工业工程的发展趋势

2024-05-25

工业工程的发展趋势（精选6篇）

篇1：工业工程的发展趋势

探矿工程的发展趋势

本文通过简要阐述探矿工程的.内涵与作用,在结合探矿工程现状的基础上,提出了几点当今探矿工程存在的问题及建议,并对其未来的发展方向及形势做了论述.

作者：牛雁作者单位：河南省经贸工程技术学校刊名：决策与信息（下旬刊）英文刊名：THE FRIEND OF THE HEAD 年，卷(期)： “”(5) 分类号：U712.2 关键词：探矿工程问题发展形势

篇2：工业工程的发展趋势

在市场经济条件下，企业只有不断开发出适合市场需求的新产品，才能在竞争中立于不败之地。经济全球化的今天，企业所面临的市场竞争更加激烈，也迫使企业的产品朝着个性化﹑多样化的方向发展。信息技术﹑制造技术和管理技术的发展，使得生产和经营活动的节奏加快，从产品策划﹑设计开发到投放市场的时间不断地缩短。因而，产品的市场竞争力不仅体现在质量和成本，而且还要求设计与投产周期缩短﹑市场响应速度加快。传统的产品设计模式已不能适应企业发展的需要，因此，要研究新的产品开发管理模式。

工业工程（Industrial Engineering）是一门涉及人力﹑物料﹑设备﹑信息﹑能源等要素的集成规划﹑设计﹑改善﹑控制的创新的工程学科，为实现生产制造﹑管理和服务系统的低成本﹑高效率和高效益的管理目标提供有利的技术支持。现代工业工程是面向企业经营管理的全过程，降低成本﹑提高效率﹑技术与管理的有机结合﹑实现经营管理的整体目标是现代工业工程最显着的特征。随着知识经济时代的到来，工业工程的理论与方法结构发生了重大变化，这个发展趋势表现在兼收并蓄高新技术理论，注重敏捷﹑柔性﹑精益﹑并行制造系统的集成开发与应用。

1、动态联盟的新产品开发组织模式

敏捷制造是通过虚拟公司，又称为动态联盟实现的。虚拟公司是一种两家以上的独立机构为了抓住迅速变化的市场机遇，各个成员在充分信任和合作的基础上联结起来的虚拟结构的公司，联盟成员发挥各自的核心专长，以求获得共同的收益。一旦完成既定的任务，该公司可自行解散。通过虚拟公司的运作，可以迅速有效地集成必要的资源，对市场变化灵活快速地进行反应。通过向外寻求合作伙伴，企业可以把精力集中于自身关键技术的研究，关注自身优势的核心技术。采用虚拟组织的模式进行产品的开发与创新，可以把产品的开发过程中的各部分研究内容，如在设计开发高新技术产品的过程中的某些技术性很强的专业系统﹑辅助性系统或零部件等的设计及生产，分别交由不同企业或机构来完成，或一个企业把项目中全部内容完整地外包给伙伴机构，这些机构可以是高等院校﹑企业﹑独立的研究组织等，并提供完整的技术资料。虚拟组织模式进行产品设计，可以最大限度地有效利用联盟合作机构已有的设计﹑制造等方面的人才﹑技术﹑设备等资源，减少大量的产品设计与工艺设计工作，缩短了产品开发周期，提高了产品设计的敏捷性。

动态联盟在实施新产品开发项目中的计划与控制方式与传统的项目管理方式也不同。虚拟开发的计划与控制不但要考虑本企业内部的业务流程，更应考虑联盟企业之间其他企业或机构的决策，实现信息的共享与集成，各类资源应进行相应协调与整合，并根据产品开发项目的进展情况，及时﹑动态地调整本工作进程，实现异地的开发﹑协调﹑控制。

2、精益化设计

精益生产的基本原理就是：不断改进﹑消除对资源的浪费﹑协同工作和沟通。精益生产方式的设计技术也体现这一思想。

精益设计的领导方式是采用“主查”制，项目小组负责人的任务是进行新产品设计和工艺设计直到投产，他有权借调各部门的人员组成设计组和直接控制完成计划所需的资源。小组成员来自公司的各个部门，各人发挥其特长，便于沟通，集体合作完成任务，由主查对其成员的表现进行评定。精益设计采用同步开发的方式，即西方流行的并行工程的基本做法。这种方法可以消除时间上的浪费。

成本规划和质量功能展开也是精益设计的重要部分。成本规划是一种产品开发体制，即在产品规划设计阶段将成本限定在目标内，然后用价值工程的方法实施新产品设计和老产品的更新，同时在设计﹑试制和生产准备阶段，各相关部门通力合作达到目标成本。质量功能展开的思想是新产品开发设计过程中的所有工作都是由客户需求来驱动的。它是一种把用户或市场的要求转化为设计要求﹑零部件特征﹑工艺要求﹑生产要求等多层次演绎的分析方法。

3、并行工程协调机制的应用

并行工程是集成﹑并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。并行工程的工作方式是组织跨部门﹑多学科的开发小组，一起并行协同工作，对产品设计﹑工艺﹑制造等上下游各方面进行同时考虑和并行交叉设计，及时地交流信息，使各种问题尽早暴露，并共同加以解决。这样就使产品开发时间大大缩短，同时新产品质量和成本都得到改善。

在并行工程模式中，产品的创新不仅要考虑产品功能本身，还要考虑到产品的制造和装配难易﹑生产成本高低和生产周期的长短。也就是说，产品设计部门不仅要考虑自身的目标，还要考虑整个产品生命周期中从概念形成到报废处理的所有因素，包括产品质量﹑制造成本﹑进度计划，充分利用企业的一切资源，最大限度地满足用户的要求。这就要打破设计﹑工艺﹑销售﹑经营和生产部门的界限，借助计算机网络连成一体，实现知识﹑信息和数据共享。而在虚拟组织情况下，并行工作的范围将从本企业扩大到整个联盟组织。

4、现代信息技术的支持

随着信息技术的发展与应用，企业逐步应用了CAD﹑CAPP﹑CAM﹑PDM﹑企业资源计划（ERP）等系统，并且系统的集成性不断提高。信息系统的集成化可以有效地控制和管理产品信息，为企业实施并行工程提供必要一个计算机协同支持环境，为在动态联盟环境下的新产品设计奠定了基础。

网络经济时代的到来，加快了经济的全球化进程，迫使企业面对全球化的大市场，参与国际市场的竞争。也使企业间的合作范围越来越宽，可以充分利用和吸收不同地区及国家企业﹑机构的人才﹑技术﹑资源优势，建立虚拟敏捷的开发模式。这种模式的有效实现是基于面向企业对外联网络（Internet）和内联网络（Intranet）的集成，形成超越空间约束的分散网络设计开发系统进行动态联盟组织的设计及制造活动，支持企业实现异地协同设计成为虚拟组织产品设计。由于产品设计﹑工艺设计和试制由核心或盟主企业和合作企业分别完成，跨地域的联合设计将成为主要设计方式。因此，在产品及技术开发过程中，必须充分考虑到这一现实的存在及未来的发展趋势,实现用户﹑企业﹑大专院校以及研究机构的广泛合作。二．工业工程在企业信息化中的特殊作用

企业信息化，是指企业应用现代工业工程的理论、技术与方法，在对业务流程进行改造、重组、优化或再设计的基础上，利用计算机技术、通信技术、网络技术与数据库技术，控制和集成化管理企业的所有资源和生产经营活动中的所有信息，实现企业内外部信息共享和有效利用，提高企业的管理水平、市场应变能力和整体竞争能力的工程化过程。企业信息化，并非是企业传统流程的计算机化。专家研究发现，传统企业信息化未能达到预期效果的主要原因是未能触及传统管理模式，即未能应用工业工程的技术与方法对各种业务流程加以分析和改造，对企业各种资源未曾优化和合理配置而导致了信息系统的各种功能得不到充分利用。这一发现使得业务流程再造(business process reengineering，BPR)成为主导企业信息化的关键理论和技术。1．BPR的科学内涵包括四个方面

（1）BPR是在打破原有部门界限，职能分工的基础上，对业务流程或具体任务重新组合；（2）BPR不是通过渐进改良提高管理效率，而是一场改变传统工业流程的飞跃式革命；（3）BPR是对原有业务流程进行根本性反省，进行彻底改造和再设计，并在此基础上实现信息量化，直接面对顾客、面对市场，增强企业的核心竞争能力；（4）信息技术不是将原有业务处理自动化，而是新流程的数字化与培增器。2．SCM与ERP促进CIMS形成

随着企业自动化和信息化的发展，以及企业之间合作制造趋势正日益明显，横向一体化正在加强，工业工程界在20世纪90年代提出了供应链(supply chain)的科学概念。这一理论把企业界的整个生产过程看作为一个整体链，把企业内部各种资源和系统以及供应商、分销商、合作伙伴等单位都集成到一个链条中，于是产生了供应链管理(supply chain management，SCM)这一新的运作与经营模式。

所谓供应链管理，其核心是使企业生产过程的内外部实现“横向一体化集成，形成一条供应商到制造商再到分销商的贯穿所有企业的链条”。在这条链上，节点的相邻企业形成供求关系，达到同步、协调运行和共同受益，形成了一个信息化程度极高的经营与运作模式。

供应链管理的出现促进了企业资源计划(ERP)的发展。ERP强调对供应链的整体管理，将供应商、制造商、协作商、客户甚至是竞争对手都纳入管理资源的整体系统之中，使业务流程更加紧密集成，对市场反应更加灵敏、快捷，柔性化程度大为提高，风险与成本大大降低。ERP的出现不只是一种管理模式和概念，而已成为与供应链管理体制相匹配的现代化管理软件系统，因此ERP本身就是企业信息化和网络化的重要组成部分。由于供应链管理和ERP的发展进一步增强了企业间的信息和资源的集成与共享，使原来CIMS(计算机集成制造系统)的概念和内涵发生了变化，已由企业内的集成，扩展到企业外的集成，于是出现了现代集成制造系统(contemporary integrated manufacturing system，CIMS)。因此，SCM与ERP促进了现代CIMS的形成与发展。3．CPC拓展PDM概念在工业工程集成思想的指导下，CAD计算机辅助设计在20世纪90年代实现了CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成。此外，为了对产品设计数据、图形和图纸进行有效管理和信息共享，在CAD/CAM技术的基础上又发展起了产品数据管理(product data management，PDM)系统。PDM系统是以产品为核心切入企业信息化领域的新技术。它将所有与产品相关的信息和相关过程集成在一起，使产品的数据、图形及图纸信息能被全部用户按要求方便、快捷地存取与共享，大大提高产品的设计、开发环节对市场的响应速度。现在PDM已拓展了原来的概念，提出了协同产品商务(collaborative product commerce，CPC)新概念。CPC系统力求以Internet技术为核心，将围绕着产品整个生命周期(包括市场分析与营销、设计、工艺、采购、制造、装配、销售、售后服务等)的所有信息集成起来，以强化企业的竞争能力。

