工业工程专业实验室的规划与建设成果

工业工程是关于复杂系统有效运作的科学，它将工程技术与管理科学相结合，从系统的角度对制造业、服务业等企业或组织中的实际工程与管理问题进行定量的分析、优化与设计。它是一门以系统效率和效益为目标的、独立的工程学科。工业工程是高度交叉的学科，该领域的覆盖面和行业适用面较广，除原有的制造业领域外，已经扩大到服务行业、公用事业甚至政府部门。工业工程专业在我国十多年来发展迅速，目前全国已经有100多所大学设立了工业工程系或者工业工程专业，清华大学在2001年10月正式成立工业工程系。

工程教学和实践环节是工业工程人才培养极其重要的必修环节。通过实验室建设为加强教学实验和项目训练提供基本条件，通过大量的实践训练，使工业工程专业的学生能够加深对基础理论和工程基础知识的理解提高综合运用多种工业工程手段（工程的或管理的）解决实际问题的能力，以适应培养高层次应用型、复合型人才的要求。

1.工业工程专业实验室的规划

为了建设高水平的工业工程专业教学实验室，我们进行了精心的规划和反复论证。我们对国内外多所名校的工业工程系实验室进行了调查和网上查询，此外还重点请教了多位国际知名的工业工程专家。目前，各学校工业工程系由于各自的研究侧重点不同，实验室建设侧重情况都有所不同。考虑到我系学生的培养需求以及今后的学科发展方向，以及我们现有的情况，发挥工科背景的后发优势，取其它学校之长，制定了比较符合时代发展要求和我校特点的建设方案。

我们决定重点建设3个专业实验室：先进制造及数字化企业实验室，人因工程实验室，物流工程实验室。此外，我们不可能将工业工程面临的各种系统都在实验室建立物理模型，因此利用信息技术和现代展示技术弥补这一不足是一个重要解决方法。因此，我们建设一个全面支持系统仿真与展示的综合体验演示中心。利用信息技术将仿真结果更加逼真地展示出来，便于学生理解复杂企业大系统的运行情况，同时可支持各类系统的远程体验和演示，演示中心与三个分实验室用内部高速网络连接起来。

这些专业实验室总面积约600m2，特点在于：一是着重于企业生产服务活动的整体；二是立足于教学，每个实验室都考虑教学实验和案例的建设；三是可为全校学生进行工业工程方面知识的教学和实践培训；四是可为工业工程系学科的发展提供基本平台，服务于长远科研基本需求。

2.工业工程专业实验室的建设情况

2.1 先进制造及数字化企业实验室

“先进制造及数字化企业实验室”在国家211和清华大学985有关经费资助下已经具备相当规模。设有先进制造实验分室和数字化企业实验分室，面积约30cm2。目的在于全面培养学生对工厂、企业车间层的有关工程知识和实践技能。为工业工程系学生开设制造、生产系统方面的专业课以及为全校学生开设制造系统方面选修课，并支持有关课题研究。

实验室目前拥有一套教学用微型CIMS系统（包括车中心、铣中心、立体仓库、自动导引小车、三坐标测量机、机器人、物料传输线）7台教学型数控机床以及40台微机。拥有CAD/CAM软件和数字化企业建模与仿真软件，如Pro/E、I-DEAS、AutoCAD、FACTO-RY、Flexsim等。全部计算机、设备联网，并与校园网相连，实现资源共享，形成协同学习的环境。

利用实验室条件，学生可以进行CAD/CAM技术、CNC技术、NC编程、物流系统控制、FMS技术、CIMS技术、仿真技术、虚拟产品开发技术等内容的学习，可以进行实际操作的训练，实现理论与实践的统一，教与学一体化。

2.2 人因工程实验室

人因工程是工业工程主要的专业方向之一。建设人因工程实验室的目的在于综合运用人因工程方面的设备和技术，教学上支持人因工程、虚拟现实应用。协同设计与制造等方面的工业工程和制造工程课程实验，提供学生创新能力培养的基本环境和设备技术实施手段，同时支持在虚拟设计制造、产品快速开发、劳动作业安全、人机系统设计与仿真等方面的研究。

