前沿科技背后的基础科学:运筹学(上)

前沿科技背后的基础科学:运筹学(上)运筹学,顾名思义,作为一门关于决策的新兴交叉学科,在互联网、大数据、人工智能等现代信息技术飞速发展的背景下有了更为广阔的应用场景,为农业生产、经

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文/王 楠 王国强

决策在国家治理体系和治理能力现代化中具有基础性、关键性意义。运筹学,顾名思义,作为一门关于决策的新兴交叉学科,在互联网、大数据、人工智能等现代信息技术飞速发展的背景下有了更为广阔的应用场景,为农业生产、经济管理、工程技术、国防安全、应急管理、自然科学等领域的决策提供科学依据。运筹学的建立是近 70 年的事,运筹的思想却源远流长。

前沿科技背后的基础科学:运筹学(上)

运筹学的学科建立

世界上第一本运筹会杂志《运筹学季刊》把运筹学定义为:“运筹学(Operations Research)是运用科学方法(特别是数学方法)来解决那些在工业、商业、政府、国防等部门中有关人力、机器、物资、金钱等大型系统的指挥和管理方面所出现的问题,其目的是帮助管理者科学地决定其策略和行动。”简言之,运筹学就是应用定量模型来处理受人的决策影响的系统的运用或运行问题。因此,人们常常把这种思想方法的每一次尝试都看作运筹学的前身。

早期运筹学的思想

在中国,《孙子兵法》“虚实”篇中的集中兵力、《梦溪笔谈》“官政”篇中的军粮供应、《史记》记载的田忌赛马等问题的应对之策;在西方国家,古希腊时期阿基米德城防方案、17世纪帕斯卡和费马利用概率和组合数学来解决赌博问题……这些问题的解决方案都闪耀着朴素的运筹学思想。

现代意义下的运筹学则萌生于第一次世界大战前后。1907年,丹麦工程师约翰森(Fritz Johannsen)和埃尔朗(Agner K. Erlang)研究电话系统中的占线现象,后者于1909年发表了第一篇排队论的文章《概率论与电话会话》。英国工程师兰彻斯特(Frederick W. Lanchester)在1914年至1915年间发表了一些有关军事胜败、人数多寡、火力强弱的文章,1916年其在《战争中的飞机》一书中第一次提出用常微分方程组描述敌对双方战斗过程,定性地说明了集中兵力的原理。1917年,美国发明家爱迪生(Thomas A. Edison)在为海军协调委员会研究反潜战的问题时提出商船做“Z”形行驶以免受潜艇的攻击。20世纪20年代,天文学家莱文(HoraceLevin)开始运用运筹思想研究零售问题。但是,这些数学方法和管理实践并没有在军事、企业中得到推广应用。

运筹学的诞生

运筹学真正诞生源于第二次世界大战。1937年年底,为了防止可能发生的空袭,英国设计了主要由雷达和飓风战斗机组成的防空体系。但是,在1938年7月的空战演习中,二者的配合令人失望。因此,英国东海岸的奥福德纳斯(Orfordness)负责雷达研制工作的领导人罗韦(Albert Rowe)建议,立刻进行雷达-战斗机运用方面的研究工作,并创立“Operations Research”即“运用的研究”一词称呼它。在这样的背景下,英国首个运筹学研究小组诞生。罗韦在波德塞(Bowdsey)建立了一个机构,专门研究雷达预警和飞机作战系统的结合,范围从最初的雷达站的设备及通信网络逐渐扩展到操作人员和管理人员的行为,研究结果指出了提升操作技术的方法以及雷达网络的不足之处。罗韦等人的研究改善了英国的防空体系,在1940年下半年顶住了纳粹德国的空袭。因此,波德塞也被认为是运筹学的诞生地。