综上所述，现代工业工程的突破带动了企业信息化的快速发展。

三．工业工程与企业信息化

1、企业信息化对基础数据环境的要求

企业信息化建设在业务流程再造完成之后还有一个重要的环节——基础数据环境建设。我们把反映企业人、财、物及其相互联系的各种数据统一起来，称之为基础数据环境。企业信息化必不可少地要对大量的生产、技术和财务等数据进行处理，为决策者提供有用信息。这些基础数据包罗万象，十分庞杂，并且相互之间存在着千丝万缕的联系。企业信息化，关键要规范化、数据化、标准化。有人将企业管理信息系统从技术、管理、数据三者的相对重要性说成是“三分技术、七分实施、十二分数据”。因此没有规范化的数据管理就没有企业信息化建设的成功。今天，全球大约有39％的大公司、60％的小公司正在部署实施ERP系统，财富1000家企业中有70％已经在制造、财务、人力资源

和其他主要领域中实施了ERP的核心应用模块。企业信息化项目上的巨大投资在可能给企业带来丰厚收益的同时也意味着高风险，ERP实施失败甚至导致公司破产已屡见不鲜。导致企业信息化失败的原因何在?原因当然是多方面的，如企业高层管理的支持力度不够、缺乏完善的项目管理和实施计划、企业人员对信息系统应用的抵触、缺乏技术支持来解决信息系统实施中遇到的各种问题等是导致企业信息化未能达到预期结果甚至失败的重要原因。但从实施的实践看，在短时间内难以建成企业信息化所要求的基础数据环境，或提供的数据规范化与准确性差，得到的决策信息无法应用也是导致企业信息化未能达到预期结果甚至失败的重要原因之一。对企业信息管理系统，特别是ERP这样复杂的系统，数据输入时的误差在经过一系列的处理环节后就有可能产生相当大的偏差，从而导致生产计划、物流调度乃至经营决策上的失误。虽然不可能做到百分之百准确的数据，但输入的数据准确程度越高，信息管理系统运行结果的可靠性也就越高，从而更好地为经营管理提供合理的依据。因此，如何将企业的各种原始数据准确、及时地录入到信息管理系统中显得尤为重要。

为保证企业信息化建设的顺利进行，企业信息化的基础数据应满足以下要求：（1）数据的规范化。即无沦遵循的是国家标准、行业标准或企业标准，都必须要有统—的标准编制数据。数据的规范化是信息集成的首要条件。为保证信息沟通的顺畅，必须至少在企业范围内实现数据标准的统一。

（2）数据的准确性。它是指输入企业信息化系统的数据要准确，数据的准确性越高越好。企业应在详尽掌握各项资料的基础上给出准确的数据。否则，输入计算机的是垃圾，计算机输出的也只能是垃圾。准确性并非原封不动地使用企业现有数据，还要对现有数据进行处理，检查数据的合理性。

（3）数据的完整性，它也是企业信息化管理的一项基本要求，是指软件系统输入的数据应满足系统运行所要求的各项参数，不能遗漏。

（4）数据的及时性。企业进行信息化管理要具有很强的时效性，应及时输入反映当前状态的各项数据，如随着客户订单的变化，生产计划也应做及时的调整，以在规定的时间内补充货源。

（5）数据的一致性。数据的准确和完整并不能保证数据之间不存在逻辑上的矛盾或其他不合理的地方，如同—种物料只能有一个物料编码。

2、工业工程在基础数据环境建设中的作用

我国是在还没有完成工业化进程就进入与发达国家几乎同步的信息化阶段，因此，我国企业在信息化过程中营造上述基础数据环境离不开工业工程的有效支持。

首先，从广义上讲数据的准确性还有合理性的含义。比如，企业信息化建设的主要内容之一的ERP，其基础数据环境主要包括物料与产品信息、能力信息、库存信息、财务信息、需求信息和供应信息，具体有物料主文件、物料清单、工作中心、提前期、工艺路线、库存设置、供应商与客户信息等。在录入这些数据之前，应先运用工业工程的原理，如工作研究、物流与设施布置、激励原则等对输人数据的合理性进行验证。

其次，在数据的准确性上，像标准工时这种数据，主要利用工作研究中的方法研究和作业测定两大技术，分析影响工作效率的各种因素，帮助企业挖掘内部潜力，消除人力、物力、财力和时间方面的浪费，合理安排作业，制定出该项工作的标准时间。如果没有动作分析和作业研究，则很难保证准确性。很多企业的基础数据都是估计值，具有较大的主观判断性，进而影响到生产周期、产品成本、生产计划的准确性。因此，基础工业工程是企业信息化基础数据准确、及时的保证。

对于一个想要成功实施ERP达到A级的企业，对基础数据环境的要求是：物料清单准确度应大于98％，库存记录和工艺路线准确度应大于95％，其余项目准确度的平均值应大于90％。

这里举一家知名家电企业运行ERP的实例。该企业1999～2000年上马ERP后，生产极不正常。ERP的运行受到两个方面的冲击：一是由于经常性的停线，造成计划达成率低；二是由于ERP的数据维护程序、人员、频率等实施细节跟不上，造成ERP与实际生产脱节。比如：某天，生产科下达了在1号线生产空调1000台的作业计划，但是在向现场搬运物料的过程中，发现其中的一种物料——蜗壳发生短缺。这时要么联系物料供应商直接将蜗壳送到生产现场，要么在车间现场寻找是否有该型号蜗壳结余的存货。从物料发生短缺这一情况来看，制定生产计划的时候是考虑到该型号蜗壳的库存量能够保证1000台产品的装配任务。因此追其原因是由于物料库存的信息数据不准确而造成的；从问题解决的过程来看，直接联系供应商或在生产现场寻找结余的物料又可以进一步看出该企业在“现场定置管理”、“现场目视管理”、“多工厂管理”、“供应商管理”、“检验科外检程序”、“仓库管理”、“物流管理”、“信息与信息系统管理”等方面存在着问题。无论是哪方面的问题，都是工业工程的应用不到位造成的。

标签：企业信息化基础数据

4、工业工程的分析与评价技术在BPR中的应用初探

经典工业工程以提高现场作业效率为主要目的，针对生产过程的研究，它的主要技术之一就是工作研究。工作研究是经典工业工程建立初期主要的一种技术。在推进近代工业化进程中发挥了不可或取的作用。随着工业工程的发展，工作研究的方法研究和作业测定两大技术，已经不仅仅只用于对生产过程进行分析和改进，还扩展到生产经营的全过程。

业务流程再造是针对企业生产经营的全过程进行的，通过对生产经营的业务流程优化，以提高生产效率，实现经营管理的整体目标。在进行业务流程再造的过程中，工业工程的分析评价技术是进行流程描述、流程诊断分析和流程优化阶段的主要工具之一。应用于BPR的工作研究技术包括：

（1）程序分析技术。对整个生产过程或一项管理工作进行全面分析。（2）作业分析技术。对同一工作地上的工作进行分析。（3）各种图表。用于记录某项业务或管理流程的现状。（4）“5W1H”提问技术。用于发现流程中的问题。（5）“ECRS”四大原则。用以改进流程的现行方法。

对业务流程的分析是由粗到细，由总体到局部的过程。先进行程序分析，将多余的、重复的工序或流程取消，甚至合并，使整个业务过程合理化；然后再进行作业分析，使工作达到省时、省力的目的。

程序分析是按工作或作业的程序从第一道工序到最后一道工序；从第一个工作地到最后一个工作地；从原材料进厂到产品出厂所进行的全面分析或全过程分析。分析有无多余或重复的作业，程序是否合理、等待时间是否过长，进一步改善工作程序和工作方法，使系统结构得以优化。程序分析的重点是发现系统中存在的宏观问题，这与业务流程再造的诊断与分析的目的一致。分析的工具是流程图。在业务流程再造的现有业务流程的描述阶段，绘制流程图是认识现有业务的有效手段之一。绘制流程图的方法很多，例如，工业工程的流程程序图、计算机的IDEF0图等。运用工业工程的流程程序图的方法绘制流程图，能够更直观地观察现有业务的流向，容易发现不合理的地方。因此，程序分析和作业分析的思想已经广泛应用于业务流程再造中，工业工程的流程图绘制方法也在BPR中得到了广泛应用。

在对现有业务流程进行诊断分析阶段，工业工程的“5W1H”提问技术就是经常运用的方法之一。运用“5W1H”提问技术对业务流程中每个环节进行分析，能够很容易地发现业务流程中存在的不足和不合理的流程环节，为以后的流程再造或优化作准备。

在业务流程重新设计阶段，结合分析阶段存在的问题分析，运用一定的方法对业务流程中存在的环节进行改进。在这个阶段中，工业工程的“ECRS”原则起到关键的作用。通过运用此原则对原有流程进行优化，对于不合理的环节进行合并、删除、重组、简化，以期达到优化流程的目的。当然，在运用ECRS原则对业务流程进行优化的过程中，要结合其他的管理思想，如并行工程、信息化等，但是这个原则是最基本、最重要的原则。

5、信息技术在BPR中的重要作用

从以上这些方法的叙述中，已经可以看出一些信息技术在BPR中的重要作用。在当今从工业化社会向信息化社会转变的过程中，信息技术已经在企业经营、管理、开发、制造等各方面起了越来越重要的作用。但是，很多企业的通常做法是考虑如何利用信息技术强化或改进现有的工作方式，而BPR则强调，更重要的是考虑如何利用信息技术打破旧方式，做一些到目前为止还没有做过的事情，实现一个全新的目标。否则的话，信息技术的误用反而会导致强化已经落伍的旧模式、旧方法。

信息技术的真正威力不在于能够改进旧过程，而在于能够借助其力量摈弃旧规则，创造新的工作方式，即能够进行“重构”。以美国通用汽车公司在其下属某工厂所进行的BPR为例、由于充分发挥了信息技术的威力，该工厂及其零部件供应商都发生了巨大变化。在该工厂，利用计算机通信网络设置了与零部件供应商共享的关于生产计划和生产实绩的数据库，供应商可以不用等待美国通用汽车公司的订货通知而自己随时扫描数据库提供的信息，由此判断什么时候需要送什么样的零部件，保证按时向美国通用汽车公司的工厂送货。由于从该网络也可以了解到美国通用汽车公司下个月的生产计划，零部件供应商还可以在此基础上及早制定自己的生产计划。信息技术使得美国通用汽车公司的工厂和其零部件供应商像一个公司似地运行，两者的管理费用、库存费用都大为降低。而且，对供应商的敌对性的警戒这一从古至今的不成文规律也完全打破了。

