效率与效益的利器--现代工业工程
　
　--清华大学工业工程系教授郑力--
　
　
　
　不管是在北美还是欧洲，经常有人笑话工业工程说：你们讲不太清楚什么是工业工程。我看到在美国伯克利大学工业工程系的主页上有一段话，描述什么是工业工程：“当你看到一个静止的物体的时候，那就是土木工程；当你看到一个物体在运动的时候，那就是机械工程；当你闻到味道的时候，那就是化学工程；当你看不到东西的时候，那就是电子工程；当你想都不能想象的时候那就是工业工程。”所以工业工程的特性是研究一个包含人的系统的学科。如果我们把工业工程的定义拿来用，你就会发现这个定义非常的复杂，不要说第一次接触的人，就是我们常年接触工业工程的人，也看不太懂这个定义到底想说明什么问题，所以我想简单介绍一下工业工程的历史，希望把这个问题说清楚。我们今天的思路是：第一是从历史的角度来看什么是工业工程，工业工程从近百年历史发展中对人类社会的贡献中了解什么是工业工程。第二，我们从工业工程在产业中的应用的角度来看什么是工业工程。整体内容两大块，一块是历史，一块是方法，特别是工业工程在制造业中的应用。
　
　这里有几段话是对工业工程的说明：第一段讲，工业工程的产生是同工业革命的产生密切相关的，如果没有大规模生产这种模式就没有工业工程。工业工程产生的背景是当时管理的手段已经不能很好的管理这种大规模的生产组织，为有效管理大规模的生产组织，而产生的一门学科，我们今天称之为工业工程，当时还没有叫工业工程。第二段话是抄自于美国工业工程的一本书：“设计未来的工厂是具有挑战性的复杂任务”这是指工业工程在制造业中的应用。最后一段话是最经典、最传统的对工业工程的理解，说工业工程就是效率工程，杜绝各种浪费，有效的提高生产率和经济效益，把技术与管理有机结合起来的一种边缘学科。所以工业工程的特点是强调效益，杜绝浪费。我们经常说工业工程是“硬管理”，如我们很少给学生讲课谈什么是领导艺术等，但我们会告诉你如何来节省成本，提高生产效率，怎样设计生产线使的生产效率更高和怎样来判断产品质量，这些都是“硬管理”；另一方面它又是“软技术”，如我们不会讲机器怎样设计，但我们会讲机器怎样摆放使得生产效率更高等等，所以它是技术与管理有机结合的问题，它是一门以系统的效率和效益为目标的学科，工业工程整个学习的目标就是研究系统的效率和效益。
　
　工业工程的历史大致分为四个阶段：
　
　第一个阶段叫科学管理阶段。在上个世纪20年代称之为工业工程，不在叫科学管理，改称工业工程。在50年代我们把运筹学的内容加到工业工程研究，使得工业工程从定性的学科变成定量的学科。到今天我们越来越多的工业工程城之为工业与系统工程，我们更侧重强调从系统的角度来看待问题。
　
　工业工程的产生是以工业革命作为它产生的前提；从19世纪到20世纪初我们称为工业工程的第一个阶段，或奠基阶段，这时期有两个人对工业工程产生重要影响的；一个是泰勒，一个是吉尔.布雷斯，当然还有其他人，如甘特发明了“甘特图”，福特装配了第一条生产线等等。最著名的还是前两个人。
　
　泰勒最著名的是“铁锹实验”，在一个企业里，他是一个总工程师，他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500-600个员工在里面工作是铲料，他发现一个现象，从来没有人研究过，如何铲料是每天铲料量最大，比如铲铁矿石很重，一铁锹可能有20公斤，而另外一部分焦碳很轻，一铁锹可能只有几公斤，他就找来两个一般体质的工人作实验，结论是铲料量在11磅时每天的铲料量是最多的，于是他就发明了一个办法，铲轻料的用大铁锹，铲重料的用小铁锹，保证每锹都在11磅上下。泰勒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师。另一个著名的人物是吉尔.布雷斯夫妇两人，夫人是个心理学家，所以一直到今天，工业工程都同心理学有着非常紧密的联系。他们改进了泰勒的方法，泰勒方法我们称为“工作研究”，而他们的方法，我们称为“运动研究”，其差别在于，泰勒是基于在生产线上找工人作实验的方法，吉尔布雷斯夫妇发明了一个“动素”的概念，把人的所有动作归纳成17个动素，如手腕动以下称为一个动素，就可以把所有的作业分解成一些动素的和，对每个动素做了定量研究之后，就可以分析每个作业可以化多少时间。他们是第一个把工业工程从一种实验和经验的办法，变成一种比较科学的办法，他们两人的工作对于工业工程的诞生起了非常决定性的作用，一直到今天，工业工程发展的思路依然没有脱离他们两个人当初所设定的思路，到今天我们的系统更大了，但我们所追求的仍然是效率和效益。