不久,英国陆军和皇家海军引入运筹学,而雷达再次成为动因。英国陆军成立了威廉(E.C.William)领导的运筹学小组研究预警站雷达性能的不稳定现象。皇家海军成立了以物理学家布莱克特(PatrickM.S.Blackett)(1948年获诺贝尔物理学奖)领导的运筹学小组研究高炮阵地上的雷达装置与新制指挥仪之间的配合问题。在战争过程中,英国从事运筹学活动的人数不断增加,至德国投降前夕,英国从事运筹学活动的科学家已有360多名。美国参战后,1940年下半年时任美国国防研究委员会主席的科南特(JamesConant)在英国访问期间了解到运筹学研究小组的工作。1941年12月,布莱克特写了一份关于“操作层面的科学家”的备忘录在美国广为流传。与罗韦一起工作的物理学家沃森-瓦特(RobertWatson-Watt)在1942年访问美国时敦促美国将作战研究引入陆军和海军部门。这些因素推动了运筹学在美国的发展。1942年,美国海军成立了反潜艇战运筹学小组,研究水雷战问题。同年10月,美国空军成立运筹学研究小组。此后,运筹学研究小组在美国军方大兴,仅空军就有26个。到第二次世界大战结束时,英国、美国、加拿大从事运筹学工作的已有700人之多。

第二次世界大战结束后,英国为尽快恢复和发展国内经济,实施了一系列国有化改革,使运筹学扩大到民用事业。1947年,第一个产业运筹学研究团队成立于国家煤炭委员会。不久,电力和交通两大国有化产业部门也成立了运筹学小组。一些私营产业,特别是有合作研究协会的产业,如英国钢铁研究协会,也开始成立运筹学小组。产业运筹学的早期发展较为保守,规模较小。在美国影响下,英国产业运筹学的发展大大加快。20世纪60年代,大多数企业都有自己的专业运筹学队伍或小组。至20世纪70年代,运筹学已渗透到几乎所有的政府部门和机构。1950年年初,美国工业界开始重视运筹学的研究,特别是计算机的出现让人们认识到存在着许多广泛的系统问题及解决这些问题的可能。整个20世纪50年代,大约一半的美国大公司开始使用运筹学。此外,美国军方不仅保留了原有的运筹学机构,还建立了作战分析评价小组,如美国空军发起了LAND计划(兰德公司前身)。

运筹学学术组织的出现始于1948年4月成立的英国运筹学俱乐部,该俱乐部于1953年11月更名为英国运筹学学会。1952年5月,美国运筹学协会成立。之后,很多国家也纷纷成立运筹学协会。第一届国际运筹学会议于1957年在英国牛津大学举行。1959年,国际运筹学联合会成立。

运筹学作为一门学科首次出现于1948年4月美国麻省理工学院开设的一门非军事技术课程。1952年,凯斯理工学院(现凯斯西储大学)开设了全球第一个运筹学硕士和博士学位课程。随后,美国许多主要学术机构纷纷开设运筹学专业。在英国,伯明翰大学于20世纪50年代初期开设了运筹学课程。

第一本运筹学杂志《运筹学季刊》(OperationalResearchQuarterly)于1950年3月在英国运筹学俱乐部诞生(1978年更名为《运筹学杂志》),标志着运筹学正式成为一门学科。1952年,《美国运筹学学会杂志》创刊(1955年更名为《运筹学》)。1961年,国际运筹学联合会出版《国际运筹学摘要》。

自20世纪70年代起,运筹学开始走向衰落,八九十年代全社会各行各业的运筹学小组不断解散,研究人员陆续转行,大学的院系纷纷更名为商学院或管理学院,运筹学面临严重的生存危机。究其原因,主要是运筹学“匠气”十足,过于看重模型与算法,而忽视经营管理的环境分析。更重要的是,由于运筹学自身更多地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,其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息相关,致使20世纪70年代以后因国有部门的私营化、市场化风潮大兴而致其应用空间变小。

(未完待续)

——选自《张江科技评论》

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