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.