工业工程概论（第3版）

第1部分 工业工程的历史和展望

第1章 工程的历史和工业工程的发展3

1.1 引言3

1.2 早期发展状况3

1.3 现代发展状况5

1.4 工程程序6

1.5 工程作为一种职业7

1.6 职业道德8

1.7 职业执照9

1.8 工程教育和工程技术认证委员会（ABET）的认证10

1.9 工业工程年表12

1.10 工业工程组织16

1.11 工业工程的定义17

1.12 工业工程教育17

1.13 相关领域发展的影响18

1.13.1 运筹学的影响18

1.13.2 数字计算机的影响19

1.13.3 服务业的出现20

1.14 与其他工程学科的关系20

1.15 未来的挑战21

讨论题22

第2章 工业与系统工程23

2.1 引言23

2.2 工业与系统工程设计23

2.2.1 人类活动系统24

2.2.2 管理控制系统24

2.3 工业与系统工程师的典型活动26

2.3.1 生产运作层26

2.3.2 管理系统层28

2.3.3 公司全局性服务层29

2.4 与整体组织的关系31

2.5 工业与系统工程职能的内部组织32

2.6 工业与系统工程职能的绩效测评方法33

2.7 “系统”的本质34

2.7.1 定义34

2.7.2 系统分类34

2.8 系统中的反馈控制35

讨论题37

第2部分 工业与系统工程方法论

第3章 制造工程41

3.1 引言41

3.2 产品设计-生产工艺设计的相互作用42

3.3 工艺学43

3.3.1 定义产品的结构和规格43

3.3.2 评估零部件的易制造性44

3.3.3 确定能够用于加工零件的可选工艺44

3.3.4 各种工艺的成本估算47

3.3.5 确定加工顺序51

3.3.6 形成工艺文件51

3.4 工艺方法53

3.4.1 冶炼与合金工艺53

3.4.2 铸造54

3.4.3 金属成形55

3.4.4 金属切削56

3.4.5 焊接61

3.4.6 装配62

3.4.7 表面精整62

3.5 辅助职能62

3.5.1 工具、夹具和卡具的设计63

3.5.2 成本估算64

3.5.3 对维护系统进行设计65

3.5.4 对包装系统进行设计67

3.6 实例67

3.7 计算机应用70

讨论题70

练习题71

第4章 设施选址与布局73

4.1 设施选址简介73

4.2 考虑事项74

4.3 分析技术75

4.3.1 运输问题的线性规划方法76

4.3.2 多目标问题80

4.3.3 数学规划（可选）83

4.3.4 公用事业部门的选址问题87

4.4 设施布局引论90

4.5 总体考虑事项93

4.6 系统布局设计94

4.7 计算机化的布局设计（可选）102

4.8 计算机带来的影响107

讨论题107

练习题108

第5章 物料搬运、配送和路径安排114

5.1 引言114

5.2 物料搬运115

5.2.1 设备的概念115

5.2.2 物料搬运的原则119

5.2.3 定量技术120

5.3 配送123

5.3.1 仓库选址123

5.3.2 运作管理--路径安排123

5.3.3 公共部门的路径安排131

讨论题132

练习题133

第6章 工作设计和组织绩效--工作测定136

6.1 引言136

6.2 方法改进139

6.2.1 流程程序图140

6.2.2 双手操作图142

6.2.3 其他图表146

6.2.4 动作经济性原则146

6.2.5 人因工程148

6.3 工作测定148

6.3.1 直接时间研究法149

6.3.2 时间研究标准资料法153

6.3.3 预定时间标准法154

6.3.4 预定时间系统标准资料法155

6.3.5 工作抽样155

6.4 组织的系统绩效测定156

6.4.1 生产率测定基础157

6.4.2 标准化生产率测定模型158

6.4.3 多因素生产率测定模型159

6.5 电子计算机与工作测定和工作设计160

讨论题160

练习题161

第7章 生产（运作）计划与控制164

7.1 引言164

7.2 生产（运作）计划与控制概述165

7.2.1 需求预测（I)165

7.2.2 生产（运作）计划（II) 166

7.2.3 库存计划和控制（III) 166

7.2.4 生产作业计划（IV) 167

7.2.5 调度和过程控制（V) 167

7.2.6 接口168

7.2.7 各职能的综合169

7.3 需求预测技术169

7.3.1 移动平均法169

7.3.2 指数平滑法170

7.3.3 回归分析法170

7.4 生产（运作）计划技术172

7.5 库存计划与控制技术174

7.6 生产作业计划技术177

7.7 调度和进程控制179

7.8 MRP系统179

7.9 准时生产制183

讨论题184

练习题184

第8章 质量控制187

8.1 引言187

8.2 发展简史187

8.3 Malcolm Baldrige国家质量奖188

8.4 戴明的持续改进观191

8.5 朱兰对质量思想的贡献192

