本文作者張曉祥，博士，河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院副教授，河海大學(xué)地理信息科學(xué)與工程研究所副所長，河海大學(xué)X-GIS研究組博客博主，主要從事GIS與專業(yè)模型的集成、水利行業(yè)數(shù)據(jù)模型、遙感與GIS的資源環(huán)境應(yīng)用研究。
之前轉(zhuǎn)載過一篇文章《空間分析的三個傳統(tǒng)：從三份訃告談起》，這篇文章是三份訃告之一。
從GIS-20到GIS-21: 地理信息系統(tǒng)的工程化趨勢
過去20年，地理信息系統(tǒng)(GIS)最開始是在我國規(guī)劃、國土等領(lǐng)域作為辦公自動化工具進(jìn)行推廣，在這些部門由于需要大量的電子出圖因而蘊含了龐大的應(yīng)用需求，之后GIS作為行業(yè)信息化和空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要技術(shù)手段，獲得國家的逐步重視與大量投入，也取得了巨大的成就。GIS前期投入巨大，發(fā)展初期可能也走了不少彎路，今天在數(shù)據(jù)資產(chǎn)逐漸豐富和專業(yè)人才大量儲備的今天，如何發(fā)揮這些數(shù)據(jù)資產(chǎn)的優(yōu)勢，真正服務(wù)于各行各業(yè)的應(yīng)用需求是我們一直在考慮的問題。
有識之士包括奧地利維也納理工學(xué)院Andrew Frank教授(Frank and Raubal, 2001)強(qiáng)調(diào)了GIS教育要從的工程化趨勢，巴西空間研究院院長Gilberto Câmara(2008a)認(rèn)為GIS的工程化這是Andrew Frank教授重要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，Gilberto Câmara(2008b)進(jìn)一步認(rèn)為GIS要從20世紀(jì)(GIS-20)的地理信息科學(xué)(GI Sience)走向21世紀(jì)(GIS-21)的地理信息工程(GI Enineering)。作為地理信息系統(tǒng)乃至空間分析本身，蘊含著也是一個工程化的趨勢，以解決實際問題、為客戶創(chuàng)造價值為己任。Gilberto Câmara(2008a, 2008b)做了一個絕妙的類比，他認(rèn)為地理信息科學(xué)與化學(xué)(Chemistry)、物理學(xué)(Physics)、計算機(jī)科學(xué)(Computer Science)一樣都是學(xué)科的理論儲備，這些學(xué)科在理論準(zhǔn)備階段不會為客戶創(chuàng)造附加值，只有從化學(xué)發(fā)展到化學(xué)工程(Chemical Engineering)、從物理學(xué)發(fā)展到電子工程(Electrical Engineering)、從計算機(jī)科學(xué)發(fā)展到計算機(jī)工程(Computer Engineering)才會發(fā)揮原來的學(xué)科理論儲備的價值。他堅定地同意Frank and Raubal(2001)的觀點，認(rèn)為GIS已經(jīng)到了轉(zhuǎn)折點，那就是從20世紀(jì)的地理信息科學(xué)(GI Sience)發(fā)展到21世紀(jì)的地理信息工程(GI Enineering)。
GIS的工程化應(yīng)該說正在貫穿于GIS的整個產(chǎn)業(yè)鏈體系。目前數(shù)據(jù)獲取(GIS與遙感、GPS的一體化數(shù)據(jù)采集)、數(shù)據(jù)管理(矢量、柵格、DEM等數(shù)據(jù)模型及其一體化數(shù)據(jù)管理技術(shù)Geodatabase)、地學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)(GSN/VGI等信息采集)、數(shù)據(jù)輸出與可視化(非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫NoSQL和大數(shù)據(jù)策略)等等方面，基本上都已經(jīng)實現(xiàn)了GIS的工程化應(yīng)用。特別是2000年以來，我們這個行業(yè)的飛快發(fā)展跟這種工程化的GIS發(fā)展趨勢有著巨大的關(guān)系，因為支持這些工程化技術(shù)的數(shù)據(jù)、設(shè)備、軟件我們中國都能大量地進(jìn)口，如高精度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、天寶的GPS、Leica的航攝遙感飛機(jī)和ESRI等軟件，另外在巨大的需求面前，我們國產(chǎn)的數(shù)據(jù)、設(shè)備和軟件也獲得非常大的應(yīng)用市場。類似于我國建立的基礎(chǔ)設(shè)施(全國的高速公路網(wǎng)絡(luò)和高速鐵路網(wǎng)絡(luò))一樣，我們在地理信息領(lǐng)域也基本建成了空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施——CSDI,這是一個巨大的成就,為后續(xù)GIS的深入應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。