　
　就象卓别林在电影《摩登时代》里表现的那样，反映了在20年代人们对工业工程的看法或对科学管理的看法，早期在美国或西方，对科学管理并没有好印象，认为是非常残酷的，太强调机器特性的学科。所以到20年代，美国国会有一个听政会，禁止工业工程研究中使用的一个最简单的工具---秒表（测量工作时间用）在政府机关使用，也就是从哪个时候起，工业工程遭受重要打击，名称就从原来的名字“科学管理”该为“工业工程”。原因在于那些工程师决大部分来源于工业界。其实工业工程中“工业”一词，在英文中是“Industrial”应翻译成“产业”，这些工程师来源于产业第一线，就改成工业工程。讲这段历史，大家更容易理解工业工程从何起源，为什么是现在这样的状态。早期工业工程的成果在现代得到比较广泛的认识。
　
　工业工程在50年代以后，从原来的基于经验的越来越强调基于科学的研究，第二个发展时期，就是运筹学的广泛应用。在二战中大量的运筹研究，在50年代运筹学被大量的应用于工业工程的基本方法中，从比较定性的转为比较定量的研究。所以现代工业工程有两个比较重要的方向，一个是运筹学的应用，第二个是工业生理学、工业心理学应用。在20年代人们对工业工程最大的意见就是：工业工程把人看成是个机器。在50年代以后，更多的研究作为一个人怎样在工作中更好的发挥作用，工业生理学、工业心理学在这个时期在企业中，在工业工程的整个学术领域里得到广泛应用。
　
　到60年代以后工业工程比较重要的事件就是质量革命。在20年代人们把效率和成本看的最重要。到50-60年代，随着日本产品进入到美国人们才发现质量问题也很重要，这个时期质量变成工业工程的一个重要的研究目标，也发明了一些方法，这些方法直到今天还是非常的行之有效。最著名的人物就是戴明，是个质量学家，但是很遗憾，这样一个人在美国并不出名，他到日本，在日本企业中用他的方法，用的比较好，等产品反映到美国的时候，美国人才发现他的方法这么有用。他是第一个把统计的方法用在质量中的学者。在这里有一个例子，是从戴明的著作中抄来，这是一张表格，表的左边是一些职员的名字，表的右边是这些职员一年中所犯错误的次数，如果你是经理，负责管理这些员工，你要给他们发工资或奖金，现在要你判断谁是干的最好的，谁是最差的，决大部分的人会说：犯错误最少的干的最好，犯错误最多的干的最差。那么这是不是一个正确的答案呢？事实上并不是这样的。原因就在于错误的产生来源于两个，一个是个体的原因，另外一个是系统的原因，系统本身就具有随机性，这种随机性人控制不了，如果由于系统的随机性而惩罚个人，管理将会变的十分混乱。戴明在这里例子中分析了整个统计的规律发现，数据在13.9--23.2之间的数字都认为正常。也就是说，误差在这个范围内都是由于系统误差造成，而不是由于个人原因。戴明发明这套统计原理，通过这样的例子，可以告诉人们，很多事物现象和本质之间有很大的距离，并不是可以一目了然。统计的方法在60年代在日本等到非常成功的应用。在今天在美国、欧洲都用的非常好，现在最著名的我们叫六西格玛。现在也有很多培训，都是原于这样的理论而产生。
　
　到现代工业工程最主要的突破是因为信息技术的突破。信息技术的突破对于工业工程的影响在于两点；第一点在于传统上我们不能求解的问题，我们可以求解了。比如，做一个资源的规划问题，你要投资，购买很多设备，往往是要解一个几百个未知数的方程，根本不可能求解，计算机的产生，这样的方程有可能求解。所以今天我们能看到为什么我们的航空公司，我们的火车公司，我们的物流公司，我们的服务企业效率会这样高，原因在于我们有计算机可以对这样的大系统进行有效优化。另一个影响是仿真技术的应用。我们知道工业工程是研究包含人的系统，然而，包含人的系统作实验非常难，并且作为一个生产系统和服务系统你要改变布置非常难，因为你改变布置之后不知道有什么后果，所以计算机的产生，我们有可能用仿真的办法来研判不同的方案对我们的影响。信息技术对工业工程的发展产生了非常重要的影响。