利用信息技术打破企业原有工作模式中不合理的旧规则，也是BPR的一个重要内容。例如，旧规则之一：信息一次只能在一个场所利用。而利用数据库共享，可以做到同时在若干个场所利用。旧规则之一：复杂工作只有专家才能够胜任。而利用专家系统，一般人也可以做这样的工作。某大型化工公司，因产品较复杂，只有优秀的、有经验的业务人员才能向顾客解释清楚产品的特性、构成等技术问题，从而获得销售机会。而设置了有关产品各种特性的专家系统以后，一般人也完全可以做这样的工作。又如，旧规则之一：决策由管理者做出。而利用决策支持工具，决策可以成为每个人工作的一部分，等等。此外，利用无线通信、双向通信系统、自动定位技术、多媒体计算机、因特网等信息技术，还可以打破其他许多旧的工作方式以至企业运营模式。二．敏捷制造

历史前进到20世纪90年代，信息化的浪潮汹涌而来。在这一浪潮中，美国走在了世界的前列。信息技术突飞猛进的发展，更给制造业改变生产方式提供了强有力的支持。因此，美国想凭借他们的这一优势重新夺回80年代被日本、德国等国的企业所夺去的在制造领域的领先地位。在这种背景下，一种面向21世纪的新型生产方式——敏捷制造(agile manufacturing)的设想诞生了。

具体而言，敏捷制造是美国国防部为了拟定21世纪制造业发展战略而支持的一项研究计划。该计划是由美国国防部根据国会要其拟定一个较长时期的制造技术规划的指令，而委托里海大学的亚科卡研究所主持完成的。美国国防部为该计划投入了500万美元，亚科卡研究所为了更好的完成这一任务，邀请了国防部、工业界和学术界的代表，建立了以13家大公司为核心的，有100多家公司参加的联合研究组，并由通用汽车公司、波音公司、IBM、德州仪器公司、AT&T、摩托罗拉等15家著名的大公司和美国国防部代表共20人组成了核心队伍，长期在亚科卡研究所工作。该研究花费了7500多个人时，研究了美国工业界近期的400多篇优秀报告，于1991年提出了一种在工业先进国家已崭露头角的新的生产模式。这是一种直接面向用户的不断变更的个性化需求、完全按定单生产的可重新编程、重新组合、连续更换的新的、信息密集的制造系统。这种系统对用户需求的变更有敏捷的响应能力。并且在产品的整个生命周期内使用户满意。生产系统的敏捷性是通过技术、管理和人这三种资源集成为一个协调的、相互关联的系统来实现的。敏捷制造系统的主要特点是：

（1）以强大的信息交换能力为基础的虚拟公司(virtual corporation)成为经营实体的主要组织形式。

（2）模块化的插件式、兼容式的组织机构和生产设施使得企业在组织和技术上具有很大的灵活性和应变能力，可以根据需求的变更进行重新组合。

（3）以紧密合作为特征的供应者、生产者与买主之间的联合网络。

（4）销售信息和用户使用信息可通过信息网络直接反馈到生产决策过程中去。（5）并行工程和多功能项目组是产品开发的主要方式与组织形式。

（6）有知识的人是敏捷制造系统中最重要、最宝贵的财富。该系统能充分发挥人的主动性，并且强调不断对人进行教育，不断提高人的素质。三．计算机集成制造

20世纪80年代以来，计算机集成制造(Computer integrated manufacturing，CIM)的研究与应用成了生产领域的热门课题。CIM的目标是要实现产品设计、制造到管理的基于计算机的集成，即集这些职能于统一的、基于计算机的系统中。这一目标的实现将导致生产活动从技术到组织管理的重大变革。

此外，分形工厂(fractal factory)、仿生制造系统(biological manufacturing system，BMS)、自主分布制造系统(autonomous distributed manufacturing system，AOMS)等新的理论的产生也进一步扩大了工业工程的应用范围和解决问题的理论手段。一．新世纪工业工程的发展状况

1、大变革时代的工业工程

面向21世纪，从全球范围看，经济全球化的趋势日益显现，一个更加激烈的竞争环境正在形成，消费者的价值观正在发生结构性变化，呈现日趋多样化和个性化的发展。人类社会正在出现一个消费者导向的时代，如何对市场环境的急剧变化和顾客需求的瞬息万变做出灵活、快捷的响应，及时地掌握顾客的需求，有效地生产和提供令顾客满意的产品和服务，并不断开辟消费者的新市场是企业的重要使命。同时全球经济已由卖方市场转向买方市场，制造业不仅要注意产品的生产过程，而且要注意整个供应链的组织与管理和产品的售后服务。20世纪的最后10年，世界进入了一个大变革的时代，引发了全球市场的不确定感，“变革”将是时代的主旋律。美国管理大师汤姆.彼得斯(T.Peters)用“无结构时代”来描述未来竞争的态势，而未来的赢家将是那些能创造自己多轨道思维、善于积聚变革能量的人，企业需要通过持续创新和不断改革来调整素质，灵捷应变。

全球性的激烈竞争，使得市场变化太快，以致企业的自我调整变化的速度赶不上市场变化的速度，这是影响企业生存与发展的世界性问题。

与此同时，全世界科学技术发展和转化速度，将更为迅速，规模更为宏大。由于信息技术的迅猛发展，知识的传播将以空间的速度、几乎无时空阻隔地迅速扩散，而且由于经济迅猛发展的强力推动，由基础研究向应用开发的转移愈来愈迅速，科学与技术之间的结合愈加紧密。科学技术发展日益走向复杂和综合集成，这是一个由微观到宏观、由静态到动态、由局部到整体、由简单到复杂、由确定到不确定、由线性到非线性的新的科学思维模式和认知走向。科学技术发展将更加社会化和国际化，科学技术全球化和经济全球化日益融合成一体。展望未来，人类将进入全球化知识经济的新时代，科学技术将更加深刻、更加广泛地渗透到社会的经济、政治、军事、文化、教育和日常生产的各个方面，深刻影响并改变社会的生产、流通，乃至人类的生存和思维方式。

工业工程作为科学技术的一个领域，必须在认识论和方法学上有新的创造和突破，未来生命科学、脑和认知科学、生态与环境科学、全球经济与社会科学等重大发展都会对工业工程的发展产生深刻的影响。

当代技术变革过程既能创造巨额财富，往往也需要大量投资，为此有必要加强技术变革的科学管理，以提高技术变革的效率和效益。技术变革管理首先要能预先认识到潜在的变革，其次要善于选择变革的项目和过程，第三要注意实现变革的有效性。技术变革过程的组织与管理是一项非常复杂的工作，根据不同的情况可以采用并行工程、逆向工程、灵捷制造等方法，其出发点是满足顾客的需求。而面向顾客需求的组织过程是一个多层次的重组过程，提倡社会性的相互学习，鼓励合作与竞争并存，通过技术变革管理，力求提高技术变革的质量、效益和可持续发展。

2、知识经济时代的工业工程

知识经济是以不断创新的知识和对这种知识的创造性应用为主要基础而发展起来的。知识经济时代，满足社会需要的基本方式将是不断地快速开发出新的物质产品和知识产品。企业必须不断搜索和发掘消费者不断出现的新需求，制造业要敏锐地适应知识创新和技术发展的可能性，并充分考虑提高质量、降低成本等因素而开发新产品的概念与设计，最终生产出消费者需要的新产品。

因此，在知识经济时代，决定制造业国际竞争力的关键是新产品的快速开发能力。当代企业生产的市场需求导向，导致产品的寿命周期大幅度缩短，产品的高额利润期也相应缩短，某种产品市场的存在也是有时限的。企业只有根据消费者的潜在需求，通过技术创新，积极主动地去研究市场、去开发市场，增强竞争实力，才能争取主动，获取较好的经济效益。实践证明，我国企业新产品开发能力差是导致市场适应能力差和国际竞争力差的重要原因。当前，我国相当多的企业在市场经济的大潮中时起时落，甚至大起大落，其原因就是企业适应市场变化的能力太差，很多企业不能开发具有国际市场竞争力的新产品。现有的许多产品是从国外引进的，甚至整条生产线是从国外引进的，但是企业往往只追求引进技术和设备，而忽视对市场的认真研究，又不注意引进技术的消化、吸收，提高本身的自主开发能力，一旦市场需求发生变化，产品滞销，导致花费巨额资金引进的设备闲置，巨额贷款无力偿还，给企业带来致命的打击。

国外经验证明，快速产品创新要求实现制造模式的历史性变革，传统的大量生产方式和“刚性”的制造系统已难以适应市场的瞬息万变，同样传统的多层递阶结构的管理模式也缺乏快速响应市场变化的能力。而从企业间的关系来看，只注重竞争和垄断，不利于社会资源的优化配置。

先进制造模式面临的重大变革有：（1）从以技术为中心向以人为中心转变；（2）从多层递阶结构向扁平网络结构转变；（3）从顺序工作方式向并行工作方式转变；

（4）以按功能计划的固定职能组织向动态的、自主管理的团队组织转变；（5）从质量第一的竞争策略向快速响应市场的竞争策略转变；（6）从单纯注重竞争与合作并存的双赢策略转变。

针对我国国情和制造业国际竞争环境，采取灵捷网络化制造模式，致力于将分散的制造资源有效集成，形成核心优势，实现新产品开发能力的飞跃。

通过组织创新和管理创新将人、技术、组织有机结合，努力提高制造业的效率和效益。加强制造业对市场变化适应机制的研究，当前已经出现的顾客化大量生产、市场导向式生产、分散网络化制造等模式值得深入研究。

网络环境下的企业理论研究，如虚拟公司的组织特征、委托—代理关系、社会、法律地位、无形资产评估、知识产权保护的研究。

灵捷网络化制造模式的管理研究，如柔性战略研究、企业重组、供应链管理、企业的合作与竞争、收益分配与风险分担机制、产品质量保证与售后服务体系、产品定价系统、人员的激励与监督机制等。

3、制造业的曙光将激发工业工程的创造活力

面临21世纪，制造业仍然是社会财富的主要创造者。中国制造业由“工业的心脏”转向“夕阳工业”，又向“21世纪战略产业”转化，经历了坎坷的变化历程。由于先进制造技术的蓬勃发展，出现了重大突破，如计算机集成制造系统、柔性制造、智能制造、快速成型技术等。与此同时，由于传统的大量生产模式所固有的刚性，不能适应市场的迅速变化而面临的困境。近年来，工业发达国家涌现出“柔性制造”、“精益生产”、“灵捷制造”(agile manufacturing)等先进生产模式。1）世纪末的重大组织创新

实行了近百年的宝塔式多层结构，演变为扁平式网络结构，由重视控制功能转向加强信息沟通功能。出现了“虚拟公司”(victual company)、“虚拟研究开发中心”、“分散网络化制造”等。

