探析工业工程技术在制造业的应用

摘要：现代工业工程是以大规模工业生产及社会经济系统为研究对象，在制造工程学、管理科学和系统工程学等学科基础上逐步形成和发展起来的一门交叉的工程学科。将人、设备、物料、信息和环境等生产系统要素进行优化配置，结合现代信息技术对工业等生产过程进行系统规划与设计、优化、评价与创新，从而提高工业生产率和社会经济效益专门化的综合技术，应用日趋广泛。

关键词：工业工程（IE）；精益设计；仿真技术

前言

现代制造业生产活动的研究一般包括技术和管理两方面：一是制造技术工艺与设备研究，二是制造系统（由人、材料和设备等组成的集成系统）的控制和管理。现代工业工程IE方法及其技术正是将两者有机结合起来的原理和技术，制造业中的生产管理的研究及其应用不仅直接促使生产率提高而且也是其他技术，如设施规划与设计、生产计划与控制等的必要基础。

目前推行的精益生产过程中运用基础 IE方法中大量的作业研究、动作研究、时间分析技术带来了产品开发、质量控制、内外协作管理、与用户关系等一连串带根本性的企业组织体制、管理体制方面的重大变化和企业经营价值观的重大变化。丰田生产方式JIT就是工业工程在制造企业中应用的最典型代表。我国企业在实施推进精益生产的过程中应该结合现场IE从基础IE普及推广入手进而实现拉动式准时化生产。

2现代工业工程的基本特征

2.1系统综合最优的目标

工业工程是从技术角度研究和解决生产组织和管理中的问题，其理论和思想是从系统全局管理的角度进行分析、设计、改造和控制系统的运行行为，以求整体最优。在实施过程中IE把工业生产看成是一个庞大而复杂的系统，当然一个企业、车间、工段等也可以是一个系统。现代IE就是用系统的、结合的观点和方法，进行统筹规划、综合平衡，以充分发挥系统的整体效益。

2.2不断完善的精益思想

精益思想是精益生产的核心思想，它包括精益生产、精益管理、精益设计和精益供应等一系列理论，其核心是以较少的人力、较少的设备、在较短的时间和较小的场地内创造出尽可能多的价值，为顾客提供能及时响应市场需求的产品。同时也越来越接近客户，提供给他们确实需要的东西。精益生产的特点是消除一切浪费，追求精益求精和不断改善。

精益思想要求企业找到最佳的方法以确立提供给顾客的价值，明确每项产品的价值流，使其在从最初的概念到到达顾客的全过程中顺畅流动，让顾客成为生产需求的拉动者，在生产管理中精益求精、尽善尽美，价值关（value）、价值流（Value Stream）、流动（Flow）、拉动（Pull）和尽善尽美（Perfection）的概念进一步发展成为应用于产品开发、制造、采购和服务各个方面的五大原则。

2.3新技术、新理论的不断实践与应用

工业工程是一个动态的、发展的研究领域，自诞生以来，经历了围绕提高作业效率为重要内容的传统IE阶段；与运筹学相结合进行更系统和精确设计的独立活动阶段；以系统工程为新的支柱，形成从微观到宏观，从局部到整体进行分析和设计的系统科学体系阶段；目前可以认为是IE应用各种新技术、新理论不断拓展应用领域和范围的新的发展阶段。

3现代工业工程的技术体系

工业工程在其发展和应用实践过程中，逐步形成了自身的特色和职能。其最主要的功能主要有：（1）系统设计与规划，包括制造过程系统、质量系统、组织机构、信息管理系统、物流系统（工程选址、工厂布置、工程项目总体设计、设施设计等）和支持系统（网络数据库）等。（2）工作研究与实施，包括生产流程设计、生产技术选择、作业程序方法设计、作业时间及动作标准制订、作业环境设计、人力资源开发与设计等。（3）制造过程控制，包括制造资源计划、质量控制与可靠性、生产计划与控制、过程成本控制等。（4）标准制订与实施，主要有设计标准、质量标准、工作标准、规范与规程制订、工业安全、卫生、环保系统标准与规范等。（5）企业重组与再造，主要有虚拟企业设计与实施、各种现代制造方式的设计与实施、经营过程设计与再造，培训与教育的设计与安排等。