8.6 在线和离线质量控制工具192

8.7 质量功能配置193

8.8 质量成本系统194

8.9 标杆管理195

8.10 统计过程控制的工具196

8.10.1 流程图196

8.10.2 因果关系图198

8.10.3 检查表200

8.10.4 排列图201

8.10.5 柱状图202

8.10.6 散布图203

8.10.7 实验设计204

8.11 控制图的产生背景205

8.12 各种变量的控制图207

8.13 控制图的敏感度检验210

8.14 工序能力分析211

8.15 特性数据控制图212

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讨论题216

练习题216

第9章 财务补偿221

9.1 引言221

9.2 工作分析222

9.3 工作评定224

9.3.1 排队法224

9.3.2 分类法或等级描述法224

9.3.3 因素比较法225

9.3.4 分级打分法227

9.4 工资调查232

9.5 工资支付233

9.5.1 计时制233

9.5.2 考核计时制233

9.5.3 计件奖励制234

9.5.4 标准工时制234

9.5.5 团队奖励计划235

讨论题238

练习题238

第10章 计算机辅助设计/制造、机器人和自动化241

10.1 第二次工业革命241

10.1.1 制造业的简要历史241

10.1.2 计算机和电子技术的影响242

10.1.3 其他最新发展243

10.1.4 未来企业243

10.2 计算机辅助设计244

10.2.1 计算机在产品设计中的应用244

10.2.2 计算机在流程设计中的应用245

10.2.3 计算机在电子设计中的应用246

10.3 计算机辅助制造246

10.3.1 计算机辅助工艺设计246

10.3.2 数字控制247

10.3.3 成组技术248

10.3.4 自动存取和处理250

10.3.5 计算机辅助检测251

10.3.6 计算机辅助工厂管理252

10.3.7 柔性制造系统的概念252

10.4 机器人254

10.4.1 机器人的定义和概述254

10.4.2 机器人的基本结构和性能指标255

10.4.3 机器人的应用255

10.5 自动化256

10.6 计算机集成制造257

10.7 工业工程师发展的良机259

讨论题260

第11章 人因工程261

11.1 概述261

11.2 人类行为的生理特性262

11.3 人类行为的心理特性263

11.4 人与工作的界面264

11.4.1 人与工作环境界面264

11.4.2 人机界面265

11.4.3 人与信息/交流系统的界面266

11.4.4 人与组织/管理机构的接触界面267

11.4.5 人与机器人或智能机器的界面267

讨论题269

第12章 资源管理270

12.1 概述270

12.1.1 能源管理270

12.1.2 水资源管理270

12.1.3 危险材料管理271

12.1.4 本章结构271

12.2 能源管理271

12.2.1 为什么进行能源管理272

12.2.2 为什么要用工业工程272

12.2.3 必需的要素273

12.2.4 能源费率计划273

12.2.5 备选费率计划275

12.2.6 能源管理机会276

12.3 水资源管理279

12.4 危险材料的管理280

12.4.1 政府规章281

12.4.2 工业工程的角色281

12.5 小结283

讨论题283

练习题284

第13章 财务管理与工程经济285

13.1 引言285

13.2 会计286

13.3 成本会计290

13.4 工程经济291

13.5 利息因数293

13.5.1 一次偿付复利因数293

13.5.2 其他利息因数294

13.5.3 示例296

13.6 回到Gadgets公司的例子--现值计算法297

13.7 计算机对会计和工程经济的影响299

讨论题300

练习题301

第14章 确定性运筹学303

14.1 引言--定义303

14.2 运筹学与工业工程的相似性303

14.3 运筹学的性质304

14.3.1 经济订货批量304

14.3.2 厂址选择304

14.3.3 工作评定305

14.3.4 质量控制305

14.3.5 其他305

14.4 运筹学的分类305

14.4.1 确定性方法306

14.4.2 随机性方法306

14.5 确定性运筹学307

14.6 数学规划307

14.7 无约束最优化307

14.8 线性规划313

14.8.1 分派问题316

14.8.2 运输问题319

14.9 其他技术321

14.9.1 非线性规划322

14.9.2 整数规划322

14.9.3 0-1规划322

14.9.4 二次规划322

14.9.5 几何规划322

14.9.6 其他规划322

14.10 计算机的影响322

讨论题323

练习题323

第15章 概率模型327

15.1 引言327

