運(yùn)籌學(xué)第四版·清華大學(xué)出版社·運(yùn)籌學(xué)教材組.ppt

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運(yùn)籌學(xué) OperationsResearch Chapter1運(yùn)籌學(xué)概論 一運(yùn)籌學(xué)簡(jiǎn)史 1 運(yùn)籌學(xué) 的釋義OperationalResearch 英 OperationsResearch 美 直譯為 運(yùn)作研究 或 運(yùn)用研究 簡(jiǎn)稱OR 中文名稱 運(yùn)用學(xué) 運(yùn)籌學(xué)夫運(yùn)籌帷幄之中 決勝于千里之外 吾不如子房 劉邦 史記 高祖本記 2 我國(guó)古代運(yùn)籌思想的運(yùn)用 田忌賽馬 一運(yùn)籌學(xué)簡(jiǎn)史 晉國(guó)公重建皇城 晉國(guó)公重建皇城的施工方案 體現(xiàn)了運(yùn)籌學(xué)的樸素思想 要使重建工 程的各個(gè)工序 在時(shí)間 空間上彼此協(xié)調(diào) 環(huán)環(huán)相扣 就需要運(yùn)用行列式的相關(guān)知識(shí) 進(jìn)行精確計(jì)算 一運(yùn)籌學(xué)簡(jiǎn)史 約1000年前 開(kāi)封一場(chǎng)大火 北宋皇城毀于一旦 宋真宗命晉國(guó)公丁渭 主持重建皇城 丁渭先在皇宮前的大道上挖土燒磚備料 待把大道挖成深溝后 引城外汴水使之與汴水連通成為 臨時(shí)運(yùn)河 用船把其他建筑材料直接運(yùn)入工地 等到皇宮修復(fù)后 將碎磚石填入河道 修復(fù)原來(lái)皇宮前的大道 挖街取土 就地?zé)u 渠成引水 運(yùn)送建材 宮殿完工 渣土回填 恢復(fù)街道 這就巧妙地解決了取土之難 運(yùn)輸之難 清場(chǎng)之難 可謂 一石三鳥(niǎo) 沈括運(yùn)糧 沈括 1031 1095年 北宋時(shí)期大科學(xué)家 軍事家 在率兵抗擊西夏侵?jǐn)_的征途中 曾經(jīng)從行軍中各類人員可以背負(fù)糧食的基本數(shù)據(jù)出發(fā) 分析計(jì)算了后勤人員與作戰(zhàn)士兵在不同行軍天數(shù)中的不同比例關(guān)系 同時(shí)也分析計(jì)算了用各種牲畜運(yùn)糧與人力運(yùn)糧之間的利弊 最后做出了從敵國(guó)就地征糧 保障前方供應(yīng)的重要決策 從而減少了后勤人員的比例 增強(qiáng)了前方作戰(zhàn)的兵力 假設(shè)一個(gè)民夫可以背六斗米 士兵自帶五天的干糧 如果一個(gè)民夫供應(yīng)一個(gè)士兵 單程只能進(jìn)軍十八天 六斗米 每人每天吃二升 二人吃十八天 如果兩個(gè)民夫供應(yīng)一個(gè)士兵 單程可進(jìn)軍二十六天 兩個(gè)民夫背一石二斗米 三個(gè)人每天要吃六升 八天以后 其中一個(gè)民夫背的米已經(jīng)吃光 給他六天的口糧讓他先返回 以后的十八天 二人每天吃四升米 如果三個(gè)民夫供應(yīng)一個(gè)士兵 單程可進(jìn)軍三十一天 如果要計(jì)回程的話 只可進(jìn)軍十六天 而三個(gè)民夫供應(yīng)一個(gè)士兵 已經(jīng)到極限了 如果要出動(dòng)十萬(wàn)軍隊(duì) 輜重占去三分之一兵源 還要用三十萬(wàn)民夫運(yùn)糧 再要擴(kuò)大規(guī)模很困難了 如果用牲畜運(yùn)輸 駱駝可以馱三石 馬或騾可以馱一石五斗 驢子可以馱一石 與人工相比 雖然能馱的多 花費(fèi)也少 但如果不能及時(shí)放牧或喂食 牲口就會(huì)瘦弱而死 一頭牲口死了 只能連它馱的糧食也一同丟棄 所以與人工相比 實(shí)際上是利害相當(dāng) 利弊分析后的結(jié)論是 從敵國(guó)就地征糧 這種軍事后勤問(wèn)題的分析計(jì)算是具有現(xiàn)代意義的運(yùn)籌思想的范例 一運(yùn)籌學(xué)簡(jiǎn)史 3 運(yùn)籌學(xué)的發(fā)展歷程 1 萌芽時(shí)期1914年 英工程師Lanchester用微分方程研究作戰(zhàn)雙方的兵力使用 提出了軍事運(yùn)籌學(xué)中的Lanchester戰(zhàn)斗方程 