神经工业工程 - 工业工程发展的新阶段 - 马庆国

《管理世界》(月刊)

神经工业工程：工业工程发展的新阶段马庆国付辉建卞军摘要：神经科学的发展和神经科学测量工具的进步，

促进了一系列交叉学科的诞生和发展。紧随神经经济学和神经营销学的诞生，神经管理学和神经工业工程也应运而生。神经管理学的发展主要依赖新一代信息技术以及神经科学测量平台（如fMRI，ERPs，Eyetracking，Biofeed?back等）的快速发展。浙江大学团队在神经工业工程领域已进行了一系列的研究，并取得初步成果。伴随研究的不断深入和成果的广泛应用，该交叉学科领域将吸引更多相关领域的研究者们进入并逐渐成为一种研究趋势。

关键词：神经管理学神经工业工程神经设计神经工业设计神经生产管理质量神经感知神经价值分析

（一）神经管理学和神经工业工程的诞生1.神经管理学

神经科学是20世纪发展起来的最重要的学科之一。近10年来，随着脑成像和脑电测量技术的长足进步，神经科学与其他学科的交叉发展十分迅速，尤其是与心理学、社会学、经济学、管理学等学科交叉发展，成果显著，形成了一系列的新兴交叉学科。神经经济学（Neuroeconomics）（R.J.Yu，X.L.Zhou，2007）诞生于2002年，作为神经科学、心理学和经济学结合的重要产物，其主旨是研究人们在经济活动中的理性、有限理性、非理性、自利与利他的神经基础，研究人们做经济决策各类特征（如风险偏好、时间偏好等）的神经基础，这些特征如何塑造新的经济学体系。神经营销学（Neuromarketing）（Editorial，2004）诞生于2004年，它集中研究微观个体对广告、品牌、价格等信息的脑反应，致力于开启人们大脑中的购买“按钮”。“决策神经科学”（DecisionNeuroscience）（B.Shiv，A.Bechara，I.Levinetal.，2005）的术语，在2005年首次出现在权威刊物MarketingLetters上，它聚焦于各类决策的神经活动的基础，解释人们在现实中的决策为何常常偏离冯诺依曼和摩根斯坦的决策公理体系。

在这种蓬勃的学科发展背景下，2006年，马庆国教授在《管理工程学报》上发表了国内首篇有关神经营销学的论文（马庆国、王小毅，2006b），同年在《管理世界》上发表论文，系统介绍了认知神经科学、神经经济学的发展，提出并系统讨论了神经管理学（Neuromanagement）及其各主要分支（例如，神经工业工程，NeuroIE）的内涵、研究领域、相关研究方法和规范（马庆国、王小毅，2006a）。

神经管理学是神经科学、认知神经科学、心理学和管理学融合而产生的交叉学科，是运用神经科学和其他生命科学技术来研究经济管理问题的国际新兴前沿学科，它主要通过研究人们面对经典经济管理问题时的大脑活动，来审视人类决策行为，以及与管理相关的社会行为与人性。

2012年第6期*显然，这是研究管理问题的一个全新的视角。

神经管理学的主要学科领域包括：（1）神经营销学。运用神经科学方法来研究消费者行为，探求传统研究方法无法了解的消费者决策活动的深层次机理，找到消费行为背后真正的推动力，研究经典销售策略对消费者神经活动的影响，从脑神经活动的角度，研究广告是否真正打动了消费者，从而产生恰当的营销策略、广告设计等。

（2）决策神经科学（该分支与神经经济学交叉）。剖析不同类型决策的神经基础、决策的风险偏好和时间偏好的神经基础，以及理性与直觉决策的神经基础，提出基于神经和心理机制的决策模型。

（3）神经金融学。研究人在金融活动中的理性、非理性的神经基础，情绪在金融活动中起作用的神经基础，探讨金融活动中从众行为的神经基础，借款行为中不诚实动机的神经活动的特征等，一句话，它是行为金融学的深入发展。

