2.1 工业工程相关研究

2.1.1 工业工程定义

工业工程（industrial engineering, IE）是一门综合性的学科，在管理学领域有重要应用和发展。在工业工程发展的不同时期，研究者对其所下的定义虽未完全统一，但内涵大体相似（范中志，1996；魏红美，2008）。

IE起源于20世纪初的“科学管理时代”，美国著名工程师泰勒（Frederick Winslow Taylor）在其著作《科学管理的原理》中提出科学管理四项原则用于工程管理中。1910年，美国吉尔布雷斯夫妇（Frank Bunker Gilbreth &Lillian Moller Gilbreth）进一步从事动作方法研究，提出17种基本动素，动作研究成为工业工程研究领域的重要组成部分，是早期工业工程的基本组成概念（Hicks,1994）。

IE发展过程中最具有代表性的是美国工业工程学会（AIIE）于1955年对工业工程的定义：“工业工程是指运用数学、社会科学等专门知识和技术，对由人员、物料、设备和信息等组成的系统进行设计和改善的一门学科，这个过程中综合了相关工程设计、分析方法，以更有效地对系统研究成果评估和预测”（齐二石，汪应洛，卢岚，1999；魏红美，2008）。

1959年，日本工业工程协会（JIIE）对美国AIIE提出的工业工程的定义略加修改，其定义为：“工业工程是通过科学的研究方法，综合人员、物质、信息和时间等一切可投入资源，最大可能地产出满足人们市场需求的产品和服务的一项活动（魏红美，2008）。这个定义简明清晰地综合了IE的特色，也体现出以人为本的思想。

2005年，国际工业工程师学会（IIE）的主席Allen Soyster在国际工业工程年会上对IE又提出了新的定义，他指出IE就是一个设计与改善系统（魏红美，2008）。这个定义是迄今为止最为凝练的定义。

迄今为止，IE的概念虽未完全达到统一，但工业工程的目标是一致的，即通过科学的方法对工业工程系统进行设计和优化，以最低的成本获得优质产品和服务的产出，并且这些产出可以满足人们的市场消费需求，给人们带来安全感和幸福感。

本小节对工业工程定义相关研究结果进行的提炼如表2-1所示。

2.1.2 工业工程理论发展阶段

工业工程理论的发展可归纳为三个阶段：科学管理阶段、战后发展阶段和人因工程阶段（汪应洛，袁治平，2001；薛伟，蒋祖华，2009）。详细如下所述。

第一，科学管理阶段（20世纪初至20世纪30年代）。

在科学管理阶段，其代表人物是号称“科学管理之父”的泰勒和吉尔布雷斯夫妇，他们通过一系列生产试验提出了动作研究和时间研究的重要研究思想，并由后者确定了17种基本动作要素，通过影像分析方法建立省时和高效的动作顺序（薛伟，蒋祖华，2009）。甘特（Henry Laurence Gantt）也是这个时期工业工程的重要先驱者，其突出贡献是提出了著名的“甘特图”，解决了工作控制中的时间安排问题。

第二，战后发展阶段（20世纪30—70年代）。

此阶段，随着心理学、社会学、数学和统计学等理论的引入，在第二次世界大战后恢复经济建设的需求推动下，一系列新思想和方法得以产生，并实现工业工程的新突破。其代表人物梅奥（George Elton Mayo）教授主持了著名的“霍桑实验”，使人们意识到生产过程中人的社会群体行为和作用。休哈特（Walter A.Shewhart）将统计学的研究方法引入工业工程的研究中，提出了利用抽样检验的原理对产品质量进行控制的方法（即MTM法）（汪应洛，袁治平，2001）。此外，第二次世界大战后日本将美国的管理方式和研究方法与本土的生产特点相结合，开创了企业资源计划（enterprise resource planning, ERP）、丰田生产方式（Toyota production system, TPS）和全面质量管理（total quality management, TQM）等经典的生产方式和管理方法（汪应洛，袁治平，2001）。

