工业工程的研究与学科体系的发展——兼论其与生产管理、制造工程的关系，本文主要内容关键词为：生产管理论文,学科论文,工业工程论文,体系论文,关系论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
摘要 本文以工业工程旨在提高生产系统的效益为出发点，提出了生产系统构成要素及其效益实现的概念模型，论述了工业工程学科随生产系统和市场环境发展而发展的历史过程，建立了现代工业工程学科的完整体系。并阐述了其与生产管理、制造工程的关系，最后对在我国现阶段开展工业工程研究的优先领域进行了探讨。
关键词 工业工程 生产系统 效益 生产管理 制造工程 学科交叉优先领域
一、前言
工业工程（Industrial Engineering，简称IE）大约是在本世纪初，从美国学者泰勒创造的工作研究的基础上发展起来的一门学科，对整个西方世界工业经济的繁荣起了巨大的推动作用；在此过程中，其本身的研究体系也在不断地扩展。而在我国，工业工程作为一门学科是在1992年才建立起来。当今世界经济竞争日益激烈，科学技术突飞猛进，我国企业面临跨入21世纪及加入世界贸易组织的挑战。在这种情况下，大力开展工业工程的研究显然具有十分重要的意义。本文的目的便是要探讨与工业工程研究发展密切相关的以下几个重要问题。
1.工业工程从泰勒最早通过动作研究(motion study)和时间研究(time study)来提高工人现场劳动生产率开始，历经近百年历史，现在已经发展扩大到越来越大的范围，但其目的都是为了提高生产系统的效率。因此，工业工程学科的研究和发展一定与生产系统的发展变化有关。那么，我们是否可以从这一思路出发，即通过对生产系统构成及其发展的研究，从而更清楚地认识工业工程的发展过程，并建立现代工业工程学科的完整体系。
2.当前工业工程的研究范围很广，一些敏感的学者可能会注意到它与生产管理、制造工程学科的关系越来越密切，这也体现了当代学科间交叉发展的共同趋势。因此有必要探讨工业工程与它们之间的相互关系。这样将有利于上级主管部门进行有效的学科管理，制订相应的学科发展政策，便于今后这些学科的进一步发展。
3.前辈学者们将工业工程引入我国，目的是为了彻底改变我国企业生产的落后面貌，提高竞争力。目前日益激烈的市场竞争环境，确实对我国企业提出了严峻要求。那么在这种形势下应该如何选择工业工程发展的优先领域，来提高企业的竞争力？这不仅关系到工业工程学科的自身发展，更重要的是关系到我国企业进入世界经济大循环，跨入21世纪及复关的命运。
本文的研究思路是：先探讨生产系统构成及其效益实现的概念模型，然后据此研究工业工程的发展过程，分别探讨以上三个问题。
二、生产系统构成及其效益实现的概念模型
工业工程研究的对象是生产系统。在一个生产系统中，包括人员、设备、材料、厂房空间，因此我们可以认为生产系统便是由这些要素组成的。其中若将人员简称为人（Human，简称H），后面三个要素并称为物（Machine，简称M），这样生产系统（System of Production，简称S）可表示如下：
S＝[H,M](1)
那么生产系统(S)的生产率（Productivity of System，简称P）显然是由系统中人(H)、物(M)各自之间和相互之间的关系来确定。工业工程研究的目的就是通过优化配置这些关系来提高系统的生产率P，它显然是系统组成的函数，即：
P＝f(S)＝f(H,M)(2)
但实际上，生产系统的效益并不等于其生产率。这是因为，尽管生产系统的生产率很高，但如果市场并不需要生产出来的这些产品，那么生产系统便没有效益；因此只有当市场大量需求时，生产系统的效益才与其生产率成正比。所以生产系统的效益还与外部市场（Market，简称M）有关。这样，生产系统的效益（Efficiency of System，简称E）为：
E＝f[(H,M),M]
(3)
这样我们便得到了生产系统效益实现的概念模型。从中可以看出，提高生产系统效益要优化配置以下四种关系：
①人—物关系：H-M
②物—物关系：M-M
③人—人关系：H-H
④生产系统—市场关系：(H,M)-M