人因工程实验室面积约156m2，分为4部分：人因工程基础教学实验室、人体测量与生物力学实验室、可用性评测与人机交互实验室和虚拟现实与人机界面技术实验室。

1）人因工程基础实验室建设

此实验室主要应用是人体和环境基本测量与分析，工作地设计等。

主要满足人因工程基础实验教学要求。主要实验内容包括人体基本测量（形体尺寸、生理参数、认知特性等）、环境基本测量（温度、湿度、光照、噪声、辐射、空气等）以及工作地基本测量（几何、物理测量等）等。目的是让学生掌握基本的人因学测量手段和测量概念，强化人因工程的概念，并且能在今后的实际工作中自觉地考虑“人-机-环境”的互动关系，提高工程设计的人性化水平。结合这些实验，本实验室建设内容主要包括人体生理计测仪器、环境计测仪器等仪器的购置以及设计基础实验。

2）人体测量与生物力学实验室建设

此实验室主要应用是三维人体测量、建模、应用与分析等。

主要针对现代三维无接触人体测量技术及应用，满足人因工程高等专题实验教学项目要求。建设内容主要包括三维无接触人体测量设备的购置、配套硬件建设和数据处理及应用软件的研究与开发等。目的是让学生掌握先进的人体测量手段，了解三维人体数据的应用，结合专题设计实验或项目充分领会人因工程在工程设计中的重要性。

3）可用性评测与人机交互实验室建设

此实验室主要应用是用户研究、心理测试、计算机人机交互评测等。

主要针对以下3个方面的内容，产品的可用性（易用性）、用户需求分析及用户研究以及计算机人机交互测评等实验内容。重点针对现代信息产品的可用性测评；如何运用工程手段把握用户的特征和需求（显性需求和隐性需求）以保证产品开发的成功率；针对软件的界面设计以及移动商务、移动设备进行实验研究。通过这3个方面的实验，希望能培养学生运用技术手段把握客户需求，特别是针对当前流行的电子商务、软件和移动设备进行人性化设计的综合能力。建设内容包括：用户测试室和研究观察室的监控设备集成、人机交互设备、移动电子产品评测样本以及相应的记录和分析软硬件。

4）虚拟现实与人机界面技术实验室建设

此实验室主要应用是多通道复杂人机交互系统仿真与分析、虚拟体验教学实验、操作行为测评与分析、人体运动跟踪与仿真等。

主要针对以虚拟现实技术为基础的复杂“人-机-环境”交互系统进行模拟、仿真、测评和研究，立足于构建各种人机界面进行近似真实场景的测评，并运用多通道人机界面技术开展部分虚拟体验教学研究，通过“视觉、听觉、触觉”的集成体验来加深理论知识的学习并“感知”复杂的系统或理论。本实验将作为高等人因工程专题实验和一系列研究类专题实验的重要部分，培养学生运用新技术解决复杂问题的思路和基本能力，特别是自己动手进行研究类实验的设计、运行、总结、提高的能力。同时本实验室还作为工业工程系其他专业方向教学和研究用实验平台，开展体验类教学实验和成果展示。主要建设内容包括三通道虚拟现实立体投影系统、触觉人机交互装置研制、虚拟现实软件平台购置、驾驶行为仿真测试系统研究以及专题实验设计。

2.3 物流工程实验室

物流（广义包括企业内部物资流动和企业外部供应链管理）在现代企业生产和服务活动中占据日益重要的地位，并已经引起政府和工业界的高度重视。物流实验室建设的目的在于培养学生对复杂的物流系统进行设施规划、设计、过程优化以及流程管理的实际能力。满足相关的教学和科研的需求。利用计算机网络技术，虚拟现实技术、仿真技术、信息管理与决策技术等多种技术手段，使实验室充分体现和展示现代物流技术。物流实验室面积约9cm2，硬件设备主要是二个方面：混流装配生产线（企业内部物流）物流实验室商业物流。

1）混流装配生产线（企业内部物流）

该生产线是装配生产线，有8个工位，传送带可以连续移动或节拍移动。在生产实验过程中教师可以发布生产指令、监控生产状态、控制装配线的运转，让学生直观地看到企业实际加工的装配生产线，让学生了解和熟悉企业内物流。同时可以进行产品的功能结构分析与装配流程规划、装配线配置与布局、装配线平衡、装配作业动作分析时间研究、在线库存管理与生产现场物流、MRP与JIT生产模式对比、JIT方式下停线实验、装配质量控制、基于MES实时计划调度等实验。

