对未来工业工程的思考
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1引言
近百年工业工程学的历史是一部推动制造创新、企业进步和国家经济发展的历史。它孕育于15世纪以来的工业革命环境中。从20世纪初以来的一百年中，工业工程学历经机械生产模式和生物生产模式而进入社会生产制造模式阶段(李天和，1998)，在这种新模式下，工业工程被理解为所有组织(包括各种制造企业)的系统设计与运作优化的综合性工程科学[1]。历史已经证明，面对各类挑战的组织与企业可以从工业工程学中找到科学的启示、先进的战略，和实现目标的规模、方法与工具。面对未来一个由顾客需求驱动、快速多变和来自全球四面八方不断增强的市场竞争以及来自某些发达国家在国际关系中的挑战，最重要的任务之一是继续发展和创新工业工程学[1]。美国国家研究委员会关于未来制造的六大挑战和十大关键技术项目中有三分之一直接与工业工程学相关，例如：可重组企业(reconfigurableenterprises)、可重组制造系统(recorfigurablemanufaceturingsystems，RMS)、创新的过程、企业建模与仿真、产品与过程的设计方法、增强的人机接口技术和人力与技术资源的集成等[2，3]。本文针对可重组企业、可重组制造系统、过程工程、以人为中心的组织与管理和工厂企业教育培训的革新5个问题进行探索，试图在世纪之初展望工业工程学的发展。
2可重组企业
企业的设计、建立和组织从来就是一个重要的课题。从工业革命以来，它首先遵循亚当·斯密的理论和原理，把组织与企业分解为最简单最基本的单元。
Taylor对之进行科学化，工程化和细化。美国工业工程的两位早期学者，Deimer(堪萨斯大学)和Kimball(康奈尔大学)先后在其著作中讨论了企业设计问题，形成著名的"泰勒制"。Ford和Sloan等人成功地创立了大量生产模式(机械生产模式)，以流水生产的现代企业代替了手工场式的车间。项目管理把企业设计成生物制造模式下的组织。M．哈默分别在1993年与1995年定义了经营程序再造(businessprocessreengineering，BPR)，推动了当代的企业再造热(姜文柄，1999)。1998年，美国国家研究委员会公布了可重组企业的设想。同时，李天和教授再次提出了企业设计问题和设计原则以及集成管理系统。Yeh和Pearlson提出了基于零时间的组织概念结构。笔者在为EMBA班讲授中，编著了《企业设计》讲义。这些活动促使人们把可重组企业的研究提到日程上。
2.1可重组性
1997年，美国衣阿华大学的Lee把可重组性定义为以低成本和短周期来重组制造系统的能力[4]，美国密歇根大学Koren曾分别于1996，1997和1999年二次定义可重组制造系统，但他们都把可重组性局限于制造系统范畴。Harnmer的BPR是一种企业重新设计的方法，而非一种经常可变的企业组织设计法。我们定义可重组性为：一种可以按规划和设计规定的变化，利用子系统或组元的重排、更替、剪裁、嵌套和革新等手段对系统进行重新组态、更新过程与系统功能或改变系统输出，迅速响应市场变化的能力[6]。这一定义是希望通过企业或组织的重新组态达到适应变化的设计概念和方法。从实施效果看，BPR经常会引起较大的社会震动，不如可重组企业的重组那样平稳。
可重组性是对积木化和成组性的革新。它是基于拓扑性，即；几何、物理、几何／物理、化学与系统、生物学的相似性和模块间的交互作用与接口特性，可以实现系统的基本特征--"整体大于部分之和"的"相乘效果"，是对"积木"和"成组／组合"的发展和拓宽。积木是基于几何相似性和几何约束的，成组／组合是基于几何与部分物理相似性的。而可重组性是基于拓扑性的系统集成。
2.2可重组企业的构想