从下面的论述中可以看到，工业工程的研究和学科体系的发展与生产系统和市场环境的变化及这四方面关系的优化密切相关。
三、工业工程学科随生产系统和市场的发展而发展的过程
1.19世纪末到二次大战（建立基础IE体系）：优化H-M
我们知道，18世纪末，西方国家爆发了第一次工业革命，这是以瓦特发明蒸汽机为标志的。从此开始到19世纪，生产逐步由以手工为基础的作坊发展到以机器为特征的工厂方式。但那时由于技术水平的限制，机器系统简单，生产规模较小，物料和产品都较少；工人数目也不多，人员之间分工简单；而且社会对工业产品的需求是大量的，供不应求，产品生产出来就能卖出去，提高生产系统的生产率也就是提高了效益。因此，物—物关系(M-M)、人—人关系(H-H)、生产系统—市场关系[(H,M),M′]都不是主要的。所以当时泰勒主要是通过改善工人和机器之间的操作关系(H-M)来提高生产率。因此进行了时间研究和动作研究，制订合适的劳动定额、标准操作方法和工具来提高作业现场的劳动生产率。甘特、吉尔布雷斯夫妇等人对此也作出了贡献。以后这些逐渐发展到工作研究理论，我们现在称之为基础工业工程（基础IE）。它主要包括时间研究、制程分析、方法研究等内容。这些对后来以机械化生产为标志的第二次工业革命起了巨大推动作用。其典型的代表是亨利·福特发明的大量流水单一品种T型车生产线。基础工业工程对二战前世界工业及经济的发展作出了重要贡献，其本身的理论也在实践中得到了发展。
2.二次大战到70年代末（形成现代IE的主体）：优化H-M,M-M,H-H
第二次世界大战给世界工业和经济造成了空前的破坏，特别是欧洲和日本处于战争形成的废墟中。而美国经济丝毫没有受到影响，反而大发战争横财。世界商品市场（特别是制造业）处于极度饥饿状态，商品只要能生产出来就能卖出去。因此，市场对生产系统的影响较小，即提高生产系统效益可以暂不考虑(H-M)-M关系。而且由于技术和经济的发展，设备更加复杂。生产规模越来越大，雇佣工人数也越来越多，因此提高生产系统的效益，必须从优化H-M，M-M和H-H三方面入手。
在优化H-M上，从传统的工作研究（即人适合于机器）逐渐发展到研究机器如何适宜于人的问题。主要是在机器和工作环境的设计中如何考虑人的生理、心理因素，慢慢发展并形成了人机工程学科，其理论和实验研究都得到了很快发展。1949年美国人查帕尼斯等合著的《应用实验心理学——工程设计中人的因素》以及1957年美国的麦克考米克发表的《人类工程学》，总结了二战时期的研究成果，奠定了人机工程学科的理论基础，并开始走向成熟，而且相继在英国、美国、前苏联、日本、法国等成立各国以及国际性的人机工程学会。60年代以后逐步在世界范围内发展起来。
在M-M研究方面，逐步由局部工作效率的改善提高发展到车间、工厂生产系统范围，以提高不同层次的整体效率。如改善车间的设施设计、研究物料般运方法和物流技术以及车间和工厂的设计；除此之外，为提高整个车间的效益，还必须进行有效的生产计划与库存控制、质量控制和成本管理，并引入了工程经济分析等手段。其中，在生产计划与控制方法上，各国分别形成了不同的模式。MRP（物料需求计划）和MRPⅡ（制造资源计划）是以美国为代表形成的“推式”计划管理模式，而JIT（准时制）是以日本为代表形成的“拉式”计划管理模式，形成东西方两大派别。而在欧洲则还推出了OPT（最优化生产）计划管理方式，以解决生产计划中的瓶颈资源问题。计划管理方式的不同给这些国家70年代后的生产竞争造成了较大的影响。
除此之外，要提高生产系统效益，还必须改善H-H关系，也就是涉及到组织结构的设计、分析、评价以及改善问题，而且还包括群体工作效率分析、人员的激励等等，这些都是为了充分发挥生产系统中人的主体作用。代表西方、东方的美国、日本在这方面也是大不一样的。在美国，组织结构是基于亚当·斯密的劳动分工论建立起来的，一直沿用大量流水生产时的形式，即采用金字塔式层层递阶的组织形式，高度集权，机构庞大，分工巨细，信息传递慢，间接管理消耗大；工人只是机器的延伸，主动性和创造性得不到充分发挥，工人与雇主之间只有雇佣与被雇佣的关系，工人可以随时被解雇。