15.2 排队论327

15.2.1 排队系统结构328

15.2.2 排队论的符号328

15.2.3 单服务通道329

15.3 存贮控制331

15.3.1 单周期模型--无订货费用332

15.3.2 批量\|订货点模型334

15.3.3 周期检查模型335

15.4 马尔可夫链336

15.4.1 正则马尔可夫链337

15.4.2 嵌入式马尔可夫链338

15.5 统计学和计算机的影响339

讨论题339

练习题340

第16章 仿真342

16.1 引言342

16.2 仿真实例342

16.3 随机数的产生348

16.4 时间流机制351

16.5 仿真语言352

练习题353

第17章 项目管理355

17.1 引言355

17.2 项目的网络计划356

17.3 关键路径法358

17.3.1 “最早开始”方式359

17.3.2 “最迟结束”方式361

17.3.3 活动总时差362

17.3.4 关键路径362

17.4 计划评审技术362

17.5 时间\|成本优化365

17.6 资源平衡370

讨论题370

练习题371

第3部分 集成系统设计

第18章 系统的概念37518.1 引言375

18.2 系统思想介绍375

18.2.1 系统思想的起源375

18.2.2 系统的层级性377

18.3 定义和术语379

18.4 系统工程381

18.4.1 系统分析与设计381

18.4.2 系统设计流程381

18.5 系统描述383

18.5.1 方块图383

18.5.2 转移函数385

讨论题386

第19章 管理系统设计388

19.1 引言与展望388

19.2 用系统的观点看待组织389

19.2.1 展望389

19.2.2 寻找起始点390

19.2.3 共同目标391

19.2.4 设定目的和目标392

19.2.5 整体框架394

19.3 组织设计395

19.3.1 目标的详细描述395

19.3.2 功能的确定396

19.3.3 功能归类396

19.3.4 功能目标397

19.3.5 工作描述397

19.3.6 管理控制397

19.3.7 组织设计是连续和动态的397

19.3.8 组织结构397

19.3.9 组织内的协调398

19.3.10 保持设计常新399

19.4 提供管理控制399

19.5 组织的生命周期400

19.5.1 组织的生命周期阶段400

19.5.2 组织复兴和再设计401

19.5.3 学习型组织402

讨论题402

第20章 计算机和信息系统405

20.1 展望405

20.2 信息系统的基本概念406

20.3 信息系统设计过程407

20.3.1 可行性研究407

20.3.2 系统分析407

20.3.3 系统概要设计409

20.3.4 系统评估与合理化409

20.3.5 系统详细设计409

20.3.6 系统实施410

20.3.7 系统运行和维护410

20.4 数据库管理系统411

20.5 数据通信网络413

讨论题415

第21章 人力资源管理416

21.1 引言416

21.2 选拔、测试和安置417

21.3 绩效评价、培训、教育和晋升419

21.4 工作分析和工作描述422

21.5 劳资关系422

21.6 安全计划423

21.7 福利和公益424

21.8 激励、监督指导和沟通425

21.8.1 激励425

21.8.2 监督指导426

21.8.3 沟通427

21.9 工程管理428

讨论题429

练习题429

附 录

附录A 概率论与统计学433

A.1 概述433

A.2 基本概率理论433

A.2.1 样本空间433

A.2.2 事件434

A.2.3 事件的概率434

A.2.4 运算法则435

A.2.5 组合435

A.3 随机变量436

A.4 概率的估算437

A.5 几个重要的概率分布438

A.5.1 离散型分布的性质439

A.5.2 二项分布439

A.5.3 泊松分布440

A.5.4 均匀分布441

A.5.5 连续分布的性质442

A.5.6 正态分布443

A.5.7 指数分布443

A.5.8 矩形分布444

A.5.9 分布小结445

A.6 期望值与方差445

A.6.1 平均值445

A.6.2 方差446

A.7 总体和样本446

A.7.1 总体446

A.7.2 样本447

A.7.3 样本统计量447

A.7.4 样本平均值的分布448

A.8 中心极限定理449

附录B 图表450

表B.1 泊松分布--累积450

表B.2 正态分布--累积453 2100433B

随着中国经济的发展，特别是中国加入WTO后，中国的经济结构发生了深刻变化，中国正向着“世界工厂”或“世界制造业基地”的方向大踏步迈进，自动化以及其他高科技的应用正在迅速发展，因此，对工业工程的需求正越来越大。正如本书作者所说： “工业工程正成为少数几个有巨大魅力的、用于解决未来高科技社会中复杂问题的职业之一。"

