从西方近代到现代西方运筹学发展的历史回顾

从西方近代到现代西方运筹学发展的历史回顾

运动在英国称为行动研究，在美国称为行动研究，并在中国和台湾进行了行动研究。1957年，《史记高祖本纪》中的词被翻译成运动（以下简称“或”）。它作为20世纪新兴的一门学科,至今已走过了五十多年的历程。因此有必要对其发展的历史做一次回顾,以弄清它产生和发展的社会背景,梳理出其发展的逻辑。这对于展望其未来发展具有重要的指导意义。一、治疗流体的a社会学学科关于运筹学是什么,学术界曾分别由P.M.Morse与G.E.Kimball、R.L.Ackoff与E.L.Arnoff、S.Beer提出过三个典型的定义。P.M.Morse与G.E.Kimball认为运筹学就是“一种科学方法,提供执行者有关他们管辖下的作业的一些计量性的决策基础”。R.L.Ackoff与E.L.Arnoff则认为:运筹学是“将科学的方法、技术与工具应用于系统的作业上使管辖下的作业问题获得最佳的解决”。最为全面的定义由S.Beer给出,他以为运筹学是“一种近代科学的研究,研究人、机器、材料与资金在其周围环境中所发生的有关管理与控制的概率性承担意外风险问题。其独特的技术是根据情况利用科学模式,经由量测、比较以及对可能行为的预测而提出一个管制策略。”根据这三个定义可以归纳出运筹学学科的基本内涵:1.研究对象是有组织的系统,解决的是其中的管理问题。2.应用的工具是科学的方法、技术与工具。其中以模型方法与数学定量方法运用最多。“其应用范围仅限于科学方法可以完满应用的范围。”服务的对象是决策者与执行者,提供一个有效、实用的决策方案,作为其决策判断的依据。3.最终目的是使有组织系统中的人、财、物和信息得到最有效的利用,使系统的产出最大化。运筹学范畴的基本内涵决定了它借以区别于其他科学学科的主要特征:第一,系统导向性,重视改善系统部分与整体间的关系。其次,多学科性。其中包括所涉及的问题领域的多学科性、应用方法的多学科性、团队的多学科性。第三,重视效益与费用的比较,在降低成本费用的基础上追求系统效益和产出的最优化。运筹学经过50多年的发展,已经形成了自己相对完善的学科理论体系(见图1)。该学科研究的程序为:1.明确问题(可采用观察、类比、运作分析、运作实验、虚拟事实等方法);2.构造模型(通常分为确定性、随机性、决策性三种模型,有直接分析、类比、数据分析、试验分析、构想五种构造方法);3.提出解决方案;4.检验模型与方案;5.应用与控制方案。常见的几种重要的OR问题类型主要有:1.分配;2.库存;3.更新与维护;4.排序与协调;5.排队;6.网络路线;7.竞争性问题;8.搜索问题,等等。运筹学⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪搜索论数学规则⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪线性规划非线性规划无约束优化方法约束优化方法几何规划整数规划多目标规划不动点算法组合最优化投入产出分析排队论库存论决策分析对策论计算机模拟可靠性数学理论马尔可夫决策过程军事运筹学⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪对抗模拟兰彻斯特理论火力运用理论指挥控制模型⋯⋯{搜索论数学规则{线性规划非线性规划无约束优化方法约束优化方法几何规划整数规划多目标规划不动点算法组合最优化投入产出分析排队论库存论决策分析对策论计算机模拟可靠性数学理论马尔可夫决策过程军事运筹学{对抗模拟兰彻斯特理论火力运用理论指挥控制模型⋯⋯图1运筹学的学科体系二、作者角度:缺乏独立研究团队,影响到or研究深度运筹学经历了一个从无到有、逐渐成熟的发展过程。按其在不同时期所表现出的特点,可将其发展划分为如下四个阶段:(一)一战时期的萌芽关于OR的思想自古有之。田忌赛马即为一个典型的运用对策论思想解决问题的范例。欧拉早在1736年便用图论思想成功解决了哥尼斯堡七桥问题。但现代OR思想则出现于一战期间。1916年英国工程师F.W.Lanchester在《战斗中的飞机》一文中,首先提出用常微分方程组描述敌对双方消灭过程,定性地说明了集中兵力的原理。Erlang在20世纪初期发展了排队论,提出了一些著名的公式,并将之应用于哥本哈根电话交换机的效率研究。