　
　前半部分我们简单回顾了工业工程的历史，下半部分我们讲一下工业工程的方法，主要集中在制造业的角度。
　
　工业工程的方法基本上分为三块，第一个领域是意识；当你学工业工程的时候，你要理解，你要用工业工程思维方法去想问题，有时候，很多事物别人看没什么问题，而你学了工业工程就能发现问题，意识很重要。第二个领域是方法，就是一些理论，工业工程有很多种理论，这些理论可以解决不同的问题。第三个领域是实践，工业工程是管理和工程相结合的学科。管理学科的特点就是实践，不是听了就会，必须在企业中去做才能理解这个方法具体是怎样用的，怎样才能有用。意识、方法和实践是工业工程三个不可缺少的要素。其中意识最重要，实践是最终的归宿，最终工业工程是要在实践中解决问题。
　
　工业工程意识大体分为五个意识。成本效率意识，系统意识，成功环境意识，简化和标准化意识，人本意识。
　
　我只挑选的谈一些，关于成本和浪费的意识。但当我们到一个企业真实去看的时候，我们经常会听到车间主任骄傲的说，看我们车间所有的人都在忙，他认为这是一个环境很好的局面，但你仔细观察就会发现，忙与忙不一样。例如，上个月我们去一个企业研发部，他们每年要开发几十个产品，每个人都很忙。厂长对我讲：他喜欢一个技术人员，因为什么时候给他打电话他总是不在办公室，总在车间里帮着解决一些实验问题，而另一些技术人员不行，总是在办公室坐着，不愿意下车间。正好我们在为他们改变产品开发流程的效率问题，学生们去做调研，了解技术人员为什么有不同的情况，结论是凡是设计比较差的工程师就总在车间里，工人做不出来，就叫他下去解决问题，而有经验的工程师就不需要这样做，做出的设计工人马上会做，就不用找你。所以工业工程师象这样的意识是很重要的。当你看到一些现象，你会问这些是浪费吗？举例来说，加工过剩的浪费，明明要求的加工精度是一毫米，你要加工到0.5毫米，领导认为工人干的比他要求的还好，但是从工业工程的角度来讲，这就是一种浪费，因为不需要。还有如我们看到在车间现场有各种各样的搬运，如果从工业工程的角度来讲，所有的搬运都应该取消，因为搬运不产生任何的价值。还有很多种浪费，如动作浪费、等待浪费等。我上个月去一家著名民营企业，厂方带我去看车间，我说你这个厂管的有问题，在制品太多了，满车间堆的都是料，这里面一定有改进的余地。所以当你简单到车间走走就会发现，这些浪费的地方到处都是，而浪费掉的都是效益。
　
　工业工程另一个重要的意识是系统意识，工业工程永远强调你不要只关注单个的元素，你要关注整个系统。工业工程研究从泰勒时代我们研究的动作经济性和流程经济性，到五六十年代，我们研究的是作业管理，是整个作业系统如何更好的优化，而到了今天工业工程视野更加广泛，不仅优化自己还要优化别人，研究做整个供应链上怎样运作是成本最低效率最高，所以工业工程是一个不断进化的学科，是个系统越来越大的学科，我们总是希望在一个大系统中达到最优的效果。从技术发展的角度来讲，供应链管理是作业方法和作业系统的高级阶段，但是如果没有前两个的基础，你是爬不上去的。就好象我们现在很多企业做ERP，MRP，要做生产计划，可是连作业标准都没有，实际上做了不可能有好效果，大家想想，每个作业都不确定，每个作业的时间有可能两分钟，有可能两个小时，你的生产作业计划能排的很好吗？所以我想90%的企业在用MRP、ERP的时候都遇到这个问题。所以工业工程的三个阶段，尽管是一个比一个更高的阶段，但又是相互关联的阶段，是互为基础的。
　