2）管理创新是兴国之道

推行先进制造技术和先进的组织变革，必须相应地改革管理方法，树立崭新的管理理念和企业文化。

为了适应瞬息万变的市场变化，必须建立灵活、快捷的应变机制和应变能力。不仅要适应变化，而且要善于利用变化，甚至主动制造变化来创造竞争优势。

虚拟企业的核心：灵活快捷地响应市场变化的机制和能力，制造资源的有效、灵捷集成，特别是人、技术与组织的有效集成。

随着科学技术的迅速发展，工业工程不仅是在制造过程中得到广泛的应用，如计算机集成制造系统、灵捷制造、MPR-Ⅱ、ERP等等。近年来在服务性行业、运输行业也得到广泛应用，如金融工程、logistic、supply chain等方面的应用，更是把制造厂、供应商、销售商、银行和用户联结成一个网络，通过Internet和Intranet等通讯网络，以及电子商务进一步推进全球经济一体化。

当代全球竞争的热点已由硬资源(物质资源)转向软资源——科技、信息、资金和人才，争夺的焦点不仅是占有这些资源，更重要的是资源的优化配置和合理利用。

面临21世纪，强大的先进制造技术将使制造业能够灵活、快捷地适应市场需求，向社会提供更多、更好、更能让顾客满意的产品和服务。

在知识经济时代，创新是灵魂，通过持续不断地技术创新、组织创新和管理创新，将进一步激发工业工程的创造活力，使工业工程学科更加充实，更加完善，更加普及。随着制造业的曙光在中国大地的展现，工业工程在中国的研究和应用也必将出现重大突破和飞跃发展。

2、现代制造环境下的效率工程 1）现代制造环境

在知识经济时代，市场环境发生了巨大的变化，一方面表现为消费者需求日趋主题化、个性化和多样化，消费行为更具有选择性，产品的生命周期缩短；另一方面全球性产业结构调整步伐加快，制造商着眼于全球市场激烈竞争的同时，开始着力于实力与信誉基础上的合作和协作。

随着市场环境的改变，少品种、大批量制造模式的竞争力日益衰退。快速多变的市场需求迫使企业突破大批量生产模式，寻求生产管理技术与制造模式的创新，而现代信息技术的高速发展又为企业追求多品种、动态适应市场变化的制造模式提供了物质技术条件。

在现代信息技术高速发展的物质技术基础上，诞生了计算机集成制造系统、敏捷制造系统、虚拟制造系统、全球制造系统、同步制造等先进制造系统，并且呈现制造全球化、敏捷化、网络化、虚拟化、模块化和智能化的趋势。现代信息技术也促使企业先进管理技术的诞生，如企业资源规划、供应链管理、客户关系管理、产品数据管理等。基于现代信息技术及其他高新技术的发展，机器的智能化水平也越来越高。

现代制造业在以信息技术为主的高新技术的支持下，以对市场的快速响应为宗旨，满足顾客已有的和潜在的需求，主动适应市场，引导市场，从而赢得竞争，获取最大利润。2）现代制造环境对制造系统的影响

制造环境的改变，必然引起企业制造系统的组织、生产方式等的改变。其主要表现在以下几点：

（1）企业组织形式的改变：企业与企业间的竞争转变为供应链与供应链之间的竞争；全国甚至全世界范围内的虚拟企业或动态联盟的形成；组织从多层递阶结构向扁平网络结构转变，组织的柔性增强。

（2）企业工作环境的改变：以Internet／Intranet为代表的网络技术的广泛应用；信息系统的广泛使用，且智能化水平越来越高；信息的作用无所不在，无可比拟，对信息的依赖性强；机器设备电子化、自动化及智能化水平日益提高。

（3）企业工作方式的改变：由传统的顺序的工作方式转变为集成的、并行的、面向产品生命周期的工作方式；制造呈现网络化、虚拟化；人在制造系统中的作用发展为对机器的设计、监控、维护等；人与人之间沟通渠道和方式变得多样化。3）现代制造环境下的效率问题在现代制造环境下，企业面对的是一个动态多变的全球化市场竞争环境，效率成为了企业在市场中生存的重要因素。国内外许多企业的成功就取决于效率。例如，海尔成功经验表明“效率是企业赢得市场竞争优势的法宝”。

过去以大批量少品种为特征的制造模式强调稳态环境下企业生产过程的效率，包括具体流程的运行效率、员工的体能效率以及工具、机器的利用效率。当前，知识经济时代的到来和信息技术对整个制造业和社会产生的重大影响，—方面使制造模式产生了巨大变革，另一方面使市场竞争环境变得更加激烈，又不可预测，越来越多的用户需要低价格、个性化的产品。客户化程度的日益提高，使得企业从最初的产品规划到产品研发、产品生产、产品销售乃至最终的售后服务无不以客户的需求为出发点。

所以，在现代制造环境下，效率的内涵发生了深刻的变化。现代制造模式以客户的满意度为最终目标，实现T(Time)、Q(Quality)、C(Cost)、S(Service)、E(Environment)的全面优化，它强调的是系统的效率观，企业运作效率不只单纯表现为体能效率，还表现为信息效率、员工的智力效率、组织效率等。

综上所述，在现代制造环境下，制造系统的运作方式发生了重大的改变。为了提高制造系统从研发、生产、市场、回收等整个生命周期的效率，满足多样化、个性化的市场需求，必须依照环境的变化，重新界定、考虑制造系统效率问题。现代制造环境下应重点研究的效率问题主要有以下几种：

（1）信息系统的效率。在信息时代，企业纷纷引进或自行开发信息系统，信息系统的重要性无可比拟。因此，研究信息系统的效率以及人与信息系统的交互效率对于企业整体效率的提高具有重要意义。

（2）人的效率。人是企业生产经营的主体，人的柔性是任何事物无法比拟的，人在制造系统中的作用变得越来越重要。在现代制造环境下，人的工作环境、工作方式和劳动工具等发生了变化，人的效率的内涵也就发生了变化，不仅仅是传统制造环境下人的体力效率，而主要是指人的智力效率、认知效率、决策效率、合作及协调效率等。

（3）组织效率。这里的组织效率包括企业间的组织效率和企业内部的组织效率，其中企业内部的组织效率主要在于企业的组织结构和流程的运行效率，企业间的组织效率主要是指他们之间的协调、合作效率。企业内部的组织效率是提高企业间组织效率的基础。

（4）服务效率。在客户需求多样化、个性化，市场竞争激烈的时代，企业的目标锁定在提高客户的满意度上。如何提高企业的客户服务效率是研究现代制造环境下效率问题的一个重要方面。

效率一直是工业工程领域重点研究的方向之一。随着现代制造环境的改变，效率的内涵和侧重点也发生了相应的改变，现代工业工程研究的重点也应该从传统的效率问题转变到新的效率问题上。这也是时代发展的需要。

3、工作研究方法的信息化

工作研究的两大内容是方法研究与作业测定。在进行方法研究与作业测定时，首先要应用各种图表来记录工作现场的情况，需要处理大量的数据。因此，在信息时代，工作研究本身也存在信息化的问题。

工作研究包括许多图表工具，如梗概程序图、流程程序图、人机作业图、工作抽样、MOD分析等，如何有效地运用这些工具直接影响到工作的分析和改进。但传统上这些图表都是通过手工绘制来完成的，不仅速度较慢且容易出错。

因此，工作研究方法本身也存在一个效率优化的问题。在现代信息社会，可以充分借助信息技术改造工作研究的各种分析技术，以提高它们的应用效率，并方便工作研究人员的使用。改造工作研究分析工具的途径之一是开发“工作研究信息系统”，这可以通过借助先进的软件开发工具来实现。开发的“工作研究信息系统”应具备以下功能：（1）数据录入与修改。在图形化的用户界面下，工作研究人员可以方便地把现场所搜集的各种数据直接录入到工作研究系统中，并可根据需要进行修改。

（2）数据处理，包括数据分析计算、统计和图表化显示。工作研究系统可以根据输入的数据自动得到分析结果，并能直观的显示出来，辅助研究人员进行对比分析和决策，以找到更好的改进方法和制定更准确的时间标准。

（3）数据存储与查询。已录入的数据和分析结果可以持久的保存在系统内，工作研究人员可以随时调出查看以往案例，从而更高效的进行工作分析。另外，用户也可以根据系统内的这些数据快速掌握工作的方法和时间标准。工作研究的信息化主要有以下几种表现形式：

（1）电子表格式的工作研究信息系统。它主要是将各种工作研究用的分析工具进行电子化转换，如转换为EXCEL表格形式后就能较为方便地完成各种分析计算。

（2）工作研究综合管理信息系统。通过软件开发工具可以开发出应用灵活且功能全面的工作研究MIS系统，它具备数据录入、分析计算、模拟决策、统计图表、案例库与标准资料、影像数据处理与传输接口等各项功能，可以全面支持工作研究人员的研究工作。

（3）嵌入式的工作研究信息系统。这是一种灵活定制的小型化软件系统装置，其作用有二：一是方便携带和安装；二是针对具体工作研究的分析工具，其功能更强大、更实用。工作研究人员借助“工作研究信息系统”，将可以极大地提高他们的工作分析效率。在网络化环境下，他们甚至不用到现场就能远程得对操作人员、机器设备、搬运路线、工艺流程和生产系统等进行分析诊断。工作研究人员可以通过以下工作模式来完成研究工作：（1）通过网络实时地传输现场录像或录像文件。

（2）对图像剪辑分析和人工整理后得到分析研究所需数据。（3）工作研究信息系统完成分析计算，给出处理结果。（4）工作研究给出诊断结论，提出改进意见。

此外企业管理人员也可以通过工作研究信息系统实时地远程监督指导操作人员的工作方法，监控生产系统的工作状态、负荷以及运作效率。

工作研究方法的信息化本身也是一项方法改进。如何实施这种方法改进，对工业工程研究人员和企业管理人员来说都是值得探索的一个新的领域。至少可以考虑以下几个方面来逐步推进这项工作：

（1）研究工作研究分析工具的规范信息化表示方法，工作研究信息系统的功能结构体系和开发技术，现场数据的录入、转换与科学计算，工作研究对象的智能诊断，工作研究对象的仿真分析等关键技术，以实现工作研究方法的信息化。

（2）进行工作研究的信息化系统的开发和培训，转变工作研究人员的传统研究方式，以提高工作成效、提供更多更好的咨询服务。

（3）工作研究适用面极广，若在企业中推广应用“工作研究信息系统”将能以低投入、高增长的方式极大的促进生产率的提高。

（4）将“工作研究信息系统”与企业其他系统有机结合，使企业从各个层面上都能全面地审视其管理效率，最终实现企业生产率的持续不断的改进。

二．现代工业工程面临的挑战

工业工程的发展具有鲜明的时代与工程特征。工业工程的特点是5个“M”的优化，即对由机器系统（Machines）、物流系统（Materials）、人力资源系统（Manpower）、资金系统（Money）和人组成的系统（Man-system）进行优化。它是一个解决整个系统的设计与优化的工程科学，它的发展，与工程科学的发展息息相关。

