智能制造需要工業工程

作 者

鄧常傑：南山工業書院數字化制造研究組

編 審

林雪萍：南山工業書院發起人，北京聯訊動力咨詢公司總經理

智能制造大步向前，很多人會覺得繼續搞傳統工廠的方法，已經失去意義。實際上，大不盡然。回顧經典的工廠建設和管理方法，對于數字化轉型和智能制造都是大有裨益。

智能制造需要應用工業工程

工業工程IE（Industrial Engineering）是研究由人、物料、裝置、工藝、方法、能源、環境和資訊所組成的綜合系統的設計，改善和設定的工程技術，它應用數學，實體學等自然科學和社會科學方面的專門知識和技術，以及工程分析和設計的原理和方法，來規劃、确定、預測和評價由該系統可得到的結果。IE實際上是一門方法學，它告訴人們為把人員、物資、裝置、設施等組成有效的系統，需要運用哪些知識，采用什麼方法去研究問題，以及如何解決問題，明确指出了工業工程研究的對象、方法、内容和應用學科的分類。

20世紀初産生于美國的工業工程(Industrial Engineering, IE)是一門以提高品質和效率降低成本為目标的集多種工程技術和管理于一體的交叉性學科。其理論和方法對西方發達國家的工業化還有南韓、日本、新加坡、中國等亞太國家的經濟騰飛起着非常重要的作用。大陸大陸從20世紀80年代開始正式應用工業工程。衆所周知的日本豐田的TPS，“豐田生産制造系統“作為精益管理的标杆在全球普遍推廣，正如日本豐田汽車生産部長中山清孝所言， “所謂豐田生産方式就是美國的工業工程在日本企業的應用”。

在營運管理的實踐中，工業工程IE和環境、健康和安全EHS是涉及學科和研究領域最多的兩個部門。因為所有的工業工程項目都要從環境、健康和安全的角度，由EHS部門來進行評估和稽核，以便實作工程項目的可持續性發展。

工業工程的基本職能，包括對工作研究和績效評價（如方法研究、作業測定、經濟分析、績效評估），也包括系統設計（工廠選址與系統設計、能力分析與規劃），還有生産計劃與管理（生産計劃、品質管理、物流管理、庫存管理等）。

是以，現代制造系統，正是工業工程的主要研究和應用領域。無論是以前的精益生産——并行工程、大規模定制、靈活制造、虛拟制造、計算機內建制造，還是現在的數字化轉型和智能制造，工業工程都是大有可為。數字化轉型帶來了生産模式的變革，隻有采用工業工程的系統科學方法才能實作系統的頂層規劃設計和系統實施設計。而采用工業工程方法以系統科學的角度評估和改善現有的工廠是低成本高效率的最佳舉措，為後續的系統更新奠定基礎。

建立新廠需要工業工程

新工廠建設一般來講是由三部分的團隊組成，第一，EPC（工程總包）；第二，工程服務部門或者是工業工程部門；第三，營運管理部門，最終的傳遞由EPC對使用者直接傳遞。

新廠建設幾個大塊：

☆ 廠房規劃設計，共用設施規劃設計（風水電氣，消防，安防等）

☆ 工藝制定和生産線

☆ 物流和供應鍊流規劃

☆ 生産計劃與控制

☆ 工作研究，現場管理

☆ 人因工程

☆ 品質工程

☆ 現代制造系統

☆ 工程經濟

圖1 工業工程服務示例：新廠建設和新産品導入NPI

以80年代鋼鐵設計院的一個工業工程作為應用示例。要建造一個新的工廠，由甲方營運工廠提出具體建廠要求，由專業的設計院完成可行性研究、初步設計、裝置設計和施工圖設計。設計完成後，由總包商EPC（Engineering Procurement Construction）負責按照設計圖紙進行施工和調試，然後交工甲方接收營運。甲方營運工廠牽頭成立項目組，并對整個項目實施管理。

在當時的冶金行業，有鋼鐵設計院和鋼鐵研究院。鋼鐵研究院的主要職能是科學研究和工藝和裝置研究開發；鋼鐵設計院是負責應用設計。兩者的主要差別在于：設計院是不能出現設計錯誤的，出現錯誤是不正常的，是設計品質事故；而對于研究院來講，出錯誤是正常的，研究的過程就是不斷的試錯，不斷的積累，不斷的探索，最後，研究成果轉化為成熟的技術、成熟工藝或裝置；而設計院采用這些成熟的技術、工藝和裝置進行應用設計和規劃。研究院的研究成果是成熟的技術、工藝和裝置，設計院的主要産品是圖紙。

在大約2000年前後，很多的設計院，擴充他們的業務範圍到工程的施工和調試，可以實作交鑰匙工程，設計院的名稱也改成了工程公司，産品由圖紙拓展到整個的新工廠的設計，施工和調試一直到交鑰匙。有些設計院成為了總包商EPC。