1909年丹麥工程師愛(ài)爾朗在哥本哈根電話公司研究電話交換機(jī)的效率開(kāi)始提出了排隊(duì)論的一些著名公式 1920年Harris提出了庫(kù)存論的EOQ公式 1930年列溫遜運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)思想分析商業(yè)廣告和顧客心理 一運(yùn)籌學(xué)簡(jiǎn)史 一運(yùn)籌學(xué)簡(jiǎn)史 2 產(chǎn)生 運(yùn)籌學(xué)作為一門(mén)系統(tǒng)的科學(xué) 產(chǎn)生的背景為第二次世界大戰(zhàn) 主要用于解決如何在與德軍的對(duì)抗中最大限度地殺傷敵人 減少損失 運(yùn)作研究 OperationalResearch 小組 解決復(fù)雜的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)問(wèn)題 例如 如何合理運(yùn)用雷達(dá)有效地對(duì)付德軍德空襲 對(duì)商船如何進(jìn)行編隊(duì)護(hù)航 使船隊(duì)遭受德國(guó)潛艇攻擊時(shí)損失最少 在各種情況下如何調(diào)整反潛深水炸彈的爆炸深度 才能增加對(duì)德國(guó)潛艇的殺傷力等 1938年7月 波得塞 Bawdsey 雷達(dá)站的負(fù)責(zé)人羅伊 A P Rowe 提出立即進(jìn)行整個(gè)防空作戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)行的研究 并用 OperationalResearch 一詞作為這方面研究的描述 這就是O R 名詞的起源 1940年9月英國(guó)成立了由物理學(xué)家布萊克特 P M S Blackett 領(lǐng)導(dǎo)的第一個(gè)運(yùn)籌學(xué)小組 后來(lái)發(fā)展到每一個(gè)英軍指揮部都成立運(yùn)籌學(xué)小組 1942年美國(guó)和加拿大也都相繼成立運(yùn)籌學(xué)小組 這些小組在確定擴(kuò)建艦隊(duì)規(guī)模 開(kāi)展反潛艇戰(zhàn)偵察和組織有效對(duì)敵轟炸等方面作了大量研究 為取得反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利及運(yùn)籌學(xué)有關(guān)分支的建立作出了貢獻(xiàn) 一運(yùn)籌學(xué)簡(jiǎn)史 典型戰(zhàn)例 不列顛之戰(zhàn)1941年 希特勒為了實(shí)施在英倫三島登陸的計(jì)劃 命令德國(guó)空軍輪番對(duì)英國(guó)進(jìn)行狂轟濫炸 當(dāng)時(shí)英國(guó)皇家空軍以一比七的數(shù)量劣勢(shì)迎戰(zhàn) 為此需要盡可能地保持飛機(jī)處于飛行狀態(tài) 于是 空軍司令部規(guī)定保持70 的飛機(jī)在天上巡邏 但是 英軍很快發(fā)現(xiàn)要保持這么高的飛行比例有困難 因?yàn)轱w機(jī)的被擊落的 有需要維修的 飛行員也有傷亡 這一決策的后果是在空中飛行的飛機(jī)數(shù)量越來(lái)越少 不列顛之戰(zhàn)究竟保持多大比例的飛機(jī)在巡邏才能持久作戰(zhàn)呢 OR小組的專家紛紛研究這個(gè)問(wèn)題 這個(gè)問(wèn)題最后被生物學(xué)家康頓解決了 他根據(jù)計(jì)算生物平均壽命的方法 運(yùn)用飛機(jī)飛行時(shí)間 維修時(shí)間 空戰(zhàn)特點(diǎn)和飛機(jī)被落擊傷狀況等數(shù)據(jù) 得出的結(jié)論是 只要保持35 的飛機(jī)在飛行狀態(tài) 就能使全部飛機(jī)的飛行戰(zhàn)斗時(shí)間最多 這一研究成果為取得不列顛之戰(zhàn)的勝利作出了貢獻(xiàn) 典型戰(zhàn)例 盟軍封鎖直布羅陀海峽 獵潛戰(zhàn)例 1944年初 為幫助美國(guó)海軍在連接大西洋和地中海的直布羅陀海峽封鎖過(guò)往的德軍潛艇 美軍OR小組的約翰 佩芝姆博士提出了一種 屏障巡邏 飛行戰(zhàn)術(shù) 典型戰(zhàn)例 盟軍封鎖直布羅陀海峽 獵潛戰(zhàn)例 在深水航道的最窄處劃出一個(gè)4英里長(zhǎng) 