伴随着工业化的进程，为适应大批大量生产提高效率与产品质量、降低成本的需要，许多工业工程的关键领域，诸如人因工程、工作研究、运筹学、质量控制等应运而生。随着生产形态转入多品种、中小批量方式，对生产的柔性与敏捷性产生强烈的需求，诸如准时制生产（JIT）、计算机集成制造（CIM）、精益生产（Lean Production）、敏捷制造（Agile Manufacturing）等相继诞生。进入21世纪后，科学与工程领域的研究热点转入纳米技术、生物技术、信息技术和全球化问题，创新成为关键需求，对工业工程提出了新的挑战。我们以G.Salvendy教授等人的研究为基础，从制造系统、信息系统与现代物流工程三大领域探讨现代工业工程面临的新挑战。

1、制造系统领域

（1）纳米技术。纳米技术的发展导致产生完全不同于传统制造的“制造”，这使得我们需要研究和发展新的方法去设计和规划制造设施，优化生产计划与控制，保障制造质量。在纳米制造领域有着与传统制造完全不同的需求，需要新的方法，这对工业工程提出了新的发展需求。

（2）设施规划。设施规划工程是在进行设施的布局优化时总是假设设施有着特定的、固定的几何形状，而这些假设对新设计的设施并不总是对的。我们真正需要的是一个系统能够实现设施大小、形状和布局优化的交互规划过程，而一些设施的异型形状，会使得我们产生完全不同的优化结果，这些都需要工业工程进一步研究。（3）制造车间的规模优化。对于完成特定功能的制造车间而言，合适的大小规模是一个值得探索的问题，优化的大小规模取决于制造车间内部设施的相互关系和车间物流与信息流的特性。

（4）制造信息化。信息技术给制造带来了巨大的变化，制造模式的改变，新的信息支持工具的发明和推广，为制造系统领域产生了一系列新的研究机会，如协同设计和制造、数码制造等。

2、信息技术领域

信息技术对整个工业和社会产生了重要的影响，也对工业工程的研究产生了重要的影响。（1）信息系统的易用性。研究和开发传统和自动的测试系统来辨识各种软件界面的易用性，为每一个软件提供一个易用指数将为改善软件系统已用性提供方向，也为用户购买软件提供易用性的指导。因为软件系统已经广泛存在于我们的日常工作和生活中，因此，它的易用性评价在信息时代是一个相当重要的问题，对提高信息系统的使用效率，进而提高整个社会的生产率有着重要的作用。信息系统的易用性也是一个具有普遍性的问题，不仅计算机的软件界面有易用性问题，而且一些电子仪器和设备也有易用性问题，如用于移动通信的手机，在嘈杂的环境下难以进行通信，就有可能发展面向特定人（即手机拥有者）的语音识别系统，通过过滤环境噪声，实现嘈杂环境下通话。此外，信息系统的易用性还是一个与语言、习俗等文化要素密切相关的问题，不同民族会对易用性产生不同的要求。

（2）面向决策的信息优化。如果我们提供给用户太多的信息，即使用户花费较多的时间来判断和决策。有着更多的选项，就意味着需要处理更多的信息，但这并不一定意味着有更加充分的决策，有时甚至意味着犯错的可能性更大。通过提供经过优化的数量和充分的信息，可使决策时间和决策错误最小化。

（3）软件工厂。如果将制造系统优化运行的基本概念和方法应用到大规模软件生产中，将会发展出软件工厂的概念。我们将软件开发环节分成多个步骤，用类似于生产线的处理方法来处理软件开发环节的质量和效率，从而确保软件大规模生产的效率和质量。

（4）面向零售的顾客定位系统。开发一个软件系统帮助顾客在一个不熟悉的购物环境中迅速地找到产品和服务，这就是面向零售的顾客定位系统。今天市场（不论是超市还是集贸市场甚至整个城市）的规模越来越大，顾客有时不得不花费较多的时间寻找产品和服务，而顾客定位系统通过与中央数据库的连接，为顾客提供实时的有关产品价格和位置的信息。（5）面向电子商务的客户关系管理。越来越多的电子商务系统投入运行，计算机科学家和工程师已经建立了完整的规划指导来建立这样一个网上商店，但是如果我们不能进行良好的客户关系管理就不能保证客户再次回到我们的网上商店购物，也就不能达到我们设想的盈利水平。所以我们必须探索哪些因素能最大化与客户的关系，从而建立起客户和网上商店的良好联系。

（6）基于因特网的知识管理。知识管理系统可以使组织有效地获取组织中知识，增加组织的学习能力。比如当—个资深员工离职，如果没有知识管理系统，他的工作知识就会随着他的离职而丢失。我们可以通过一个增加特点的网络系统，来系统化地收集组织中的这类知识，从而增加组织的学习能力。

3、现代物流工程领域

物流工程是工业工程中最主要的领域，运筹学及信息技术是现代物流工程的基础。(1)现代环境特征下的生产组织结构。顾客需求的多样化及个性化、不同企业间在合作前提下的竞争以及网络技术基础上的信息共享构成了现在环境特征，适应这些特征的生产组织结构及其企业间的协作机制是迫切需要研究的课题。

(2)面向电子商务的仓库选址。在传统的零售店选址理论中，商店必须在几何上接近最终客户，这是十分重要的。但是在电子商务时代，我们需要仓库的成本最小化，使运送到最终客户的速度最大化，因此需要工业工程界发展一套独特的理论和方法来指导面向电子商务的仓库位置选择和有效的货物补充方案。

(3)基于互联网的协同物流和供应链管理。全球化市场竞争推动了虚拟企业的不断兴起，使得原有企业间供应、生产和销售的联系发生本质的变化，互联网成为跨地域虚拟企业实现的有力工具。基于网络的企业动态联盟，协同进行物流和供应链管理成为现代物流研究的主要目标之一。

(4)全球供应链体系的建立。市场和生产的全球化导致了物流和供应链的全球化。要求企业间比以往更加需要紧密的协作，满足不同地区消费者的多样化需求，并使全球供应链上具备高水平的协调能力。

(5)多种物流的相互融合。过去划分较为细致的连锁式零售供应链、第三方物流、生产物流以及特种物流（如军用物资供应、奥运突发性物流等）相互融合，并在部分需求状况下集成。三．现代工业工程的发展趋势

1、认知工作设计

现代制造环境中，由于计算机技术、自动控制技术和人工智能技术的广泛应用，人在制造系统中的体力劳动已大大减少，人的作用正从直接参与加工操作逐渐演化为对机器、设备等的监督、控制、维护等。制造系统中人的工作性质的变化，要求人们更加重视信息的接收、处理和决策过程。因此，随着工作环境及人们工作性质的变化，工作研究的重点应该从体力工作研究逐步转移到工作设计的认知方面，充分考虑认知性任务的需要和工人的认知特性。人类的认知过程可以看作是一个信息加工的过程，其主要包括信息的输入、筛选、译码、存储、提取和应用过程。所谓认知工作设计是指：研究人的认知过程，在工作设计时充分考虑人的认知特性和认知规律，以提高工作的效率和有效性。下面主要从一般信息的组织设计以及人——计算机交互中软、硬件的设计等方面，粗略地介绍有关认知工作的设计。1）信息的组织设计

随着机器及设备自动化、智能化水平的提高，工人的工作主要转向对其进行监控。因此，人们在工作的过程中必然要接收大量不同的信息(如速度、温度、压力等)，并要求能对其进行快速、有效的判断、反馈。为了保证操作的有效性，就要求设计者能够充分考虑操作者或使用者的认知特性，选择容易被认知的信息组织方式。在进行信息设计时，一般可以从以下几个方面考虑：

（1）信息的种类，包括静态和动态两种方式。

（2）信息的显示模式，主要有视、听、触、味、嗅五种。根据人们的认知习惯，使用最频繁的是视和听两种方式。在嘈杂的环境下，要表达的信息长而复杂时，一般采用听的方式；而当要表达的信息短而简单，或表示警告时，一般采用看的方式。

（3）信息的维度选择。例如，当使用声音作为信息显示模式时，其维度可以包括音量、音调、变音等；当使用光作为信息显示模式时，其维度可以包括亮度、颜色以及脉动的频率等。（4）信息的表示形式符合人们的认知习惯，如红色一般表示危险或停止。

（5）信息的一致性原则，即基于人们的认知习惯，同一性质的信息其表示方法应该一致。例如：黄色表示警告，在系统中一般就采用黄色统一表示警告的意思。2）人——计算机交互设计

随着科学技术的发展，尤其是信息技术的发展，计算机已经成为人们进行信息处理时最主要、最普遍的工具。因此，基于认知特性的人与计算机交互的设计也变得尤其重要。人——计算机交互设计主要包括交互中硬件及软件的设计。

人机交互硬件设计主要有键盘、鼠标、显示屏等的设计。键盘设计中，根据人们的使用习惯，对键进行了合理的分布；在键的大小以及键之间的距离方面，考虑了与人手指大小的匹配，以便提高速度和减少错误；考虑到人们工作的合理性和舒适性，键盘与水平面也成一定的角度。另外，根据人们工作性质的不同，也可以设计功能不同的键盘。鼠标的出现为人们的工作提供了不少的方便，并且根据人们手的使用习惯设计特定的功能。显示屏是现代计算机最主要的输出设备，其大小一般根据人们注意力集中的视觉范围和舒适程度决定；根据个人的需要，可以自我调整与显示屏的距离。

根据需要，除了键盘、鼠标外，人们还发明了触屏、操纵杆等比较快速的设备。然而，随着技术的发展，本着以人为中心的原则，人们试图研究“能听、能说、能理解人类语言的计算机”，使计算机能够用自然语言与人类进行交互。

在计算机的软件设计方面，软件开发者在设计时就充分考虑用户的特性，软件界面以人类认知为设计准则，并力求简单化，努力提高软件的可用性和有效性。

以上只是从微观的角度探讨了认知工作的设计。随着环境的变化，人在系统中的作用变得越来越重要，在整个系统的设计和规划中充分考虑人的认知特性，对于人在系统中的作用发挥具有重要的意义。因此，现代认知工作的设计还应该提高到工作设计的宏观层次上来，充分发挥人的作用，提高系统的效率。

篇3：骨组织工程的发展趋势

在世界范围内, 由于创伤, 肿瘤和感染等原因造成的骨缺损每年都在折磨着众多的患者。自19世纪以来, 人们一直采用骨移植术, 通过植入自体骨, 异体骨和人工骨替代材料来修复大范围骨缺损。然而这些材料都各自存在着不可忽视的缺陷。这些骨移植材料, 分别有来源有限, 排异反应, 与宿主骨的力学性能不匹配, 以及使用寿命等方面的问题, 导致它难以达到令人满意的骨修复效果。骨组织工程在这种背景下应运而生, 给骨修复带来新的期盼。

1985年生物力学专家Y.C.Fung向美国科学基金会 (NSF) 申请建立一个工程研究中心, 名称为“活组织工程中心” (Center for Engineering of Living Tissues) [1], 然而当局并没有批准他的申请。1993年, Langer和Vacanti在Science上首次发表了题为“Tissue Engineering”[2]的论文, 并提出了组织工程的基本含义:应用工程学和生命科学的基本原理和技术, 在体外构建具有生物功能的人工替代物, 用于修复组织缺损, 替代失去功能或衰竭的组织、器官的部分或全部功能。而骨组织工程就是利用细胞生物学和工程学原理, 研究开发修复和改善损伤骨组织形态和功能的生物替代物的一门科学, 其发展速度在组织工程领域中是最快的。