（4）神经工业工程。研究生产活动中的人脑神经活动的特征、人脑对各类信号（视觉的或听觉的）的反应特征，以及如何依据这些特征来改进生产管理、生产调度，改进安全系统的设计和产品设计，以减轻生产活动中劳动者的脑力和体力负荷，以利于提高生产效率和产品质量，减少因过度疲劳引起的生产事故。神经工业工程把工业工程学带进一个新的发展阶段，实现人、机、环系统总体性能的优化。

（5）神经工程管理学。从神经科学角度，研究公众对大型工程决策的真实心理，研究工程事故中瞬间决策的神经机制，研究员工情绪在现场施工管理的作用，对员工安全教育效果做神经测量，并依据测量结果评估安全教育的效果；对高危施工现场的员工的神经特质提出合理的要求等。

（6）神经信息系统。将认知神经科学的理论、方法和技术应用于信息系统研究、开发与应用，从使用者神经响应的角度，研究软件界面的设计，研究信息系统的关键用户对新安装的信息系统的真实态度，促进信息系统设计的改进和推广应用；进而，从广义的信息系统的视角，研究现代社会中人际之间通过IT工具交流信息的特征与规律。

（7）神经人力资源管理（含神经领导学）。探讨特定岗位（如高危岗位）对人的神经特质的要求，研究高压条件下高层决策的神经活动机制与特征，研究培训效果的神经测量，研究公平态度的神经机制、有效激励的神经机制等。

（8）神经创新学。研究创造性思维的神经活动机制，研究不同类型的创新活动的神经活动的特征，探索不同文化背景创新态度差异的神经基础，探索有利于激发创新思

*本文受如下科学基金的资助：（1）国家自然基金重大研究计划“非常规突发事件应急管理研究”重点扶持项目“基于神经管理学的

非常规突发事件下‘氛围—个体—群体’与‘生理—心理—行为’多层耦合规律和组合干预研究”，编号：90924304。（2）教育部重大招标项目“哲学社会科学方法创新研究”，编号：09JZD0006。（3）受211项目《创业创新的管理理论与发展策略》研究的支持。（4）国家社科基金“基于神经经济学的不确定经济决策理论研究”，编号：08BJL054。博士生尚倩参与了生产过程心力负荷的测量和计算，王小毅老师、黄玉晶博士生参与饰品设计神经感知的研究，特此致谢。本文稿件收到日期：2011年11月6日。

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神经工业工程：工业工程发展的新阶段理论述评

维的环境、促进创新活动的发展。

（9）神经创业学。在神经层面（甚至基因层面）研究企业家/创业者个人特征，研究不同类型的创业活动的神经机制，研究创业活动与动机的关系，研究创业决策的不确定性对神经活动的影响，研究不同文化背景对创业态度影响的神经活动的差异，研究对创业风险不同偏好的神经特质，为创业人才的选择提供参考。

浙江大学神经管理学实验室与美国加州伯克利分校神经经济学实验室、明尼苏达大学医学工程研究中心（IEEE医学工程杂志编辑部）、奥地利（开普勒）林思大学、德国波恩大学神经认知和神经成像中心（德国第一个神经经济学实验室）等，就最新神经经济学和管理学课题进行实质性合作；2008年12月和2010年11月两度成功举办“神经管理学和神经经济学”国际会议，与会代表都是国内外决策神经科学、神经经济学和神经管理学等领域的顶级学者。通过近几年的发展和国内外相关领域学者的交流，神经管理学已经被广泛接受，吸引了越来越多的管理科学学者、心理科学学者、神经科学学者参与到相关研究活动中来。

2.神经工业工程工业工程（IndustrialEngineering，简称IE）起源于20世纪初的美国。它以现代工业化生产为背景，从科学管理视角发展起来的一门应用性的、工程专业技术。工业工程的主旨是把人、机器、材料、能源、信息这五大要素，整合为一个系统，以降低成本，提高生产与制造的效率。随着生产力的提高和科学技术的进步，其应用领域在不断扩大，研究内容也不断得到充实和深化。

