【IE论道】61：论新时期工业工程学科发展

记忆中相随

论新时期工业工程学科发展

文/江志斌 来源/工业工程与管理





江志斌，国际知名工业工程学者。

1982年合肥工业大学本科毕业，先后在丹麦、加拿大、中国香港留学，于1999年获得哲学博士学位（香港城市大学，制造工程与工程管理），1997年晋升为教授。曾任上海交通大学教务处处长（2007-2014）、工业工程与管理系主任（2001-2018），现任上海交通大学安泰经管学院特聘教授、中美物流研究院院长等职务。

为国际工业与工程师学会会士（IIE Fellow）、副主席（负责亚洲事务）及国际电工学会（IEEE）高级会员；曾任国际工业工程师学会北京分会主席，现任中国机械工程学会工业工程分会副主任委员、上海机械工程学会工业工程专业委员会主任委员、教育部工业工程专业类教学指导委员会副主任、国务院学位办工程管理专业学位研究生教学指导委员会物流工程与管理专业领域专家组组长。

主讲课程5门次先后被评为国家级精品课程，2007年获宝钢全国优秀教师奖，2015年获得宝钢全国优秀教师奖特等奖，先后获上海市教学成果特等奖一等奖3项、国家级教学成果奖二等奖2项；2009年被评为上市名师；领衔的工业工程系列骨干专业课程教学团队被评为国家级教学团队。为International Journal ofProduction Research 副主编，2013年入选CJ特聘教授。

摘要：
在简要回顾工业工程发展历史基础上，得出若千启示；分析了工业工程面临的机遇和挑战，提出工业工程学科十个方面的变革切入点；从传统工业工程学科内容、技术与工具和应用对象3个维度提出了工业工程学科内容拓扑结构，据此可以组合与交叉形成新的不同的工业工程学科内容或方向。

1 前言
工业工程起源于上个世纪初泰勒的科学管理，它要解决的核心问题是采用系统与科学的方法提高生产效率。100多年来对于美国等发达国家经济与社会发展起到不可磨灭的作用。工业工程上个世纪80年代末期被正式引人中国，30多年来其应用不断纵深发展，对于我国国民经济建设，尤其是中国制造业的迅速崛起，发挥了巨大的作用。与此同时，我国的工业工程学科建设和人才培养也得到迅速发展，目前全国已经有近210所高校设立了工业工程专业，有不少学校还设立了工业工程相关的硕士和博士学科点。2012年在新一轮教育部本科专业目录调整中，工业工程本科专业从隶属于管理科学与工程专业类独立出来，成为工业工程本科专业类。此外，国家还设立了与工业工程密切相关的工业工程、项目管理以及物流工程等工程领域专业学位硕士点以及工程管理专业学位。



但是随着经济全球化、向服务经济转型、制造业迈入工业4.0时代、逐步进入知识经济的经济与社会发展变革，以及大数据分析、云计算、人工智能、复杂系统理论等科学技术发展，工业工程学科面临着新挑战和发展机遇。对于中国工业工程来说，发展的历程才仅仅30多年，传统的工业工程发展阶段还没有走完，却要同时要发展现代工业工程，加之我国经济转型升级、创新驱动、发展先进制造业和现代服务业的双重需求，我国工业工程学科发展挑战更大，同时机遇也更大。需求我们从全球的视野、系统与科学发展的角度，既要传承传统的工业工程，又要发展与创新，在享受美国等其它国家工业工程先驱和学者的工业工程成果的同时，为世界工业工程学科发展做出中国人的贡献，并服务于工业工程人才培养和新时期的经济建设与社会发展。
2 工业工程发展历史回顾及启示
工业工程尽管涉及管理，但是其本质上是一工程学科。只不过，它不同于机械工程、化学工程、土木工程等面向具体的工程领域或行业，工业工程是一门通用的工程学科。它诞生与发展雷同于其它工程学科，应社会需要而诞生与发展，并且在吸纳科学技术发展最新成就中不断变革。经过100多年发展，工业工程已经形成了完整的学科内容体系并得到广泛应用。
2.1工业工程在工业革命中孕育
尽管可以例举跨越多个世纪的早期工程实践与成就，如埃及金字塔、中国的万里长城、古罗马建设项目等，但是直到18世纪第一个工程学校才出现在法国（The Corpsdes Pontset Chaussees,1747）。为了满足提高设计与分析桥梁、道路、建筑物效率的需求，早期工程原理出现，最初在军事学校教授。这些原理用于非军事或民用目的，产生了土木工程。物理学与数学领域的进展奠定了机械原理的发展与应用基础，改进材料以及泵和引擎设计的需要产生了机械工程，作为19世纪初一个独立的工程领域。类似地，相关技术与需求产生了电气工程和化学工程。与其他工程学科相类似，工业工程诞生正是为了从最初获得实验性证据和对于工程的理解到通过研究，从而提出更科学的工程方法。
尽管科学技术历史学家对于工业工程何时开始的争论喋喋不休，但是达成的共识是工业工程始于18世纪中叶的英国的工业革命。这一时期的一些重要事件极大地改变了制造业，并且滋生了许多重要概念，一个世纪后这些概念还在影响工业工程学科诞生与发展。其驱动力就是技术创新，它帮助实现了纺织业中许多传统人工作业的机械化。