1英里寬的長(zhǎng)方形 兩架飛機(jī)保持在長(zhǎng)方形兩邊線的對(duì)稱位置上 同時(shí)以115英里 小時(shí)的速度繞長(zhǎng)方形飛行 這樣 在長(zhǎng) 方形上的每一點(diǎn) 每隔3分鐘就有一架飛機(jī)巡邏通過(guò) 潛艇通過(guò)這個(gè)區(qū)域時(shí) 巡邏的飛機(jī)至少有兩次機(jī)會(huì)去發(fā)現(xiàn)它 就這樣 在2月24日到3月16日短短三個(gè)星期內(nèi) 一個(gè)巡邏機(jī)中隊(duì)擊沉擊傷德軍潛艇3艘 自己無(wú)一傷亡 典型戰(zhàn)例 3 發(fā)展英美以蘭德公司 Rand 為首的部門(mén)著重研究戰(zhàn)略性問(wèn)題 未來(lái)的武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和其可能合理運(yùn)用的方法 為美國(guó)空軍評(píng)價(jià)各種轟炸機(jī)系統(tǒng) 討論未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的策略 研究蘇聯(lián)政治局的行動(dòng)原則和將來(lái)的行動(dòng)預(yù)測(cè) 除了在軍事應(yīng)用研究以外 相繼在工業(yè) 農(nóng)業(yè) 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問(wèn)題等各領(lǐng)域的應(yīng)用 4 成熟期建立運(yùn)籌學(xué)會(huì) 英 1948 美 1952 法 1956 日本和印度 1957 中 1980 一運(yùn)籌學(xué)簡(jiǎn)史 1 運(yùn)籌學(xué)的定義MorseandKimball 為決策機(jī)構(gòu)在對(duì)其控制下業(yè)務(wù)活動(dòng)進(jìn)行決策時(shí) 提供以數(shù)量化為基礎(chǔ)的科學(xué)方法 運(yùn)籌學(xué)是一門(mén)應(yīng)用科學(xué) 它廣泛應(yīng)用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)知識(shí)和數(shù)學(xué)方法 解決實(shí)際中提出的專門(mén)問(wèn)題 為決策者選擇最優(yōu)決策提供定量依據(jù) 英國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì) 運(yùn)籌學(xué)是把科學(xué)方法應(yīng)用在指導(dǎo)人員 工商企業(yè)政法和國(guó)防方面解決發(fā)生的各種問(wèn)題 其方法是發(fā)展一個(gè)科學(xué)的系統(tǒng)模式 并運(yùn)用這種模式預(yù)測(cè) 比較公眾決策及產(chǎn)生的后果以幫助決策者科學(xué)地決定工作方針和政策 美國(guó)運(yùn)籌協(xié)會(huì) 運(yùn)籌學(xué)是在要求分配有限資源的條件下 科學(xué)地決定如何最好地設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)人機(jī)系統(tǒng) 二運(yùn)籌學(xué)的性質(zhì)和特點(diǎn) 引入數(shù)學(xué)方法解決實(shí)際問(wèn)題 定性與定量方法結(jié)合系統(tǒng)與整體性 從全局考察問(wèn)題應(yīng)用性 源于實(shí)踐 為了實(shí)踐 服務(wù)于實(shí)踐交叉學(xué)科 涉及經(jīng)濟(jì) 管理 數(shù)學(xué) 工程和系統(tǒng)等多學(xué)科開(kāi)放性 不斷產(chǎn)生新的問(wèn)題和學(xué)科分支多分支 問(wèn)題的復(fù)雜和多樣性 2 運(yùn)籌學(xué)的特點(diǎn) 二運(yùn)籌學(xué)的性質(zhì)和特點(diǎn) 線性規(guī)劃 數(shù)學(xué)規(guī)劃 非線性規(guī)劃 整數(shù)規(guī)劃 動(dòng)態(tài)規(guī)劃 運(yùn)籌學(xué) 多目標(biāo)規(guī)劃 雙層規(guī)劃 組合優(yōu)化 