在信息化起步階段和信息化成熟階段，關(guān)注的重點應(yīng)該是不一樣的。在起步階段，我們會不顧一切求發(fā)展，但在成熟階段，我們應(yīng)該注重管理效能的提升。在上述GIS的整個產(chǎn)業(yè)鏈的工程化發(fā)展趨向中，我們會特別重視“硬”的實物，忽視“軟”的的管理。我們過去老是強(qiáng)調(diào)地理信息系統(tǒng)(GIS)與管理信息系統(tǒng)(MIS)在是否有空間特性上的不同之處，但是卻忽視GIS與MIS在管理上更多的相同之處。如何利用GIS做好設(shè)施、資源的管理，提升整個社會的運行效能，是我們未來應(yīng)該格外重視的問題。我們國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展很快，但是社會運行不暢造成的損失和浪費卻極其驚人。舉例來說，我國的交通道路建設(shè)投入巨大，但是交通堵塞非常嚴(yán)重;我們的大中城市教育、醫(yī)療資源富余閑置，小城市和農(nóng)村的教育、醫(yī)療資源稀缺;商業(yè)連鎖發(fā)展迅速，但是因為選址不科學(xué)帶來的浪費驚人。凡此種種，這是都是需要靠作出合理決策、提升管理效能才能解決問題。GIS是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，如何提高這個系統(tǒng)在工程上與管理上的效率，如何定量地對這個系統(tǒng)進(jìn)行分析、優(yōu)化與設(shè)計，提高GIS的運行效率和效益，為客戶創(chuàng)造價值。過去，解決這類問題，因為基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)的欠缺，限制了這些管理功能的發(fā)揮，但是今天在GIS空間數(shù)據(jù)庫越來越完善的今天，如何發(fā)揮這些數(shù)據(jù)資產(chǎn)的效益，進(jìn)行更深入的空間分析與決策則成為下一階段GIS發(fā)展的重要趨勢。
Charles S. ReVelle教授就是這樣一位為客戶創(chuàng)建價值的專家，他開創(chuàng)了空間分析的工程學(xué)傳統(tǒng)。
Charles S. ReVelle的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)
Charles S. ReVelle(發(fā)音為ruh-VEL)教授是國際知名的區(qū)位論(Location Science)與空間優(yōu)化(Spatial Optimization)專家，生于1938年，卒于2005年。ReVelle教授最早是學(xué)化工的，后來對位置分析(Location Analysis)領(lǐng)域發(fā)生興趣，并于1967年獲得美國康奈爾大學(xué)(Cornell University)博士學(xué)位，之后留在康奈爾大學(xué)任教至1971年。他博士論文的工作是針對國際疾病防治問題，討論如何進(jìn)行最佳的藥物和資源配置，這個工作成功地應(yīng)用于在發(fā)展中國家中間如何實現(xiàn)抗結(jié)核的藥物和資源的最佳分配。1971年后，他來到盛譽卓著的美國約翰·霍普金斯大學(xué)地理學(xué)與環(huán)境工程系擔(dān)任教授(http://engineering.jhu.edu/~dogee/)，他的同事中包括寫出《地理學(xué)的解釋(1969)》等許多著作的大衛(wèi)·哈維(David Harvey)教授(http://davidharvey.org/)以及現(xiàn)美國卡耐基·梅隴大學(xué)校長的Jared Cohon教授(http://www.cmu.edu/about/leadership/president/)等杰出人物。
ReVelle教授的研究論文不但數(shù)量多、質(zhì)量高，而且論文的多樣性、影響力同樣極為卓著，可以說是一個百科全書似的專家。整個職業(yè)生涯，他出版了超過200篇論文和專著，其中獨著或協(xié)作完成了9部書。他的研究主題非常廣泛，覆蓋從優(yōu)化糧食存儲到建模環(huán)境的廣泛領(lǐng)域。其中他研究最多的是“位置和交通網(wǎng)絡(luò)分析(Location and Transportation Network Analysis)”，達(dá)106篇，其它研究論文的主題包括自然保護(hù)區(qū)設(shè)計、森林管理科學(xué)、水資源、人口建模、流行病建模、糧食模型、軍備控制等許多領(lǐng)域……，這些論文發(fā)表在數(shù)十種國際一流的期刊上，其中在著名地理學(xué)期刊《Geographical Analysis》、《Environment and Planning》(EPA)、《Environment and Planning B：planning and design》(EPB)等期刊上的論文超過20篇，更多的發(fā)表在運籌學(xué)、交通、水資源、公共衛(wèi)生等著名期刊上。
比較有影響的論文包括：1974年，ReVelle教授與他的研究生Richard Church(后來UCSB地理系主任、教授)合作發(fā)表了一篇“最大覆蓋位置問題”(maximal covering location problem，MCLP)，這是一篇歷史上引用率極高的論文(SCI引用已經(jīng)超過1000次，非常傳奇的文獻(xiàn)!)。1984年，他與學(xué)生John Current和同事Jared Cohon合作的論文開創(chuàng)了最短路徑覆蓋模型。這篇論文開辟了一個新的方向，就是位置(location)和路徑(path)被合并來進(jìn)行交通系統(tǒng)以及服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用。Wright, Revelle,Cohon(1983)也是一篇在土地獲取建模方面有突破性的論文，那篇論文被認(rèn)為是優(yōu)化土地資源保護(hù)的經(jīng)典。
Church, R.& ReVelle, C.(1974). The maximization covering problem. Papers of Regional Science Assosiation,32,101-118.