马庆国等在2006年提出“神经管理学”概念和架构的同时，提出了“神经工业工程”的研究的概念，并将其作为“神经管理学”的一个重要分支（马庆国、王小毅，2006a）。神经工业工程学借助先进的神经科学测量工具和和生理参数测量设备，获取客观数据，进而挖掘和分析数据，然后将人在生产过程中神经活动和生理状态，作为新的因素加入到企业的生产运作管理中，使生产过程真正走向人机一体的时代，让“以人为本”的思想切实地体现在企业生产过程中，实现科学、合理、高效、安全的管理目标（Ma，Shangetal.，2011）。

工业工程（IE）的发展，经历了3代：第一代工业工程，以“节拍设计、生产线布局、作业计划、价值工程（VE），库存管理，生产流程优化”为主要内容的优化；第一代工业工程可以概括为“局部优化”；第二代工业工程，依据生产状态信息（设备信息、被加工对象信息、能耗信息等），用信息技术来控制、指挥生产系统，实现过程优化。我们曾经大力发展的CIMS（计算机集成制造），以及近年仍然推进的“制造信息工程”，都是第二代工业工程的典型特征；第二代工业工程可以概括为限于物质系统的“整体优化”；第三代工业工程（神经工业工程），在传统信息技术的基础上，除了对物的传感和控制技术的进步（例如RFID技术）外，特别重要的是增加了生理传感技术，综合处理生产状态信息及人体生理信息（如图1），优化整个生产系统，实现人文制造、和谐制造，以人为本的科学生产，表现为新一代工业工程。

与传统工业工程相比，其本质进步是，把人的生理信息（脑电波、皮电、肌电、皮表温度、呼吸、心率等）作为客观数据，纳入科学分析与处理的范围，并将其作为实施管理的重要依据。工人在生产过程中，除了有体力支出（physicalworkload），还有心力支出（mentalworkload）。过去的工业工程是把工作中的人作为完全理性的、最佳状态处理的，但实际上，人不完全是理性的，而且在更多的情况下是有限理性，甚至是非理性的，有情感、情绪、心理变化，有注意疲劳、错误判断等。特别是人在工作和生产中不一定是最佳状态，有个小病（如感冒）、刚发生不快（如刚吵架），还会照样工作，但此时情绪和心情会影响工作效率和工作质量。在传统的工业工程中，优化所基

图1生产制造过程优化的信息基础于的信息是片面的（仅仅是生产设备和加工对象

的信息），因而不可能实现真正的全局优化，一旦超出工作中的人神经负荷临界值，就注定会产生事故或质量问题，降低企业的效益和效率，甚至出现类似“13跳”的现象。媒体上“血汗工厂、工业化冷漠”是对一些企业中发生现象的概括。忽视神经负荷，忽视心情、情绪和心力负荷，不研究注意疲劳等，后果是严重的。在美国，据报道在工业生产中每年因工作困乏（Sleepiness）而造成的损失约180亿美元，而高速路上的运输事故也造成每年至少120亿美元的产品和财产损失。这种造成损失的疲劳，不仅包括体力疲劳而且包括心力疲劳（mentalfatigue）。

从上面的定义我们不难知晓神经工业工程学的特点：第一，神经工业工程学涵盖但不限于传统工业工程的研究，物料、能源、设备、信息及它们之间的关系依旧是工业工程研究的基础，但是神经工业工程将人作为系统的主体，致力于实现人、技术、环境的统一和协调，从而实现人性化管理。第二，源于神经科学与工业工程交叉的神经工业工程，也包括了神经科学与工业工程各个分支的交叉，例如，神经—动作分析，神经价值分析/神经价值工程（NeuroVA/NeuroVE），神经设计（NeuroDesign），神经评估（NeuroAssess?ment），产品的质量感知（QualityPerception），神经工效学（NeuroErgonomics）等。第三，从总体上看，神经工业工程，强调“从人的神经活动”的视角，来优化整个生产过程，它注重基于整个生产过程中人力、物力、财力等全方位信息（包括生理信息）的综合优化与配置，更加关注工人在生产过程中的行为特点和生理心理变化规律，从而更有效地调度生产过程。

