服务科学的数学基础.ppt

,本章要点 服务科学与运筹学 运筹学的产生和发展 运筹学的基本理论与内容 信息不对称理论 复杂系统与复杂性科学,第五章 服务科学的数学基础 运筹学及相关理论,服务科学与运筹学,第一节,1.1 运筹学概述,战国时期，曾经有过一次流传后世的赛马比赛田忌赛马。田忌赛马的故事说明在已有的条件下，经过筹划、安排，选择一个最好的方案，就会取得最好的效果。可见，筹划安排是十分重要的，这就是运筹学的魅力。 1运筹学的定义 运筹学一词来源于史记中“运筹帷幄之中，决胜千里之外”。它的萌芽最早出现在中国。运筹学作为一门数学学科，是在第二次世界大战期间形成的。但究竟什么是运筹学，目前尚无统一定义。通常比较流行的说法有以下几种。,1.1 运筹学概述,976年美国运筹学会关于“运筹学”的定义：“运筹学是研究用科学方法来决定在资源不充分的情况下如何最好地设计人机系统，并使之最好地运行的一门学科”。 1978年联邦德国科学辞典上的定义：“运筹学是从事决策模型的数学解法的一门科学。” 英国运筹学杂志上的定义：“运筹学是运用科学方法（特别是数学）来解决那些在工业、商业、政府和国防部门中，有关人力、机器、物质、金钱等大型系统的指挥和管理方面出现的问题的科学，目的是帮助管理者科学地决策其策略和行动。” 中国大百科全书（自动控制与系统工程）中有关“运筹学”的定义：“用数学的方法研究经济、民政和国防等部门在内外环境的约束条件下合理调配人力、物力、财力等资源，使实际系统有效运行的技术科学。它可以用来预测发展趋势、制定行动规划或优化可选方案。” 中国企业管理百科全书中有关“运筹学”的定义：运筹学是“运用分析、实验、量化的方法，对经济管理系统中的人、财、物等有限资源进行统筹安排，为决策者提供依据的最优方案，以实现最有效的管理。”,1.1 运筹学概述,2运筹学的内涵实质 运筹学是一门利用科学方法，特别是使用数学方法去解决资源的分配和使用的学科。它的实质在于建立和使用模型。尽管模型的具体结构和形式会有差别，总是与其要解决的问题相联系，但是本书抛弃这些差别，从最广泛的角度抽象出它们的共性。 运筹学的工作过程如图5-1所示：,图5-1 运筹学的工作过程,1.1 运筹学概述,3运筹学的基本方法 运筹学属于应用数学范畴，具体地说，它是一门管理数学，是一种通过对系统进行科学的定量分析，从而发现问题、解决问题的系统方法论。与其他的自然科学不同，运筹学研究的对象是“事”，而不是“物”，它揭示的是“事”的内在规律性，研究的是如何把事情得更好的方式方法。 运筹学解决问题的一般过程如下：确定问题（提出界定问题）问题导向适当选择（构造OR模型）模型求解（优化求解过程）检查模型的有效性（进行解的评价）考察执行情况（提供决策支持）。,1.2 服务科学与运筹学的关系,“服务科学”是以现代服务业为背景而兴起，融合了计算机科学、运筹学、经济学、产业工程、商务战略、管理科学、社会和认知科学以及法律等诸多科学的，研究发展以服务为主导的经济活动所需的理论和技术的一门新兴科学。 运筹学主要研究经济活动和军事活动中能用数量来表达的有关策划、管理方面的问题。事实上，服务管理和创新也需要运用运筹学的相关理论和知识。因此，从这种意义上来说，运筹学在服务科学的发展中起到了数学基础的作用，而服务科学则是运筹学在新世纪发展的一个重要应用方向。,1.3 运筹学在服务科学中的地位,1运筹学是服务科学研究的基础 通过应用运筹学可以快捷、高效地解决服务科学的各种复杂问题。因此，运筹学在服务科学研究中起到了基础支点的作用。 2运筹学是服务科学的关键 现在服务的趋势是越来越注重于人的主观情感、心理、个人偏好选择等方面，而且也越来越把科学精确的定量方法与定性的偏行为性的主观理念方法相结合。