Current, J., ReVelle, C., Cohon, J.(1984). The Shortest Covering Path Problem: An Application of Locational Constraints to Network Design. Journal of Regional Science 24, 161-185.
Wright, J., Revelle, C., Cohon, J.(1983). A multiobjective integer programming model for the land acquisition problem. Regional Science and Urban Economics, 1983, 13(1),31-53.
ReVelle教授的工作對環(huán)境政策有著廣泛的影響，他開創(chuàng)性地利用數(shù)學(xué)模型幫助確定水庫、污水處理廠、自然保護(hù)區(qū)、配電站以及各類應(yīng)急服務(wù)設(shè)施的最理想的選址，并確定最佳規(guī)模，比較有影響的一個研究案例發(fā)生在20世紀(jì)70年代，ReVelle的模型被用來幫助美國巴爾的摩市(Baltimore)科學(xué)地作出關(guān)閉冗余消防局的決定。在工程優(yōu)化領(lǐng)域，他的空間優(yōu)化算法還成功地應(yīng)用于交通和電網(wǎng)的有效選線。
ReVelle教授研究視野開闊，他與合作者一起甚至大膽地將優(yōu)化模型應(yīng)用于歷史問題研究，成功地應(yīng)用于古羅馬帝國的軍事分布分析。另外，在戰(zhàn)略層面，ReVelle博士成功地將優(yōu)化模型應(yīng)用于現(xiàn)代核軍備控制問題。在可持續(xù)發(fā)展與自然保護(hù)方面，他開發(fā)了數(shù)學(xué)模型用于實現(xiàn)森林物種保護(hù)與林木砍伐的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的平衡。
ReVelle教授曾經(jīng)任管理科學(xué)雜志的副主編。在1996年，他因為他的位置分析領(lǐng)域的研究獲得INFORMS的終生成就獎(美國運籌學(xué)和管理科學(xué)研究協(xié)會INFORMS，http://meetings2.informs.org/phoenix2012/), 1998年他獲得
David E. Boyce區(qū)域科學(xué)獎。2006年在其逝世后，獲得北美區(qū)域科學(xué)學(xué)會(NRASC)的Walter Isard終生成就獎(http://www.narsc.org/newsite/?page_id=30)。
ReVelle的學(xué)術(shù)傳人
ReVelle教授的科研合作以及對博士生的培養(yǎng)值得大書特書，他是一位非常好的導(dǎo)師和合作者，跟他合作的人后來絕大部分都取得了非凡的成就。ReVelle教授非常愿意與同行和學(xué)生合作，他先后與工程學(xué)、數(shù)學(xué)、地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)的專家一起合作發(fā)表論文，前后合作的論文作者超過100名。
在同行合作上，ReVelle教授有很多合作者，他先后跟荷蘭鹿特丹大學(xué)(Erasmus University Rotterdam,EUR)的經(jīng)濟(jì)地理學(xué)家Kenneth Rosing以及約翰·霍普金斯大學(xué)的數(shù)學(xué)家Jack Elzinga分別合作發(fā)表了13篇和7篇論文。ReVelle教授最重要的合作者是他在地理與環(huán)境工程系的同事Jared Cohon教授，他們在一起合作了30篇論文，Jared Cohon教授在約翰·霍普金斯大學(xué)與ReVelle共事了19年，并任過約翰·霍普金斯大學(xué)工學(xué)院院長以及學(xué)校的科研副校長，后Jared Cohon教授轉(zhuǎn)到美國耶魯大學(xué)任教，1997年至今為美國著名大學(xué)卡耐基·梅隴大學(xué)的第8任校長,先后當(dāng)選為美國國家工程院院士(National Academy of Engineering)和美國人文與科學(xué)院院士(AAAS)(http://www.cmu.edu/about/leadership/president/biography.shtml)。
ReVelle教授本人以及與他的博士生合作完成的著作(部分)
1.ReVelle, C., E. Whitlach, and J. Wright. (2004). Civil and Environmental Systems Engineering Second Edition. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.
2.ReVelle, C. (1999). Optimizing Reservoir Resources: Including a New Model of Reservoir Reliability. Hoboken, NJ: Wiley.
3.ReVelle, C., and A. McGarity co-editors, (1997). Design and Operation of Civil and Environmental Engineering Systems. Hoboken, NJ: Wiley.
