Исследование операций: методология, история развития

Оглавление:

1. Введение: основные понятия
2. Начальный период
3. Научная сущность исследования операций

3.1Исследование операций  как наука

4. Практические применения методов исследования операций
5. Развитие методов исследования операций в период с 1945 по 1975.

5.1. Основные тенденции  развития 

5.2. Профессиональные общества

5.3. Книги

5.4. Профессиональное образование 

6. Дальнейшее развитие методов исследования операций
7. Перспективы развития методов исследования операций
8. Использованная литература

Исследование  операций: методология, история развития

1. Основные понятия

Исследование  операций (ИО) (англ. Operations Research (OR)) — дисциплина, занимающаяся разработкой и применением методов нахождения оптимальных решений на основе математического моделирования, статистического моделирования и различных эвристических подходов в различных областях человеческой деятельности. Иногда используется название математические методы исследования операций.

Исследование  операций — применение математических, количественных методов для обоснования решений во всех областях целенаправленной человеческой деятельности. Исследование операций начинается тогда, когда для обоснования решений применяется тот или другой математический аппарат. Операция — всякое мероприятие (система действий), объединённое единым замыслом и направленное к достижению какой-то цели. Операция всегда является управляемым мероприятием, то есть зависит от человека, каким способом выбрать параметры, характеризующие её организацию (в широком смысле, включая набор технических средств, применяемых в операции). Решение (удачное, неудачное, разумное, неразумное) — всякий определённый набор зависящих от человека параметров. Оптимальное — решение, которое по тем или другим признакам предпочтительнее других. Цель исследования операций — предварительное количественное обоснование оптимальных решений. Само принятие решения выходит за рамки исследования операций и относится к компетенции ответственного лица (лиц). Элементы решения — параметры, совокупность которых образует решение: числа, векторы, функции, физические признаки и т. д. Если элементами решения можно распоряжаться в определённых пределах, то заданные («дисциплинирующие») условия (ограничения) фиксированы сразу и нарушены быть не могут (грузоподъёмность, размеры, вес). К таким условиям относятся средства (материальные, технические, людские), которыми человек вправе распоряжаться, и иные ограничения, налагаемые на решение. Их совокупность формирует множество возможных решений.

Примеры: Составляется план перевозок грузов из пунктов отправления А₁, А₂, …, А_m в пункты назначения В₁, В₂, …, В_n. Элементы решения — числа x_ij, показывающие, какое количество груза будет отправлено из i-го пункта отправления А_i в j-й пункт назначения В_j. Решение — совокупность чисел x₁₁, x₁₂, …, x_m1, x_m2, …, x_mn.

Характерная особенность  исследования операций - системный подход к поставленной проблеме и анализ. Системный подход является главным методологическим принципом исследования операций. Он заключается в следующем. Любая задача, которая решается, должна рассматриваться с точки зрения влияния на критерии функционирования системы в целом. Для исследования операций характерно то, что при решении каждой проблемы могут возникать новые задачи. Важной особенностью исследования операций есть стремление найти оптимальное решение поставленной задачи (принцип «оптимальности»). Однако на практике такое решение найти невозможно по таким причинам:

• 1) отсутствие методов, дающих возможность найти глобально оптимальное решение задачи
• 2) ограниченность существующих ресурсов (к примеру, ограниченность машинного времени ЭВМ), что делает невозможным реализацию точных методов оптимизации.

В таких случаях ограничиваются поиском не оптимальных, а достаточно хороших, с точки зрения практики, решений. Приходится искать компромисс между эффективностью решений и  затратами на их поиск. Исследование операций дает инструмент для поиска таких компромиссов.

ИО используют в основном крупные западные компании в решении  задач планирования производства и  прочих сложных задач. Применение ИО в экономике позволяет понизить затраты или, по другому сформулировав, повысить продуктивность предприятия (иногда в несколько раз!). ИО активно  используют армии и правительства  многих развитых стран для решения  комплексных задач снабжения  армий, продвижения армий, развития новых видов вооружений, развития стратегий войн, развития межгосударственных торговых механизмов, прогнозирования  развития (например, климата) и т. д. Решение комплексных задач повышенной важности производится методами ИО на суперкомпьютерах, но разработки ведутся на простых ПК. Применять методы ИО можно и на малых предприятиях, используя ПК.