最優(yōu)計(jì)數(shù)問(wèn)題 圖論與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 排序問(wèn)題 統(tǒng)籌圖 隨機(jī)優(yōu)化 對(duì)策論 排隊(duì)論 庫(kù)存論 決策論 可靠性分析 三運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容 系統(tǒng)仿真 1 排隊(duì)論 研究關(guān)于公用服務(wù)系統(tǒng)的排隊(duì)和擁擠現(xiàn)象的隨機(jī)特性和規(guī)律的理論 使服務(wù)機(jī)構(gòu)對(duì)被服務(wù)對(duì)象得到某指標(biāo)最優(yōu) 于1909年丹麥工程師愛(ài)爾朗研究電話交換機(jī)的效率開(kāi)始的 如一個(gè)港口應(yīng)該有多少個(gè)碼頭 銀行應(yīng)該開(kāi)設(shè)多少個(gè)服務(wù)窗口等 三運(yùn)籌學(xué)的內(nèi)容 1 囚徒困境問(wèn)題 兩個(gè)小偷甲和乙聯(lián)手作案 因私入民宅被警方抓住但未獲證據(jù) 警方將兩人分別置于兩間房間分開(kāi)審訊 政策是若一人招供但另一人未招 則招者立即被釋放 未招者判入獄10年 若二人都招 則兩人各判刑8年 若兩人都不招 則未獲證據(jù)但因私入民宅各拘留1年 盡管甲不知道乙是否招供 但他認(rèn)為自己選 招 最好 因而甲會(huì)選擇 招 乙也同樣會(huì)選擇 招 結(jié)果各判8年 但若兩人都不招 結(jié)果是每人只被判1年 但在 人是理性的 即人人都會(huì)在約束條件下最大化自身的利益 的基本假設(shè)下 這種結(jié)果是不會(huì)出現(xiàn)的 甲和乙是參與博弈的人 稱為 局中人 上表中每一個(gè)小方格內(nèi)的數(shù)字被稱為局中人的支付 其中左邊的數(shù)字代表甲的支付 右邊的是乙的支付 表上中的雙變量矩陣稱為博弈支付矩陣 局中人所選擇的策略構(gòu)成的組合 招 招 被稱為博弈均衡 這個(gè)組合中前后兩個(gè)策略分別表示甲和乙所選擇的策略 納什均衡 非合作博弈均衡 對(duì)于一個(gè)博弈問(wèn)題 如果在每一個(gè)局勢(shì)中 全體局中人的得失相加都是零 則稱此博弈為零和博弈 非合作博弈 否則稱為非零和博弈 合作博弈 在二人零和博弈中 雙方局中人尋求的最優(yōu)解是一種納什均衡 達(dá)到這種均衡時(shí) 只要其他局中人不改變自己的策略 則任何一方單獨(dú)改變策略 只能帶來(lái)收益或效用的減少 納什均衡 首先對(duì)亞當(dāng) 斯密的 看不見(jiàn)的手 的原理提出挑戰(zhàn) 按照斯密的理論 在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中 每一個(gè)人都從利己的目的出發(fā) 而最終全社會(huì)達(dá)到利他的效果 但是我們可以從 納什均衡 中引出 看不見(jiàn)的手 原理的一個(gè)悖論 從利己目的出發(fā) 結(jié)果損人不利己 既不利己也不利他 3 庫(kù)存論 又稱存儲(chǔ)論 研究合理經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行物資儲(chǔ)備的控制策略的理論 4 決策論 研究決策者如何有效進(jìn)行決策的理論與方法 根據(jù)信息和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)用數(shù)量方法尋找或選取最優(yōu)決策方案的科學(xué) 運(yùn)籌數(shù)學(xué) 系統(tǒng)工程 管理與運(yùn)籌學(xué) 問(wèn)題與方法 方法與應(yīng)用 核心算法與工具 基礎(chǔ)理論 應(yīng)用理論 應(yīng)用技術(shù) 運(yùn)籌學(xué) 運(yùn)籌學(xué)的學(xué)科地位 1 市場(chǎng)營(yíng)銷 廣告預(yù)算 媒介選擇 定價(jià) 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與銷售計(jì)劃制定等 2 生產(chǎn)計(jì)劃 生產(chǎn)作業(yè)的計(jì)劃 