在博士生培養(yǎng)上，從1971開始2005年逝世，在30多年的時間里，ReVelle教授在約翰·霍普金斯大學(xué)一共培養(yǎng)了33名博士。這些學(xué)生中包括很多學(xué)界出類拔萃的學(xué)者：在工學(xué)院任教的Justin Williams(約翰·霍普金斯大學(xué)JHU教授),Earl Whitlatch(俄亥俄州立大學(xué)工學(xué)院教授)、Jeffrey Wright(原普度大學(xué)工學(xué)院教授，后任加州大學(xué)Merced分校工學(xué)院院長)、Arthur McGarity(Swarthmore College教授，工學(xué)院全美很王牌)、Vladimir Marianov(智利天主教大學(xué)電子工程學(xué)教授)等;在商學(xué)院和公共政策學(xué)院任教的John Current(俄亥俄州立大學(xué)OSU商學(xué)院教授), David Schilling(俄亥俄州立大學(xué)OSU商學(xué)院教授),Daniel Serra(西班牙巴塞羅那UPF大學(xué)教授)、David Eaton(得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校UT Austin公共政策教授)等;在地理系任教的Richard Church(美國加州大學(xué)圣芭芭拉大學(xué)UCSB地理系教授，1984-1988年任系主任),Samuel Ratick(原波士頓大學(xué)Boston教授，后任克拉克大學(xué)Clark地理系教授)等等。一個教授的學(xué)生如此厲害，如此跨界真的非常不多見，ReVelle是少見的多棲人物。
我們無意評價也難以評價ReVelle及其學(xué)生在工學(xué)院、商學(xué)院、公共政策研究方面的貢獻(xiàn)，我們只簡單介紹，我們后文重點將集中介紹ReVelle和他的弟子在地理系特別是在空間決策與優(yōu)化領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
空間優(yōu)化的學(xué)術(shù)傳承
在地理界，Charles ReVelle教授的影響主要是通過他帶過的博士生來進(jìn)行傳承，比較有影響的就是他的Richard Church。Richard Church教授生于1947年，1974年博士畢業(yè)于美國約翰·霍普金斯大學(xué)地理與環(huán)境工程系，師從ReVelle教授做空間優(yōu)化(Spatial Optimization)研究。1974年至1980年在田納西大學(xué)任教。1980年，被當(dāng)時著名地理學(xué)家David Simonette教授挖到UCSB任地理系教授，1984-1988年任UCSB地理系主任，后任美國國家地理信息分析中心(NCGIA)車輛智能與交通分析實驗室(VITAL)主任，主要從事運籌學(xué)、GIS、決策論和啟發(fā)式搜索技術(shù)在交通、定位、環(huán)境資源等方面的應(yīng)用研究，現(xiàn)為UCSB特級(above-scale)教授，2011年起任UCSB文理學(xué)院從事創(chuàng)新研究的數(shù)學(xué)、生命科學(xué)、物理科學(xué)跨學(xué)科研究機(jī)構(gòu)(MLPS)的副主任(Associate Dean of MLPS, UCSB)。發(fā)表論文和研究報告接近200篇，他是區(qū)位論、交通地理信息系統(tǒng)、環(huán)境資源決策領(lǐng)域的國際知名學(xué)者。他的個人主頁是：http://www.geog.ucsb.edu/people/faculty/richard-church.html
1974年，Richard Church初出茅廬，即與導(dǎo)師Charles ReVelle教授合作完成了一篇極為經(jīng)典的論文，非常經(jīng)典地解決了“最大覆蓋位置問題”(maximal covering location problem，MCLP)，這是一篇單篇SCI引用超1000次的傳奇論文?！綜hurch, R.& ReVelle, C.(1974). The maximization covering problem. Papers of Regional Science Assosiation,32,101-118.】Richard Church年少成名，后來到UCSB很快任終身教授、系主任，學(xué)術(shù)生涯也培養(yǎng)了十多位博士，他的學(xué)生之中最出名的就是Alan Murray，作為Church告別學(xué)術(shù)生涯的扛鼎之作，Alan Murray與其導(dǎo)師Richard Church合著了有關(guān)GIS與空間優(yōu)化的兩部書(1部2009年已出版，1部2013年出版)。
Alan Murray教授，生于1967年，1995年在Richard Church指導(dǎo)下獲得UCSB地理系博士學(xué)位，博士畢業(yè)10年之內(nèi)即晉升為美國俄亥俄州立大學(xué)(OSU)地理系正教授、城市與區(qū)域分析中心主任，2002-2008任地理學(xué)理論刊物《Geographical Analysis》主編。2008年Alan被美國科學(xué)院院士Luc Anselin教授挖到美國亞利桑那州立大學(xué)(ASU)地理學(xué)院任教授，現(xiàn)為GeoDA空間分析與計算中心教授，并任ASU工學(xué)院工業(yè)工程系兼任教授。他可能是美國GIS與空間分析領(lǐng)域50歲以下學(xué)者中發(fā)表論文最多的人，主要研究領(lǐng)域為空間分析與空間優(yōu)化，近年論文平均20篇/年，他幾乎在所有的GIS與地理學(xué)主要刊物上都發(fā)表過論文，是美國GIS界的Paper Machine，非常聰明睿智的一位學(xué)者，也非常有個性的一位學(xué)者，深得導(dǎo)師Richard Church教授喜歡。
Church教授和Alan Murray教授以及再傳弟子等合作完成的著作
1、2013 R.L. Church and A.T. Murray. Location Covering Models: History, Applications, and
Advancements (under contract with Springer).【本書2013年即將出版，由Church和Murray合作】
2、2009 R.L. Church and A.T. Murray. Business Site Selection, Location Analysis and GIS (New York: Wiley).
3、2007 A.T. Murray and T.H. Grubesic (editors). Critical Infrastructure: Reliability and Vulnerability (Berlin: Springer).