骨组织工程基于种子细胞+生长因子+支架材料的概念, 其中支架材料一方面作为种子细胞和生长因子的载体将其运送至缺损部位, 另一方面还给新骨生长提供支撑的作用, 是骨组织工程的关键, 同时也是全世界研究力量投入最多的地方。由于组织工程细胞相关标准需长期的论证和安全性验证, 近年用自体细胞的组织工程策略备受关注[5]。

1 支架材料需满足的条件

Scott在最近的综述[3]中提出了支架设计的4F准则:形状诉求 (Form) 、性能诉求 (Function) 、功能诉求 (Formation) 和可植入性 (Fixation) 。形状诉求是指支架材料必须能够完全填充复杂的三维缺陷, 并且可以诱导再生组织填充整个缺陷;性能诉求是指支架材料必需拥有相应的性能 (主要是力学性能) , 可以在缺失组织得到修复之前暂时起到缺失组织的作用来满足日常活动的需求;功能诉求是指支架材料能够通过释放生长因子和提供合适的环境来促进组织再生;可植入性指的是支架材料可以在外科手术中植入人体, 并起到预期的功效。其中形状诉求是一个三维的几何学问题, 可以通过CT (Computed tomography) 和MRI (Magnetic resonance) 等方法来实现;而可植入性同时是一个几何学和力学要求, 支架材料必须可以固定在骨缺陷中, 并且提供和适的表面以满足缝合以及固定的需要。这两个要求相对简单, 而性能诉求和功能诉求就要复杂得多。

对于骨组织工程中的支架材料来说, 性能诉求主要指的是力学性能要求, 即支架的力学性能必须与环境组织的力学性能相匹配:太软的支架不足以支撑人体的日常活动需求, 而太硬的材料也会带来负面的影响, 如骨组织的吸收等。虽然与周围环境中组织的力学性能相匹配可以作为衡量支架材料力学性能是否合格的标准, 然而组织的力学性能是相当复杂的。由于天然骨组织的特性, 其力学性能并不能简单的定义为强度或模量, 因为首先对于不同的骨组织来说模型是截然不同的, 包括线性弹性、非线性弹性、粘弹性等;其次即使对于某种特定的骨组织来说通常也需要同时采用许多不同的模型来进行模拟。因此, 为了满足力学性能匹配的要求, 支架材料必须满足一系列相当复杂的力学要求, 同时也必须满足骨的各向异性[4]。除此以外, 考虑到支架材料的力学性能会随着降解而缓慢的丧失, 一个在植入时满足要求的支架很有可能会在植入一段时间后丧失其应有的支撑能力, 从而导致手术的失败。

另一方面支架材料的功能诉求要求其必须能够促进组织的再生, 而组织再生的情况会受到三方面因素的影响: (1) 材料表面的性状与细胞的相互作用; (2) 支架材料对生长因子释放的调控; (3) 支架的物质传导作用。20世纪90年代Robert Langer等人就已经研究了调节材料与细胞的相互作用对促进组织再生的效果[6], 特别是最近20年来该领域取得了诸多进展。在这段期间, 人们通过研究发现磷酸钙表面是具有骨传导功能的, 有利于骨沉积[7], 此外, Kokubo, Murphy等人也在金属钛和聚合物表面通过生物矿化地方法制备出了骨传导涂层[8~12]。支架的物质传导作用主要是指自体组织在支架内的渗透和扩散作用, 以及氧气在支架中的渗透和扩散作用。在自体组织的渗透方面, 目前已经有Hollister等人的计算, 他们的计算主要针对的是骨组织在支架中的扩散和渗透常数[13~15]。相比较而言, 关于支架中氧的传导研究就更加丰富一些, Domm[16]和Malda[17]等人的研究证明环境中较低的氧分压有利于软骨细胞的生存和软骨组织的再生, 反之, Utting[18]等人证明较高的氧分压有利于成骨细胞的繁殖。此外, 骨髓基质干细胞也受到环境中氧分压的影响, Robins[19]等人发现低的氧分压有利于骨髓基质干细胞分化为软骨细胞, 同时D’Ippolito[20]发现低的氧分压对成骨细胞有抑制作用。

尽管人们对合格的骨组织工程支架材料提出了一系列要求, 却无法说清楚一个具体的支架需要满足什么样具体的性能指标, 这是一个需要将来研究以填补的空白。而要弄清楚这些具体的问题一方面需要弄清楚复杂的天然骨组织的分子水平结构和性能, 另一方面需要研究现有支架材料在大型动物模型中的作用。脱细胞技术处理好了, 细胞外基质 (ECM) 支架也是国内外努力的一个重要方向[4]。

人工支架材料从其制造工艺上看可以分为两种:预设计支架 (Designed Controlled Scaffold) 和非预设计支架 (Non-Designed Controlled Scaffold) [3], 在本文中将详细介绍这两种支架材料。

2 预设计支架材料

预设计支架顾名思义就是支架的结构和性能在设计阶段决定。而一个满足4F准则的支架通常是有着多变的外形和复杂的微观结构的材料, 所以这一阶段通常往往需要经过复杂的计算才能完成。

支架的外形设计相对比较容易, 可以由CAD[21~24] (Computer-Aided Design) 或者IBD[25~27] (Image-Based Design) 来进行, 但是微观结构的设计就十分复杂。因为支架微观结构的改变必然会同时带来力学性能, 渗透性/扩散性的变化, 而且一者的增强必然会带来另外一者的减弱[28], 于是要达到要求的性能就必须仔细寻找微观结构设计的平衡点。于是如何在这两者之间找到平衡就成了该领域研究的焦点课题。有众多的研究人员通过均一化理论对其进行了计算和模拟[29~33]。Scott[34~37]等人通过求解局域方程得到局域的特征变量, 将特征变量与微观结构整合进而得出支架材料的有效性能指标。

与此同时, 另外一部分学者采用了非均一化方法对固定微观结构下材料的有效性能指标进行了计算。Anderson和Knoth-Tate[38]采用计算流体力学在软件Fluent的帮助下求解了支架微观孔道内的流体速率。Adachi等人[39]把支架材料的降解和骨组织的再生放在同一个模型中进行考量, 得出了预测支架力学性能随时间变化的模型。

通过上述的支架结构设计的方法, Lin等人[37]设计并制造出多孔的钛腰椎融合器, 该融合器可以承受正常人体脊柱所承担的应力, 并且其性能的各向异性与人体实际情况相吻合 (图1) 。

对于预设计支架来说, 为了保证设计的结构和功能在实际产品中得到完全的体现, 只能采取一种制造工艺——喷涂成型, 又叫做非固态成型 (SFF, SolidFree-Form Fabrication) 。所谓喷涂成型是指通过喷涂法一层一层将事先已经设计好的整个三维外形以及内部结构堆积出来, 然后通过其他的手段将刚刚成型的支架形状和结构固定, 这一过程涉及到喷涂沉积技术、激光聚合技术、激光烧结技术和结构印刷技术等等技术领域。

由于喷涂技术对材料的制约, 现在SFF法所使用的材料主要是聚合物, 陶瓷, 还有聚合物/陶瓷的复合材料。目前已经有很多相关的工作了, 例如Langer小组通过甘油和癸二酸缩聚制备出聚甘油癸二酸 (PGS, poly (glycerol-sebacate) ) [40,41], 拉伸强度超过0.5MPa, 切变模量为0.282MPa, 可以承受200%的弹性形变。该支架具有不错的生物相容性, 植入体内仅仅会引起微弱的炎症反应, 通过表面腐蚀可以再35天的时间内完全降解。无论是力学性能还是降解性能都可以通过调节材料的合成条件来控制。Hutmacher, Teoh[42,44]等人通过熔融沉积成型的方法合成出了PCL和PCL/磷酸三钙 (TCP) 陶瓷的复合材料。Zein等人制造出PCL的支架材料, 空隙率可以在48%和77%之间调节, 模量可以在4MPa到77MPa之间调节, 屈服强度强度在0.4MPa到3.6MPa之间。Liu[45]等人发明了一种低温喷涂的方法制备出了PLLA/TCP和PLGA/TCP复合材料的支架, 孔隙率为74~81%, 模量为17~23MPa, 屈服强度在0.75MPa到1.4MPa之间。SFF法制备出的支架的孔道直径往往有数百个微米, 如Lee等人[46]利用光固化制备的PPF支架具有直径为500~900μm的孔道, 孔隙率为30~63%, 模量为15~40MPa。另外一个小组中, Lee等人[47]制备出具有300μm直径孔道的PPF支架, 模量在200MPa到588MPa之间, 极限强度为27~129MPa。

3 非预设计支架材料

同预设计支架材料不同, 非预设计支架材料在制备以前并没有一个具体的性能和结构上的设计, 它制备的准则是仿生。人们都试图通过研究天然组织本身来模拟构建适宜的支架结构, Curry在上世纪70年代广泛研究了矿化的生物材料, 出版了权威著作“Bone”[48]。基于仿生矿化的原理, 清华大学崔福斋组通过自组装方法制备出的纳米晶羟基磷灰石/胶原 (n HAC) 在成分和结构上都与天然骨组织十分接近[49]。Nature Materials曾发表评论说:他给出实验证明了骨矿化胶原的分级结构理论, 开辟了用仿生自组装制造生物材料的新途径[50]。在前人工作的基础上, 人们认识到适合骨组织工程的支架材料必须具有良好的生物相容性, 适中的力学性能, 降解速率与自体骨组织再生速率相匹配, 还要有合适的空隙率和孔径。

现阶段常用的骨组织工程支架材料主要有:生物陶瓷, 天然高分子和合成高分子, 三种材料最典型的代表分别是:羟基磷灰石, 壳聚糖和聚乳酸。羟基磷灰石 (HA, Ca5 (PO4) 3 (OH) ) 是一种钙—磷基陶瓷, 在医学及牙科领域已经应用了20多年。由于它和骨骼中磷灰石的化学成分和晶体结构基本相同, 所以在植入人体后可以与人体骨骼结合, 并逐渐被自体骨替代, 具有良好的生物相容性和骨引导性。壳聚糖又称几丁聚糖是甲壳经过脱乙酰基而得到的一种天然阳离子多糖, 具有良好的生物相容性, 可降解性和成膜性, 广泛应用于医药、食品、化工和环保等行业。聚乳酸是一种具有优良的生物相容性和可生物降解的聚合物, 经FDA批准用作医用手术缝合线和注射用微胶囊、微球及埋植剂等制剂的材料。