日程表的編排 合理下料 配料問(wèn)題 物料管理等 3 庫(kù)存管理 多種物資庫(kù)存量的管理 庫(kù)存方式 庫(kù)存量等 4 運(yùn)輸問(wèn)題 確定最小成本的運(yùn)輸線路 物資的調(diào)撥 運(yùn)輸工具的調(diào)度以及建廠地址的選擇等 5 財(cái)務(wù)和會(huì)計(jì) 預(yù)測(cè) 貸款 成本分析 定價(jià) 證券管理 現(xiàn)金管理等 四運(yùn)籌學(xué)的應(yīng)用 6 人事管理 對(duì)人員的需求和使用的預(yù)測(cè) 確定人員編制 人員合理分配 建立人才評(píng)價(jià)體系等 7 財(cái)務(wù)和會(huì)計(jì) 預(yù)測(cè) 貸款 成本分析 定價(jià) 證券管理 現(xiàn)金管理等 8 設(shè)備維修 更新和可靠性 項(xiàng)目選擇 評(píng)價(jià) 9 工程優(yōu)化設(shè)計(jì)與管理 10 城市管理 緊急服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用 供水和污水處理系統(tǒng)的規(guī)劃等 四運(yùn)籌學(xué)的應(yīng)用 由國(guó)際運(yùn)籌與管理科學(xué)協(xié)會(huì) INFORMS 主持評(píng)獎(jiǎng)的負(fù)有盛名的弗蘭茨 埃德曼 FranyEdelman 獎(jiǎng) 就是為獎(jiǎng)勵(lì)優(yōu)秀的運(yùn)籌學(xué)在管理中的應(yīng)用的成就設(shè)立的 該獎(jiǎng)每年舉行一次 在對(duì)大量富有競(jìng)爭(zhēng)力的入圍者進(jìn)行艱苦的評(píng)審后 一般有六位優(yōu)勝者獲獎(jiǎng) 關(guān)于這些獲獎(jiǎng)項(xiàng)目的文章都在第二年發(fā)表在著名刊物Interface的第一期上 下面列表就是發(fā)表在Interface期刊的一些獲獎(jiǎng)項(xiàng)目 四運(yùn)籌學(xué)的應(yīng)用 2008年度大獎(jiǎng) 荷蘭鐵路 項(xiàng)目 荷蘭火車新時(shí)刻表問(wèn)題 1970年80億人千米到2006年154億人千米解決方法 構(gòu)建改進(jìn)的循環(huán)的時(shí)刻表 每一個(gè)小時(shí)可重復(fù) 這是一個(gè)組合優(yōu)化問(wèn)題 設(shè)計(jì)4個(gè)程序效果 公眾意見(jiàn)從負(fù)面批評(píng)道正面肯定 每年增加了4000萬(wàn)歐元的利潤(rùn) 運(yùn)籌學(xué)方法使用情況 美1983 運(yùn)籌學(xué)方法在中國(guó)使用情況 隨機(jī)抽樣 軟運(yùn)籌學(xué) 發(fā)源于英國(guó) 軟系統(tǒng)方法論問(wèn)題結(jié)構(gòu)法戰(zhàn)略假設(shè)表面化與檢驗(yàn)戰(zhàn)略選擇超對(duì)策亞對(duì)策生存系統(tǒng)模型對(duì)話式計(jì)劃 五運(yùn)籌學(xué)的展望 運(yùn)籌學(xué)應(yīng)用 運(yùn)籌科學(xué) 運(yùn)籌數(shù)學(xué) 軟計(jì)算 與優(yōu)化有關(guān) 遺傳算法模擬退火算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯進(jìn)化計(jì)算禁忌算法蟻群優(yōu)化 教材 運(yùn)籌學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 韓伯棠 管理運(yùn)籌學(xué) 高等教育出版社 北京 2000年胡運(yùn)權(quán)等 運(yùn)籌學(xué)教程 清華出版社 北京 1998年劉家壯 王建方 網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化 華中工學(xué)院出版社 武漢 1987年管梅谷 鄭漢鼎 線性規(guī)劃 山東科學(xué)技術(shù)出版社 濟(jì)南 1983年 參考資料 本課程授課方式與考核 講授為主 結(jié)合習(xí)題作業(yè) Theend thankyou