而日本却采用与大量生产完全不同的精益生产(Lean Production)方式，采用团队或项目组(Team)作为工作组织分工形式，并被赋予一定的决策权，工人都是多面手，属于不同的团队，在团队里分工关系不十分严格，工人是终身雇佣制，主动性和创造性得到充分发挥，群体工作效率高。这些区别对70年代以后美、日制造业竞争的后果影响也是巨大的。总的来说，这段时间IE得到了较大发展，形成了包括工作研究、人机工程，设施规划设计、物料搬运、物流、从车间到工厂的设计、生产计划与库存控制、质量控制、成本管理以及工程经济分析，组织的设计、分析、评价和改善、群体工作效率分析与人员激励等等，已经形成了现代IE的主体，并在工业生产中得到了广泛应用。现代IE的充分应用既使得以美国为代表的西方国家经济繁荣发展到顶盛时期，同时也使得日本、西德等二次大战的战败国经济得到复苏和迅速崛起。但是，正是由于世界东西方经济均在蓬勃发展，从而加剧了市场竞争，改变了市场的形势，也给工业工程的研究和发展提出了更多的挑战和新课题。
3.70年代末到90年代（形成现代IE的体系）：优化H-M,M-M,H-H及(H-M)-M
70年代以后，随着世界东西方经济的迅速发展，市场开始走向多样化。同类商品日益增多，消费者的行动变得更具选择性，对商品的质量、性能、价格等要求越来越高；产品更新速度也加快，其生命周期越来越短。所有这些都导致了企业之间竞争的日益激烈。市场急剧多变，要提高生产系统的效益，必须使得生产系统[H,M]要能快速响应市场M′的变化，从传统的单品种大量流水生产转换到适合于多品种中小变批量生产。这首先必须要求生产系统要从以前的机械化、刚性自动化变成柔性化。二战后，数控技术、计算机、自动化、电子信息技术以及人工智能的迅速发展和应用，为柔性自动化生产创造了良好的条件。因此，柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称FMS）和成组技术（Group Technology，简称GT）开始发展起来。特别是随着计算机辅助技术，如CAD、CAM、CAE、CAPP等的发展，人们开始寻求一种在更大范围内提高生产系统快速响应市场能力的办法。其设想是：将企业的市场信息、产品设计、加工制造、检测装配甚至销售等通过计算机集成为一个系统，该系统能根据市场变化情况迅速修改产品设计，然后通过计算机传递、转换制造信息，很快将产品生产出来，以最快速度投放市场。这种思想曾在世界上掀起了计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS）技术的热潮。在CIMS研究中不但要用到CAD,CAM,CAPP，CAE等技术，还要应用大量的工业机器人、信息管理系统(MIS)、网络通讯技术以及决策支持系统(DSS)；人工智能(AI)、专家系统(Expert System)、知识工程、神经网络等技术也开始进行研究和应用。另外，为了缩短新产品开发周期，并能够用最经济的途径开发生产出来，提高产品的性能价格比，一些新的技术方法，如并行工程（Concurrent Engineering，简称CE）和价值分析或价值工程(VA/VE)等方法也开始应用。总之，由于市场需求的急剧变化以及计算机和信息等技术的发展，大大拓宽了工业工程的研究领域。正因为如此，工业工程学科与制造工程学科中的某些内容也开始交叉重叠。
以上提高生产系统[H,M]对市场M′的适应能力实质上还是通过改善[H,M]中的M-M关系，以提高生产设备的柔性为出发点的，而未考虑到H-H关系，即人和组织的柔性问题。可以推断，只是提高M-M的柔性和集成度，向这样一个极端发展，而不考虑H-H的柔性，是会出问题的。这种完全从技术到技术的集成所花费的巨额投资（传统CIMS的思想是建立无人工厂）与其所取得的现实收益相比不一定十分令人满意，这也正是CIMS目前遇到的困难。因此在技术适度柔性和集成的同时，提高组织的柔性可能是更为经济、现实的途径。以美国为代表的西方研究人员是从其深刻的教训中认识到这一点的。美国在70年代后其制造业产品市场份额急剧下降，越来越落后于日本，使他们不得不开始研究它和日本在生产方式上的差异。