工业工程未来之域——记北京大学工学院工业工程及管理系副教授张玺

本刊记者　严永红

工业工程未来之域
——记北京大学工学院工业工程及管理系副教授张玺

本刊记者严永红

1973年中东战争，以色列空军以220架飞机打败了埃及的480架飞机。以色列飞机从执行完首次任务，在地面降落，装弹、加油、调校，再次起飞只用了22分钟，反观埃及却需要5个小时。埃以之间的差距，就在于作业流程安排和动作标准不一样，这正是工业工程要解决的核心问题之一。

工业工程最早兴起于美国的制造业，现在已扩展到各种产业和社会领域。它是“以系统效率和效益为目标，研究人、物料、设备、信息和能源等要素的集成规划、设计、改善、控制和创新的工程技术”，用一句话概述，就是让有人参与的投入产出系统更协调更高效。

为了更加深入地了解工业工程这一学科，记者特地走访了北京大学工学院工业工程及管理系副教授张玺。多年来，张玺主要从事对复杂制造和服务系统的过程监测、诊断和优化控制，以及其工业中应用的研究工作。研究成果在制造系统、医疗服务系统等领域得到良好应用，并已在领域内的知名期刊发表了多篇学术论文。

听说记者对工业工程学科感兴趣，张玺非常热情地接受了采访。采访中他一直说：“国内的同学和企业界人士对工业工程的了解的确太少了，如果通过这篇报道能够让更多的人了解工业工程，我将知无不言。”

工业工程的中国契机

工业工程是张玺完成四年机械工程与自动化专业本科学习之后的选择，其中既有兴趣使然，又有机缘巧合。

刚上大学时的张玺对自己的专业并没有很深刻的了解，对未来的规划也并不清晰。直到大二，他修读了第二专业——工商管理，一个完全不同的学科一下子令他脑洞大开，“我突然发现，原来很多问题都可以从另一个角度去思考。”对管理学的兴趣，让一个融合了各种工程和管理内容的学科受到了张玺的青睐，这就是工业工程学。

大学快毕业的时候，班里的大部分同学都忙着研究出国深造的事情，张玺也跟着“凑热闹”，没想到，这一凑竟成就了张玺的未来。

“我当时觉得我有工程的背景，又对管理学感兴趣，于是出国读研的时候我就申报了工业工程这个学科”，实际上，张玺在出国之初，对工业工程也没有一个完全明晰的概念，“当时我以为工业工程是偏向生产运营管理这个方向的”，入学后他才知道，导师负责的项目是做“复杂制造系统的监控与诊断”这一方向的，并且专注于半导体制造，机缘巧合之下，张玺又做回了机械这个老本行。

在国外的第一年，张玺的心里还有过小动荡，因为一切都与他预想的不同。

“我当时参与了一个项目，做半导体晶片表面的抛光实验”，这一实验的目的是研发一套即时的诊断方法使其能够自动判定当前的半导体磨削工艺是否处于一个良好状态。“这个项目需要做大量的实验，这也是非常令人头疼的一件事情。”

原来，一个磨削过程只需要三分钟左右，也就是说，张玺要做重复实验，就意味着他要每隔三分钟就重复一次换片的工作，“作为一个博士，还要时时刻刻重复这样一个简单劳动，我当时有点儿想不明白。”张玺笑了笑，说：“不过现在想想，当时的自己还是太年轻。实际上要做基础性的科研工作，如果没有没有大量实践性工作经验的积累和对过程的深入了解，后续的一起工作都将是空中楼阁。”如今，张玺把当年的“简单重复”当成一种历练，甚至看做是工作经验上的一种补足。“如果没有深入到最基层的工作当中，那么你的研究工作将失去所有的意义。”

对张玺来说，“下基层，到一线”是一笔宝贵的财富，并且已经成为了他的工作习惯。回国后，但凡张玺负责的项目，他都一定会亲自去工厂做详细的调研和学习。

“我记得当年有个企业委托的研发项目，那个工厂的环境非常差，一进去到处是氨水的味道，非常刺鼻，不仅如此，地上还到处是碱水，不但特别滑而且很容易被烧伤。”即便如此，张玺还是坚持在一线收集资料，他说：“这个工厂的工艺比较复杂，必须把所有的流程摸清楚项目才能顺利进行。”于是，张玺一遍一遍的去工厂，请一线的技术工人一起喝茶吃糍粑从而打成一片，顺利地请教他们平时是根据怎样的经验去判断当前的生产过程，之后他把收集的内容加以整理，作为项目研究的资料。“通过询问，可以了解一些实际生产过程中存在的真实问题，如果你没有下过基层，光靠资料是不可能知道所有信息的。这也是我们工业工程学科的一个特点，我们的实验室不全都分布在高校里，工厂才是我们真正能开展工作的地方。”

也许是受专业的影响，张玺是个计划性非常强的人，在国外的日子里他始终与国内的同学保持着联系，掌握国内工业工程学科发展的情况。“从管理学角度讲，当国家的各种硬件条件提高的时候，就需要用软服务来系统化地提升国家的综合实力”，张玺说，“相比于美国，虽然国内的工业工程技术的发展还处于一个相对初级的阶段，但是我认为国内已经出现了大量需求点，比如国内的医疗服务机制需要优化和设计来满足各种医疗资源的短缺及其均衡利用，国内的机场调度管理需要航班运营管理来降低航班延迟率等等，这些都是工业工程学科需要解决的问题，这就是我们工业工程学者的发展空间和方向。”