2012年10月，美國運籌學(xué)和管理科學(xué)研究協(xié)會INFORMS在美國亞利桑那州菲尼克斯舉行年會
Richard Church(左)和Alan Murray(右)每年都會在INFORMS上舉行空間優(yōu)化的專場匯報會(博主攝)
Alan Murray在2010年的北美區(qū)域科學(xué)年會(NARSC)上做報告
有責(zé)任的學(xué)者都有作為學(xué)術(shù)傳承和社會服務(wù)的義務(wù)，在空間優(yōu)化領(lǐng)域，Richard Church和Alan Murray都選擇了堅守與傳承，除了出版兩本專著(Church and Murray, 2009;Church and Murray, 2013)傳播ReVelle的衣缽以外，他們還特別注意培養(yǎng)人才培養(yǎng)，他們兩位培養(yǎng)的博士生很多在北美地理界獲得了教職。為團(tuán)結(jié)同道眾人，特別注意組織空間優(yōu)化領(lǐng)域的學(xué)術(shù)會議。他們主要組織的會議有:
(1) Richard Church和Alan Murray每年都會在美國運籌學(xué)和管理科學(xué)研究協(xié)會(INFORMS)年會上舉行空間優(yōu)化的專場匯報會(http://meetings2.informs.org/phoenix2012/)，早年兩個學(xué)會合并組建的學(xué)會。
(2) 每年的北美區(qū)域科學(xué)年會(NARSC)上都會組織相應(yīng)的為位置與空間建模(Location and Spatial Modeling)的專場報告會(http://www.narsc.org/newsite/)，這是從1956年就開始舉辦的國際會議。
(3)每三年一次的國際位置決策研討會(ISOLDE),2012年ISOLDE XII在日本舉行，這是從1978年就開始舉行的國際學(xué)術(shù)會議，在日本為第12屆，http://www.ms.nanzan-u.ac.jp/uor/isolde/index.html。
前排坐者左數(shù)第四為Richard Church教授，前排坐者右數(shù)第二位為Alan Murray教授(2012.7 日本，ISOLDE XII)。(照片來自網(wǎng)絡(luò):http://www.ms.nanzan-u.ac.jp/uor/isolde/index.html)
作為學(xué)術(shù)責(zé)任的一部分，2005年Charles ReVelle教授過世以后，Richard Church教授和Alan Murray教授分別在《Geographical Analysis》雜志和《Socio-Economic Planning Sciences》雜志組織了專刊，來幾年這位解除的科學(xué)家，也是學(xué)科領(lǐng)軍人物。具體信息如下：
【1】ReVelle教授紀(jì)念專刊1：發(fā)表在《Socio-Economic Planning Sciences》雜志，總共7篇紀(jì)念論文
專刊名：The contributions of Charles S. Revelle(Charles S. Revelle的貢獻(xiàn))
客座主編：Timothy C. Matisziw, Alan T. Murray and Jeffrey P. Osleeb
出版信息：Volume 43, Issue 2, Pages 89-140 (June 2009)
網(wǎng)頁鏈接： http://www.sciencedirect.com/science/journal/00380121/43/2
【2】ReVelle教授紀(jì)念?？?：發(fā)表在《Geographical Analysis》雜志，總共8篇紀(jì)念論文
?？篒n Honor of and in Memory of Charles S. ReVelle(表彰與懷念Charles S. Revelle)
客座主編：Mark S. Daskin, John R. Current, and Richard L. Church
出版信息：Volume 41, Issue 1，Pages 1–126(January 2009)
網(wǎng)頁鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gean.2009.41.issue-1/issuetoc
運籌學(xué)與GIS
1.從2012年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎?wù)f起：一個運籌學(xué)的諾貝爾獎
2012年美國運籌學(xué)和管理科學(xué)研究協(xié)會(INFORMS)年會于2012年10月13日至17日在美國亞利桑拉州的菲尼克斯會展中心舉辦。會議舉辦當(dāng)中的10月15日，2012年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎揭曉，得主為運籌學(xué)專家Alvin E. Roth教授和Lloyd S. Shapley教授。獲獎理由是“穩(wěn)定分配理論和市場設(shè)計實踐(for the theory of stable allocations and the practice of market design)”。正在召開的INFORMS會議以最快速度寫了一篇文章“An Operations Research Nobel(一個運籌學(xué)的諾貝爾獎)?”