一個鋼鐵設計院為例，主要部門包括總圖、概預算、冶煉、土建、建築、暖風、水處理、通訊、電氣、儀表和自動化和IT計算機等專業部門。這些部門科室和内部細分的專業不是孤立的，各個專業之間根據工藝的要求不同，互相之間在大工藝的協調下，設計規劃功能和專業配合、協同和合作關系。

以建造一個新的連鑄工廠中的房間項目為例，全部的工程項目由冶煉科的連鑄部門主要科室總負責。項目總負責人，作為“大工藝”總設計師，提出總體的工藝要求，工藝裝置設計，其他的科室作為輔助科室，根據“大工藝”的要求，完成本專業的設計。譬如，前期勘探、廠房、消防系統、通風系統、空調系統、連鑄工藝裝置、給排水和污水處理、高低壓輸配電、照明、傳動、現場儀表和傳感器、電話信号、對講系統；自動化專業完成PLC和DCS，SCADA系統圖、原理圖、流程圖、控制說明等的設計和程式設計、施工圖設計等；上位機系統完成MES和ERP系統的設計和程式設計。

大工藝的總設計師就像一個樂隊的總指揮，其他的專業都要在總師的指揮下，完成自己本專業的工作。作為計算機專業和自動化專業，技術再先進，人員再牛，在設計院的組織架構下都隸屬于小專業，都要服從“大工藝”的指揮。

作為連鑄工廠，冶煉專業的連鑄工藝設計師是主體，所有專業都要為主體服務。各個專業按照設計流程和分工完成總體項目的設計工作。作為工藝設計師，定期召開項目進度會，各個專業按照設計流程互相提出設計要求，專業配合，互相審查圖紙。最終完成施工圖設計。作為總包商，按照圖紙完成安裝，施工和調試，交給甲方驗收。

新産品導入NPI需要工業工程

以電子新産品開發為例，新産品的研發一般主要由三個部門來負責：研發部門，工業工程部門還有産品品質部門。研發部門負責産品的研發，包括産品原理、産品原型機、樣機，按照工業工程部門提供的公司或集團設計标準，國際标準和行業标準，物料标準，工藝标準展開研發和設計。産品品質部門對研發的過程和研發的原理進行了解，提出品質措施，提出測試方案，最後新産品的導入由工業化工程師負責。

新産品研發過程，主要分為原理設計、産品樣機和實物産品三個階段。在産品樣機階段就要用到新産品導入的流程。包含幾個方面：研發調研、原理研發、初級樣機、樣機試制、生産線設計、工裝和工具設計、 FMEA和DWI、生産和測試計劃、品質計劃、工藝計劃、人員計劃、産品成本、産品包裝等。工業化工程師還要根據新産品的導入需求，重新評估和規劃廠房，辦公，生産線和裝置的布置、能源需求、消防需求、物流和供應鍊等等。還要重新評估和規劃，環境，健康和安全事項。

在組織架構中，某些集團會設定工程服務部門，工作職位叫工業化工程師或工業工程師。主要工作範圍大概分類：工作研究、人因工程學、生産計劃與控制、設施規劃與物流分析、品質工程和現代制造系統。最近幾年出現了大量的工業軟體，為上述研究和應用提供了高效的輔助工具，大大的提高了工程效率，降低成本，縮短了工期，譬如：CAD、 CAE、CAM、DFX工具，仿真軟體，生産排産軟體等。

工業工程部門完成新廠的規劃設計、施工和調試或者新産品的導入，新的工廠或新的産品交給營運公司驗收和接收，由營運公司完成制造系統的營運和持續改善。工業工程師和工藝工程師的差別在于，工業工程師完成的工作交由工藝工程師接收并持續改善。

小記：邁大步前，先頓頓腳

通過上面的示例可以看出，工業工程具有如下主要特征：1 系統工程的思想：追求系統的整體效益。各子系統必須服從系統的總體目标。2 技術與管理的融合和協控思想：從技術視角研究和解決生産組織和管理中的問題，從系統全局管理的角度進行系統分析、設計、改造和管控系統的運作行為，以求整體最優。是以，它是技術和管理緊密結合的工程學科。3 不斷發展和完善的思想：與時俱進，應用各種新技術、新理論不斷拓展研究應用領域和範圍。從學科方面看，工業工程專業是一個動态的、發展的研究領域，具有鮮明的時代氣息，許多現代科學技術知識都成為工業工程的相關學科以适應日益增長的市場需求。

由于各種新技術的快速湧現，工業工程也有需要理論豐富的地方。但是，與其說，工業工程技術在數字化轉型中的作用沒有與時俱進，不如說智能制造的規劃之前還是要先看看工業工程有沒有被拉下。看一看經典，再往前邁步，步子走得更踏實。

參考資料：薛偉 《工業工程概論》