2010年秋天，张玺作为北京大学工学院工业工程与管理系招聘的第一位研究人员回国发展。

用“工业工程”解决生活难题

总体来说，张玺回国后的研究工作主要基于传感器的数据融合技术，应用在对复杂系统的监测、诊断、控制、优化和设计。“简单来说，在生产过程当中会产生各种各样的数据，这些数据来自不同的传感器，目前的传感器技术已经能够让生产系统或其他复杂系统处在一个数据富集的环境中了，当获得这些传感器的数据后，通过恰当的分析可以得到有用的信息，再结合生产的特点就可以获得相应的知识，从而科学地帮助和指导管理层的人做一些决策，这些决策相对于以往凭经验做出的决策会更加可靠。”张玺这样解释自己的工作。

具体来讲，“实时诊断”是张玺正在研究的一个项目。

“实时诊断”怎么会和“工业工程”扯上关系呢？实际上日常生活中许多问题都可以用工业工程的方法来解决。

比如航母上起起落落的歼击机，是靠什么指挥？原来上百米的跑道、巨大的噪声、语音通讯早就不灵光了，其实它靠的是颜色：操作员着蓝色，飞机诱导员着黄色，装备员着灰色……利用颜色进行管理，这就是工业工程的具体应用。

张玺向记者介绍说：“有报道称到2024年，中国将全面进入老龄化社会，到时有两点问题是必须解决的，一是养老问题，二是实时诊断问题。”张玺要研究解决的就是第二个问题。“由于医疗资源的匮乏，目前医生少患者多的情况已成事实，患者就医不及时自然争端频发。我们利用工业工程来解决及时医疗问题的直接思路是：提供一种自动的，无需医生参与的，可以让病人在家做些初步筛查的方法。”

“目前有一种无线的传感贴片，把它们贴在相应的部位，它们就可以作为传感器采集人们的生理信号，通过与某些移动终端的通信，就可以把这些信号发送到出去。”根据这一思路，目前张玺和他的研究团队通过对多通道的生理数据进行融合分析，实现了对患者健康状况的评估和对相关病症的自动筛查，目前研究的成果已经可以对阻塞性睡眠呼吸暂停症进行实时监测，其他一些病症诸如心梗、小儿癫痫还在验证阶段。他说:“有了这套系统，患者就可以通过佩戴无线传感设备实现即时健康状况监控和某些疾病的初筛了，节省了直接去医院的各种成本，也间接释放了医疗资源。”

由此可见，工业工程不仅对工业制造业，对服务业、医疗等产业有作用，对现代社会人类生产生活各个方面都大有益处。因为工业工程的应用可以靠人的智慧节约资源、提高效率、保障质量，是工业化和经济发展的规律性手段和重要方法，作用之大令人惊讶。

粮食仓储过程优化的是张玺参与的一个关系国计民生的大型公益性项目。

粮食是一种特殊商品，是重要的战略物资，历来受到政府的高度重视。在日常的粮食行业中，粮食仓储管理工作使其重要组成部分，也是新形势下保障粮食安全的重要环节。

针对粮食仓储企业的实际情况，把工业工程的相关理论与安全管理紧密结合在一起，利用有关工业工程管理的方法和思维进行工作优化，有效控制并降低储粮企业的浪费率。

“粮食是个生态系统，长期储存在粮仓的粮食，由于湿度和温度的变化，粮食会发生变质，如何在上万平米的粮仓中及时知晓那部分粮食是否变质呢？我们这个领域的知识就可以发挥作用了。”张玺如是说。

传统的做法是在粮食中放传感器，通过回传的数据来判定粮食的情况。“这种传统的手段涉及到的第一个问题就是传感器的价格和粮仓大小比例的关系。目前一个温度和湿度集成的传感器的价格大概在千元左右，对于监控效果来说，当然是传感器越多越好，但是如果传感器布局越密，粮食仓储和粮仓维护的成本就会越高，合理的布局优化才是解决问题的关键。”“一个粮仓要安置多少个传感器才能以最低的成本发挥最大的作用呢？”这就是该项目要解决的问题。

“我们做的其中一项研究是基于仓内传感器的数据融合，并且能够预测在未来一定时间内粮仓内部的粮食变质的发展方向。如粮食内部的某一处发生了霉变，我就可以根据它周边传感器回传的数据判断霉变将向哪个方向发展，这样就可以进行处理或者提前有所准备；另一方面，我们也可以动态优化各种传感器采集数据的策略，比如当粮仓传感器数据传输通道已经饱和以后，设置什么时候采集哪些传感器的数据就成为一个值得考虑的问题了，而这个问题恰恰就是工业工程学科能够解决的。”，张玺说：“中国的怪现象之一就是中国粮食年年丰收，可粮食进口却逐年增加，其中一部分原因就在于在粮食储存的过程中无端了增加了许多‘莫须有’的成本，比如因监测不到位引起的霉变，因监测范围的不精准造成的人力物力的浪费等，如果通过我们工业工程的手段可以把这些额外的成本降下来一些，那对我们的国际和人民来说意义将是重大的。”

临近采访结束，张玺还不忘嘱咐记者：“希望可以通过《科学中国人》让更多的人了解工业工程这一学科，了解其更多的实际应用。”他说，“虽然工业工程是对人、物料、设备、能源、和信息等所组成的集成系统，进行设计、改善和实施的一门学科，但是我们却可以实实在在的解决现实生活中很多棘手的问题。”

看到张玺的努力，记者相信，在未来，具有中国特色的工业工程体系必将为中国国民经济的发展做出不可替代的贡献。