運籌學(xué)專家王軍強(qiáng)博士在<科學(xué)網(wǎng)>上寫了一篇文章《運籌學(xué)研究也能出諾貝爾獎》,介紹2012年的諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎的獲獎成果,他認(rèn)為此次獲獎不僅是經(jīng)濟(jì)學(xué)的順利，更是博弈論、運籌學(xué)或者工業(yè)工程的順利，也是INFORMS學(xué)會的順利,因為這兩位學(xué)者都是業(yè)內(nèi)著名的運籌學(xué)專家，INFORMS曾授予兩人重要的成就獎項。
王軍強(qiáng)博士進(jìn)一步認(rèn)為，當(dāng)今世界，諸如制度的設(shè)計、政策的制定、資源的分配、結(jié)構(gòu)的調(diào)整、政府和個人的博弈、公平保障、公共衛(wèi)生、重大項目上馬等等無不是運籌學(xué)或者工業(yè)工程所涉及的領(lǐng)域。實際上，運籌學(xué)的誕生于70年前的1942年，正式的學(xué)術(shù)交流活動則肇始于1952年的美國運籌學(xué)會的成立。
2. 運籌學(xué)的歷史與現(xiàn)狀
運籌學(xué)(Operation Research，OR)的創(chuàng)始人是美國物理學(xué)家Philip M. Morse(1903-1985)，他在美國被尊稱為運籌學(xué)之父，他于1929年獲得普林斯頓大學(xué)物理學(xué)博士，1931-1969年期間在美國MIT任教，二戰(zhàn)期間為美國海軍工作，創(chuàng)立了海軍的運籌學(xué)小組，并成功地提高了軍隊的戰(zhàn)斗力。他因此在戰(zhàn)后的1946年獲得你美國總統(tǒng)功勛獎?wù)拢?952年，他創(chuàng)立美國運籌學(xué)會(ORSA)并任創(chuàng)會主席，另外他還幫助組織了第一屆國際運籌學(xué)會議以及創(chuàng)建了國際運籌學(xué)會聯(lián)合會(IFORS)。1951年戰(zhàn)后他重返MIT任教，他一人兼任三種角色，既是物理學(xué)教授，1953年他與Herman Feshbach合寫了他們的名著《Methods of Theoretical Physics》。由于意識到數(shù)字計算機(jī)的巨大威力，他創(chuàng)立了MIT的計算機(jī)中心，并擔(dān)任該中心主任直到1967年。他還創(chuàng)建了MIT運籌學(xué)中心，并開始培養(yǎng)運籌學(xué)博士生。 Morse教授后因其多個領(lǐng)域的重大成就先后當(dāng)選美國科學(xué)院院士和美國工程院院士。
Morse和Kimball(1951)定義“運籌學(xué)是給行政管理部門提供的一種量化的科學(xué)方法，以便在它們的控制下作出有關(guān)管理運行的決策”。60年來，包括數(shù)據(jù)、模型和決策在內(nèi)的運籌學(xué)方法論也獲得飛速發(fā)展。目前，在西方國家，運籌學(xué)屬于工業(yè)工程(Industrial Engineering)專業(yè)的一個研究方向，我國清華大學(xué)等高校也于近年建立了工業(yè)工程專業(yè)。這個專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)規(guī)劃、優(yōu)化算法、系統(tǒng)仿真、隨機(jī)過程、馬爾可夫鏈和馬爾可夫決策過程、排隊論、存儲論、決策分析、博弈論等系列理論與方法。
在學(xué)術(shù)會議組織方面，目前世界上該領(lǐng)域最有影響的學(xué)術(shù)會議為美國運籌學(xué)和管理科學(xué)研究協(xié)會(INFORMS)，INFORMS是由美國運籌學(xué)會(ORSA)和美國管理學(xué)會(TIMS)于1995年合并而成，是全世界公認(rèn)的運籌學(xué)(OR)、管理科學(xué)(MS)和商業(yè)分析領(lǐng)域最具影響力的專業(yè)學(xué)會，致力于提高系統(tǒng)運作的效率和效益，并做出更好的管理決策，為促進(jìn)、推動運籌學(xué)和管理學(xué)的學(xué)術(shù)交流、學(xué)科發(fā)展、人才培養(yǎng)做出了杰出貢獻(xiàn)，本領(lǐng)域全球最頂級的學(xué)術(shù)期刊《OR》、《MS》均出自INFORMS。
Morse, P.M., Kimball, G.E.,1951. Methods of Operations Research. John Wiley, New York.
Morse, P.M., 1958. Queues, Inventories and Maintenance. John Wiley, New York.
Morse, P.M., 1968. Library Effectiveness: a system approach. MIT Press, Cambridge, MA.
Morse, P.M., 1977. In at the beginnings: a physicist’s life. MIT Press, Cambridge, MA.
Little, J.D.C., 2002. Philip M. Morse and the beginnings. Operations Research 50,146-148.