第三，人因工程阶段（20世纪70年代至今）。

在人因工程阶段，工业工程师们逐渐认识到人的本位作用，试图将人、设备和环境系统结合起来加以分析和研究，进而提出了“人因工程学”或“工效学”。其最大特点就是以人体和生产环境为研究对象，为提高系统的工作效率和满足人体工效需求，将心理学、解剖学和人体测量学等知识运用于工程技术设计和作业管理，特别是安全设计和安全管理中，尽可能改善工人的工作环境，实现工人与工作环境的和谐统一，达到人—机—环境系统总体性能的优化（朱祖祥，1994）。Boff（2006）发表的综述中介绍了研究者根据不同学科的研究与发展所提出的人因工程发展阶段：根据人体结构改进仪器设备的外部设计和程序设计，根据人的认知习惯对工作环境加以改造，设计并使用机械手臂等来扩展人的物理技能以完成高难度或有危险的工作，利用新兴的基因技术和生化技术来改变人体的物理机能和认知能力，以最大限度地发挥人的潜力和功效等。

本小节对工业工程理论发展阶段相关研究结果进行的提炼如表2-2所示。

2.1.3 新一代工业工程研究平台

神经工业工程的出现和发展得益于新一代信息技术，无创伤、低成本和可便携的神经科学技术，为工业工程的发展带来新的变革机遇。目前，神经工业工程领域主要的应用技术平台有功能性磁共振成像、事件相关电位、生理记录仪、眼动仪、生化与基因测量等（马庆国，付辉建，卞军，2012）。

2.1.3.1 功能性磁共振成像

功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）基于核磁共振原理，利用电磁波发射及检测手段绘制出受测试对象的内部结构图像，从而可以测量和认识神经活动对应的脑空间分布规律，了解人的认知状态和决策过程（马庆国，付辉建，卞军，2012）。fMRI具有较高的空间分辨率，使其在医学、心理学、物理、考古等领域有着广泛的应用（马庆国，付辉建，卞军，2012）。图2-2为功能性磁共振成像的应用示意。

2.1.3.2 事件相关电位

事件相关电位（event related potential, ERP）是一种刺激锁时的脑诱发电位，当给予大脑或神经系统特定信息刺激时，脑对信息加工过程会产生与刺激时间对应的生物电信号，这个电信号也被称为认知电位，可在人的头皮表面记录到（李兴启，2007；魏景汉，罗跃嘉，2010）。事件相关电位具有典型的特征：①有特定的脑部位；②认知电位有波形和成分的差异；③刺激信息和认知电位有严格的锁时关系，即伴随刺激瞬时出现，具有较高的时间精度（李兴启，2007；魏景汉，罗跃嘉，2010）。图2-3为事件相关电位的应用示意。

2.1.3.3 生理记录仪

生理记录仪（physiograph）利用传感器设备记录人体内的生理信息（如脑电、肌电、皮温、皮电等），通过专用软件对这些信息加以分析处理，并可以视觉或听觉的形式将这些信息反馈出来，同时也可训练人们依据反馈信息进行自我调节，以努力调整、治疗和恢复身体正常机能（马庆国，付辉建，卞军，2012）。

生理记录仪的传感器记录的生理信息主要包括脑电（electroencephalogram, EEG）、肌电（electromyogrphy, EMG）、皮电（galvanic skin response, GSR）、皮表温度（surface temperature, temp）、心率（heart rate, HR）、心跳变异率（heart rate variation rate, HRV）、血压（blood pressure, BP）、呼吸率（respiratory rate, RR）、手指血容量脉冲（blood volume pulse, BVP）、心电（electrocardiogram, ECG）等（Benedek &Kaernbach,2010; Kwon, Cho &Lee,2009; Sherlin, Gevirtz &Wyckoff,2009；马庆国，付辉建，卞军，2012；轧铸，季红光，王海明，1997）。生理记录仪可以通过无线蓝牙技术传输生物信息数据到计算机，因此具有较大的便利性，在现场研究中得到广泛应用。图2-4为生理记录仪的应用示意。

2.1.3.4 眼动仪

眼动仪（eye movement equipment）是心理学领域研究的重要设备，人的眼睛在对视觉信息进行加工时，眼动仪可以有效获取人的眼动轨迹过程，并可根据此过程中记录到的数据分析出注视热点分布、注视点的时间和次数、注视点的瞳孔大小等数据，以此研究人的视觉认知过程（任延涛，孟凡骞，2015；赵新灿，左洪福，任勇军，2006）。眼动仪的有效性、便利性和可推广性已使其广泛用于广告学、心理学研究、设计学等领域。图2-5为眼动仪的应用示意。

本小节对神经工业工程研究平台进行的对比如表2-3所示。