2）物流实验室商业物流部分

物流实验室商业物流部分主要由40个货位的自动仓库、货柜、电子标签系统、电动传输带、条形码系统组成。学生根据老师提出的物流系统的需求，自行设计、分析、建立一个配送中心（仓储、分拣、搬运、进出库等）规划物流系统。提高其运用理论解决实际问题能力，同时，对于现代物流配送有基本认识，了解和熟悉库存管理。对于可以进行实验室实验、设计、实施的配送中心部分，在实验室进行，对于不便进行实验室分析、实施的送货线路部分，采用规划及仿真软件进行。

3.工业工程专业实验室的建设成果

目前，先进制造及数字化企业实验室中的先进制造实验分室在原有的基础上继续完善，开发实验网络教学课件，増加新的实验内容，扩大效益。学生可在实验室里进行数控编程及加工，CAD/CAPP/CAM、FMS、机器人、CIMS、生产调度及仿真优化等反映先进制造技术的单元或系统的学习和实践训练。除为我校学生提供教学实践服务外，每年都有其他院校（北京农业大学、北京林业大学、北方交通大学等）来我系实验室做实验和实习。数字化企业实验分室已经实现从零件设计、工艺分析、工厂设计、企业管理到企业运作仿真的系统集成。学生可以在实验室学习数字化时代与企业生产经营有关的几乎所有软件系统，进行企业知识的全方位训练。

已经建成的人因工程实验室，是国内高校中建设比较完备的一个人因工程教学实验室，而且建设内容突出反映了国际上人因工程专业方向的发展趋势，融入了较多的新技术和新思路，如信息产品的可用性及用户研究、虚拟现实技术在复杂人机界面方面的应用、虚拟现实体验与展示等。实验室建设规划内容被许多国内兄弟院校的工业工程系索取和参考，为国内工业工程系人因工程方向的教学改革提供了先例。

物流工程实验室各个部分设备已基本建成。物流实验室的软件建设正在进行，软件建设主要以科研成果为基础进行开发，形成与实验设备配套的软件，如仓储管理系统、运输管理系统、供应链管理系统等。这些软件补充物流实验室的教学功能，通过该系统的应用不仅能够使学生了解先进的物流管理信息技术，而且通过模拟操作，能够培养学生的实际操作能力。同时把实验内容同企业的实际需要相结合，能够大大提高学生参与实验的积极性。

通过实验室建设，培养和锻炼了一批研究生和有关实验技术人员。实验技术人员结合实践教学基地建设，包括软硬件建设和教学实验建设，熟悉了工业工程新的学科方向，主动参与了所有实验教学内容的准备。研究生通过参与开发教学实验，特别是研制实验系统，不仅为学校节省了巨额的资金，而且也培养了独立从事科学研究的能力。同时，实验室的建设也推动了国际交流与合作，目前承担了六项大型国际合作项目，总经费约300多万元。

4.工业工程专业实验室的运行和管理

目前，年轻教师和实验技术人员共同参与管理专业实验室，以教学与研究互动的原则运行和发展实验室。在教学实验的设计阶段是教师、研究生和实验技术人员共同策划开发，一旦成熟就完全交给实验技术人员负责运行。

利用现有的专业实验室，以教学计划为依据，对学生进行实践动手能力、协同合作能力、分析和解决问题的能力、创新能力等全面素质的培养。针对不同的实验对象，我们精心设计实验内容，包括基础实验和提高实验，单元实验和系统实验，以及研究类专题实验和新技术含量的专题实验。采用多种实验教学方式，比如看录相、现场操作演示、学生动手实践、计算机仿真等。与此同时，也将新研究成果引入教学，不断更新和丰富教学实验内容，使实验教学始终能够紧跟学科的发展，具有一定的先进性和代表性。针对19门课程，我们已新开设实验40多个，年接纳学生人数1000多人次。

配合专业课程和教学实验，实验室还开发制作了丰富的多媒体课件和网络课件，供学生自学。同时实验室接纳本科生的生产认识实习，毕业设计（综合论文训练）SRT项目和研究专业技术的研究生论文工作。此外，还对工厂企业工程技术人员、大学、大中专教师进行工业工程专业相关技术的继续教育培训。

工业工程专业实验室已经成为教学、科学研究和技术服务的重要基地。

作者：严京滨，张伟，林亨，王晓芳（清华大学工业工程系，北京 100084）