　工业工程的另一个系统意识是指营造一个成功的系统。要在一个企业里获得成功是需要一个努力。成功包含三个方面，一个叫战略，定位的战略要很准确；第二是你的作业，你的系统要正确，我们称之为作业改进。第三我们称为实现成功的环境。假如你的目标正确，你的系统也很好，但是大家不与你同心协力，你还是不能成功，或是企业外部环境不好，如公众认为你有污染，也不能成功。所以一个企业要做成功，要有三个方面。传统的工业工程的作用是第二个方面，是作业改进，是工业工程最经典的功能。但今天工业工程师要在大系统中发挥作用，就要在三个方面都要发挥作用。这里强调一个观点，一个叫“做正确的事”，一个叫“正确的做事”工业工程传统的功能是讲正确的做事，我们总是发明更好的办法，做事做的更漂亮，成本更低。今天工业工程也要放一只眼盯住不要做错误的事情，两个方面都要关注，这是问题的辨证意识。
　
　工作简化和标准化意识。简化是是消除浪费，标准化是说大家要有一个群体习惯，才能使系统达到最佳。
　
　人本意识就是安全、愉悦。我刚从上海的一个工厂里回来，看到一个事情不合理，所有的工厂机床边都有一个工人站的木版，工人要站在木版上操作，大概所有的机床厂商在设计机床是，不会考虑你的木版有多高，所以工人操作的时候腰弯的很低很难受。我在想，这就是人本意识。你在设计这个机床是就要考虑到这个问题，如果设计机床是没有考虑，那么在设计木版时就要考虑，你不能让工人很劳累。我们在那里作实验工人的效率很低，他要来来回回的腰弯，我在那里待了半天觉得很累，工人会更加辛苦。传统的工业工程给人一个坏名声，把人看作机器，就象刚才的电影片段一样。但是现代工业工程我们非常强调人本，所以，我们有时把工业工程中的人因工效学，也称为人本科技。
　
　我们讲过意识之后来谈工业工程的方法，它主要的学科基础是两类，一个是运筹学，是广义的运筹学，包括规划论、决策论、统计等，我们都称为运筹学。另外一个领域是人类工效学，基础是工业生理学和工业心理学，主要研究人在环境中怎样更好发挥作用。中间还有一部分叫信息工程。总之运筹学和人类工效学是我们工业工程两大基础，一个是说系统怎样优化，一个是说人怎样更好的发挥作用。
　
　应用的问题，我们应用在两个系统上，一个是制造系统，一个是服务系统。服务系统含义很广，比如物流、运输等，制造系统包括生产流水线等。应用领域也很广，在亚洲多在制造业系统，在北美，更多的应用在如医院、银行、物流等领域。
　
　我们在介绍一些基本工具分别在工业系统上，供应链层次上，我们针对制造业来谈，讲一下，生产管理的十大战略决策，还有一些生产管理的思潮。这些思潮有些人搞不清楚，觉得有很多新名词，其实当大家学了工业工程的基本工具就会发现，这些新名词，无非是这些基本工具的应用，不过是着重点在不同的方面，基本的原理是一样的。
　
　一个就是工作研究，表示对你的工作，对你作业的流程及作业本身、作业的动作进行分析，来判断你的方法是否可以改进，如泰勒的“铁锹实验”，吉尔布雷斯著名的砌转实验，他通过对动作进行分析，结果是使工人砌转从每小时砌转150块提高到350块。这些都是方法改进研究；随后我们要做时间研究，确定工作的标准时间，让所有的工人都按这样的时间和方法工作。可以看出，工作研究是非常局部化的研究。从研究中发现，工作改进的余地是很大的，，由于产品设计造成的废品，工作方法不正确产生的无效工作时间，管理的缺失造成工人的等待，工人不按标准工作等等造成大量的浪费，真正在有用工作的时间其实很短。事实上我们去工厂，随便做一些研究工作，使工厂效率提高20%-30%，是非常简单一件事，而且不需要做很多培训。
　
　工作研究有很多工具，包括探索工具，分析和表达工具，如鱼刺图、直方图、网络图等，典型的记录分析工具-流程图。面条图可以发现摆放是否合理。还有仿真工具。我们知道，实际的生产不可能是完全确定性的，经常是随机的因素起重要作用，对于随机因素而言，我们需要用比较复杂的仿真工具来看看在随机情况下的表现。除了做方法研究以外还要做工作测量，就是制定标准时间，标准时间先要有一个观察时间，还要有一套评价技术，就是要做一个矫正，如果观察的工人很强壮，矫正就要放长时间。宽放时间是要确定宽放率，因为人毕竟不是机器，宽放包括三类，个人宽放，疲劳宽放（有些工作很容易疲劳），不可避免的延迟。可能产生的等待，如流水线不可能保证每个工位100%的一样。对于作业我们关注两个问题，一是作业的方法怎样改进，一个是作业时间怎样标准化。
　