新一代工业工程，是依托“生产状态信息+人的生理信息”来优化和控制生产过程、工程建设过程的，因而，它是人文制造、和谐制造、以人为本的科学生产。它能够有效地降低事故、提高质量，从而提高效率。我国从制造大国到制造强国的发展过程中，新一代的制造尤其重要。

（二）神经工业工程的研究平台

学科与技术研究平台的发展往往对科学与技术的发展起到革命性的促进作用。科学研究

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的加速进步有多种动因，其中的一种就是用来做研究工具的进步。神经工业工程的出现主要依靠新一代信息技术的快速发展。无创伤、低成本、可便携、无线传输的生理传感技术，为工业工程带来了研究平台的一场革命。目前，应用于神经工业工程研究的平台主要包括功能核磁共振（fMRI）、事件相关电位（ERP）、生理记录仪、生物反馈仪和眼动仪等。

（1）测量神经活动的大脑空间分布的功能核磁共振（fMRI），可以得到大脑神经活动的空间分布，进而依据认知神经科学的成果，得知人的认知与情绪等状态和过程。图2左下给出了探测人的大脑活动的空间分布的示意（例如在呈现的刺激是安全标志时，大脑活动的状况）。

（2）测量神经活动时间维度的变化，是基于脑电图（EEG）的事件相关电位（ERP）技术。脑电图（EEG）如图2右中图形所示。从头皮测量得到的微弱电压，受到了多种白噪声的干扰，要想得到被试者看到一个安全标志时的脑电位变化，必须过滤掉白噪声，通过一定的处理技术，可以得到如图2右下所示的事件相关电位（ERP）曲线。

（3）多道生理仪/生物反馈仪。生物反馈（Biofeedback）是利用仪器记录与心理生理过程有关的身体生理信息，做适当处理后，以视觉或听觉的方式显示出来（反馈给被试或主试），实现信息的反馈。生物反馈仪/多道生理仪可以测量的生理指标主要有：脑电波（EEG），脑电波的频谱（如alpha，theta，SMR，beta，gamma等），皮电（SCR/GSR），肌电图（EMG），皮表温度（Temp），心率（HR），心跳变异率（HRV），血压（BP），呼吸次数（RR），（手指）血容量（BVP），心电图（EKG），脸部肌电（fEMG），眼动（ET）等。该技术不仅可以揭示人在面对一定的条件刺激（包括外部刺激和内部刺激）时生理指标变化的规律，反映出人在此情境下心理、生理和情绪的特点，还可依据反馈的生理信息，训练人们用意识控制或释放自身的心理生理压力，达到调节机能、舒缓情绪的功效。一些生物反馈仪器可以采用蓝牙技

术传输数据，因此被试者可以走出实验室，在更为现实的环境中进行测量，使得整个实验过程更加真实。

（4）眼动仪。眼动仪是心理学、管理学等学科做基础研究的重要仪器之一（图3左），用于记录人在处理视

图2功能核磁共振技术与事件相关觉信息时的眼动轨

电位技术在经济管理领域的应用图3眼动仪在经济管理中的应用迹及特征。眼动仪可以跟踪瞳孔注视点的先后顺序、注视时间的长短，分析被试的注视点，将数据挖掘为各项指标（“热点”是其一。图3右是消费者购物扫视货价的热点图），可用于广告研究、屏幕界面设计的研究等。

（5）其他生理测量平台。除了上述几个重要研究平台外，被广泛应用的平台还有：正电子发射断层扫描术（PET），单光子发射层析术（SPELT），穿颅磁刺激（TMS），脑磁图（MEG）等。

