运筹学第一讲起源与发展

第一讲：运筹学与管理科学概论#本讲的主要内容一、运筹学的产生与管理科学（ManagementScience）学派二、伯法与管理科学三、生产系统的决策四、决策的分类与次优化问题五、生产管理的分析方法六、生产系统的设计与控制七、管理科学的透视与展望#教学目的：使学生了解运筹学产生的背景与过程，对运筹学的全貌有一个全面的了解。了解运筹学从一种技术到一门学科再到一个管理流派的演变进程，从而加深对运筹学在管理学科的地位、作用与适用范围的理解。#学时数：四学时一、运筹学的产生与管理科学（ManagementScience）学派管理科学学派又被称为数量学派，是把数理方法用于管理的典范。管理学教科书上常常见到的量本利分析模型，按照约束条件区分决策的确定型、风险型、非确定型和博弈型，在计划和控制中使用关键线路法和计划评审法等网络技术，对生产过程进行系统分析和设计，甚至具体到库存管理和厂址选择等等，都属于这一学派。在管理学的发展史上，管理科学(ManagementScience)是一个充满争议的词汇。其争论的核心问题是：管理究竟是艺术还是科学。比如行为学派、系统学派、权变学派等，都强调管理中对人的激励、对环境的协调、和反馈机制。对管理科学学派的批评者主要认为管理的艺术成分多于定量的成分1、运筹学的萌芽运筹学（管理科学）的萌芽，来自于人们对数学的敬仰。从上古开始，人类就在苦苦探索着“数字化生存”的道路。中国古代的八卦，实际上就是来自于当时的数学。中国传统中对三、五、九等数字的迷信，“九五之尊”的至高无上等等，就反映了人类对数学的一种崇拜。西方也不乏用数学来解释世界的探索者。到了近代，这种对数学的推崇发展到高峰。17世纪的笛卡尔认为，世界上的一切客观存在都可以用数学描绘出来，包括人脑的思维活动也可以用数学加以解释。牛顿对数学和力学的贡献，运动定律和万有引力定律的发现，进一步使人们对世界的数学性确信无疑。马克思确信世界的数学性和数学的完美性，马克思曾断言道：一门科学，当它只有能够用数学方法表达的时候，它才是完美的。运筹学／管理科学萌芽已久。有人认为，公元前212年，叙拉古请阿基米德设计的用以打破罗马人海上封锁的计划，就可以看做是运筹学的开端。在中国，也有不少人认为，战国李冰父子在四川修建的都江堰，就是古代的系统工程。北宋真宗年间丁胃修皇宫的故事：取土、运料和处理垃圾的系统思维方法体现了运筹学的思想。我国古代的《孙子兵法》、春秋战国时代诸侯战争的案例：《围魏救赵》等、三十六计等都是对策论辉煌的篇章。管理学界公认的运筹学初创时间，几乎同科学管理运动同时。1909年，丹麦数学家厄兰(A.K.Erlang)，帮助电话公司解决了哥本哈根街道上的电话线继线问题，发表论文《概率论与电话会话》，成为创立现代排队论概念的先驱。1924年，贝尔实验室的道奇、罗米格、休哈特创造了统计抽样表，用于取样检验和质量控制，这是概率论用于管理的先声，但当时并未被人们所接受。到1928年，贝尔实验室的另一成员弗莱(T.C.Fry)，出版了《概率及其工程应用》，对排队论的统计基础理论做出了贡献。在这一方面成果较多的要数费希尔(R.A.Fisher)，他在1925年集中研究统计理论，提出了X平方测验、贝斯统计、抽样理论、试验设计等一系列统计方法。另外，1916年，英国的兰彻斯特(F.W.Lanchester)曾提出过军事行为中双方人力、火力数量与战争结果关系的计算公式，这是现代军事运筹最早提出的战争模型。同年，美国的爱迪生(ThomasA.Edison)也曾设计过一个海军作战程序，分析了商船在海战中走Z形路线的优缺点。但是，在当时的社会环境条件下，无论是在军事方面，还是在工商企业的管理方面，都对这些成果不屑一顾。数学方法和管理实践，在当时并未能够结合起来。但是，多数人认为，由于数学手段的局限性，特别是过去一直缺乏对不确定的模糊概念进行数学求解的方法，加之没有大型计算工具，所以，到19世纪为止，运筹学尚未能诞生。