可重组的企业是由若干系统及可重组的模块(组元)组成的。按照瓜的观念，企业或组织系统的设计是对组织的人活动（子）系统、管理控制（子）系统和公共服务（子）系统的设计及其交互作用和接口界面关系与特性的集成规划与设计，如图1所示。可重组企业的核心是重组的人员、硬件与软件。企业的重组可分为不同层次，即企业/组织系统级（要求3个子系统及其交互作用与接口特性可重组），子系统级（要求子系统是由“可重组模块”或组元组成）和模块级的重组。人活动系统的重组是建立在制造系统可重组、高素质的多面手人员和组织与管理系统重组基础上的。管理控制系统的重组是对项目小组（team）、群体/集团(group)和动态联盟为基础的人与人和组织部门间的协调管理[7]。公共服务系统主要包括战略与重组规划，建模、仿真、监控与决策，企业性能测度，智能合作软件和金融与法规支持系统等。实现重组的关键是：企业建模与仿真、人机接口技术、智能化和软件开发、集成管理系统和人员培训教育等方面。从技术上讲，软件系统的可重组性是关键。
3可重组制造系统
制造系统的重组要求来源于大量生产中遇到的可变性和为发挥机床功能的夹具设计。20世纪30年代正当大量流水生产成熟时，美国汽车厂为适应不同规格缸体加工要求，开始作变异式机床的尝试。
40年代为强化军品生产，英国采用夹具提高零件的互换性和产量。50-60年代，苏联在学习英国作法后，提炼出成组技术，而德国人开发了成组分类编码系统。从60年代到90年代，广泛利用成组技术发展了成组工艺、成组单元、FMS、FMC与CIM系统[8]。
为了利用激光加工新技术，在70-80年代，日本进行了嵌入激光加工装置的FMS的研究开发，并开展了装配模块化的FMC开发。80至90年代，以德国汉诺威大学和斯图加特大学为中心，开展了自治模块机床的设计和制造集成及主轴部件与球铰运动副的专业化生产的研究与实践。美国的衣阿华大学等开始探索可重组制造系统[9、10]。如年代中，在美国国家科学基金会(NSF)和企业界的支持下，密歇根大学对RMS项目进行全面研究[10]。同期，1观年中国国家自然基金启动了快速重组制造系统(阳肥)的研究项[ll]。与此同时，美国南伊利依大学的Rong和朱成功地进行了组合夹具的计算机辅助设计(CAFD)研究开发[13、14]。
3.1快速重组制造系统(RRMS)的科学基础
所谓RMS就是具有可重组性的制造系统。从长远观点看，RMS可以分为系统级，机床／设备级和部件／模块级3级。近期利用较多、比较成熟的是系统级的RMS。可重组机床和部件还处于研究开发初期，其成熟和利用，按美国国家研究委员会的概念，将是21世纪前20年的事。同产品的重组(或可重组模块化产品)一样，要解决基于拓扑性和交互作用与接口技术优化的机床、产品或模块重组，有许多科学原理、方法和工具尚待研究和开发。系统级的重组，如RRMS，现在是较现实可行的，它把机床/装备认为是可移动的可重组组元，对它们实现快速的重组。RRMS的基本特性有：可移动性、斜升效应、劣化效应、可集成性和可诊断性等。可移动性要求RRMS中的机床与设备是可以在公共地基上随时方便地移动，同时还要求它们在预先设定的简便支撑下(无单独地基与固连)正常运行，达到一般制造系统(有单独地基，并紧固)的运行性能。所谓斜升效应是指新建或重组的制造系统从运行开始到稳定地达到规划与设计要求的性能指标的提升过程即过渡过程现象。劣化效应是指在各种因素作用下使制造系统运行性能下降的一种退化现象。重组的制造系统的性能在其寿命期的表现如图2示。可集成性是指以具有可重组性的系统组元或子系统为单元构成可以发挥“整体大于部分之和”的集成。为了实现可集成性，不仅要求几何、物理和几何／物理的约束得到满足，而且要求广义的拓扑约束和组元／子系统间交互作用与接口特性(间隙、重叠、辊合、信息、能量与误差的传递特性……)得到全面满足。可诊断性是指对制造系统运行性能进行跟踪和为查找原因、诊断和控制提供有效信息的能力。
3.2制造系统快速重组的实例
我国山东某厂从1996年以来，根据订单变化，已实现液压件生产线的重组，每年8次左右。无锡茶计算机器件制造厂，根据周生产计划和用户订货变化，己实现8小时内重组上百台CNC加工中心的零件生产线，其最短的重组周期为8小时(即重组后系统的寿命期为8小时)。清华大学利用人工智能原理实现了汽车减震器、焊接与装配线和汽车燃助泵制造单元的重组，取得良好的效果，如焊接单元重组后使生产线占地面积压缩了63．6％，作业人员减少了36。4%，人均生产率提高了190％，减少设备台数50%，节约投资52。2％[11]。RRMS的主要发展方向是：立即开展系统级重组的研究、开发和应用，在今后20年内研究、开发、生产和利用可重组机床。