Наибольший вклад в  формирование и развитие новой науки  сделали Р. Акоф, Р. Беллман, Г. Данциг, Г. Кун, Т. Саати, Р. Чермен (США), А. Кофман, Р. Форд (Франция) и др. Важная роль в создании современного математического аппарата и развития многих направлений исследования операций принадлежит Л. В. Канторовичу, Б. В. Гнеденко, М. П. Бусленко, В. С. Михалевичу, Н. Н. Моисееву, Ю. М. Ермолаеву, Н. З. Шору и др. За выдающийся вклад в разработку теории оптимального использования ресурсов в экономике академику Л. В. Канторовичу вместе с профессором Т. Купмансом (США) в 1975 г. присвоена Нобелевская премия в экономике.

2. НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД

В 1935 г. в Великобритании с целью  подготовки эффективных средств  противодействия возрастающей угрозе со стороны военно-воздушных сил  Германии ученые начали форсированную  подготовку серии экспериментов, направленных на разработку системы обнаружения  самолетов. Принцип действия этой системы  состоял в излучении радиоволн  наземным радиопередатчиком с последующим  приемом излучения, отражаемого  от самолета; такая схема впоследствии получила название радиолокационной. Эти работы были начаты в Орфорднисе, расположенном на восточном побережье  Великобритании севернее устья Темзы  почти на 100 км, а затем продолжены в Бодси (на 16 км южнее), где впоследствии была сформирована исследовательская  группа и установлено разработанное  оборудование.

В течение последующих трех лет  была подтверждена техническая работоспособность  установленных средств обнаружения  и созданы практические методы слежения за самолетом и оповещения о его  появлении. Однако, для повышения  эффективности операций перехвата  британская истребительная авиация  нуждалась в системе сопровождения  и наведения самолетов-перехватчиков. Поэтому независимо от работ по созданию системы обнаружения (что было продиктовано интересами секретности) в начале 1936 - конце 1937 гг. были начаты работы по осуществлению "эксперимента Биггин Хилл", идею которого предложил Генри Тайзард. Истребители, взлетающие с аэродрома  в Биггин Хилле, расположенном несколько  южнее Лондона, использовались в  качестве моделей вражеских самолетов, движение которых прослеживалось по сигналам их радиотехнических устройств. Слежение за другой группой истребителей, представляющих самолеты-перехватчики, также осуществлялось с помощью  радиотехнических устройств. Эти самолеты направлялись в зону боевых действий. Б.Диккенс провел анализ полученных результатов.

К концу 1937 г. обе системы - система  обнаружения и слежения за одиночным  атакующим самолетом противника (Бодси) и система сопровождения  и наведения взаимодействующих  истребителей военно-воздушных сил  обороны (Биггин Хилл) - стали разрабатываться  совместно. Необходимость обеспечения  согласованных действий всех участников таких боевых операций, т.е. людей  и технических средств подразделений, действующих в воздухе и на земле, потребовала, чтобы эти работы проводились в условиях теснейшего сотрудничества ученых с офицерами  и служащими ВВС. "Таким образом, в период между летом 1936 г. и летом 1937 г. была создана техническая и  организационная основа системы  оперативного управления, без которой  боевые действия Великобритании не смогли бы завершиться победой и вряд ли обеспечить защиту страны". Дальнейшее развитие исследований осуществлялось в направлении перехода от технических  экспериментов к разработке эффективной  тактики ведения военных действий, причем и эти работы также проводились  при тесном сотрудничестве ученых с  инженерно-техническим персоналом.

По мере того как новые тактические  операции отрабатывались в рамках крупномасштабных учебных действий в воздухе, ученые стали уделять все большее  внимание оценке эффективности разрабатываемых  операций. Применительно как раз  к таким исследованиям А.Раув, который в 1938 г. руководил научной  группой в Бодси, использовал  термин "операционное исследование"; по-видимому, этот термин обязан своим  происхождением именно ему.

Таким образом, справедливо считать  Бодси местом зарождения нового научного направления - исследования операций, называемого в Англии операционным исследованием, а период с 1935 по 1938 г. - временем формирования основных положений  этого научного направления.