1733年，英国的一个钟表匠约翰·凯伊发明了飞梭，大大提高了织布效率，但这时棉纱又跟不上使用了，人们迫切要求发明一种机器，来提高纺纱的速度，提供更多的棉纱。于是，1765年，纺织工人哈格里夫斯发明了“珍妮纺纱机”，“珍妮机”一次可以纺出许多根棉线，极大地提高了生产率，揭开了工业革命的序幕；英国钟表匠阿克莱特发明了水力纺纱机。这种水力纺纱机，以水力作动力，因此机器要靠近河流，而且一旦河流干枯，就无法工作。更重要的发明莫过于1765年瓦特发明的蒸汽机，由于把蒸汽作为主要的动力源，瓦特的发明使得制造业摆脱对于水力的依赖，打破了对于制造的位置和工业组织形式的束缚。它还极大地降低了动力成本，从而降低生产成本，降低产品价格，极大地扩展了市场。通过推进对于劳动资本的替代，这些发明实现了规模经济，第一次实现在集中的位置进行大规模生产。生产系统的概念，作为现代工业工程的核心，正是源于这些发明而创立的工厂。美国工程师泰勒（Frederick W.Taylor）从1895年起先后发表了《计件工资制》、《工厂管理》和《科学管理》等论著，其中《科学管理》被认为是影响历史进程的100本书之一。他系统地阐述了科学管理的思想，主要是以时间研究为主的工作研究理论，尽管他们没有用工业工程一词，但是一般认为他的工作标志着IE开始。
2.2提高生产效率的需要催生了基础工业工程
生产是人类创造财富的基本活动。生产可分为农业生产、工业生产、服务生产。工业工程最早起源于工业生产。上世纪初，工业生产很少有组织地进行，缺少科学性与系统性的组织与管理，主要凭经验办事。管理人员对于工人只是口头指导，工人受到的训练很差。因此，生产效率低，浪费大。



以泰勒为代表的一批科学家，为改变这种状态，提高工作效率、降低成本，进行了卓有成效的工作，开创了科学管理，为IE的诞生奠定了基础。因此，泰勒被称为IE之父、管理之父。讲起泰勒，不得不讲著名的铁锹实验。
1898-1901年他在伯利恒钢铁公司工作期间，发现工厂里面有一个堆料场，大概有几英里宽，半英里长，每天有400-600个员工在里面用铁锹装卸物料。他发现一个问题，从来没有人研究过：如何铲料每锹铲多少物料，才能使每天铲料量最大？比如铲铁矿石密度大，一锹铁可能很重，而一锹焦碳密度小，一铁锹可能很轻。显然，每天铲运量与每锹的铲运量和单位时间内挥锹的次数有关，而每锹铲运量会影响单位时间内挥锹的次数。
为了解决这个问题，他找来两个一般体质的工人做实验。发明了一个办法，铲轻料的用大铁锹，铲重料的用小铁锹，保证每锹都在21.5磅上下，这样的话，每天搬运的物料量会最大。他采用科学方法对工人进行训练，结果使搬运量工效提高3-4倍，大大减少了所需的搬运工人数，从原来的400-600人减少到140人左右，使搬运费由每吨7-8美分降低至3-4美分。
他是第一个对作业进行研究的人，他发明的办法是怎样能改进作业的效率，他的方法在今天我们常称之为效率工程。泰勒系统地进行了工场作业和衡量方法研究，创立了“时间研究”（Time study），其基本原理是将生产过程分解为任务单元，设法提高完成每一任务单元的效率。具体通过采用标准化作业规范，就是研究每一任务单元，消除其错误、缓慢以及无用的动作；并且科学地制定劳动定额，从而大大地提高了工作效率，降低了成本。