为了制备出具有合适力学强度和孔隙度以及孔径、孔形状的支架材料, 人们发展出许多的方法, 这些方法都集中在“造孔”上。这些方法包括:溶剂浇铸-粒子沥滤法、气体发泡法、乳液冷冻干燥法、静电纺丝法、和相分离法等。

溶剂浇铸-粒子沥滤法 (SCPL, Solvent-casting and particulate leaching) 是一种简单且最常用的支架材料制备方法。该方法是将水溶性盐例如氯化钠, 柠檬酸钠粒子均匀分散在可生物降解聚合物的溶液中, 并将混合溶液浇铸到模具中, 在溶剂通过蒸发或冻干被除去后, 滤除盐粒子, 得到多孔的海绵型支架。气体发泡法 (GF, Gas foaming) 是将将固体聚合物放入高压气氛中, 使气体渗入聚合物块并达到饱和。然后通过热力学不稳定性使气体迅速地从聚合物基体中释放出来, 导致气泡在材料内部生成, 由此形成多孔支架。乳液冷冻干燥法 (EFD, Emulsion freeze drying) 是指将由聚合物溶液和水构成的乳液迅速冷冻, 然后冷冻干燥除去有机溶剂和水得到多孔支架材料, 清华大学崔福斋[51]等人利用EFD法制备出具有良好生物相容性和骨传导性的n HAC/PLA支架材料 (图2) 。静电纺丝法 (Electrospinning) 诞生于19世纪, 是将聚合物溶液或熔体注射到电场中, 使聚合物液滴表而带电, 在电场力的作用下被迅速拉伸, 同时溶剂挥发, 形成纤维。Hong J.H.[52]等人利用该方法制备了直径100nm, 比表面积1000m2/g的纤维。相分离法 (PS, Phase separation) 是先将聚合物溶解在温度较高的溶剂中, 然后降低溶液温度使液—液或固—固相分离, 通过升华除去富溶剂的一相, 得到多孔聚合物支架。

非预设计支架材料往往具有非常精细的内部结构, 具有数个微米或是纳米尺度的微观结构, 与预设计支架材料的数百微米的孔道结构相比更加有利于细胞的生长和组织的再生。然而, 非预设计支架材料的制备过程往往是不能做到完全可控的, 因此支架材料的可重复性比较差, 难以做到批量生产。

4 骨组织工程临床应用策略

对于骨组织工程而言, 无论支架材料如何选择, 离进入实际的应用都有着相当长的距离。原因在于, 对于种子细胞的来源, 储存和运输, 还有体外培养等等相关的具体操作事宜上还没有明确的标准, 欧盟和FDA正在制定相关的标准, 其中欧盟预计需要5年的时间。这也就是说, 最少在将来的5年中骨组织工程无法真正的得到临床应用。然而, 现阶段的临床应用中仍旧可以使用骨组织工程的概念, 并且遵循现有FDA的标准, 这些理念更容易得到FDA的批准。 (1) 支架材料+生长因子/药物

BMP2是常用的骨生长因子, Chen等人成功的将BMP2复合在胶原纤维的支架材料中, 通过动物实验证明, 4到12周以后获得了相当出色的修复效果[53]。Karageorgiou等人通过将BMP2和丝素支架的复合显著的增加了成骨能力[54]。此外, Lee等人将BMP2与纤维蛋白复合并控制BMP2的局部稳定释放, 在获得良好成骨效果的同时成功的避免了组织排斥反应[55]。Kamakura等人合成了磷酸八钙支架材料并复合了BMP2在大鼠颅骨模型上获得了成功。除了BMP2之外, 常用的骨生长因子还有BMP4。Han等人往大鼠颅骨破损处植入复合了BMP4的支架材料并在8周以后观察到了大量的新骨生成[56]。

(2) 支架材料+自体骨髓细胞/自体血浆

利用自体骨髓细胞和自体血浆代替种子细胞, 既可以回避掉种子细胞带来的种种困扰也可以有效地达到组织修复的效果。Bina[57]等人将聚已内酯—磷酸三钙支架材料同富血小板血浆复合, 用于骨缺损修复获得了很好的效果。杨新明[58]等人利用浓集自体骨髓基质干细胞和支架材料复合开展了治疗早期股骨头坏死的实验。目前也已经有多例利用字体骨髓基质干细胞复合支架材料治疗颅骨缺损的案例。

5 展望

从现阶段的发展看来, 无论是预设计支架还是非预设计支架都各自取得了很大的进展, 并且自成一套体系, 然而也都各自存在着许多的问题。

对于预设计支架来说, 需要更加精密的结构设计来更加精确地满足性能设计提出的要求, 单纯的周期性结构并不能真正的反应天然组织的形态。并且现有的预设计支架的孔道结构太过粗糙, 不利于细胞增殖和组织再生, 需要改进SFF法的精度, 需要更加精密的仪器。与此同时目前SFF所用的材料太过单一的现状也亟需改善, 开发出更多的生物相容性更好的可以利用SFF法成型的材料用于骨组织工程势所必行。

对于非预设计支架来说, 虽然支架材料拥有很精细的微观结构, 甚至是“微观—介观—宏观”的多级结构, 有利于组织的再生, 然而这种支架的可重复性不高。此外, 这种支架在力学性能上往往很难完全满足日常活动的需要。将预设计支架和非预设计支架的概念结合在一起, 以期获得二者的长处避免二者的缺点, 获得理想的支架材料。

从生物学角度来说, 对细胞与材料相互作用的理解越深刻, 在支架材料的设计上才会有更加明确的标准。因此, 这方面的研究也应当是一个骨组织工程的关键课题。而且近几年来干细胞越来越多的应用到组织工程领域中, 对于干细胞作用和局限性的理解也会帮助支架的设计, 并最终有助于组织的再生和修复。

纳米科技的发展也对骨组织工程造成了很大的影响, 研究材料在纳米尺寸内的精细结构对细胞在繁殖分化等等方面上的影响也是一个热门课题。在仿生学, 支架设计乃至最终的临床应用上都有很大的意义。

摘要：自从提出组织工程的概念以来, 组织工程尤其是骨组织工程获得了飞速发展, 目前被认为是最快能获实际应用的领域。十余年来随着对骨组织工程三要素 (细胞, 支架材料, 生长因子) 认知的加深, 其中大量工作围绕支架材料开展。总的来说, 支架材料如果按制备方法来分类可以分为两大种类:预设计支架和非预设计支架, 本综述分别对其进行了详细介绍。鉴于传统骨组织工程策略中因细胞产品标准在实际中面临的难题, 其实际应用等待很长时期.本文同时也列举了近年来提出并得到应用的基于组织工程概念的实用发展策略。

篇4：土木工程的发展趋势

土木工程；发展趋势

[中图分类号]TU-1[文献标识码]A[文章编号]1009-9646（2011）08-0038-02

一、建筑空间的扩展

用地紧张、生存空间拥挤、交通堵塞、基础设施落后、生态失衡和环境恶化等“城市病”给人类居住带来了很大的影响，也制约了经济和社会的进一步发展，成为现代城市可持续发展的障碍。因此，人类为了争取生存，土木工程的未来至少有以下五个发展方向：

1.向高空延伸

作为城市发展的产物之一，高层建筑物不仅在数量上越来越多，而且在高度上也越来越高，与地面高空发展相对应。日本拟在东京建造800.7m高的千年塔，它在距海约1.25英里的大海中，将工作、休闲、娱乐、商业、购物等融于一体的抗震竖向城市中，居民可达5万人。中国拟在上海附近的1.6公里宽，200m深的人工岛上建造一栋高1250m的仿生大厦，居民可达10万。印度也提出将投资50亿建造超级摩天大楼，其地上共202层，高达710m。

2.向地下发展

地下空间的开发也有着巨大的吸引力，原因在于目前城市地下空间开发不需要支付或支付很少土地费用。城市地下空间是一个十分巨大而丰富的空间资源，如果得到合理开发，其节省土地资源的效果是十分明显的，另外工程实践也表明地下空间开发在一些大城市条件已基本成熟，而且是现代城市开发的必然趋势。1991年在东京召开的城市地下空间国际学术会议通过了《东方宣言》，提出了“21世纪是人类开发利用地下空间的世纪”，建造地下建筑将有效改善城市拥挤、节能和减少噪声污染等优点。

3.向海洋拓宽

为节约使用陆地，围垦、拓岸工程和建造人工岛都可以充分利用海洋资源，为将来大的近海城市建造人工岛积累了科技经验和准备力量。阿拉伯联合酋长国首都迪拜的七星大酒店也建在海上，洪都拉斯将建海上城市型游船，该船将长804.5m，宽228.6m，有28层楼高，船上设有小型喷气式飞机的跑道、医院、旅馆、超市、饭店、理发店和娱乐场等。

4.向沙漠进军

全世界约有1/3陆地为沙漠，每年约有600万公顷的耕地被侵蚀，这将影响上亿人口的生活。世界未来学会对下世纪初世界十大工程设想之一是将西亚和非洲的沙漠改造成绿洲。在缺乏地下水的沙漠地区，国际上正在研究开发使用沙漠地区太阳能淡化海水的可行方案，该方案一旦实施，将会启动近海沙漠地区大规模的建设工程。

5.向太空迈进

早在1984年，美籍华裔林铜柱博士就提出了一大胆设想，即在月球上利用它上面的岩石生产水泥并预制混凝土构件来组装太空试验站，这也表明土木工程的活动场所在不久的将来可能超出地球的范围。由于近代天文学宇航事业的飞速发展和人类登月的成功实现，人们发现月球上拥有大量的钛铁矿，在800℃高温下，钛铁矿与氢化物便合成铁、钛、氧和水气，由此可以制造出人类生存必需的氧和水。预计21世纪50年代以后，空间工业化、空间商业化、空间旅游、外层空间人类化等可能会得到较大的发展。

二、超大型工程的修建

随着新材料、新结构、新工艺、新施工方法的出现，人类将有可能从事更大规模的土木工程建设，从事土木工程的人们将为改造世界做出新的贡献，取得新的突破。西班牙与摩洛哥之间的直布罗陀海峡割断了欧洲和非洲大陆的交通，至今人们已经提出了多种联络线方案。如全长30km，最大主跨为2000m的吊桥方案;全线长14km，最大主跨为5000m的吊桥方案;也有的提出采用最大主跨为5000m的海中浮游式桥梁方案等。对马海峡的地下隧道工程、白令海峡的填筑等也是世界上酝酿中的超大型工程。

三、高性能材料的发展

钢材将朝着高强、具有良好的塑性、韧性和可焊性方向发展。高性能混凝土及其他复合材料也将向着轻质、高强、良好的韧性和工作性方面发展。高轻质材料的出现，比如比钢质量更轻但是性能却更好的铝合金的使用以及镁合金和玻璃纤维增强塑料的使用等，为现代土木工程建设的新趋势提供了材料基础。具体体现，就是超高建筑和超大型工程的修建。

四、计算机应用

随着计算机的应用普及和结构计算理论日益完善，计算结果将更能反映世纪情况，从而更能充分发挥材料的性能并保证结构的安全。人们将会设计出更为优化的方案进行土木工程建设，以缩短工期、提高经济效益。由计算机技术和力学的结合产生的新的计算理论和计算手段和新材料的结合。计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为结构形式的革新提供了有利条件。

五、新管理技术和运营方式的采用

建筑业的工业化是建筑业发展的必然趋势。要正确理解建筑产品标准化和多样化的关系，尽量实现标准化生产。要建立适应社会化大生产方式的科学管理体制，采用专业化、联合化、区域化的施工组织形式。同时还要不断推进新材料、新工艺的使用。

六、结构形式

计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为结构形式的革新提供了有利条件。空间结构将得到更广泛的应用;不同受力形式的结构融为一体，结构形式将更趋于合理和安全。

七、新能源和能源多极化

能源问题是当前世界各国极为关注的问题，寻找新的替代能源和能源多极化的要求是21世纪人类必须解决的重大课题，这也对土木工程提出了新的要求，应当予以足够的重视。

[1]葛晓红.新华.知识经济时代下土木工程之进展[J].三明职业大学学报.1999年,第4期.