К 1939 г. И.Уильямс, руководитель работ  в Бодси, перешел в распоряжение штаба истребительной авиации британских военно-воздушных сил, с тем чтобы  присоединиться к вновь созданной  под руководством Гарольда Ларднера группе, продолжившей работы по оценке эффективности и совершенствованию  тактических операций. В течение  последующих двух лет ценность этих научных исследований, проводимых с  участием офицерского состава армии, была подтверждена столь убедительно, что аналогичные научные подразделения  были организованы при штабе бомбардировочной авиации (под руководством Б.Диккенса), штабе береговой авиации (выполняющей  функции ведения воздушных боевых действий против подводных лодок) и  штабе британских сил противовоздушной обороны.

Массированный ночной налет на Великобританию осенью 1940 г. поставил командование сил  противовоздушной обороны перед  лицом сложных технических и  операционных проблем. Чтобы обеспечить их решение, к научной группе при  командовании этими силами присоединился  П.Блеккет, физик, получивший впоследствии за свои работы по исследованию космических  лучей Нобелевскую премию. Вскоре вокруг него сформировалась активно  и продуктивно работающая группа исследователей, ставшая известной  как "кружок Блеккета". В марте 1941 г. Блеккет перешел в распоряжение командования береговой авиации, где  организовал новый отдел исследования операций, который внес заметный вклад  в повышение эффективности работы этого командования. В декабре 1941 г. с Блеккетом консультировались  о возможности организации отдела исследования операций при адмиралтействе, и Блеккет составил краткую памятную записку, озаглавленную "Ученые в  сфере операционных исследований" которая оказала значительное влияние  на организацию аналогичных работ  по обе стороны Атлантики. В январе 1942 г. Блеккет перешел в распоряжение адмиралтейства для организации  там работ по исследованию операций.

Впоследствии отдел исследования операций командования береговой авиации  стал ядром группы исследования операций британской армии, и при каждом из основных военных командных органов  Великобритании (как в самой стране, так и на других территориях) были сформированы соответствующие отделы.

Когда в войну вступили Соединенные  Штаты, командные органы их военно-морских  и военно-воздушных сил стали  осознавать целесообразность привлечения  ученых к разработке военных операций. В 1942 г. капитан В.Бейкер, офицер противолодочных  сил атлантического флота, предложил  организовать группу по исследованию операций при командовании противолодочными силами. Формулируя содержание работ  и принципы комплектации группы, он использовал ряд положений памятной записки Блеккета от 1941 г. В эту  группу, впоследствии переименованную  в группу по исследованию операций и подчиненную штаб-квартире главнокомандующего военно-морскими силами США, в качестве руководителя проекта был приглашен  Ф.Морз (физик по профессии) из Массачусетского  технологического института, а на должность  начальника исследовательской группы назначен Уильям Шокли из фирмы Bell Telephone Labaratories, впоследствии ставшей лауреатом  Нобелевской премии за работы по транзисторам. В это же время командование военно-воздушных  сил США командировало в Аглию  для изучения опыта организации  исследований операций В.Бэртона Лича, юриста, находившегося в то время  на действительной военной службе. После того как он представил доклад, содержащий выводы о целесообразности организации аналогичных работ  в США, ему было предложено сформировать отдел исследования операций в восьмой  армии ВВС (бомбардировочной авиации), впоследствии передислоцированной  в Великобританию. Первые работники  этого отдела прибыли на место  службы в октябре 1942 г. К концу  войны группа по исследованию операций при командовании военно-морскими силами США уже насчитывала в своем  составе свыше 70 научных работников, а командование военно-воздушных  сил США под руководством Лича организовало свыше двух десятков отделов  исследования операций как в тыловых  частях, так и в армии, ведущих  боевые действия за границей.

Совершенно независимо Эллис А.Джонсон, специализировавшийся в области  исследований магнетизма, разработал аналогичные концепции исследования операций и применил их к приемам  ведения минной войны; его идеи, использованные при разработке соответствующих  наступательных тактических операций, сыграли важную роль в боевых действиях  на Тихом океане.