　我们进入更上一个层次，是作业系统的问题，整个生产环节有很多人在工作，你怎样保证效益。效益的目标是要满足市场需求，设备利用能力，合理库存，整体成本最低（劳动力成本要低、设备成本要低、库存成本要低）这就是生产计划与控制的目标。生产计划包括计划阶段、库存管理阶段、能力平衡阶段和生产控制阶段。从生产计划策略来讲，有两种可能，一是需要改变能力，另一种是改变需求。生产计划第一阶段是制定生产计划大纲，第二个阶段，库存计划阶段，有两个主要概念，独立需求控制和非独立需求控制，独立需求控制指库存的产品独立与其他产品无关，非独立需求产品是与其他库存产品有关，举例在汽车厂中轮胎就是与其他库存有关，每辆车都要有4个轮胎和6块玻璃加一个备胎，所以每备六块玻璃一定备5个轮胎，这就是相关需求。这两个需求就构成了我们库存管理的两个最重要的理论，一个是经济批量的理论，存货越多库存持有成本越大，你的定货批量越大，单件价格越低，综合两点，我们会得到一个经济定货批量，总有一个最小点权衡了持有成本和定货成本。这一理论已被广泛应用。相关库存管理的原理就是著名的MRP的原理。一个产品有多个部件组成，每个部件又由多个零件组成，每个零件都有一个装配时间，分解下去就得到一张零件需求表，这样就产生一个MRP的表。实际做MRP时要考虑它的动态特性，做出双周或双月的是滚动计划，不是简单的推算，会比较复杂。最后就是生产控制，首先最主要是标准，其次主要的是调度规则。以上介绍的生产系统。
　
　今天我们更关注供应链系统，供应链管理的基本模型是：供应商开始到制造商到批发商到顾客，通过这样一个网络，目标是怎样把顾客需要的产品以最低的成本在合适的时间送到顾客手上。看起来简单的问题，做起来十分复杂。供应链管理的问题分成三块，一块是网络规划，对于一个制造企业来讲，你的制造厂设在哪里，你的物流中心设在哪里，你的零售商会在哪个地点，这是需要设计的。第二个称为仓库规划。你的仓库建成什么形式，你的库存怎样进行管理，要确定你的最低库存和最高库存到底应该是多少？第三个称为运输规划，如在运输中是大车大批量运还是小车小批量远？是从一个点出发再返回，还是走一个环形的路线？送货和取货应该在两个网络中还是在一个网络中？等等。很多我们要做决策。上述构成了供应链管理三各主要内容。
　
　以上，我们简单的回顾了工业工程最基本的方法，我们从一个很小的系统到一个很大的系统。对于工业工程在制造上的应用，从工业工程的视角上主要解决这样几个问题：一是研究质量管理；一个是研究产品和服务设计的问题，工艺能力设计问题，我们需要什么样的工艺，需要多大的厂，就能满足需求。工厂放在什么地方？配送的供应链放在什么地方，工厂内布局应该如何，设备怎样摆放，人力资源和工作设计，如何建立一个合理的工作环境，供应链管理，那些需要购买，那些可以自己做，如何同供应商建立好关系，库存管理，设备维护等等。
　
　最后我们谈工业工程的实践。大家常听到一些名词不是工业工程的原理，而是工业工程的实践。如持续改进；全面质量保证和六西格玛，是质量工程的实践；流程重组和精益制造，是从流程的角度看怎样减少浪费；准时制生产（JIT），也是一种实践的方法，就是零库存，它的原理在于，库存很多时，很多问题被隐藏，你不能发现，库存减少时，问题被发现，如不可靠的供应商或废品问题，你就要去改进。当库存再减少时你会发现所有的问题，通过改善这些问题，来改善企业的系统。实践的问题说明工业工业工程的理论不是简单的应用，在实际中通过很多的方法，来保证工业工程理论实施的效果。
　
　我们今天面临很多的挑战，如服务业变得越来越重要，国际竞争和全球化，效益不能只看在国内的效益标准，环境和资源问题越来越重要，我们需要跨供应链的管理而不是只管理好自己，所以对工业工程来说，尽管在美国应用很广，但是在中国，我们还要做很多工作，因为我们企业中工业工程的基础确实太低，有大量的基础的工作要做。另外工业工程本身也要发展，毕竟技术环境改变。计算机的应用，到今天MRP、ERP非常普及。我们如何去做，需要新的方法。同时工业工程需要更系统的视野，包括你要系统的看作业系统，也包括你要系统的看工业工程与其他学科的关系，这对工业工程非常重要。谢谢大家！
　
　（根据研讨会上演讲录音整理）
　
　清华大学工业工程系--牧原 14/12/2003