从1910年前后开始，吉尔布雷斯夫妇改进了泰勒的工作研究方法，提出了动作研究方法：设定了17种标准动作的基本要素，把所有的作业分解成一些基本动素，为后来的预定时间标准创造了科学依据，提供了基本方法。泰勒的科学管理和吉尔布雷斯夫妇效率工程对于工业工程的诞生起了非常决定性的作用，可以理解为管理变革，为提高生产效率提供了有效手段。
2.3大规模生产汽车的需要产生了生产流水线
1886年德国人卡尔·本茨制造了世界第一辆汽车，其后30多年，由于落后的作坊式生产方式，汽车价格昂贵，普通老百姓消费不起。人们期待着一种新的生产模式能够大幅度提高生产效率从而降低汽车生产成本。



美国人亨利·福特，采用大规模流水线生产，大大地提高了生产效率，降低了成本，制造出了售价只有260美元的汽车，汽车才真正进人家庭，实现人类历史上大规模工业化生产。
为什么汽车流水线能够大幅度提高生产效率？流水线的基本原理就是把复杂的汽车装配工作分解成一系列简单的工序，每道工序由经过训练而熟练的专人负责完成，并把作坊方式下按照先后顺序装配的工序，由多人同时进行，并通过流水线同步了不同的工序，强制要求所有工序在规定的时间（节拍）内完成，从而使得装配时间大幅度缩减。
流水线式大规模生产是建立在劳动专门化概念和零件互换性原理上的。劳动专门化（Specialization of Labor）的概念是1776年由英国的亚当·史密（Adam Smith,1723-1790)在其《国家的财富》（Wealth of Nations）一书中首次提出的，以提高生产率。他发现有一个只有10名工人的小厂制造钉子，若将整个过程分成不同工序分别由专人来进行，10人每天产量为48000颗钉子。若从头到尾由同一个人制造，每人每天20颗钉子都生产不出来。



福特汽车装配线正是遵循了这一劳动分工原理。零件互换性原理是由惠特累（EliWhitney,1765-1825）提出，它为大规模生产奠定了基础。我们知道最基本的装配是轴与孔的配合，按照零件互换性原理，一定规格的任意孔和轴都能很任意地装配到一起，而不需要修配，否则汽车大规模装配无法有效地进行。
2.4日本战后在资源紧缺条件下发展生产的压力催生了丰田生产方式



丰田英二作为公司的工程师曾经到美国考察福特汽车公司。当时福特厂每天能生产7000辆轿车，比丰田公司一年的产量还要多。但丰田英二并不迷信福特，他在考察报告中写道：“那里的生产体制还有改进的可能。”战后的日本经济萧条，缺少资金和外汇，是照搬美国的大量生产方式，还是按照日本的国情另谋出路？他选择了后者。



丰田英二和他的伙伴大野耐一进行了一系列的探索和实验，从日本的国情出发，经过30多年的努力，终于形成了完整的丰田自己的生产方式：通过生产过程整体优化，改进技术，理顺物流，杜绝超量生产，消除无效劳动与浪费，有效利用资源，降低成本，改善质量，达到用最少的投入实现最大产出的目的，这使得日本汽车工业真的崛起了，一举颠覆了美国世界制造业霸主的地位，大量价廉物美的日本汽车占据美国市场，搞得美国人措手不及。