Имеющиеся исторические документы  и архивы не позволяют точно установить количество тех ученых, которые были заняты исследованием операций бази- во время второй мировой войны, однако даже осторожные оценки свидетельствуют  о том, что общее число таких  ученых в Англии, Америке и Канаде превышало 700 человек. Их деятельность, слишком разнообразная для того, чтобы можно было охарактеризовать ее полностью, не только охватывала элементы технических решений, оценки результатов  тактических операций и новшеств (о чем уже говорилось), но и  включала применение соответствующих  знаний при планировании тактических  операций и выработке стратегии. Наиболее важным для будущего было то, что многие из специалистов увидели  в таких научных разработках  военного времени зарождение новой  науки о функциональных системах, а также возможности использования  соответствующих научных знаний для многих видов деятельности в  мирное время.

После второй мировой войны специалисты  осознали, что работам по исследованию операций в том его понимании, которое сложилось во время войны, предшествовали многие исследования аналогичной  направленности, например работа Ланчестера по моделированию боевых операций, выполненная в 1916 г., работы по теории массового обслуживания Эрланга, нашедшие практическую реализацию в начале двадцатого столетия в Копенгагене, исследования Левинсона в области розничной  торговли в начале 20-х годов. Однако эти исследования оставались разрозненными  до тех пор, пока не были подхвачены общим потоком разработок, начало которого только что было кратко охарактеризовано. Таким образом, есть достаточные  основания считать, что появление  методов исследования операций связано  с выделением самостоятельной области  научной деятельности, имеющей продолжительную  историю, начало которой положили работы, проведенные во время второй мировой  войны.

3. НАУЧНАЯ СУЩНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ  ОПЕРАЦИЙ 

Очевидно, что многие из первых исследователей в области исследования операций считали свою работу научной деятельностью; так, в памятной записке Блеккета от 1941 г. подчеркивалось, что работа должна состоять в "научном исследовании операций", и особое внимание обращалось на то, что условия должны соответствовать  именно научному характеру работы: "Необходима такая обстановка, которая  существует в первоклассном чисто  научно-исследовательском институте, и квалификация кадров должна удовлетворять  соответствующим требованиям".

Во второй памятной записке ("О  некоторых аспектах методологии  исследования операций"), составленной в 1941 г., но затем переработанной в  мае 1943 г., Блеккет развивает эти  положения и отмечает: "Очевидной  особенностью исследования операций в  том виде, в котором оно проводится в настоящее время, является то, что  оно должно иметь строго практический характер. Его цель - содействовать  нахождению способов повышения эффективности  боевых операций, выполняемых в данный момент или планируемых на будущее. Чтобы добиться этого, изучаются  предшествующие операции; затем разрабатываются  теории, объясняющие наблюдаемые  факты, и в конце концов и факты, и теории используются для прогноза относительно предстоящих операций...

Прогнозирование будущих событий, конечно, всегда сопряжено со значительной неопределенностью, но опыт показал, что  вопреки широко распространенному  мнению количественные прогнозы можно  сделать достаточно. Это в значительной степени обусловлено тем обстоятельством, что многие факторы, характеризующие  операцию, в течение достаточно продолжительного периода времени остаются почти  неизменными. Такая стабильность кажется  довольно неожиданной, если иметь в  виду множество случайных событий  и тех индивидуальных особенностей и способностей людей, которые обычно проявляются даже в ходе небольших  операций. Однако все эти различия для большого числа операций сглаживаются, и часто оказывается, что обобщенные результаты сравнительно устойчивы".

В результате своих исследований Морз и Кимбелл также пришли к выводу, что "поведение крупных подразделений (живой силы и техники), осуществляющих сложные операции, характеризуется  удивительной устойчивостью, позволяющей  предсказывать исход таких операций с той степенью точности, которую  не могли предвидеть ученые, работающие в области естественных наук".

Таким образом, первые специалисты  по исследованию операций имели ясное  представление о том, что новизна  их деятельности обусловлена двумя  факторами: свойствами функциональных систем, рассматриваемых в качестве объектов научных исследований, и  административными структурами, формируемыми с целью своевременной практической реализации решений, принимаемых на основе результатов этих исследований.

3.1. Исследование операций  как наука

В исследовании операций используется научный метод для изучения и  объяснения явлений, связанных с  функциональными системами, так  как в рамках данной дисциплины изучается  определенный круг явлений реальной действительности. Такие системы  нередко включают людей и механизмы, которые действуют в условиях реального мира.