因此，从这个意义来说，运筹学是服务科学的关键。 3运筹学是服务科学的重要组成部分 服务科学实质上是一门综合复杂的学科体系。在这个学科体系中，包含了诸如计算机科学、运筹学、经济学、产业工程、商务战略、管理科学、社会和认知科学以及法律等众多科学。因此，运筹学本身就包含于服务科学中，是服务科学的重要组成部分。,1.4 运筹学在服务科学中的应用,运筹学的应用是十分广泛的。在服务科学领域中，运筹学在服务科学中的应用主要体现在以下几个方面： 1数学规划论在现代服务中的应用 2存储论在现代服务中的应用 3图与网络分析在现代服务的应用 4对策论（博弈论）在现代服务的应用 5排队论在现代服务的应用,运筹学的产生和发展,第二节,2.1 运筹学的产生,1运筹学的军事起源 一战、二战期间运筹学在避免潜艇攻击问题、雷达站研究工作、反潜艇研究、战斗机炮弹的合理载荷量问题、战斗机中队援法决策等案例中发挥了巨大的作用。 2运筹学的管理起源 优选问题，机构设置、权限、工厂布局、计划问题，刺激性工资制问题 3运筹学的经济起源 宏观经济优化的控制论模型、二人零和对策问题等,2.2 运筹学的发展,1第二次世界大战后的蓬勃发展时期 1945年到20世纪50年代初，运筹学的创建时期； 整个20世纪50年代，运筹学的成长时期； 自20世纪60年代开始，运筹学迅速发展和开始普及； 220世纪70年代后的衰落（运筹学从20世纪70年代起进入了一个衰落阶段） （1）运筹学的先天不足在后期发展中逐步显现 （2）宏观环境的复杂化是造成衰落的外因 （3）其他替代因素的出现 320世纪80年代后软运筹学的出现 4运筹学的发展趋势,运筹学的基本理论与内容,第三 节,3.1 数学规划论,1线性规划 线性规划问题的数学模型的一般形式：列出约束条件及目标函数；画出约束条件所表示的可行域；在可行域内求目标函数的最优解。 2整数规划 整数规划是一类要求问题中的全部或一部分变量为整数的数学规划。在线性规划问题中，有些最优解可能是分数或小数，但对于某些具体问题，常要求答案必须是整数。 3运输问题 运输问题是一类具有特殊结构的线性规划问题。现已发现的运输型问题有六类：一般运输问题、网络运输问题、最大流量问题、最短路径问题、任务分配问题、生产计划问题,3.1 数学规划论,4非线性规划 在实际问题中，所列出的约束条件或目标函数为设计变量的非线性函数，求解问题的数学方法就称为非线性规划。 5动态规划 动态规划是运筹学的一个重要分支，是求解决策过程最优化的数学方法。动态规划算法通常用于求解具有某种最优性质的问题。在这类问题中，可能会有许多可行解。其基本思想也是将待求解问题分解成若干个子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解。 6目标规划 目标规划是以线性规划为基础发展起来的，其核心问题是确定目标，然后据以建立模型，求解目标与预计成果的最小差距。,3.2 存储论,存储论又称库存论，在经营管理中，为了促进系统的有效运转，往往需要对零部件、器材以及其他物资保障条件维持合理的储备。存储论就是研究在什么时间，以多大数量，从什么来源保证这些储备，并使得为保存合理的库存量和补充采购所需的总费用最小的理论。存储论是研究物资储备的控制策略的理论。,3.3 图与网络分析,运筹学中把一些研究对象用节点表示，对象之间的关系用连线边表示。用点、边的集合构成图。图论是研究有节点和边所组成图形的数学理论和方法。图是网络分析的基础，根据具体研究的网络对象（如铁路网、电力网、通信网等），赋予图中各边某个具体的参数（如时间、流量、费用、距离等），规定图中各节点代表具体网络中任何一种流动的起点、中转点或终点，然后利用图论方法来研究各类网络结构和流量的优化分析。