美国人痛定思痛，麻省理工学院包括Wommack在内的一批学者到丰田进行了深入的研究，写下了脍炙人口的一本名著：《改变世界的机器》，描述了丰田汽车管理模式，提出了一个影响深远的精益生产制造模式。这是工业工程又次历史性杰作。
2.5运筹学、系统工程等科学技术锤炼了工业工程
在工业工程发展的早期，工业工程缺乏有效的系统分析和决策控制手段，只是基于简单的算术运算来分析与解决现场问题。二战期间诞生的运筹学为工业工程用定量方法做出科学决策，选择最佳的方案提供重要数学工具；统计学为工业工程对不确定的生产过程进行分析和质量控制提供了重要工具；20世纪50-60年代以来，系统工程与计算机技术的产生与发展，使得IE对于复杂的工业和社会生产系统进行量化分析与系统设计的能力大大增强；人工智能为工业工程求解复杂生产计划与调度优化算法提供了有效手段；成组技术为发展柔性制造和计算机集成制造奠定了重要基础。
2.6服务于区域经济形成学科特色
美国宾州州立大学于1908年首先开设了IE课程，后来又单独设立IE系；1933年，美国康奈尔大学授予第一个IE博士学位，其论文被改写为《运作与时间研究》。上个世纪中后期，美国工业工程高等教育业得到迅速发展，1990年，美国已有150所大学设有工业工程系，其中92所招收研究生；1990年美国授予的工业工程学士、硕士和博士学位分别占6.5%、9.2%以及3.7%；从1988年到1997年10年时间内，年授予工业工程学士学位的人数从4584人减少到3628人，减少20%，但是硕士和博士大幅度增加，分别增加了59%和117%。
美国一些大学工业工程系在满足区域经济与社会发展过程中，逐步形成了自己的学科特色。如满足亚特兰大交通运输业发展需求，乔治亚理工学院工业工程的物流特色；满足汽车制造业需求，密歇根大学的工业工程制造特色；加州大学伯克利分校的工业工程以电子制造业为擅长；普渡大学则以人因学和农业为擅长。
2.7向服务业等非制造业转型赋予工业工程新的内涵
随着美国制造向发展中国家转移，使得美国工业工程向非制造业转型。医疗健康服务成为研究热点。美国工业工程专业排名前10的工业工程系，如乔治亚理工学院、密歇根大学、普度大学、宾州州立大学、加州大学伯克利分校、威斯康星大学麦迪逊分校、德州农工大学等，均开展了医疗健康相关工业工程研究。其中，美国普度大学提出要“Rethinking IE”（再塑工业工程），其中一个重要内容就是医疗健康。此外工业工程还向金融系统、旅游休闲行业（如迪斯尼乐园）、军事以及国土安全领域渗透。例如，2014年在加拿大蒙特利尔举办的国际工业工程师年会上，美国南加州大学工业工程系校友、美国空军首席科学家MicaREndsley博士，介绍了工业工程在美国空军各个方面的应用情况。
2.8向市场经济转型及改革开放发展了中国的工业工程
80年代末，随着中国向市场经济转轨以及改革开放，外资企业引人中国，把工业工程带入中国。中国的企业参与市场竞争，对于提高效率和质量的需求，催生了中国工业工程，中国的工业工程在满足社会主义市场经济需求中，特别是促进中国制造业发展中，迅速发展壮大。以深圳富士康为例，其短短20多年迅速崛起，工业工程功不可没。对于富士康来说，工业工程与技术同样重要，如果模具被看作是富士康之母的话，IE则是富士康之父。