4过程工程
过程的重要性在于：变化总是存在于过程中；85％以上的过程问题是由过程变化引起的；过程的决策必须依赖正确的数据(Smith。1998)。过程工程指的是对制造过程的研究、开发、规划、设计、实施、控制与管理的工程学。它是根据我国改革开放成功的经验和世界先进制造企业的实践，为增强竞争力的新需求提出的新观念。诚然，企业的竞争力提高首先要重视新产品的生产和上市，但从我国和世界多数企业的实际看，不是每个企业都有创新产品的实力，更多的企业只是对已有产品作不断改进，引进创新产品的生产，或从先进企业引进产品乃至成套生产设备或生产线。改革开放20余年的历史证明，凡是那些重视和实施过程工程的企业，就能较快地完成斜升并迅速推出新产品上市。取得市场优势；凡是那些在过程工程方面着力力度不足或疏于认真实施过程工程的企业，虽拥有先进的产品和配套的先进生产装备，却长期达不到国外同类企业水平，甚至达不到设备比之落后的企业的运行水平，其T(交货期)、Q(质量)、C(成本)长期处于较低的水平。事实是，产品和制造系统可以引进，但过程技术、过程控制、过程管理和过程方法是很难引进或不可能买到的。工业调查证明，我国某些企业，至今未实施统计过程控制(SPC)，过程质量难于保证，达不到国际先进企业的土60或更高的质量水平；有的过程损耗是国外先进企业的5-10倍；有的刀具寿命是国外先进企业的50％或更低[6]；交货期常常成为瓶颈。
过程工程是现代制造过程理论，如过程质量、制造系统斜升效应、设备性能劣化与控制、并行工程、计算机辅助工艺(CAT)、系统集成、DFX、P／OM(生产与运作管理)，误差流理论，约束理论(TOC)、过程控制和质量工程以及CAFD等的综合利用以及全寿命、全过程的控制和管理的集成。从本质上讲，过程工程是建立在现代科学技术、计算机技术、经济、管理与人文社会科学融合基础上的现代工艺学，它是构成企业实力的根本要素。从目前的认识看，它包括以下内容：
——过程的创新与改进。新的加工方法的创新和现有方法的革新。
——过程规划与设计。从保证产品可靠性、安全性、质量控制和对环境的影响出发，根据企业的实际与支持条件，把T、Q、C、S(服务)与E(环境)统一起来和开发与应用计辅工艺CAT及CAFD。
——过程控制。目前迫切需要的是普及培训和推广应用基于SPC的过程质量控制，并努力研究开发和应用基于微机的过程物流、信息流、能量流、资金流和误差流的控制技术。
——过程管理。过程的复杂性和多变性使过程管理和调度工作异常繁忙且易出错。因此，研究和开发按周、日、甚至时的规划、控制和调度计辅技术显得特别重要。
——加强过程理论的研究和应用。传统的办事规则已经不适用于今天的生产环境，应该加强过程运行、管理和调度规律的研究和应用，防止由于理论与概念的落后导致的各种错误，譬如落后的质量水平掩盖质量管理的落后(Yeh＆Pearlson，1998)。目前尚持研究的过程理论有：斜升效应、劣化效应、企业与动态联盟的建模与仿真、快速决策与调度、智能技术在过程中的应用和专用夹具的CAFD等。
5以人为中心的组织与管理
近20年来，组织与管理最重要的创新是“以人为中心”的组织概念的确立与实施和改进创新战略。
5.1使顾客完全满意(totalcustomer，TCS)
不少世界级先进企业都先后把TCS作为企业的业务工作目标。其实质是：超越顾客的期望，使企业成为市场的赢家；以人为中心，自上而下地转变传统观念，在信念上强调“以礼待人，忠诚不渝”；培养人人有权参与，发挥集体协作精神，形成创新的企业文化；把企业所有业务工作同TCS挂钩，形成集体与个人的工作目标和测度参数；要求达到同行之最：在人员素质、营销、技术、产品、服务和工艺方面达到世界一流；增大企业的市场占有量；把一切业务工作同提高质量和降低运行时间挂起钩来，并落实到人，如执行土90、士6．5σ或土6σ的品质制，同时要求每个员工找到自己服务的对象
——外部的顾客或内部的顾客，执行每天每人出错率≤3.4×10-6。美国Babicb的研究表明：一个不满意的顾客要对8-20个人讲其不满意，而满意的顾客只对3-5人讲。连续不停地改进顾客满意率是达到商业成功的最佳路径。必须了解你的竞争对手的顾客满意率和你的产品与服务的优先权，在对比中改进管理的思维与战略。他还提出企业获取这些信息的5个步骤。