据不完全统计，2002年全国开设工业工程专业的院校只有80所左右，目前已发展到160多所，短短几年时间就翻了一番。相对于社会对工业工程专业人才的需求和高校工业工程专业的迅猛发展，目前工业工程专业的教材却非常有限，优秀的工业工程教材更是凤毛麟角。翻译这本《工业工程概论》的初衷来自于对优秀工业工程专业教材的渴望。

译者一直把本教材的英文版用作“工业工程导论”（双语课）教材，用英语讲授。后来，发现用英语讲过以后，学生对有些内容仍然不理解。有时，学生即使理解了，也不知如何用汉语确切地表达出来。学生问我能否将其翻译成中文，我答应了。于是，我就与这本教材英文影印版的出版单位--清华大学出版社联系。巧合的是，该书的责任编辑张秋玲老师正准备将这套国外大学优秀工业工程系列教材译成中文。双方遂定下此事。

翻译是件艰苦和细致的工作，对教学任务比较繁重的译者更是如此。这本书从2003年底着手翻译，到现在已经有3年多时间。它承载了太多同仁的期待，直到现在才完成，在此深表歉意。

翻译质量来自于对原作者所使用语言的正确理解和对汉语措辞的精心选择，需要字斟句酌，这是一件非常困难且需要认真对待的事情。翻译的正确与否将对读者的理解产生很大影响。例如，在讲到“互换性”促进工业工程产生时，有一段文字，原文如下： "The concept of "The most important asset of any organization is its people. Therefore, it is impossible to overstate the importance of sound personnel management. The functions of a personnel department vary tremendously between organizations, but there is a select set of functions normally called personnel management regardless of who does the actual work.”有人将这段话译为“任何组织的最重要的资产是它的人。因此，夸大声音人员管理的重要性是不可能的。人事部的功能在组织之间明显地变化，有函数通常叫人员管理不管谁做实际功的一套选择。”这段话我读了好多遍，到现在仍然不知所云。如果以这样的翻译示人，结果可想而知。本书将其译作“任何组织中最重要的资产都是人。因此，对健全的人力资源管理的重要性，无论怎样夸大都不过分。在不同组织中，人力资源管理部门的职责有明显的不同。但是，有一系列特定的职责，我们称之为人力资源管理，无论这些职责范围内的工作具体由哪些部门来做。”相信读者会明显感受到两种翻译的区别。

当然，由于该书涉及面广，再加上中英文两种语言之间的巨大差异，中文翻译要想完全达到英文原文一样的水准是很困难的。仅以operation(s)为例，不算其在日常交流中的含义，如手术、运算等，单在专业方面的意思就有经营、运营、运转、实施、生产、加工、过程、行动、运作、操作、工序、工艺、作用、业务、作业、工作、活动等，在上下文中究竟译成哪个词合适，颇费脑筋。还有一些固定搭配，本有其约定俗成的译法，若译为其他的词，读者则可能会认为是一个新词，如operations research，应译为运筹学，若译为运作研究、业务研究或者作业研究（译者还真见过这种译法），意思虽然没有多大问题，但读者却很难理解其到底指什么。因此，尽管译者付出了艰苦的努力，试图把它翻译得更好，但是，由于译者本身知识和语言文字水平的限制，书中肯定还会有很多翻译不到位甚至错误的地方，敬请读者提出宝贵意见，以便今后修改。

关于书名"para" label-module="para">

本书涉及面广，几乎涵盖了工业工程专业的所有领域。作者文风朴实，讲解深入浅出。对工业工程专业的本科生、研究生和从事工业工程及其相关领域实际工作的人员，都是一本不可多得的好书。

本书的出版得到了很多人的帮助和鼓励。首先感谢山东大学管理学院院长徐向艺教授以及吴爱华教授和杨学津教授。徐向艺教授对本书的翻译给予了特别的关心和支持，吴爱华教授为本书的翻译提供了许多有价值的建议，杨学津教授帮助修改并校对了第14、15章和附录。同时，也要感谢译者的研究生吴永春、徐敏、葛富贵、刘好平、张元东，他们为译稿文字的录入、校对、绘图等工作付出了辛勤的劳动，没有他们的努力，本书是很难完成的。还要感谢山东大学工业工程专业99级至2002级（特别是2000级）的同学，是他们对工业工程知识的渴求和提议促成了本书的翻译。工业工程专业2000级的同学为本书初稿的形成做了大量的工作，并提出了一些有价值的修改建议。我的夫人和儿子为我的翻译工作提供了良好的条件并时常鼓励，在此表示感谢。最后，特别感谢清华大学出版社张秋玲编审的帮助、理解、鼓励和督促，使本书得以最终面世。