目前210多所高校设立工业工程专业，其中中国最好的9所大学有7所开设工业工程专业；在校本科生4万多人；中国的企业基本都建立了工业工程体系；随着中国服务业发展需求，工业工程开始向服务业渗透，如医院管理和健康服务、银行与金融系统等。
2.9启示
纵观工业工程发展历史，可以得到以下启示。
(1）工业工程是一门应用性很强的普适性工程学科，为满足经济与社会发展的需求和变革而诞生、发展及变革。不仅美国发达国家如此，中国也是如此。正是随着中国向市场经济转轨以及改革开放，向市场经济转型，中国企业参与市场竞争、提高效率和质量需求，工业工程才有机会进入中国，并得到迅速发展；
(2）科学技术发展作为工业工程驱动力，使得工业工程不断创新发展；
(3）工业工程学科涉及非常广，一些世界知名的工业工程系都是在满足区域经济发展需求中形成自身的特色。
3 新时期工业工程面临的机遇和挑战
中国处于工业经济和知识经济的“二元经济”，工业工程既要遵循发展阶段性规律，又要面向中国国情、凸显中国特色，不仅要发展基于泰勒的科学管理、适于工业工程经济的传统的工业工程，也要发展适于知识经济和服务经济的现代工业工程。新的历史时期，经济转型与产业结构调整、创新型国家建设、制造业迈入工业4.0时代、工业经济与知识经济齐头并进、发展现代服务业的需求，以及我国所面临的更为突出的解决能源、环境等可持续发展问题，对于中国工业工程发展提出新要求。与此同时，以人工智能、大数据科学、移动互联网、物联网、云计算等为标志的新信息技术、复杂系统理论、行为运筹学等相关理论发展，为工业工程学科创新发展提供新的动力。
3.1制造业迈入工业4.0时代，赋予传统上面向制造业的工业工程新活力
工业4.0的两大核心主题是智慧工厂和智能生产，对于传统的面向制造的工业工程提出新的问题。例如智慧工厂布局问题，智慧工厂制造执行系统，支持多模式交互的人因，智慧工厂和支持智能生产管理物流，信息物理系统计算和物理过程集成问题，以人为核心的智慧工厂辅助系统，智慧工厂人与机器协同问题等。所有这些问题，需要我们创新传统的面向制造业工业工程方法，支撑工业4.0的实施。
3.2创新型国家建设、经济转型升级与产业结构调整为IE发展提供机遇
不仅要技术创新，更需要管理创新。IE的精髓就是持续不断的改善，也就是创新。从泰勒制到丰田生产方式，再到当今流行的六西格玛质量管理都是管理创新。我国在管理创新上与国外发达国家之间差距大于技术创新的差距。在一定历史时期里，从某种角度上管理创新甚至比技术创新更重要。在德国人卡尔·本茨制造了世界第一辆汽车之后的30多年，尽管汽车技术在不断发展，但是却是福特汽车流水线生产方式的创新，才使得汽车大规模生产成为可能。第二次世界大战后，日本在短短的时间内汽车工业迅速崛起，价廉物美的日本汽车侵入美国市场，正是由于日本人发明了“改变世界的机器”丰田生产方式这一管理创新。中国国家科技部“十一五”期间，大力推进以TRIZ为核心的技术创新方法应用，但是成效不甚理想，因此“十三五”期间将在推进技术创新方法应用基础上，强调管理创新方法应用。



经济转型指的是资源配置和经济发展方式的转变，包括发展模式、发展要素、发展路径等转变。不论是发达国家还是新型工业化国家，无一不是在经济转型升级中实现持续快速发展的。工业工程核心就以人为核心的五大生产要素的科学组织、管理和评价（不仅在微观层次，而且在中观和宏观层次上）。摆脱粗放型经济模式，走内涵式发展新的模式，需要对生产要素系统地组织管理与优化。
3.3满足现代服务和发展知识经济的需求需要IE变革与创新
传统的工业工程面向制造业，研究对象是可触及的产品或物质，尽管也研究生产系统中的人，但是将人“物化“，如同物质。在传统的工业工程中，考虑的是提高人的体力劳动效率，生产运作管理是以产品或物质的库存管理为核心。随着向服务经济转型，对于工业工程研究提出了新的挑战，工作对象从物到人，要考虑人的情感和心理以及行为；服务的不可存储性使得库存管理理论不再适应；服务的高度动态（低重复性）和差异化增加了量化分析和优化的难度；服务与制造融合使得问题更复杂，产生新的管理问题，如混合供应链等。这些需求需要发展面向服务的工业工程体系，如图1所示。