制造企业是一个复杂的非线性系统，在这一系统中伴随着生产过程的进行，始终有物质流、信息流、能量流、资金流、人员流、误差流等流素不断地流动，如何对这些流素进行规划、组织、管理、优化，以满足不断变化的市场需要并提供及时响应的产品和服务是企业追求的目标。把精益生产、精益设计、精益管理、精益供应等应用到产品的全生命周期，面向制造企业的全生命周期精益设计逐步得到了应用和推广（图1）。

计算机及信息技术的进步有力的推动了工业工程技术的快速发展，基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，采用虚拟仿真技术对制造环节从工厂规划、建设到运行等不同环节进行模拟、分析、评估、验证和优化，指导工厂的规划和现场改善。数字化模拟工厂是数字化工厂技术在制造规划层的一个独特视角。由于仿真技术可以处理利用数学模型无法处理的复杂系统，能够准确地描述现实情况，确定影响系统行为的关键因素，因此该技术在生产系统规划、设计和验证阶段有着重要的作用。

4现代工业工程的应用突破

在市场竞争日益加剧，生产系统对市场的响应速度成为企业生存的关键因素的今天，各种先进制造技术和先进生产模式不断涌现。这些技术和模式大致可以分为两种，一种是以生产技术为中心并逐步延伸和发展的制造技术和模式，它强调生产过程高速化、精密化、自动化、柔性化、智能化。例如CNC、MC、FMC、FMS等，其重点是以零件制造过程为对象，集CAD、CAPP 和CAM 为一体，形成高效的生产系统，其最高发展形式是计算机集成制造系统（CIMS）；另一种是以企业生产经营管理过程为中心的生产技术和模式，它强调产品多样化、单件化和个性化，生产经营过程的敏捷性、动态性以及虚拟性。例如JIT、MRPII、ERP、成组技术、并行工程、敏捷制造、精益生产、网络化制造、动态联盟、虚拟制造及虚拟企业，大批量定制生产（MCM）、全能制造等都是为了适应这一需要而提出的生产技术和模式。

现代工业工程中数字化建模技术、虚拟现实技术、优化仿真技术的发展与应用，在工业生产，尤其是制造业生产中具有广泛的应用（图2）。现代制造企业首先建立以数字化模型基础的虚拟仿真系统，输入数字化工厂的各种制造资源、工艺数据、CAD数据等要求建立离散化数学模型，才能在数字化工厂软件系统内进行各种数字仿真与分析。通过虚拟现实技术提供一种具有沉浸性、交互性和构想性的多维信息空间，方便实现人机交互，使用户能身临其境地感受开发的产品，具有很好地直观性。采用优化仿真技术根据建立的数字化模型与仿真系统给出的仿真结果及其各种预测数据，分析虚拟生产过程中的可能存在的各种问题和潜在的优化方案等，进而优化生产过程、提高生产的可靠性与产品质量，最终提高企业的效益。

无论哪种新的生产技术和模式，它们的共同特点都是以市场为导向，顾客的需求为宗旨，以工业工程和系统工程的思想和方法为指导，以技术和管理紧密结合为特征，达到生产系统高速度、高质量、高灵活性、低成本、短生产周期的目的。从这个意义上讲，工业工程的发展，为生产系统的发展和进步提供了思想方法和理论依据，同时各种先进制造技术的不断出现也为工业工程研究的深入和完善提出了新的研究课题和任务。

5结束语

工业工程技术在国内外发展及应用的实践表明，这门工程与管理有机结合的综合技术对提高企业的生产率和生产系统综合效率及效益，提高系统综合素质，对增强企业在开放经济条件下的国际市场竞争能力和知识经济环境中的综合创新能力，对赢得各类生产系统、管理系统及社会经济系统的高质量、可持续发展等，具有不可替代的重要作用。因此我们有理由相信，大力发展先进制造技术，探索工业工程技术和各种先进生产模式的集成与融合，使其发挥更好更有效的作用将是工业工程的必然趋势。

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