3. 加入空間約束的運籌學(xué)
在我讀書的武漢大學(xué)和南京大學(xué)，GIS及相關(guān)專業(yè)的本科課程都開設(shè)了運籌學(xué)課程，我記得在武漢大學(xué)遙感院是鄭肇葆教授開課，在南京大學(xué)地理系是都金康教授開課，兩位老師都教得非常認(rèn)真、也非常好。這說明我們的GIS前輩在制定學(xué)生教學(xué)計劃時都意識到這門學(xué)科的重要性。但是一個非常重要的問題是，這些運籌學(xué)的基礎(chǔ)知識后面很多年我們在實際工作中甚少碰到，那就是說，運籌學(xué)理論和方法的講授跟GIS的實際需要之間有很大的脫節(jié)。
因此，迫切需要有人能夠?qū)⑦\籌學(xué)與GIS緊密聯(lián)系起來，以Charles ReVelle教授、Richard Church教授、Alan Murray教授三代學(xué)人的持續(xù)努力讓這個冷門的研究方向逐步走向成熟。他們創(chuàng)造性地將空間約束引入經(jīng)典的運籌學(xué)模型組建聯(lián)合方程，統(tǒng)一求解，取得了非常意想不到的效果。Richard Church教授、Alan Murray教授在各自的博士論文研究以后后續(xù)的研究生涯中都堅持空間優(yōu)化的研究方向，傳承了非常有特色的一個空間分析研究分支，2009年他們Richard Church教授、Alan Murray教授《Business Site Selection, Location Analysis and GIS》一書，2013年，他們兩位還將出版一部專著，總結(jié)這一研究領(lǐng)域的經(jīng)典研究成果。
空間優(yōu)化的學(xué)科內(nèi)涵
1. 計量革命與空間優(yōu)化
空間優(yōu)化實際上與地理學(xué)有著千絲萬縷的聯(lián)系，在經(jīng)典的經(jīng)濟(jì)地理學(xué)研究中，von Thunen地租關(guān)系理論(農(nóng)業(yè)區(qū)位論)、Weber的耗費最小化(工業(yè)區(qū)位論)，Christaller and Losch的中心地理論等是經(jīng)典的基礎(chǔ)地理學(xué)理論,這些區(qū)位論研究迫切需要空間優(yōu)化，以解釋和理解地理格局，并設(shè)定最佳位置。空間優(yōu)化建立在豐富的學(xué)科傳統(tǒng)和現(xiàn)實意義基礎(chǔ)上，1959年，William Garrison首次在文獻(xiàn)中討論了空間優(yōu)化，建構(gòu)了明確的優(yōu)化問題，這個研究基本上與早期運籌學(xué)發(fā)展同步。1950-1960年代的地理學(xué)計量革命中的先驅(qū)如William Garrison, Peter Haggett, Richard Chorley, Alan Wilson, William Bunge, Brian Berry, Peter Gould, Waldo Tobler, Richard Morrill, Duane Marble, Reginald Golledge, and Gerard Rushton等都廣泛應(yīng)用空間優(yōu)化方法，另外諸如David Harvey, Allen Scott, Eric Sheppard, and Kevin Cox等當(dāng)代杰出的人本主義地理學(xué)、新馬克思主義地理學(xué)、后現(xiàn)代地理學(xué)等思潮的學(xué)界先鋒人物，他們在早期科學(xué)生涯中也經(jīng)常使用空間優(yōu)化(Tong and Murray,2012)。
地理學(xué)中的空間優(yōu)化研究來源于實際應(yīng)用的需求，隨著GIS的發(fā)展和擴(kuò)散獲得越來越大的空間，目前空間優(yōu)化已經(jīng)成了GIS的重要功能。我們這里討論范圍限制為明確的地理背景(explicit geographic contexts)的空間問題，這種明確的地理背景有著空間限制(space constraints)。
2. 空間優(yōu)化的應(yīng)用領(lǐng)域
空間決策是GIS應(yīng)用的重要目標(biāo)。Malczewski(1999)出版了《GIS and Multicriteria Decision Analysis(GIS與多準(zhǔn)則決策分析)》一書，其中，將空間決策分空間多屬性決策與空間多目標(biāo)決策。實際上，多屬性決策現(xiàn)在通過軟件求解基本上就可以完成，如ArcGIS等GIS軟件可以完成數(shù)據(jù)的疊加處理，其背后的原理是地圖代數(shù)(Map Algebra)方法。但是，多目標(biāo)決策特別是加上空間限制的多目標(biāo)決策對于當(dāng)前的GIS軟件則幾乎無法求解。這種加上空間約束的多目標(biāo)決策方法通?？梢哉J(rèn)為是空間優(yōu)化。
空間優(yōu)化與數(shù)學(xué)和工程很類似，空間優(yōu)化問題包括三個組成部分：目標(biāo)、所要作出的決策、限制條件。這三者在某種程度上有時混雜在一起，或明確或隱含地反映感興趣的地理問題，具體求解可以采用精確解或近似解。研究目標(biāo)通常與問題的背景相關(guān)，需要滿足一定的限制條件，如要確保費用最小或收益最大等。各類應(yīng)用問題的目標(biāo)通常以一個或多個目標(biāo)函數(shù)來表達(dá)。決策變量與決策本身密切相關(guān)，需要根據(jù)實際問題，確定參加求解的決策變量。
空間優(yōu)化是地理學(xué)的一個重要分支，對于交通建模、位置建模(Location Modeling)、商業(yè)地理學(xué)、醫(yī)學(xué)地理學(xué)、政治地理學(xué)、學(xué)區(qū)劃分、土地利用規(guī)劃、城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)劃等有著重要應(yīng)用價值。
3. 空間約束：空間關(guān)系與空間屬性