2、运筹学的诞生（二战中）运筹学／管理科学的真正诞生并投入实际应用，是在第二次世界大战期间。英国人在战争中最早采用运筹方法。1、当时，为了对付德国的空袭，解决英伦三岛的防空协同作战问题，英国成立了第一批运筹学小组(OperationalResearch，本意为作战研究，至今中国台港澳地区还把这一名词翻译为“作业研究”，大陆翻译为“运筹学”)。最有名的一个小组是由雷达的发明者、物理学家、诺贝尔奖获得者布莱克特(P.M.S.Blakett)领导的。这个小组的成员，包括三位生理学家，两位数量物理学家，一位天文物理学家，一位军官，一位大地测量学家，一位普通物理学家，两位数学家。他们成功地解决了伦敦的防空问题。2、美国也很快发现了运筹学的潜力，国防研究委员会主席科南特(JamesB.Conant)和参谋长联席会议新武器装备委员会主席布什(VannevarBush)，在美国海军和第八轰炸机司令部建立了运筹学小组，进行护航和反潜作战、轰炸德国、轰炸日本的方案设计，并取得了相应成果。（最有效的是大西洋海战盟军对德国潜艇的打击）。最著名的案例时大西洋海战二次世界大战期间，德国同英、美为争夺大西洋制海权而进行的海战。大西洋海上交通线是英国赖以输入战略物资、原料和粮食的生命线。为迫使英国屈服，德国决定以海军主力破坏大西洋海上交通线，英国则针锋相对，将强大的皇家海军投入保卫海上交通线，战争遂由此起。整个战争大体分为三个阶段。第一阶段：（1939.9-1941.12）德国使用大型水面战斗舰船、航空兵和潜艇捕获和击沉大批英国商船。德47号潜艇潜入英海军基地，击沉英战列舰“皇家橡树”号。但德舰的水面攻击在英国海军反击下损失严重。北海海战中，受伤后被围困在蒙德维亚港的德战列巡洋舰“施佩”号被凿沉。此后，德国宣布实行“无限制潜艇战”。开始，德国用单艇袭击盟国运输船，效果不大。1941年2月后，改为以飞机引导艇群进行袭击，取得重大战果，共击沉英国商船500万吨。德国空军在布雷、封锁港口、航道，袭击和轰炸运输部队方面也取得重大战果。第二阶段：（1942.1-1943.5）美国参战后，德国将新型远程潜艇开至美国大西洋沿岸进行袭击，仅3个月，就击沉商船100余万吨。德潜艇司令邓尼茨得意地称：“钟摆每摆动一次，德围潜艇就把一吨盟军作战物资送入海底”。英、美为对付德国海军，投入大量军舰为商船护航，研制和使用了深水炸弹、声纳、探磁仪等新式反潜装备，投入大量飞机，加强海上和空中反潜巡逻。在英美海空军联合反击下，德国潜艇被迫缩小活动范围，集中兵力采用大艇群（20艘）的“狼群”战术进行袭击，取得明显效果。英美遂改变战术，集结以护航航空母舰为核心的庞大反潜兵力，在大洋上进行搜索、攻击。大西洋战争进入激烈阶段。第三阶段：（1943.6-1945.2）随着整个战争发生有利于盟军的转折和美国强大军工生产能力转入战时轨道，英美已能够抽调更多的海、空兵力投入大西洋作战，加强以护航航空母舰为核心的反潜体制，盟军舰载和岸基反潜飞机迫使德国潜艇难以经比斯开湾航道进入大西洋。使猖獗一时的德国潜艇蒙受巨大损失，从1944年下半年起，盟军战略轰炸使德国潜艇制造业遭受严重破坏，潜艇补充匮乏。历时5年半的大西洋海战（反潜战），终于以德国失败而结束。在大西洋海战中，美英参战兵力计有：战斗舰艇约3000艘，飞机800余架。盟国方面损失商船1840万吨，其中被潜艇击沉约1400万吨，占总损失吨位的76％。德国共投入潜艇1160艘，被击沉780艘，占投入潜艇总数的67.2％。1942年，盟军研制了一种用来对付德国潜艇的多管式深水炸弹发射器，该发射器能向潜艇所在海域迅速发射24枚深水炸弹。德国战列舰“俾斯表”号（排水量42000吨，8门15英寸主炮）在击沉英国战列巡洋舰“胡德”号的第三天，被英国皇家海军击沉于法国近海水域，舰上2600余名官兵丧生。德海军上尉根舍·普里恩指挥47号潜艇，利用黑夜掩护潜入斯卡帕湾军港，击沉英“皇家橡树”号战列舰（排水量33000吨）后逃走，英舰800余名官兵丧生3、二战期间的盟军，运用数学方法解决作战问题，几乎到了着迷的程度。