Научная дисциплина, называемая исследованием  операций, наблюдает реальные явления, связанные с функциональными  системами, разрабатывает теории (которые  многие исследователи называют моделями), предназначенные для объяснения данных явлений, использует эти теории для описания того, что произойдет при изменении условий, и проверяет  предсказания новыми наблюдениями.

Таким образом, исследование операций- наука, так как эта дисциплина использует метод для получения  соответствующих знаний и отличается от других наук предметом исследований. Она изучает явления, связанные  с функциональными системами, в  том аспекте, который почти не рассматривается другими науками.

Учитывая этапы реализации научного метода, для любой научной дисциплины можно ожидать систематических  публикаций четырех категорий, в  которых соответственно приводятся результаты, получаемые при наблюдении явлений, и специальные способы  проведения таких наблюдений; даются построения математических моделей; описывается  применение этих моделей для составления  прогноза на основе полученных результатов; проводится проверка прогнозов сравнения  с результатами новых наблюдений.

Совокупность математических моделей  исследования операций можно разбить  на три группы. К первой группе относятся  детерминированные модели, которые  были разработаны после второй мирвой войны: линейное программирование, целочисленное  программирование, теория графов, потоки в сетях, геометрическое программирование, нелинейное программирование, программирование для случая задач большой размерности, теория оптимального управления. Ко второй группе относятся стохастические модели: случайные процессы, теория массового  обслуживания, теория полезности, анализ управляющих решений, теория игр, теория поиска, имитационное моделирование  и динамическое программирование. Третью группы составляют наиболее важные модели, разработанные применительно к  тринадцати группам процессов, являющихся достаточно общими для многих областей применения методов исследования операций:

• прогнозирования;
• учета;
• финансовой деятельности и управления экономикой;
• сбыта и рекламы;
• управления трудовыми ресурсами;
• экономического анализа инвестиций;
• информационных систем для управления;
• вычислительных и информационных систем;
• выбора, планирования и управления разработкой проекта;
• управления запасами;
• составления календарных планов производства и последовательности работ;
• замены, ремонта и анализа надежности оборудования;
• размещения и загрузки производственных мощностей;
• планирования производства.

Наиболее хорошо методы исследования операций по состоянию на 1975 год  для следующих областей:

• военные проблемы,
• работа государственных органов,
• городские системы,
• здравоохранение,
• системы образования,
• транспорт,
• коммунальное обслуживание,
• отрасли промышленного производства
• технологические процессы.

На протяжении всей истории развития методов исследования операций научные  работники следовали рекомендациям  Блеккета (из его памятной записки), согласно которым исследование операций, как и любая другая наука, не базируется на использовании точных копий аналитических  методов какой-либо другой науки, а  требует разработки своего собственного математического аппарата - методов  исследования операций - ориентированного на специфику, присущую этой области  и задачам исследования. Этот аппарат  не должен оставаться неизменным; наоборот, он должен меняться в соответствии с характером исследуемых задач.

Во время второй мировой войны  большинство работ по исследованию операций основывалось на адаптации  методов и подходов, заимствованных из других наук; в частности, построение большинства математических моделей  базировалось на непосредственном использовании  средств математического анализа, аппарата теории вероятностей и статистики, и довольно часто отправным моментом построения моделей служило сходство с моделями, используемыми другими  науками. Заметным исключением из этого  правила стала разработка теории поиска, выполненная группой по исследованию операций при ВМС США. Таким образом, новые теоретические направления  были развиты в основном в послевоенное время. Основы теории ведения боевых действий заложены Ланчестером в 1916 г.; и хотя во время войны математические аспекты этой теории исследовались  достаточно интенсивно, непосредственного  применения при разработке операций военного времени она не нашла. Действительно, вплоть до 1954 г. эта теория не была достаточно проверена.

Однако после второй мировой  войны исследования новых явлений  реального мира и теории для их объяснения развивались очень интенсивно.