为此在80年代中期，美国麻省理工学院(MIT)专门组织了一个国际汽车计划(IMVP)，对美、日两国汽车生产进行了大量实证性的研究，最后提出了日本的精益生产(Lean Production)方式。发现从技术上相比，日本并不比美国先进，但主要是在生产的组织和人力资源管理上独具特色。如前面提到的灵活高效的团队(Team)组织，多面手工人，精简的机构，工人的主人翁地位和主查负责制等等。这种高度灵活、联系牢靠和高效的生产组织和人员，同样也能使生产系统及时响应市场的变化。美国于是在国内开始学习推广日本的精益生产方式，并提出了企业重构(Reengineering)和敏捷制造(Agile Manufacturing)。在企业重构(Reengineering)中继承并发展了Lean Production的理论，提出要按照工作流程(Business Process)来进行组织结构及分工的重新设计，尽量减少组织的递阶数，精简机构，决策权适度下放等，以加快信息传递速度，节省费用，利于对外界市场环境作出快速反应。这一思想在美国甚至世界各国都产生很大影响、受到多方推崇。美国利海大海(Leigh)工业工程系与通用汽车公司(GM)共同提出的敏捷制造(Agile Manufacturing)的主要思想是：单靠一个企业生产系统可能难以胜任对市场需求的应变能力，因此企业除了要充分利用本企业资源外，还必须充分利用外部企业资源。在需要的时候，可以由本公司和外面其他公司中部分单位共同组成一个临时的虚拟公司(Virtual Company)来完成市场急需的一个产品或项目；而一旦任务完成，虚拟公司即解散。这样，企业组织由传统的静态不变发展到动态结构，能更加适应市场环境。因此，在这一阶段，组织的设计、分析、评价和改善以及人员的激励、人的因素、群体工作效率分析等方面的研究成为现代工业工程研究的重要问题，而且将继续成为热点问题。从这里也可以看出，以美、日为代表的西、东方国家在世界经济一体化的形势下，对组织结构及人力资源管理上的认识和观念开始趋于一致。
总结上述分析可知，以上研究都是在企业的生产方案完全定下来时，从H-M、M-M和H-H三方面入手来提高生产系统的效益问题。而今，企业越来越面临的问题是，在市场环境急剧变化情况下，如何确定企业的生产战略。这实际是研究如何处理生产系统[H,M]和市场M的关系，属于决策层次的问题。它包括以下内容。①当前市场对产品不仅要求其质量(Quality:Q)和成本(Cost:C)，还要求其交货时间(Time:T)和服务(Service:S)，总起来便是T.Q.C.S四大要求，有时要求可能更侧重于其中的某个或某几个方面，那么企业应该如何选择？②当今市场，需要不断提供新产品，因此必须确定企业新产品的开发规划，以及提高其市场竞争力的策略。③研究如何开拓新市场、巩固原有市场的策略。④在产品方案确定后，如何据此来调整或重新规划生产系统中的设备和人员，选择投资重点，进行投资分析、可行性评估等等。以上这些都是当今企业战略研究的重要问题，是工业工程研究中处于策略层次的课题，是今后的发展方向。
4.现代IE的完整体系
由生产系统效益实现的概念模型：
E＝f[(H,M),M′]
(3)
可知，要实现和提高E，必须优化H-M,M-M,H-H,(H-M)-M这四个关系。总结前面三节内容，可形成现代IE的完整体系如图1所示。
图1 现代IE的完整体系及研究层次
我们可把现代IE研究体系划分为三个层次：即技术(Technology)层次，组织(Organization)层次和策略(Strategy)层次。
从这里我们可以总结IE发展规律，即随着生产系统和市场环境日益复杂化，IE的研究领域不断从技术(Technology)层次扩大到组织(Organization)层次，最后发展到策略(Strategy)层次，大体上符合这一学科发展规律。