最有名的一次，就是轰炸鲁尔水坝。这是一次号称“不可能的使命”，却通过精确的数学计算实现了辉煌的战绩。鲁尔是德国工业区，三座大水坝提供着当地的电力资源和生活用水，盟军想对此施展摧毁性打击却无从下手。因为那些钢骨水泥坝身太牢固了，而且德国人设置了两道防雷网，水面鱼雷攻击连门儿都没有，只有空中轰炸才是惟一的方法。但按照数学方法计算，轰炸需要在空中密集投掷上百颗30吨重的超级炸弹，而且其中要有炸弹恰好落在库容一侧的坝基处起爆，才有可能摧毁水坝。当时英军最大最先进的兰卡斯特轰炸机，载弹量不过10吨。要靠它来炸掉大坝，有点像寄希望于用爆竹定向爆破大楼。所以，德国人坚信，大坝是不可摧毁的。但英国人不信这个邪，他们凭借数学工具，找到了摧毁大坝的方法。科学家巴恩斯．沃利斯(BarnesWallis)运用一台1935年剑桥大学制造的微分分析仪(DifferentialAnalyzer)，实际上就是早期的计算机，经过严密计算，找出了令人神往的解决方案。说简单点，这个方案的具体要求是：兰卡斯特轰炸机保持370公里的稳定飞行速度，在垂直距水面18米的高度，水平距坝面90米的地点，准确投出特制的炸弹。这种特制炸弹也很有意思，它的外形是椭圆的，重4吨，投放前在炸弹架上要以每分钟500转的速度旋转起来，然后凭借飞机速度赋予的惯性在水面上打水漂，以跳弹的方式躲过防雷网，第一次跳跃确定位置和力道，第二次跳跃必须落到两道防雷网中间，第三次跳跃形成优美的入水角度，靠自身的旋转在水下9米深处的大坝支撑点炸出大洞，然后靠强大的水压摧毁坝身。数学方法对鲁尔水坝轰炸方案的设计，几乎印证了一句名言：“没有什么是不可能的！”英军彻底摧毁德国鲁尔工业区的辉煌战果，反过来又极大地增进了人们在管理活动中运用数学方法的热忱。（战后）战后，运筹学并未随着战争的结束而消失，美国军方在战争中尝到了运筹学的甜头，在陆军中成立了运筹处，在海军中成立了运筹评价小组，在新组建的战略空军中成立了运筹分析科。更重要的是，运筹学很快被推广到了非军事领域，一家私人咨询公司—亚瑟。D。利特尔公司首先把运筹学推广于工商企业，相当多的公司开始应用运筹分析，形成了运筹学用于管理的第一个高潮。1952年，美国成立了运筹学协会并创办了《运筹学》杂志，标志着运筹学在社会上的普及。随着运筹学的普及，运筹理论研究也在向纵深发展。1944年，冯。诺依曼(J.vonNeumann)与摩根斯坦(O.Morgenstern)的《对策论与经济行为》一书出版，标志着系统化与公理化的对策论分支的形成，为决策分析中的效用函数奠定了公理基础。1946年,纽曼又在计算机上模拟中子连锁反应研究随机现象问题，命名为蒙特卡罗法(Monte-Carlo)。1947年，但泽(G.B.Dantzig)创立了线性规划求解的单纯形法，使线性规划得以迅速推广。3、管理科学学派的确立对运筹学的理论研究，美国人把它称之为“管理科学”(ManagementScience)。1953年，美国成立了管理科学学会，并创办了《管理科学》杂志，其基本内容是关于运筹学的理论研究。就在这一背景下，出现了一个人：埃尔伍德?斯潘塞?伯法(ElwoodSpencerBuffa)出现了。他从生产管理入手，把管理科学的研究向前推进了一大步。伯法以前的运筹学研究，基本上是具体数学方法的孤军奋进，缺乏整体的、综合的概括。伯法则以宏观的整体性和系统性眼光，对运筹学在生产管理中的运用进行了全方位探讨。如果说，管理科学是庞杂的管理学家族中的一个分支学派，那么，从伯法开始，这个学派正式诞生。二、伯法与管理科学埃尔伍德?斯潘塞?伯法(ElwoodSpencerBuffa)，1923年4月12日出生在威斯康星州的毕洛伊特市，是研究现代化生产管理方法和管理科学的著名管理学家，也是管理科学学派的主要代表人物之一。伯法是意大利后裔，他的父亲是来自意大利西西里岛的移民，母亲则是有着德国血统的英