译 者

2007年5月于山东大学管理学院

本书第2版自2008年问世至今已经走过6个年头，承蒙很多高校材料力学教学第一线的老师和同学以及业余读者的关爱和支持，已经连续印刷了10次。 2012年获得清华大学优秀教材特等奖；同年，相应的教学成果获得北京市高等学校优秀教学成果一等奖。2012年本书第3版被列入 “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材；2013年被批准为清华大学“985”三期名优教材建设项目立项。

最近的6年里，著者秉承不断提高课程重量、着力培养学生创新思维能力的教育与教学理念，先后在清华大学、南京航空航天大学、北京工业大学以及北京邮电大学从事“材料力学”研究型教学的研究与实践，坚持全过程讲授这门课程，授课对象每年约200名。在同事和同学们的支持与帮助下，对于教育和教学改革又有了一些新的体会和收获。材料力学（第3版）将着重反映6年来我们在研究型教学方面所取得的成果。主要有: 怎样在基于普遍提高教学质量的基础上，培养学生的创新思维能力；怎样提高课程的吸引力，增强课程教学的学术性；怎样挖掘基本教学内容的深度；怎样对传统内容中的某些概念、理论和方法加以改革和更新，突出挑战性。基于此，本书第3版修订的主要内容有以下几方面。

第一，调整了部分章节，将材料的力学性能从“第2章 轴向载荷作用下杆件的材料力学问题”中独立出来，形成“第3章 常温静载下材料的力学性能”； 重写了“剪力图与弯矩图”作为第6章；将原来的第6章分为3章: “第7章 平面弯曲正应力分析与强度设计”和“第8章 弯曲剪应力分析与弯曲中心的概念”以及“第9章 斜弯曲、弯曲与拉伸或压缩同时作用时的应力计算与强度设计”；将原来的第8章分为: “ 应力状态与应变状态分析”和“一般应力状态下的强度设计准则及其工程应用”，分别列为第11章和12章；将原来的12章也分为两章: “动载荷与动应力概述”和“疲劳强度与构件寿命估算概述”，分别列为第16章和第17章。

第二，增加了部分教学内容，主要有: 部分非金属材料的力学性能；梁的位移叠加法中的逐段刚化法；应变分析；细长压杆实验结果；线性累积损伤与疲劳寿命估算等。

第三，将力系简化的方法引入横截面的内力分析，改革传统剪力图与弯矩图的画法。

第四，正确处理变形与位移概念的联系与区别，将确定梁的转角和挠度的章节名改为“梁的位移分析与刚度设计”。

第五，在部分章节引入“反问题”: 相对于正问题，反问题的解答不是唯一的，通过对于反问题的思考，一方面可以加深对于正问题的理解；另一方面可以激励创新思维。

第六，在部分章节设计了“开放式思维案例”作为学生课外学习和研究的资源。最近几年的教学实践表明，这对于刺激思维鼓励创新是一种有效的措施。材料力学（第3版）第七，增加了若干工程案例以及灾难性工程事故的力学解析。

第八，增加和改变了部分例题和习题。

随着课程研究型教学在更多高校开展、深入和发展，材料力学的课程教学以及教材建设还会遇到一些新问题，我们将一如既往地坚持“在教学中研究，在研究中教学”，以不断提高人才培养质量为己任，在教学实践的基础上，不断提高材料力学教材的质量。

这一版的初稿于2012年下半年—2013年上半年在国内完成；2013年7—8月在加拿大多伦多定稿。定稿期间，得到旅加的赵渊先生和范心明女士的大力支持和协助，在本书出版之际，著者谨表诚挚谢意。

诚挚地感谢广大读者对本书的关爱，希望大家对本书的缺点和不足提出宝贵意见。

范钦珊2014.1.11

• 课程资源

《建筑CAD（第3版）》数字课程的数字化资源为教材配套图纸CAD文件、工程案例、拓展模块等。

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《Ansys入门（第3版）》是中国电力出版社出版的书籍。

序

第1章 CAE及ANSYS概述

1.1 计算机辅助分析概论

1.2 有限元素法简介

1.3 ANSYS软件结构

1.4 ANSYS软件界面说明

1.5 ANSYs0nLineHelp系统 2100433B