网络分析还包括利用网络图形来描述一项工程中各项作业的进度和结构关系，以便对工程进度进行有效控制。,3.4 对策论,对策论也称博弈论，对策即是在竞争环境中做出的决策，决策论即研究决策的问题，对策论可归属为决策论，它们最终都要做出决策。 决策多种多样，有的复杂有的简单，按照不同的标准可化分为很多种类型，其中按决策问题目标的多少可分为单目标决策和多目标决策。单目标决策目标单一，相对简单，求解方法也很多，如线性规划、非线性规划、动态规划等。多目标决策相对而言复杂得多。,3.5 排队论,排队论也称随机服务理论，主要研究各种系统的排队队长、等待时间和服务等参数，解决系统服务设施和服务水平之间的平衡问题，以较低的投入求得更好的服务。 排队论起源于20世纪初的电话通话。19091920年丹麦数学家、电气工程师爱尔朗（A. K. Erlang）用概率论方法研究电话通话问题，从而开创了这门应用数学学科，并为这门学科建立了许多基本原则。20世纪30年代中期，当费勒（W. Feller）引进了生灭过程时，排队论才被数学界承认为一门重要的学科。在第二次世界大战期间和第二次世界大战以后，排队论在运筹学这个新领域中变成了一个重要的内容。20世纪50年代初，堪道尔（D. G.Kendall）对排队论作了系统的研究，他用嵌入马尔柯夫（A. A. Markov）链方法研究排队论，使排队论得到了进一步的发展。1951年，他用3个字母组成的符号A/B/C表示排队系统。其中A表示顾客到达时间分布，B表示服务时间的分布，C表示服务机构中的服务台的个数。一般用D表示定长分布，用M表示指数分布，用Geo表示几何分布，用Er表示r阶的爱尔朗分布，用HR表示R相超过指数分布，用G表示一般分布。,信息不对称理论,第四 节,4.1 信息不对称理论概述,1信息不对称理论的定义 信息不对称理论是指在市场经济活动中，各类人员对有关信息的了解是有差异的；掌握信息比较充分的人员，往往处于比较有利的地位，而信息贫乏的人员，则处于比较不利的地位。信息不对称理论认为：市场中卖方比买方更了解有关商品的各种信息；掌握更多信息的一方可以通过向信息贫乏的一方传递可靠信息而在市场中获益；买卖双方中拥有信息较少的一方会努力从另一方获取信息；市场信号显示在一定程度上可以弥补信息不对称的问题；信息不对称是市场经济的弊病，要想减少信息不对称对经济产生的危害，政府应在市场体系中发挥强有力的作用。这一理论已经成为现代信息经济学的核心，被广泛应用到从传统的农产品市场到现代金融市场等各个领域。,4.1 信息不对称理论概述,2信息不对称理论的产生 信息不对称这一现象早在20世纪70年代便受到三位美国经济学家约瑟夫斯蒂格利茨、乔治阿克尔洛夫和迈克尔斯彭斯的关注和研究，它为市场经济提供了一个新的视角。三位经济学家分别从商品交易、劳动力和金融市场三个不同领域研究了这个课题，最后殊途同归。 （1）阿克尔洛夫的研究商品交易市场领域 （2）斯宾斯的研究劳动力市场领域 （3）斯蒂格利茨的研究金融市场领域,4.2 信息不对称理论的基本内容和意义,1信息不对称理论的基本内容 信息不对称理论是微观信息经济学研究的一个核心内容，用来说明在不完全信息市场上，相关信息在交易双方的不对称分布对市场交易行为的影响及由此产生的市场运行效率问题。传统经济学基本假设前提中，重要的一条就是“经济人”拥有完全的信息。实际上人们早就知道，现实生活中市场主体不可能占有完全的市场信息。信息不对称的条件下，代理人为了自身利益可能凭借自己的信息优势选择对委托人不利的行为，从而引发信息不对称理论中的两个核心问题逆向选择和道德风险。