天文学家HoraceC.Levinson在20年代开始运用运筹思想研究零售问题,分析了商业广告和顾客心理。英国生理学家希尔为首的英国国防部防空试验小组在一战期间开展了高射炮利用研究。英国人莫尔斯(Morse)建立的分析海军护航舰队损失的数学模型,也是最早进行的OR工作。一战前后所做出的努力、积累的经验和探索的结果为OR日后的发展奠定了基础。但是“……在这些先驱者参加到前面所述的从历史流注出的活动和知识的长河中去之前,他们一直都是独立的。”这一时期OR的发展处于摸索之中,理论思想尚在萌芽阶段,未能获得较快发展。探究其原因主要有以下几个:1.研究人力不足,数量微不足道。研究工作的开展多凭个人兴趣和单兵作战。而运筹问题的复杂性和综合性,要求研究人员具有很高的科学知识素养和全面的知识储备。依赖科学家个人力量进行研究,显然不能满足解决问题的需要。这种要求只能借助于组建OR团队来满足,由团队中不同专业的成员各负责问题的一个方面,便可避免只及一点、不及其余的片面性后果。但当时组建OR团队的客观条件尚不具备。2.搜集途径与分析手段有限,致使资料信息获取不足、利用率不高。解决OR问题的一个关键是在搜集资料信息的基础上明确问题。该时期独立研究的特点,决定了OR工作者没有足够能力和精力全面搜集与问题相关的资料、信息。同行间经验与理论的交流、研讨活动极少,很难获取别人的有益经验、分享前沿的研究成果,更谈不上协作研究或组成研究团队。要想透过资料和信息的表面、把握问题实质,需要掌握不同专业的技术和方法,并将之运用于不同的学科领域和研究对象,这具有较大难度。因此该时期方法移植的成功范例屈指可数。由于缺乏可用的分析工具和手段,即使是搜集到的数量有限的资料与信息,也很难得到科学处理并获得有效结论。3.研究经费与物力严重匮乏。这正是独立研究与另外两种形式——集体合作式研究和国家出面组织的研究相比的显著弱势所在。OR问题通常比较复杂,因此需要拥有强大的财力、物力支持。靠OR研究者个人或小规模研究机构的力量显然难以满足。这无疑在很大程度上限制了OR研究的深度。以上原因致使一战前后,只有很少的研究成果产生。它们只是OR发展中的初级产品,实际应用范围很窄,效果亦不显著,虽然对后来的理论发展起到了探索和奠基作用,但离构建完整的理论体系还有很大距离。可见OR要想被社会关注和认可、并获得发展所需的足够财力、物力、人力、信息等资源,走上健康发展的轨道,则尚有待时日。(二)二战时期的兴起“我们应该认定作为一个有条理的专业领域的OR起源,是从第二次世界大战中分析家的工作开始的一段连续历史计算。”1935~1938年被视作OR基本概念酝酿期。1935年,英国为防御德国战机袭击,在英国东海岸的奥福德纳斯(Orfordness)装备了雷达。使用中发现所传送的信号间常常相互矛盾。为此,1938年在波德塞(Bowdsey),由A.P.Rowe负责组建了一个研究机构,以教军事领导人学会用雷达定位敌方飞机。Rowe和RobertWatsonWatt爵士主持了最早的两个雷达研究,并将之命名为OperationalResearch。波德塞被称为OR的诞生地。该研究机构的建立标志着现代OR的开端。1939年9月,英国空军为了延长雷达首次预警与敌机袭击之间的时间间隔,将波德塞OR小组领导人之一的E.C.Williams调至皇家空军作战指挥部的新工作组(由HaroldLander领导)。之后,皇家空军轰炸指挥部、海岸指挥部和英军防空指挥部均建立了OR工作组(其中由B.A.Dickins领导皇家空军轰炸指挥部)。1940年秋,由于德国战机对英国的夜间空袭,物理学家P.M.S.Blackett加入防空指挥部,组建了运筹工作组——著名的“Blackett马戏团”。1941年12月,Blackett被咨询有无可能为海军建立运筹工作组。次年1月,他转到海军从事OR创建工作。防空指挥部的OR工作组遂成为英国OR工作组的核心。美国投入战争后,海军和陆军空战兵团均注意到了作战指挥部成功使用科学家的情况。1941年12月,Blackett的备忘录《运作水平上的科学家》在美军各部广泛流传。1942年,OR的命名人之一的RobertWatsonWatt爵士访美,倡议并实际推动了OR介绍到美国。与此同时,在伦敦的美国观察家早已将英国的OR相关工作情况汇报至国内。