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ  МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ 

Зарождение исследования операций как научной дисциплины было обусловлено  неотложным требованием решения  важных практических проблем. Поэтому  в процессе становления и развития исследования операций научные работники, которые занимались соответствующими исследованиями, не только заложили фундамент  некоторого нового научного направления, но и использовали полученные знания для практического решения проблем. В течение второго и третьего десятилетий своего существования  группы по исследованию операций значительно  выросли и стали достаточно отличаться друг от друга по направлениям. Однако, тесная связь между исследовательскими и практическими аспектами разработок оставалась характерной особенностью данной дисциплины: термин "исследование операций" как раз и подчеркивает их неразрывность. Итак, исследование операци включает как научное  исследование систем, так и соответствующие  виды технической деятельности, направленной на практическую реализацию результатов  таких исследований.

Однако эти прикладные аспекты  исследования операций не только предполагают простое применение знаний, полученных в результате использования теории, но и требуют наличия творческого  начала (ориентации работы в желаемых направлениях), а также профессионального  умения и навыков практического  проектирования (направленных на выполнение поставленных задач или решение  важных проблем). Кроме того, важно  обеспечить внедрение результатов  работ.

Ввиду секретности подробности  исследований военного времени долгое время не находили отражения в  открытой печати; однако теперь многое из того, что было сделано в тот  период, уже опубликовано. Но и в  настоящее время ряд практических аспектов исследования операций не рассматривается  в открытых публикациях из-за ограничений, накладываемых промышленными фирмами  и законодательными органами. Однако имеющаяся литература, хотя и представлена в силу указанных ограничений  преимущественно работами теоретического характера, все же содержит описание многих примеров использования методов  исследования операций. Даже при случайном  поиске публикаций соответствующего характера  можно встретить интересные и  впечатляющие примеры применения метода исследования операций.

Однако литературы, освещающей опыт творческого подхода и конкретного  проектирования на базе методов исследования операций, сравнительно мало. Наибольший опыт в этом отношении накоплен в  военной области, но в настоящее  время заметен существенный прогресс и в невоенных приложениях.

5. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ  ОПЕРАЦИЙ В ПЕРИОД С 1945 по 1975 г.

5.1. Основные тенденции  развития

Хотя большинство специалистов, занимавшихся во время войны исследованиями операций, вернулось после ее окончания  к своей довоенной деятельности, со сферой военных приложений осталось связанным сильное ядро специалистов, желавших продолжить сотрудничество, которое оказалось весьма продуктивным в годы войны. В последующее десятилетие  значительное развитие методов исследования операций имело место не только на этой основе, но и за счет создания новых  подразделений. Так, в США группа по исследованию операций ВМС превратилась в расширенную группу оценки операций (под руководством Джакинто Стейнхарда), работающую по контракту с Массачусетским технологическим институтом. ВВС  США также расширили свои отделы исследования операций (под началом  Ле-Рой А.Бразерса), а в 1948 г. командование сухопутными войсками США по контракту  с университетом Джона Гопкинса сформировало управление по исследованию операций. В 1949 г. объединенный комитет  начальников штабов создал группу оценки систем вооружения, первым техническим  директором которой был назначен Филип М.Морз. В то же время в  ВВС учредили Проект РЭНД при авиационной  корпорации "Дуглас", а в 1949 г. это  подразделение стало уже корпорацией  РЭНД. К началу 50-х годов эти  организации были укомплектованы штатом сотрудников, численность которого превышала численность лиц, занимавшихся в военное время исследованием  операций во всех странах-союзниках, вместе взятых, причем эти организации обеспечивали очень широкий диапазон исследований для организаций-заказчиков. Подобным же образом, хотя и не столь интенсивно, происходило расширение фронта исследований операций в Канаде и Великобритании.

После окончания войны эти организации  обратили свое внимание на широкий  круг проблем, связанных с планированием, и получили много полезных результатов  в таких направлениях, как моделирование  с помощью ЭВМ, анализ по критерию "затраты-выгода" и системный  анализ; были достигнуты значительные успехи в теории поиска, теории игр, программировании, теории полезности и в других областях. Располагая многочисленным персоналом, эти организации  смогли, значительно расширив круг проводимых исследований, приступить к крупномасштабному исследованию военных стратегий. Одновременно фирмы, выполняющие заказы военных ведомств, существенно расширили работы по исследованию операций применительно  к заявкам на проектные разработки и исследования в области планирования, а ряд фирм, занимавшихся исключительно  исследовательскими работами, приступили к проведению большого объема таких  работ военного характера.