（6）生化测量与基因测量。生化测量是指通过被试者在不同状态下的唾液、血液、尿液等，研究被试所受压力、被试的情绪和紧张等状态。基因测量是研究经济管理中，不同类型的人的基因特征。这两方面，都有大量的成果出现。我们在2009年3月的浙江大学学报（人文社科版）上“社会神经经济学：社会决策和博弈的神经学基础”以及2010年11月科学通报（第32期）上的“经济决策的神经生化与遗传基础”介绍了这方面的研究进展。

我们正面临着历史上一次伟大的、管理科学（包括社会科学）研究的平台革命，它把社会科学“坐落”在了自然科学（生命科学）的基础之上，使得人们对包括社会科学在内的管理科学的认识，进入了一个崭新的阶段。上述研究平台，尤其是神经科学测量工具，开发了新测量研究方法，把管理活动中对人的感知研究，延伸到脑神经科学为层面，为神经工业工程研究的展开奠定了坚实的基础。

（三）神经工业工程研究进展

以神经工业工程为核心的第三代工业工程，用信息技术同时处理“生产状态信息”与“生理状态信息”，通过两种信息的结合，充分体现人在生产系统中的主体地位，将人的基础认知和生理、心理状态信息作为重要因素，融合到现代企业生产和工业工程的研究中，在实现“人—机—环”整体优化的基础上，真正实现科学而高效的人性化生产目标。

在新一代工业工程领域，我们开展了一系列的研究。1.一线工人生理和心理状态与生产管理规则的对比研究

高速发展的现代化工业要求操作者按照设备的特征工作，忽略了人的感情因素，致使人在工作过程中成为冰冷机器的附庸。员工之间的关系也因这种只看生产效率的管理方式而变得冷漠。这种环境中人们感觉到更多的是挫折与疲惫，甚至导致自杀等极端行为。

在提出神经工业工程的概念之后，我们深入企业（如，杭州华立仪表厂集团、杭州中恒电气有限公司、深圳地铁公司等），对比研究了一线工人的生理心理特征与生产规则的关系。该研究主要采用多道生理记录技术，采集一线工人的多项生理数据，如皮温、皮电、脑电、肌电、呼吸、心率等，通过数据挖掘、特征提取、指标创建与测算，来客观反映工人的生理和心理状态。多维度的数据可以相互验证、互相说明，使得分析结果更加准确。与传统问卷等行为测量手段相比，生物测量技术能够客观测量到人体在工作状态下的生理指标的细微变化。而这些细微变化的多数，是被测量人自己很难主观、准确感知到的。

我们的主要阶段性成果有：（1）一线工人生理状态与心力负荷研究。人的生理状态信息和人的心理状态紧密相关，因此从生理状态信息中我们可以挖掘出人的心理状态信息，进而弄清楚情

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神经工业工程：工业工程发展的新阶段理论述评

绪与心力消耗、与体力消耗以及管理规则的关系。在实际的生产作业中，同一工位上的新手和老手的生理和心理特征，可能不一样（主要是心力负荷的差异）；不同工位上的同一个工人的生理和心理状态变化也可能不一样（体力和心力负荷都可能有差异）；对于同一工位同一工人，在工作进程中，不仅体力负荷会变化，心力负荷也可能变化。

在我们对华立仪表集团智能电表的生产车间和中恒电气公司的通讯电源生产车间的研究中，我们从测量数据中萃取了“theta心力疲劳指数”、“SMR注意疲劳指数”等指标，反映出了上述特征。图4展示了“烧程序”和“维修”两个不同工位（不同工作性质）的“theta心力疲劳指数”和“SMR注意疲劳指数”的变化曲线。与烧程序工位相比，维修工位是相对更加精细的工作，脑力资源占用比较大，从变化趋势来看，维修工位EEG的两个波段（theta与SMR波段）先增高后降低，然后（在接近下班时）再次达到波峰值；而烧程序工位EEG的两个波段平缓增加，即疲劳度缓慢增加，然后（在接近下班时）上升。在传统的管理中，完成一道工序的标准作业时间，是固定的常数。我们的研究显示，对于复杂工作的工位需要建立暂短休息机制与动态SOP（动态标准作业计划：不同时段规定不同完成单件任务的时间）的管理制度。