1942年,美军在大西洋舰队反潜艇战官员W.D.Baker船长的请求下成立了反潜艇战运筹组(后更名并隶属于海军总部司令部的运筹组),由PhilipW.Morse负责计划、监督,WilliamShockley出任研究部主任。在美国陆军空战兵团,由开业律师W.BartonLeach在学习英国经验后,组织成立了20多个作战分析小组。1942年,加拿大皇家空军由磁学权威EllisA.Johnson领导组建了3个OR小组,主要解决地雷战问题,应用于进攻性战术。二战中,“即使保守地估计一下,在英国、美国和加拿大机构中服务的总人数远远不止七百名。他们的活动种类很多,这里无法概括。其中,不仅有前面提到的技术援助、战果评价和战术革新等部分,还有把这部分知识应用于战术计划和战略选择的部分。”随之产生的理论成果主要有线性规划、整数规划、图论、网络流、几何规划、非线性规划、大型规划、最优控制理论等。OR在二战中的兴起有其客观依据,而绝非偶然:1.战争产生了对OR的社会需求。恩格斯说过:“社会一旦有技术上的需要,则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”战争中出现了大量需要研究的课题,如雷达预警、地雷战、反潜艇战、搜索、兵力部署、舰队运输、军队日常、后勤保障等等。它们在战争条件下具有时间紧迫性和实用性,亟须获得正确解答。2.军队拥有优越的人才条件。OR的多学科性特点,需要有各种专业人才就某一具体问题组成OR小组;定量化、模型化的特点决定它对人员的数学解答能力有较高要求。军队人力资源丰富,集中了各种各样的专家,而且都具备扎实的数学功底。故OR出现在战时的军队中是很自然的事。3.战争中以国家力量组织研究,使OR拥有了发展必需的物质条件。与个人和其他非政府力量相比,国家出面开展运筹研究,更容易调配各种资源以集中解决某一特定问题。有国家的财力、信誉和强制力作保证,不至于使许多在研课题捉襟见肘,亦可避免短视行为的产生。(三)二战后的蓬勃发展战后,OR的重心开始转移,逐步民用化。在英国,大量OR工作者由军队转至政府及产业部门。最早的工业OR队伍出现在国家煤炭委员会,继而是电力、交通两个国有部门先后在很短时间内组建了OR小组。部分私营产业,尤其是有合作研究协会的产业,如英国钢铁研究协会(BISRA),也陆续创立OR小组。最初几年,工业OR发展较谨慎,绝大多数队伍规模都不大。50年代后期,因美国发展的刺激,英国的工业OR发展大大提速。OR被广泛应用于政府机构、国有部门、企业界。“至1963年,应用运筹学的行业已有飞机和导弹制造、玻璃、金属、矿业、包装、造纸、炼油、照相器材、印刷和出版、造鞋、纺织、烟草业、运输、木材加工、餐业和民意调查等。很多大企业都设有自己的专业运筹队伍和小组,如ICI、NCB、UnitedSteel、EnglishElectric,BISRA、Unilever等。至1970年,运筹已渗入到几乎所有的政府部门和机构。”美国工业部门到了50年代前期,才开始认真对待OR。同一时期还出现了广泛的系统问题。而计算机的出现则让人们意识到了解决这些问题的潜力。在整个50年代里,约一半大公司开始运用OR。而各国军事部门则仍然保留着原有的研究核心,运筹组织更加规范化。美国海军和空军都建立了作战分析评价小组,空军成立了RAND计划(即兰德公司的前身),联军参谋部亦组建了武器系统评价组,其规模与研究范围均扩大许多。此时,英国和加拿大军事部门的OR也在以较小的规模发展。1956年,钱学森、许国志等人率先将OR介绍入中国,并加以推广。其“应用是在1957年始于建筑业和纺织业……从1958年开始在交通运输、工业、农业、水利建设、邮电等方面都有应用。尤其是在运输方面,从物资调运、装卸到调度等。”1958年,由于应用单纯形法解决粮食合理运输问题时遇到了失败,我国OR工作者创造了运输问题的“图上作业法”。而管梅谷则提出了“中国邮路问题”的解法。根据科学社会学的观点,判断一门学科独立存在的标准是其拥有自己的学术团体、独立的专业队伍、学术期刊、被纳入高等教育体系(拥有独立的学位、学衔)。1948年OR已大致具备了上述条件。1.学术团体的出现。1948年4月,英国运筹学俱乐部的成立标志着OR学术团体的建立。该组织于1953年11月10日更名为运筹学会。1949年,美国国家研究会OR委员会成立。1952年,经两次在麻省的剑桥聚会,5月26日美国运筹学会(ORSA)宣告成立。