逆向选择是研究事前不对称信息的博弈模型，指掌握信息较多的一方利用对方对信息的无知而隐瞒相关信息，获得额外利益，客观上导致不合理的市场分配行为。道德风险是研究事后不对称信息的博弈模型，指占有信息优势的一方为自身利益而故意隐藏相关信息，对另一方造成损害的行为。,4.2 信息不对称理论的基本内容和意义,2信息不对称理论的意义 传统的经济学理论通常假设市场交易双方都具有完全的信息，然而，在现实经济活动中，经济行为主体在大多数情况下不仅不具备完全信息，而且发现信息的能力也十分有限，所以其决策行为面临许多的不确定性，这与传统的经济学理论的完全信息假设发生了直接冲突。信息不对称问题理论恰恰正是在弥补传统的经济学理论的漏洞的基础上，推动了现代经济学理论的新发展。 （1）信息不对称理论是对传统经济学的重大突破 由于信息不对称问题的存在可能造成信息占有优势一方经常会作出“败德行为”和信息占有劣势一方面临交易中的“逆向选择”，这两种行为的直接后果是扭曲了市场机制的作用，误导了市场信息，造成市场失灵。因此，必须设计最优的市场体制方案来防止信息不对称问题带来的“市场失灵。,4.2 信息不对称理论的基本内容和意义,（2）信息不对称理论促使了行为经济学的诞生 由于人的经济行为在很大程度上是人的心理活动的反映，而交易双方的信息不对称正是由于人们心理活动的“屏蔽性”造成的。因此，在研究信息不对称问题时，有必要研究造成这种信息不对称的心理行为动机及由此引起的经济利益。信息不对称理论的出现，实际上标志着经济学开始从建立在许多严格假设基础上推导出来的脱离实际的一套“空中楼阁”似的理论模型，向基于现实经济生活的理论解释转移。 （3）信息不对称理论推动了博弈论的发展 交易双方的信息不对称问题是由于人们心理活动的“屏蔽性”造成的。因此，交易双方实际是在进行心理上的博弈，为了各自的经济利益进行较量，而这种较量本身是以信息不对称为前提的。因此，对信息不对称问题的研究在一定程度上对博弈论的发展起着重要的推动作用。,4.2 信息不对称理论的基本内容和意义,（4）信息不对称理论促使人们对信息重新认识 传统经济理论认为收益就是劳动成果或产出，然而人们很少想到信息不对称问题在一定程度上的减少就意味着一项收益。因为信息不对称现象的存在使人们在决策时面临着许多不确定性，而这种不确定性的减少必须付出经济成本。因此，这种经济成本的减少也就是增加了收益，这也是“信息就是财富”的又一有力证据。另外，信息不对称问题的存在说明了信息传递的重要性，因为交易中存在信息不完整和信息不对称，所以，人与人之间需要沟通与对话以传递信息，这样交易双方才能取得交易的成功，从而自由市场机制才能有效发挥作用，防止出现市场失灵。,4.3 信息不对称理论在服务科学的应用,20世纪90年代以来，信息技术的迅猛发展给服务管理带来了新的机遇和挑战。服务行业如何把握机遇、迎接挑战将成为学术界和实务界共同关注的焦点。事实上，完全达到信息透明仍然是不可能的，因此，信息不对称理论在促进现代服务行业的发展上仍然有着重要的意义。信息不对称的服务行业要健康发育，需要基于供需双赢的理念，规模化地发展定制服务并探索服务外包、服务租赁、服务期权、服务股权等方式。信息不对称理论在服务行业的发展应用主要体现在以下几方面。 1定制服务规模化 服务的大规模定制如同其他产品的规模定制一样，要求服务产品的相对模块化、相对标准化。而且，模块化与标准化也为服务品质的量化和价格机制形成创造了一定条件。就此而论，服务企业推出尽管还不够个性化的标准服务产品，是通向规模化并塑造服务品牌的正确的过渡办法，而在对服务的大规模需求出现前，过度强调服务市场的一对一营销，并非适宜的选择。