空間約束實際上把空間關(guān)系和空間屬性作為限制條件加入原有的優(yōu)化方程，以共同組成方程組求解。Tong and Murray(2012)總結(jié)了空間優(yōu)化的約束條件，包括四種空間屬性約束和四種空間關(guān)系約束。其中，空間屬性約束包括:空間距離約束(distance)、空間形狀約束(shape)、空間分區(qū)約束(districts)、空間格局約束(pattern);空間關(guān)系約束包括：空間鄰接性約束(adjacency)、空間連通性約束(connectivity)、空間包含性約束(containment)、空間相交性約束(intersection)。這些空間約束依賴于空間對象直接的分割與組合，特別是跟空間尺度密切相關(guān)。
具體各類約束的常見應(yīng)用如下：
[A] 空間距離約束(distance): 服務(wù)設(shè)施或服務(wù)中心的選址，距離靈敏性選址(如離污染物要有一定距離)。
[B] 空間形狀約束(shape)：對于相同面積的幾何圖形，圓的周長最小。如廊道建設(shè)需要距離最短，但是覆蓋面積最大，可用于土地利用規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)設(shè)計、服務(wù)區(qū)評價。
[C] 空間分區(qū)約束(districts)：學(xué)區(qū)劃分、選取劃分、統(tǒng)計單元劃分。
[D] 空間格局約束(pattern)： 設(shè)施分散選址、居民地格局設(shè)置、特殊設(shè)施(核電站、化工廠、垃圾站)的選址、自然保護(hù)區(qū)、救助設(shè)施選址。
[E]空間鄰接性約束(adjacency):特許連鎖經(jīng)營網(wǎng)點分析、城市增長建模、森林資源管理、自然保護(hù)設(shè)計、土地利用規(guī)劃、城市形態(tài)模擬、犯罪位置分析、野生動物管理。
[F]空間連通性約束(connectivity):交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)設(shè)計、安保監(jiān)控設(shè)施、逃生風(fēng)險分析等。
[G]空間包含性約束(containment):應(yīng)急設(shè)施選址、衛(wèi)生服務(wù)保障、地下水監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計、儲備庫選址、警報器選址(warning siren sitting)、應(yīng)急醫(yī)療服務(wù)規(guī)劃、警察巡邏區(qū)域劃分。
[H]、空間相交性約束(intersection):救援服務(wù)保障、加油站選址、自然保護(hù)區(qū)設(shè)計、安保監(jiān)控、交通流量評估、緊急醫(yī)療服務(wù)保障等。
4. 如何求解空間優(yōu)化問題
優(yōu)化問題的建模并不是一個簡單的工作，尤其是在空間背景下的建模更為困難。這些建模有些情況下是一種藝術(shù)，需要技巧與創(chuàng)造力(church and murray, 2009)。Armstrong(2000)認(rèn)為地理模型本質(zhì)上需要大量計算，這對于空間優(yōu)化來說特別正確。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)的精度越來越高，空間數(shù)據(jù)也越來越大，未來在大數(shù)據(jù)背景下如何動態(tài)實時求解是一個巨大的挑戰(zhàn)。未來的空間數(shù)據(jù)表達(dá)問題是一個關(guān)鍵，高效的數(shù)據(jù)表達(dá)是空間優(yōu)化的基礎(chǔ)，可以大大減低空間優(yōu)化的難度。
空間優(yōu)化并不總能得到精確解，有時候近似解也是可以接受的，啟發(fā)式算法(heuristics)在空間優(yōu)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。對于一些問題，可以限制條件有多種，空間優(yōu)化問題本身可能更為復(fù)雜。
在空間優(yōu)化問題的求解方面，當(dāng)前的GIS軟件還很難達(dá)到實用，但是也有不少軟件開發(fā)用來進(jìn)行空間優(yōu)化，如ESRI的ArcLogistics 10擴(kuò)展模塊(http://www.esri.com/software/arclogistics-10)，但是空間優(yōu)化問題因為本身的復(fù)雜性和多樣性，與GIS的集成還有很大的難度。
5.GIS與空間優(yōu)化的未來
實際上在各行各業(yè)，優(yōu)化問題隨處可見。我們國家目前走的是外延式的粗獷型發(fā)展道路，但是我們最終肯定會走內(nèi)涵式的精致型發(fā)展道路。未來的發(fā)展需要向管理要效益，杜絕"跑冒滴漏",這樣一樣可以創(chuàng)造價值。我們經(jīng)常習(xí)慣了“掙來的錢才是錢”，而意識不到“省下的錢也是錢(A penny saved is a penny earned)”。
隨著國外Google、Yahoo、Microsoft、ESRI以及我國天地圖等空間數(shù)據(jù)API的開放，大數(shù)據(jù)時代，未來數(shù)據(jù)瓶頸會逐漸消失。目前，在美國有不少咨詢企業(yè)如麥肯錫等從事空間選址研究，相信我國未來也會有很多小的創(chuàng)業(yè)型公司將會不斷涌現(xiàn)，專門專注GIS的細(xì)分市場，從事GIS咨詢增值業(yè)務(wù)。空間優(yōu)化與GIS的集成作為一個可以省錢的方向，相信應(yīng)該有著比較廣闊的未來。
這里我們也應(yīng)該緬懷Charles S. ReVelle教授這樣的天才，他的篳路藍(lán)縷、獨具創(chuàng)見開辟了一個新的方向，也開創(chuàng)了空間分析的工程學(xué)傳統(tǒng)。（文|張曉祥）
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