图1 面向服务的工业工程体系

3.4环境能源压力需要发展面向可持续发展的IE
传统的工业工程核心问题是考虑生产系统效率，尽管在工业工程所考虑的系统五大要素中有能源，但是在实际系统的配置和运行管理优化决策中，很少考虑能源，更少考虑对环境的影响。因此，传统的工业工程所追求的效率是以大能耗和牺牲环境为代价的。因此，现代工业工程必须考虑把排放和能耗结构以及能耗量作为系统配置和运行管理优化目标之一或者作为约束条件。相关的研究包括：能源系统资源优化配置和能源优化管理；考虑能源、与排放的决策与优化；面向能源与排放的生产运作管理；生产与服务系统的可持续发展评价与评估；绿色制造管理；以及绿色供应链管理等。
3.5新技术新工具为IE新理论方法提供了可能
复杂系统理论方法，为工业工程解决复杂与大型网络问题提供有效工具；人工智能为求解大规模复杂优化问题提供有效途径；物联网技术使得物质被标识和感知，从被动的被管理到主动地参与管理并决策，催生了基于物联网的新型生产与服务管理模式；云计算为发展分布式泛在运算的生产与服务管理提供有效途径；移动互联网为分析、决策、管理、监控提供了无处不在的数据支持；大数据技术为复杂且难以建立机理模型的动态过程数据分析和决策了提供有效途径。新技术和工具的发展，为工业工程创新与发展提供了强大原动力。
4 面向未来的工业工程学科内容体系
面对上述机遇和挑战，工业工程学科这一“百年老店”需要创新与变革，切人点概括起来可以分为十个方面，如表1所示。



表1 工业工程学科变革十个方面
传统的工业工程学科内容主要包括：学科基础（工效学、统计学、运筹学）、生产运作管理、人因工程、管理信息系统、物流与供应链、质量与可靠性，相对成熟和稳定，是奠定工业工程学科且区别于其它学科的基石。但是，工业工程学科最明显的特征是，及时吸纳新的科学技术和工具并在满足经济与社会发展中不断变革与创新，不断发展出新的分支和内容。因此，本文拟从传统的工业工程学科内容基础、新技术与工具、应用对象等3个维度上，构建工业工程学科内容体系拓扑结构，如图2所示。



图2 新时期工业工程学科内容体系拓扑图
尽管传统的工业工程学科内容比较成熟和稳定，但是随着技术与工具和应用需求动态变化，而派生出新交叉内容和方向。如图2所示，3个维度上不同点的交叉组合，形成了不同工业工程学科内容（领域），满足不同的应用需求或被应用牵引。例如，服务管理（如医疗健康服务、休闲娱乐、咨询等）必须考虑顾客和服务人员的行为，在此需求驱动下将传统的运筹学与行为科学交叉，形成行为运筹学，满足服务运作管理新需求。又如，物联网技术的发展，在运筹学基础上逐步发展了基于物联网运作管理理论方法，满足现代物流货物追踪，提高物流效率和安全的需求。更复杂的情况是每个维度上可能有多个要元组合与交叉，形成新的更加复杂的学科内容与方向。

基于上述拓扑结构，可以派生若干未来工业工程新的研究领域方向，如：
·行为运筹学
·基于大数据的复杂生产与服务系统分析与决策
·服务与制造融合的生产运作管理
·医疗健康服务系统优化与运作管理．可持续发展的生产运作管理
·基于物联网的运作管理理论方法
·面向知识工作的人因工程
基于上述拓扑结构，我们可以架构工业工程专业人才培养课程体系，并随着新的技术工具和经济与社会发展需求，不断更新课程体系和内容。例如在上海交通大学2009年版新的本科生培养方案中，课程体系以运筹学、统计学以及工效学为学科基础，以传统的工业工程学科内容为核心，为了满足社会新需求方面和应用新技术与工具，在专业选修课中设置面向制造和面向服务2大模块。涉及服务相关的课程包括金融工程、服务管理、社会统计学、项目管理以及能源管理等。在这样的课程体系下培养的学生，不仅满足了制造业的人才需求，还满足服务业（如银行、咨询公司、国际跨国快餐等）需要，受到用人单位的欢迎。
5 结束语
(1）经济与社会发展的需求和科学技术发展是工业工程学科发展的2大原动力。
(2）面向以知识经济、向服务业转型、能源与环境问题严峻、物联网、云技术以及大数据为特征的新的历史时期，呼唤并驱动工业工程的变革。
(3）工业工程学科体系可以从传统学科内容、应用对象以及技术与工具3个维度来描述。3个维度要素组合与交叉成不同的工业工程学科领域（方向）。
(4）传统工业工程学科内容功能相对稳定，但是应用对象随着经济社会而变化，新的技术工具随科学技术发展而产生，并将产生工业工程新的学科内容或方向。

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