试技术等相关领域的快速发展，加快人工智能、物联网、大数据、5G技术等相关行业的快速发展，提升我国信息技术产业的发展水平，为我国智能制造领域提供重要的发展机遇。

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