[2]吕志涛.新世纪的土木工程与可持续发展[J].江苏建筑.2003年增刊(总第92期).

乔雨蒙（1989.8—）男，汉族，河南驻马店人，中南大学土木工程学院土木工程专业本科在读，研究方向：桥梁工程。

汤欢（1989.10—）男，汉族，四川德阳人，中南大学土木工程学院土木工程专业本科在读，研究方向：结构工程。

篇5：土木工程学科的发展趋势

序号：220 学号：10201210240 姓名：邵亚男

班级：土木工程专升本10② 【摘要】

土木工程是人类历史上年代最久远的“技术科学”，是伴随着人类社会的发展而发展起来的，特别是到了21世纪，各个领域为土木工程的前进创造了良好的条件。现代土木工程不断地为人类社会创造崭新的物质环境，成为人类社会现代文明的重要组成部分。通过一个学期土木工程概论课的学习，我深深地感受到土木工程涵盖的广泛，体味了前人取得的成就，也领悟了作为一名未来土木类从业者的重大责任。我们不能沉浸于现已取得的辉煌成就，止步不前，还应当与时俱进，去挖掘，去发现，去思考，去想象，去创新。结合土木工程的历史，结合我国的国情和世界形势，谈一谈土木工程的发展趋势。

作为一种系统的产业活动，土木工程的实质是生产的过程，是一种技术过程土木工程也是建造各类工程设施的科学技术的统称，它既指工程建设的对象，即建在地上、地下、水中的各种工程设施，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测设计、施工、保养、维修等技术。

作为一个重要的基础学科，土木工程有其重要的属性：综合性，社会性，实践性，技术经济与艺术统一性。随着人类社会的进步而发展，土木工程至今已经演变成为大型综合性的学科，并已经出许多分支，如：建筑工程，铁路工程，道路工程，桥梁工程，特种工程结构，给水排水工程，港口工程，水利工程，环境工程等学科。土木工程共有六个专业：建筑学，城市规划，土木工程，建筑环境与设备工程，给水排水工程和道路桥梁工程。

土木工程有将向什么样的方向发展，并呈现出怎样的发展趋势，本文将对此论述。

一、土木工程发展现状

现今的土木工程，正日益同它的使用功能或生产工艺紧密结合。

公共和住宅建筑物要求的建筑、结构、给水排水、采暖、通风、供燃气、供电等现代技术设备日益结合成为整体。

工业建筑物则要求恒温、恒湿、防微振、防腐蚀、防辐射、防火、防爆、防磁、防尘、防高（低）温、耐高（低）湿，并向大跨度、超重型、灵活空间方向发展。另外，高层建筑大量兴起，地下工程高速发展，城市高架公路、立交桥大量出现，并逐步实现交通运输高速化、水利工程大型化。

中国的土木工程建设从20世纪50年代起一直没有停过,且发展很快,尤其在近年来,发展极为迅猛,几乎整个中国成了一个大的建设工地。新的高楼大厦、展览中心、铁路、公路、桥梁、港口航道及大型水利工程在祖国各地如雨后春笋般地涌现,新结构、新材料、新技术大力研究、开发和应用。发展之快,数量之巨,令世界各国惊叹不已。

高层建筑不仅越建越多,越建越高,而且其结构体系及布置形式也日趋多样化。框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、框架—筒体结构等体系、巨型结构、转换层结构、悬挑结构及高层大跨框架结构等体系是目前常见的结构体系。大跨建筑、大空间建筑日益增多,多为混凝土结构和空间钢结构。

随着我国经济建设的迅速发展,公路、铁路运输事业突飞猛进,高等级公路里程快速增长。桥梁工程也取得了惊人的成就,伴随着桥梁类型的不断翻新,主跨跨度一再突破;而斜拉桥的复兴更是桥梁工程的另一个辉煌。杨浦大桥、南浦大桥、芜湖长江大桥、南京长江二桥等大跨桥梁的建成都标志着我国的大跨结构达到了一个新的水平,跨入世界先进行列。

但是，自改革开放以来，我国城市发展进入了一个崭新的阶段，城市的数量、规模和人口数量都有了飞速的发展。这就要求更多的建筑来满足城市发展的需求。

二.土木工程发展趋势

1建筑空间的扩展

地球上可以居住、生活和耕种的土地和资源是有限的，而人口增长的速度是不断加快的，城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同程度上出现了用地紧张、生存空间拥挤、交通堵塞、基础设施落后、生态失衡和环境恶化等问题，被称之为“城市病”，给人类居住带来了很大的影响，也制约了经济和社会的进一步发展，成为现代城市可持续发展的障碍。因此，人类为了争取生存，土木工程的未来至少有以下五个发展方向：

⑴向高空延伸

作为城市发展的产物之一，高层建筑物不仅在数量上越来越多，而且在高度上也越来越高，与地面高空发展相对应。现在人工建筑物最高的为646m的波兰Gabin227kHz长波台钢塔，由15根钢纤绳锚拉。日本拟在东京建造800.7m高的千年塔，它在距海约1.25英里的大海中，将工作、休闲、娱乐、商业、购物等融于一体的抗震竖向城市中，居民可达5万人。中国拟在上海附近的1.6公里宽，200m深的人工岛上建造一栋高1250m的仿生大厦，居民可达10万。印度也提出将投资50亿建造超级摩天大楼，其地上共202层，高达710m。

⑵向地下发展

⑶向海洋拓宽

⑷向沙漠进军

⑸向太空迈进

早在1984年,美籍华裔林铜柱博士就提出了一大胆设想，即在月球上利用它上面的岩石生产水泥并预制混凝土构件来组装太空试验站，这也表明土木工程的活动场所在不久的将来可能超出地球的范围。由于近代天文学宇航事业的飞速发展和人类登月的成功实现，人们发现月球上拥有大量的钛铁矿，在800℃高温下，钛铁矿与氢化物便合成铁、钛、氧和水气，由此可以制造出人类生存必需的氧和水。预计21世纪50年代以后，空间工业化、空间商业化、空间旅游、外层空间人类化等可能会得到较大的发展。

2超大型工程的修建

随着新材料、新结构、新工艺、新施工方法的出现,人类将有可能从事更大规模的土木工程建设,从事土木工程的人们将为改造世界做出新的贡献,取得新的突破。西班牙与摩洛哥之间的直布罗陀海峡割断了欧洲和非洲大陆的交通,至今人们已经提出了多种联络线方案。如全长30km,最大主跨为2000m的吊桥方案;全线长14km,最大主跨为5000m的吊桥方案;也有的提出采用最大主跨为5000m的海中浮游式桥梁方案等。对马海峡的地下隧道工程、白令海峡的填筑等也是世界上酝酿中的超大型工程。2008年的北京奥运会,不仅修建大量的体育场馆,也为北京及周边地区的城市建设带来了机遇。

3高性能材料的发展

钢材将朝着高强、具有良好的塑性、韧性和可焊性方向发展。日本、美国、俄罗斯等国家已经把屈服点为700N/mm2以上的钢材列入了规范;如何合理利用高强度钢也是一个重要的研究课题。高性能混凝土及其他复合材料也将向着轻质、高强、良好的韧性和工作性方面发展。高轻质材料的出现，比如比钢质量更轻但是性能却更好的铝合金的使用以及镁合金和玻璃纤维增强塑料的使用等，为现代土木工程建设的新趋势提供了材料基础。具体体现，就是超高建筑和超大型工程的修建。如对马海峡的地下隧道工程、白令海峡的填筑等也是世界上酝酿中的超大型工程。

4计算机应用

随着计算机的应用普及和结构计算理论日益完善,计算结果将更能反映世纪情况,从而更能充分发挥材料的性能并保证结构的安全。人们将会设计出更为优化的方案进行土木工程建设,以缩短工期、提高经济效益。由计算机技术和力学的结合产生的新的计算理论和计算手段和新材料的结合。计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为结构形式的革新提供了有利条件。

5环境工程

目前又因资源开发、民用建筑、市政工程建设、风沙侵蚀等人为或自然界的影响，大量耕地被破坏，人均占有土地逐年减少。因此，环境问题特别是气候变异的影响将越来越受到重视，土木工程与环境工程融为一体。城市综合症、海水上升、水污染、沙漠化等问题与人类的生存发展密切相关,又无一不与土木工程有关。较大工程建成后对环境的影响乃至建设过程中的振动、噪声等都将成为土木工程师必须考虑的问题。所以，集约化发展和和谐发展将是土木工程建设发展的一个重要的趋势。

6新管理技术和运营方式的采用

建筑业的工业化是建筑业发展的必然趋势。要正确理解建筑产品标准化和多样化的关系,尽量实现标准化生产。要建立适应社会化大生产方式的科学管理体制,采用专业化、联合化、区域化的施工组织形式。同时还要不断推进新材料、新工艺的使用。

7结构形式

计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现,为结构形式的革新提供了有利条件。空间结构将得到更广泛的应用;不同受力形式的结构融为一体,结构形式将更趋于合理和安全。

8新能源和能源多极化

能源问题是当前世界各国极为关注的问题,寻找新的替代能源和能源多极化的要求是21世纪人类必须解决的重大课题,这也对土木工程提出了新的要求,应当予以足够的重视。

以上是我对土木工程建设的发展现状和发展趋势的分析，可以看出土木工程建设在未来的实践中，将会取得更好的发展。

参考文献

[1]葛晓红,油新华.知识经济时代下土木工程之进展.三明职业大学学报.1999年,第4期

[2]吕志涛.新世纪的土木工程与可持续发展.江苏建筑.2003年增刊(总第92期)

[3]方从严,梁有峰,吴庆.土木工程的现状与未来发展趋势综述.安徽建筑工业学院学报(自然科学版).第13卷第2期,2005年4月

[4]段树金主编.土木工程概论.北京:中国铁道出版社,2005