目前该学会拥有约8000名会员。之后,许多国家级OR学术团体纷纷出现。1957年9月,21个国家的250名代表参加了在牛津大学召开的第一届国际OR会议。1959年,英、美、法三国运筹学学会倡导并成立了国际运筹学会联合会(IFORS)。2.专业队伍。由于OR处理问题的多学科性特征,最初的OR研究人员都是从其他学科转行而来的,主要来自数学、工程、物理、行为科学和生命科学等学科。来自此外的其他学科的人数较少,但都有一定代表性。OR问题涉及的领域与学科较广,故需要建立OR小组、并由小组成员各负责问题的一面。比如,著名的“Blackett马戏团”就是由2个生理学家、2个物理学家、1个军官、1个前测量员组成,之后又有1个普通物理学家、2个数学家和第3个生理学家加入。和大多数技术科学与应用科学一样,OR后来也出现了专业工作者研究方向上纯应用、纯理论两极分化的现象。最终其队伍演变为两大类:一类人员处理运作水平上的问题。其个人知识面宽、熟悉并能解答OR难题的大多侧面,很大程度上取代了OR专家小组的地位,从而满足了雇主减少雇佣成本、迅速得到满意解的要求。另一类则成为长期向OR学科内深入探索的理论专家,他们往往服务于学术机构。其存在及数量的增多与学术界奖励创造性研究成果的发表是密不可分的。3.学术期刊。1950年3月,由MaxDavis、R.T.Eddison主编的《运筹学季刊》(OperationalResearchQuarterly)——英国OR俱乐部的会刊,作为第一个OR学术期刊正式发行。随后《美国运筹学会刊》(JournalofORSA)在1952年出版(1956年更名为《运筹学》)。1954年美国分别出版的《海军后勤研究季刊》和《管理科学》也是与OR相关的学术期刊。1961年,IFORS出版了《国际运筹学文摘》。4.学术教育。1948年,美国麻省理工学院开设了第一个非军事OR技术课程。1952年第一套能授予硕士及博士学位的OR课程设置在Case理工学院建立。之后,美国约有30所大学开始介绍OR课程。50年代早期,Birmingham大学率先在英国开设了OR课程。1964年,新成立的Lancaster大学坐上了英国OR教育的第一把交椅。之后几年里,英国约有12个学校(多为著名大学,如伦敦经济学院)为研究生和本科生开设了OR课程,其中约一半学校设有OR科系。在多数拥有全国性OR学会的国家,该过程也在进行。OR教育的形式主要有:(1)正规教育。目前它包含着自概论课到博士课程的不同层次。早期OR主要面向工业应用,以求做出管理决策,故课程大多出现在大学工学院与管理学院。工学院中的OR课程较管理学院的有更高的数学要求。虽然也得到了行为科学、计算机科学、经济学等学科的支持,但这些课程被逐步包含在数学科学内,以至于现在OR常被视为应用数学的分支。(2)半正规教育。主要形式为大学与咨询公司的OR短训班。大学内的短训班起源于50年代中期,通常为时1~8周。从60年代末起,半正规教育的重心开始从大学转移至咨询公司,具体表现为咨询公司开设的为期2~3天的短训班数量不断增加,而大学内的则数目锐减。(3)非正规教育。它以个人自学阅读和学会举办的学术活动为主。这些活动通常采取发表与听取论文、交换情报、举办研究班与专题讨论会、访问讲师讲学等形式。(4)在职教育。主要是OR工作者从工作实践中学习并汲取资深同行的实际经验。这一阶段产生了许多实用的OR理论,如计算机模拟、成本-收益分析、系统分析等。搜索论、对策论和对策模拟、随机过程、排队论、价值论、决策分析、动态规划等随机理论也取得了长足的进步。战后OR之所以能得到迅猛发展,原因在于:1.战后全球经济不景气,要求优化资源利用。战争给参战国造成了严重的创伤。如何走出战争阴影、早日恢复经济,是摆在各国政府和企业面前的一个不可回避的问题。在众多可供选择的技术、方法中,OR的效果显著,因此有机会在战后重建工作中一显身手。2.国有化进程的展开和政府计划作用的不断强化,为OR提供了有利的生长土壤。西方国家在战后出现了大规模的国有化趋势,许多公共供应部门和产业(如煤炭、钢铁、电力、供水、航空、铁路、电讯等)都实施了国有化。其目的,在于发挥政府的作用进行规划,利用其有利条件,迅速集中资源、恢复产业发展。之前,政府计划功能的实施却不尽如人意,产生了许多短期行为。