,4.3 信息不对称理论在服务科学的应用,2创新服务 斯蒂格利茨研究的是在信息不对称的市场中，不具备信息的一方如何调整合同的形式从而“筛选”有信息的一方。因为服务的效果依赖于具体实施，服务的信息不对称就不只是单向的，而是双向的。一方面，供给方提供的服务对需求方而言信息不充分，其购买意向存在价格疑虑，另一方面，就实施过程而言，需求方即应用方的实际操作，对于服务的供方信息也是不充分的。如果实施效果不好，双方可相互推诿责任，但这是谁也不愿看到的结果。事实上，对于实施效果，双方都存在风险；对于成功的实施，双方都有贡献。合理的办法是风险共担、利益共享。因而服务的购买就可结合实施的效果情况，对由此带来的成本节约、效率提高、管理有效及机会增加给予合理量化（尽管这非常困难，但并非不可能），并采取有限期分成等方式。,复杂系统与复杂性科学,第五 节,复杂性科学是一种新兴的边缘交叉学科，国外有学者称复杂性科学是科学史上继相对论和量子力学之后的又一次革命，国内成思危教授认为它是系统科学发展的一个新阶段。复杂系统和复杂性科学的出现极大地促进了科学的纵深发展，使人类对客观事物的认识由线性上升到非线性、由简单均衡上升到非均衡、由简单还原论上升到复杂整体论。因此，复杂性科学的诞生标志着人类的认识水平步入了一个崭新阶段，是科学发展史上又一个新的里程碑。复杂系统与复杂性科学实质上也是现代运筹学的一个重要领域。,5.1 复杂系统和复杂性科学概述,1复杂系统概述 （1）定义：复杂系统是相对牛顿时代以来构成科学事业焦点的简单系统而言的，两者具有根本不同。简单系统通常具有少量个体对象，它们之间的相互作用比较弱，或者具有大量相近行为的个体（比如封闭的气体或遥远的星系）以至于能够应用简单的统计平均的方法来研究它们的行为。而复杂并不一定与系统的规模成正比，复杂系统要有一定的规模，但也不是越大越复杂。另外复杂系统中的个体一般来讲具有一定的智能性，例如组织中的细胞、股市中的股民、城市交通系统中的司机、生态系统中的动植物等，这些个体都可以根据自身所处的部分环境通过自己的规则进行智能的判断或决策。根据以上描述，可以得到复杂性科学中对复杂系统的描述性定义：复杂系统是具有中等数目基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的系统。,5.1 复杂系统和复杂性科学概述,1复杂系统概述 （2）复杂系统的特点 （a）简单系统 （b）无组织的复杂系统 （c）有组织的复杂系统 （a）简单系统，特征是元素数目特别少，因此可以用较少的变数来描述，这种系统可以用牛顿力学加以解析。 （b）无组织的“复杂”系统，特征是元素和变量数很多，但其间的耦合是微弱或随机的，即只能用统计的方法分析。热力学研究的对象一般就是这样的系统。 （c）有组织的复杂系统，特征是元素数目很多，且其间存在着强烈的耦合作用。,5.1 复杂系统和复杂性科学概述,复杂性科学所感兴趣的正是最后一种有组织的复杂系统。因为对于第一种系统来说，传统的牛顿力学范式的分析方法已经给出了这类系统行为的很好解释。而对于第二类系统，由于其元素数目太多，必然是元素间的耦合“失去”个性，从而能够用统计方法研究，成为一种简单的系统。所以，复杂系统的元素并不是多就复杂，只用具有中等数目大小的系统才是一个有趣的系统，也才是一个复杂的系统。 智能性和自适应性意味着系统内的元素或主体的行为遵循一定的规则，根据“环境”和接收信息来调整自身的状态和行为，并且主体通常有能力根据各种信息调整规则，产生以前从未有过的新规则。 