另外，IE现在的研究领域还不断向其他领域扩展，不完全局限于生产系统。根据自然辩证法中的相似准则，只要系统的构成具有某种相似性，那么研究该系统的方法是可以推广到其相似系统中应用的。如一个城市的地面交通系统或地下铁路系统也是由人和物组成，主要是解决人流、物流，提高系统运行效率问题。因此类似于(1)式所示的生产系统，其效益也可以类似用(3)式表示。因此工业工程的有关理论完全可以应用到这些领域，当然要对特定问题作一些修正。因此现在工业工程正广泛渗透到交通、行政事务管理、服务业等行业中。可以说，工业工程学科在其历史发展过程中，通过吸收其他学科理论不断壮大，同时其研究成果也在向其他领域渗透，与其他学科交叉融合。下面便谈谈它与生产管理、制造工程之间的密切关系。
四、工业工程与生产管理、制造工程的关系
现代制造工程范围很广，主要包括制造工艺（如铸造、锻压、焊接、热处理、切削加工、激光加工等……），数控技术NC、CNC、DNC，局部CAD、CAM、CAE，生产计划与控制、设施规划与物流……，人机工程，FMS、CIMS、AI……等等。
图2 工业工程与生产管理、制造工程的关系
生产管理主要包括图1所示的策略(Strategy)层次研究、组织(Organization)层次研究和生产计划与控制、设施规划与物流……，以及DSS、MIS、CAPP、GT、CE等等。
在这三门学科中，制造工程是基础。尽管现在其范围较广，但侧重点主要是解决最底层的硬技术问题。工业工程和它之间有一定交叉，主要在生产计划与控制，设施规划与物流…，MIS、DSS、CAPP、GT、CE以及CLMS、FMS、AI……，人机工程等等。还可以看出，现代工业工程实际包含了生产管理的所有内容。工业工程之所以具有这样广的范围，主要是由于其定义（“工业工程是为了提高生产系统的效益”）内涵的广泛性，决定了工业工程这一学科具有开放式的体系结构，因此凡是能提高整个系统效益的研究方法和手段都可以吸收进来成为其体系中的一部分。
工业工程1990年在我国一经提出就受到工业界、学术界的广泛重视。中国机械工程学会成立了工业工程分会，召开了三次全国性的IE学术会议，1995年马上要召开第四次会议。并且国务院学位委员会批准在管理学科与工程学科中设立IE硕士专业，并在几所高校中设立了本科和硕士专业，工业工程的研究、应用也正在我国开展。这些都是可喜的局面。从前面可知，工业工程现在的体系已经包括了生产管理（生产管理为管理工程的一部分），我们对工业工程的认识不能只停留在传统IE（工作研究）上，要给予更多的重视。另外，国家在制订学科发展政策时，要充分考虑到工业工程和生产管理、制造工程学科之间的交叉关系，制订合理的发展规划，注意学科之间的投资分配。
五、对我国现阶段工业工程研究优先领域的探讨
当前，我国企业面临激烈的市场竞争环境和复关的挑战，因此工业工程的研究首先要面向企业生产的主战场，以提高企业竞争力为目的，因此要首重研究解决企业普遍存在的瓶颈问题。如在制品及成品库存量大、流动资金周转速度慢、质量控制不严、新产品开发生产周期太长、企业组织结构臃肿庞大、人力资源管理不当、设备和人员利用效率普遍低、企业生产策略不合理等。工业工程在我国这些年来取得了不少成就，但由于企业积重难返，以上问题仍是普遍性的，严重阻碍企业竞争力的提高。这是现在工业工程研究需要解决的。另外，工业工程的研究也要适当地跟踪国际前沿。如随着当前高科技的飞速发展，人与机器的操作界面将越来越复杂，因此复杂状态下人机关系的研究是当前十分热门的课题，有学者预测人机一体化系统与技术将是21世纪机械科学的重要发展方向。作为学科交叉关系，这无疑也是工业工程中的重要前沿。鉴于以上考虑，笔者认为目前在我国开展工业工程研究有以下几个优先领域：
①企业生产战略和生产系统规划
②加快新产品开发周期的系统方法
③企业组织结构优化、改善及人力资源管理
④生产计划与库存控制
⑤质量控制
⑥复杂人机系统模拟研究
我国当前正处于由计划经济向市场经济转换时期，企业面临跨入21世纪及复关的挑战，党的十四届三中全会因此将国有企业建立现代企业制度作为今后改革的重点。所以当前工业工程的研究具有极强的工程应用背景。工业工程研究能否真正提高我国企业的竞争力，不但关系到这门学科在我国的命运，更重要的是关系到国民经济的发展以及我国21世纪在国际上的地位。因此，大力开展工业工程学科的研究和发展是政府部门、学术界和企业界须共同关心的课题。