由此，可以看出，新的研究手段使我们能够从新的角度研究一线工人生理、心理负荷的变化特征，为设置休息机制、制定标准作业计划，提供参考，使我们能够根据不同工位的工作特征和工人生理心理特征，确定最佳休息点，保证员工在工作中的较高精神愉悦度和工作满意度，降低错误率，提高工作效率，实现人性化生产管理。

2.安全生产管理：对生产环境中安全警示标志的神经响应

煤矿的安全事故接连出现，是我国现代化进程中的一大心病，已经引起国家领导层的高度重视。避免生产事故，已经成为保障以人为本的科学发展亟待解决的重要问题。在生产设备和环境中进行安全保障系统建设与规划时，要充分考虑到现场工人的认知能力与认知规律。一个安全标志是否真正能够起到作用，取决于它能否在潜意识中激发工人的警惕性。小到一个标志，大到整个安全系统，实际上都需要先从工人认知的角度进行设计，而这一点，在目前的安全管理系统中，相当缺乏。

这也是我们目前在技术上投了很多资金、建立了很多安全管

理制度与系统，但是效果甚微的重要原因之一。

安全标志在建筑、采矿等工业生产以及各种基础设施中有广泛应用，对事故预防、危险警示、行为指导有重要作用，被作为安全管理中一道重要的防线。神经管理学和神经工业工程的出现，为安全标志研究提供了一个崭新的视角。基于此，结合神经科学测量的方法（如ERPs），我们对安全标志的认知进行了系统研究。2010年，我们在《神经科学通讯》（NeuroscienceLetters）上，发表了的安全标志中安全词语的认知神经过程研究成果（Ma，JinandWang，2010）。

安全标志警示词是安全标志文字的一部分，用来吸引人对安全标志的注意，同时能传递风险信息，表达的潜在风险程度。当我们用禁止类、警告类、指令类等不同类别的警示信号词，作为视觉刺激呈现给被试者，在额中央区的Fz电极位，就能够发现不同刺激电位成分的差异。在额中央区（如Fz电极位）和中央顶区脑（如CPz电极位）的ERP的两个成分P200与LPP，在高低风险之间（无论是按照被试自己的回答分类，还是按照问卷测试的分类），都有显著差异（图5）。

该研究从ERPs角度为C-HIP模型（theCommunica?tion-HumanInformationProcessingModel）提供了总体一致的电生理证据。同时，表明人们对风险警示词信号的加工是两阶段的过程。第一阶段是对风险信号的自动感知，它有由脑事件相关电位的P200成分表达。第二阶段是评估风险词汇传递风险程度的控制过程，它由脑事件相关电位的LPP表达。C-HIP模型的关于4阶段（注意，理解，形成态度与信念，行为）的推测，没有得到脑电信号的支持。

研究还发现，个体间对安全标志信号词的风险感知存在很大的主观差异，因此有必要加强相关训练，使人们获得对这类警示词的一致认识，调动人们自身心理状态和生理技能的响应，直接警示人们自觉特别是本能地警惕存在的不安全因素，促使人们对威胁安全与健康的物体和环境尽快做出反应，从而减少或避免事故发生（袁京鹏，2009）。同时，具有相同风险感知水平的安全标志警示词应该适当更换，或者增加其他种类的、具有同等风险感知水平的警示词，以防止过于频繁使用而导致的不敏感化及麻痹问题。

对生产环境中安全警示标志的神经响应的系统研究，有助于实现基于认知神经学的安全标志设计与优化，并促进生

图4烧程序工位与维修工位的疲劳对比：

疲劳指数曲线与注意指数曲线

图5警示标志中不同风险词语引起的电位差异

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