局部信息，没有中央控制意味着在复杂系统中，没有哪个主体能够知道其他所有主体的状态和行为，每个主题只可以从个体集合的一个相对较小的集合中获取信息，处理“局部信息”，做出相应的决策。 另外，复杂系统还具有突现性、不稳性、非线性、不确定性、不可预测性等特征。,5.1 复杂系统和复杂性科学概述,（3）复杂系统的研究方法 面对复杂系统，人们是如何进行分析和研究的呢？一种方法是利用计算机仿真的方法通过模拟复杂系统中个体的行为，让一群这样的个体在计算机所营造的虚拟环境下进行相互作用并演化，从而让整体系统的复杂性行为自下而上地“涌现”出来。这就是圣塔菲（Santa Fe）研究所研究复杂系统的主要方法。不妨称这种方法为自下而上的“涌现”方法。另一方面，人脑面对复杂系统可以通过有限的理性和一些不确定信息做出合理的决策，得到满意的结果，因此，研究人脑面对复杂系统时如何解决问题，则是另一种“自上而下”的解决问题的方法，不妨称这种方法为“控制”方法。下面用经济系统来举例说明这两种方法的差异。,5.1 复杂系统和复杂性科学概述,经济系统是一个复杂系统，每一个人构成了系统的元素，他们根据自己的决策规则选择合适的时机进行买卖经济活动。按照“涌现”的方法研究这样的系统，就是要在计算机上实现一个模拟的交易市场，并且创造若干相互买卖的虚拟“人”，每个“人”都用计算机编好的规则进行买卖的决策，虽然现实中的人用到的决策规则远远比计算机模型中的“人”的模型复杂得多，但是这样的近似还是有意义的，因为当若干个体组合在一起构成系统的时候，宏观经济系统的一些现象就会自下而上的“涌现”出来，这些涌现出来的现象在很多方面还是客观反映真实经济系统的。 按照“控制”的观点，可以通过找到几个宏观经济系统的指标量，比如GDP、价格指数、失业率等，然后根据这些经济指标累计学习系统运作的规律，通过一段时间内系统地运作，不难积累一些经验，这些经验就可以构成描述经济系统运作的规则。然后，就可以按照找寻出来的经济系统的规则对经济系统进行控制。在这里需要指出的是，宏观经济规律的把握并不破坏复杂系统中局部信息的性质，因为对于经济系统的规律把握是在高于经济系统个体层次的基础上进行的。可以认为政府具有这种高层次的性质，也就是说它不是严格意义上经济系统中的主体。,5.1 复杂系统和复杂性科学概述,2复杂性科学概述 复杂性科学是用以研究复杂系统行为与性质的一门方兴未艾的交叉学科。虽然它还处于萌芽时期，但已被有些科学家誉为“21世纪的科学”。它的研究重点是探索宏观领域的复杂性及其演化问题。它涉及数学、物理学、化学、生物学、计算机科学、经济学、社会学、历史学、政治学、文化学、人类学和管理科学等众多学科。之所以被称为复杂性科学，似乎有多种理由，其中之一是由于它具有统一的方法论整体论或非还原论。因此，复杂性科学被称为整体论科学或非还原论科学，也有人把它看作是与简单性科学相对立的科学。 复杂性科学的产生是为了避免传统还原论科学的局限性，还原论方法论具备三个特征：本体层面，事物有组成结构和层次 。,5.2 复杂系统和复杂性科学的基本原理,总结目前的研究成果，本书认为复杂系统和复杂性科学的基本原理主要有以下一些。 1整体性原理 由于复杂性科学的研究对象是非线性经济系统，传统的叠加原理失效，因此。不能采用把研究对象分成若干个小系统分别进行研究、然后进行叠加的办法，而只能从总体上把握整个系统。 2动态性原理 复杂系统必然是动态系统，即与时间变量有关的系统。没有时间的变化，就没有系统的演化，也就谈不上复杂性规律。 3时间与空间相统一原理 复杂性科学不但研究系统在时间方向上的复杂演化轨迹，而且还试图说明系统演化的空间模式。,5.2 复杂系统和复杂性科学的基本原理,4宏观与微观相统一的原理 复杂性科学认为，经济系统宏观变量大的波