OR作为一个有力的计划工具,一俟被引入政府计划决策体系,便迅速、充分地展示了其魅力。3.战后的经济环境比较稳定,主要为卖方市场。企业以提高产量、扩大规模为主要目标。这类问题反映在OR中,表现为目标函数单一、约束条件少且线性化,正好落入当时已获得较完善发展的线性规划所解决的范围之内。而1947年单纯形法的发明又进一步推动了OR(特别是线性规划)在工商业界的广泛应用。4.二战中OR人才、实际应用经验与初步理论的积累为其战后的飞速发展奠定了坚实基础。战争实践锻炼了一大批运筹工作者。其实践与经验经整理归纳后形成初步理论。战争结束后,许多OR工作者转移到民用部门,使OR得以广为传播。5.专业学会的建立、专业教育体系的构筑、学术期刊的出版发行促进了OR知识和经验的传播交流、理论研究的深入开展,使得OR的影响大规模地扩散。6.企业规模的扩大,呼唤经验管理向科学管理的转变。规模扩大后的企业,组织结构复杂化,经营项目增多,经营地域扩大。如果仍依赖经验管理,只会导致效率低下。管理者便把目光投向当时已出现的理论成果,期望找到良方。OR作为以统筹规划见长的理论,便成为了首选。7.计算机的商业化应用为解答OR难题提供了迅捷的途径。计算机出现前,问题的解答对OR学科理论与实际应用的发展都构成了严重的障碍。一些约束条件较多的问题,用人工手算异常困难,极其费时。而运用计算机程序,则使其解答变得简单、快捷,为OR的发展创造了有利的技术条件。(四)70年代的衰落经历了战后“黄金时期”的飞速发展之后,OR从70年代起进入了一个衰落阶段:①从70年代起,它对企业经营管理的影响已大不如前。到了80、90年代,全社会各行业、部门内的OR小组关闭数目不断增多,呈逐年上升之势,艰难生存下来的、为数不多的小组也基本集中在政府、公共部门、制造业及运输业;大量的OR专业人员或转行、或被裁减。②OR的教育状况亦不容乐观。大学中的OR科系数目锐减,即使勉强支撑下来的也纷纷易名为商学院或管理学院。几乎没有直接叫OR的专业了,大多数改称管理科学。讲授的科目远远不及往日完善。师资流失严重,且无后续补充,兼具理论与实践经验的教师更是寥寥无几。OR学界陷入了极为严峻的生存危机之中。内因是变化的依据,外因是变化的条件。OR衰落的根本原因在于其内在缺陷的日益暴露、宏观环境的变迁和其他替代因素的出现:1.OR的先天不足在后期发展中逐步显现。它是在战争条件下依靠国家力量组织产生的。当时解决问题具有时间紧迫性和实用性,并且过于依赖政府的宏观组织和资源调配,因此导致了OR过于注重战术性和操作性、对环境变化没有较强的适应能力。由于缺乏对战略性与管理决策性的足够重视,导致了以下现象的出现:(1)视角局限于战术操作层面,使得OR工作者“匠气”十足。过多精力被放在模型构造与算法的精巧性、数学工具的完备性上,追求解决纯技术性的问题。加上学术期刊论文录用标准的不合理,学术研究被错误地引导朝着“重数学技巧、轻实际解决问题能力”的方向发展。(2)忽视了对经营管理问题的环境分析,不能用系统的观点来看待和解决实际OR问题,未认识到所需解决的大多为结构不良问题。当系统内外不确定性因素较多、并涉及人的因素(观点、利益不同时会出现多重目标)时,绝大多数OR工作者在思想和应用方法上都没有足够的准备,显得束手无策,相关理论创新与突破根本无从谈及。因此使得OR的适应性与实用性下降。(3)OR工作者缺乏对经营管理的正确理解,没有系统的经营管理知识和实际经验,个人素质没能及时跟上社会的实际需要,所以导致了视野褊狭,不能敏锐捕捉问题、正确把握问题实质,不能与服务单位保持良好关系,无法成功地推销自己的思想和方案。最终结果是工作脱离了管理决策的实际。2.宏观环境的复杂化是造成衰落的外因。70年代以来世界经济变化愈加频繁,不确定性大大增加,出现了前所未有的“滞胀”现象、普遍性的行业衰退与1973~1974年和1979~1980年两次世界性的石油危机。这些变化又引发了以下情形的出现:(1)“滞胀”的出现使得以国家干预经济为主要思想的凯恩斯主义,在西方经济思想体系中一贯的主导地位不复存在。政府采取各种措施均未能有效防止和消除高失业率与高通货膨胀率共同出现。理论界出现了一股反计划、反国家干预经济的思潮,提倡对市场经济自我调节的回归。OR强调从宏观上对经济资源做出合理计划、分配、使用,以达到全局最优。它的存在和发展与计划被重视的程度、国家干预经济能力的强弱息