5.2执行不断改进与创新的管理战略
在对比美日的创新战略后，人们发现采取连续改进一创新的战略优于只有创新的战略，如图3所示。因为在两次创新的间隔中，由于劣化效应的作用，不能实现保持不变(不降)的绩效，只有利用连续改进(小改小革)才能对抗劣化作用，与创新结合达到最大的绩效。我国不少企业尚缺乏这种连续改进一创新的战略。
5.3革新组织与管理
近10年来，企业管理和组织工作最大的革新是观念的改变和组织形式与管理的变化。20世纪20—30年代产生的大量生产，在管理上强调绝对服从。在今天，它已经造成企业管理人员与员工的“对立”，而影响企业的竞争力。因此，国外企业强调实施群体决策与集中决策相结合的管理决策。同时，为了消除多层次金字塔型组织结构的“大企业病”，采取少层次扁平化网络结构，形成可组织的结构，创造了小组，群体／集团和动态联盟与虚拟企业的组织形式。
其中，小组是基本的单元和组织模块。小组组成的目的是为了攻克企业面临的难题或重大事件服务的。它源于战场上攻坚或爆破小组的原型，挑选4-12名精干成员组成，其成员是多专业、功能交叉、有知识和能力的员工，其工作寿命一般为3。12个月。一旦任务结束后就自动解散，或回到原来岗位或重组新的小组。小组的本质是通过培训和授权发挥多专业人员群体的主动性、积极性及其知识与技能，以攻克企业面临的瓶颈或难题。
在实施小组组织管理中应该注意：(1)明确小组的功能，这包括进行必需和合适的教育培训，创新工作程序；通过不断沟通了解顾客的需求和调动供应商的参与积极性；利用平等讨论的会议形式，集思广益，形成一致决策。(2)建立小组的规则，使每个成员达到一定的工作强度，避免忙闲不均；尊重每个成员的差别，造成不同专业和背景的成员合作的环境；增强沟通，增进成员相互了解；建立小组协议，确定成员的行为规范。(3)实施正确的管理，消除工／管对立和把质量放在次要地位的两难局面。
从国外看，要注意消除因为管理组织和方法的落后使工人成为“替罪羊”的局面。执行Delning的建议：“只要工人是正确地工作了，我们就不应该认为他们有问题”。搞好管理的核心是从企业规划和根本目标——TCS进行管理，以平等的态度与员工沟通，肯定员工的优点与进步，并注意及时对他们进行必要而合适的培训。
6企业教育培训的革新
同世界先进企业相比，我国的员工培训有很大的差距。我们经常抱怨员工文化素质低，但又不强化培训，使我们与国外先进企业的差距越来越大。
员工的培训应按成人教育进行，而不是照搬学院式的“满堂灌”教学法。应遵循现代人力资源开发与管理的特点，确立正确的目标，制定规划与实施建立反馈，按高级管理人员、中级管理人员、工程技术人员和工人不同的工作和素质能力要求，进行长期有计划的培训。
1997年第6届国际工业工程与工程管理会议总结了当代皿教育的不足，并提出改进方向如下：
(1)以培养目标为主线，替代以工具为主体的教学计划，改变以技术／方法为中心为“以人为中心”，强化瓜专业学生的专业基础训练；(2)密切与企业联系，适应迅速发展的全球化趋势，跟上科学技术和市场的发展步调；(3)改革教育方法，执行以问题驱动的教学体系。国内外对IE教育改革进行了试点，取得了较好的效果。例如TAkMU大学经5年试验后，提出本科皿教育的核心课程是：制造与生产系统、工程经济与寿命期成本分析、计算机仿真、制造规模与控制、质量控制与质量工程、设施规划与控制以及工程设计[1]。最近，德国工程师协会提出的IE硕士班课程表中，工程知识占50％，管理课程占23％，公共课程环节占27％。为了使学生获得足够的现场知识，他们提出开设工业参观访问，专利／商标／法律，管理与商务规划等课程。美国华盛顿大学IE系与波音公司合办“2+3”硕／博贯通的研究班，深受企业欢迎。清华大学从1992年开始在职人员的赃研究生教学，已有23人获得IE硕士学位，并有40余人已进入论文工作阶段，深受单位和学员的欢迎。我们相信在新世纪，我国IE教育将会获得重大的发展。
7结论
工业工程自其创立之时，就以科学化和创新为基本特色。在20世纪近百年的发展中为各国的经济发展做出了重大的贡献。在新世纪开始时，中国需要IE工程，IE工程需要在中国这块文明古国开花结果。