田 軍，李莉芳，白 劍，馮耕中

(西安交通大學管理學院，陜西 西安 710049)

1 引言

應急任務的流程化管理問題，是增強應急預案可操作性和提高其使用效果的一個瓶頸，也是在應急管理信息平臺上實現(xiàn)應急管理處置過程的計算機化管理，所面臨的一個迫切需要解決的問題。由于突發(fā)事件具有蔓延、轉化、衍生和耦合的作用機制，事先很難料想到這種不確定性，因此在應急預案設計過程中，不可能針對所有的情景設置對應的處置方式。為了解決應急活動(任務)的結構化管理和動態(tài)集成問題，有學者提出了將預案中某些特定的功能或措施獨立出來，形成獨立的固定流程，即模塊化管理的思路[1]。其目的在于：(1)降低管理過程的復雜性。模塊化實現(xiàn)的是對內將活動進行封裝，把復雜性隱藏在內部，對外提供標準的接口，實現(xiàn)即插即用的功能。(2)解決效率和柔性之間的矛盾。模塊內部的高內聚和模塊間的松耦合，就會使得模塊間的依賴性減小，當外界發(fā)生變動時，可以通過模塊的修改、替代、增加、刪除等操作活動，實現(xiàn)模塊的快速重組和新功能的產生。

2008年汶川地震時，中國政府確定了九大工作組，涉及部門多達幾十個，通過對九大任務的劃分，把平時散落在各個行政部門的能力暫時集中了起來，在地震救援過程中發(fā)揮了巨大的作用，這樣的組織方式就充分體現(xiàn)了模塊化管理的思想。本文將采用統(tǒng)一建模語言描述的應急預案任務(活動)映射到設計結構矩陣(DSM，Design Structure Matrix)之中，定量測量應急任務(活動)之間的依賴關系，并依據(jù)這種依賴關系的強弱，對應急任務進行聚類分析，按照高內聚松耦合的目標，建立模塊化任務的功能結構，實現(xiàn)對應急任務進行模塊化劃分的目的，進而為實現(xiàn)應急預案任務流程的模塊化管理提供支持。

2 流程模塊化管理與應急任務流程管理的研究綜述

2.1 流程模塊化管理的研究進展

模塊化的思想啟蒙于Simon的復雜系統(tǒng)論[2]，從Simon提出復雜系統(tǒng)的“層次性”與“可分性”特質起，不少學者參與了“近似可分系統(tǒng)”的研究，Starr在1965年的《哈佛商業(yè)評論》上提出了模塊化的概念[3]，在隨后的幾十年間，模塊化技術和思想被應用到了不同的領域，從產品設計、生產流程到組織管理，模塊化的生產和管理方式產生了巨大的經濟社會效益。

模塊化具有松耦合、強內聚、標準化接口、功能獨特性、可重用性以及自治性等特點，正如Richard[4]指出的那樣，模塊化是基于組織及其流程的系統(tǒng)理論，其尋求的是系統(tǒng)的組成部分是如何“耦合”的，以及這些部分之間的聯(lián)系有多緊密。增強的模塊化使得系統(tǒng)的各部分能夠更加靈活的拆分與聚合，Schilling[5]認為模塊化是描述系統(tǒng)部件可以被分解和重組的程度的度量，這種度量包含兩個方面，一方面是系統(tǒng)部件之間的耦合程度，另一方面是系統(tǒng)部件按照一定的規(guī)則能組合和匹配的程度(即模塊化程度)。

在經濟管理領域，模塊化更多的應用是集中在業(yè)務流程方面[6]?！傲鞒獭笔且唤M相互聯(lián)系且共同將多種輸入轉化為對顧客有價值活動的總和。復旦大學方丁認為[7]，模塊化流程是由流程模塊(由一組活動和執(zhí)行活動的資源組成[6])組合而成的業(yè)務流程，模塊化程度高的流程具有“封裝”和“即插即用”的特性，其組成模塊能夠被快速、低成本的修改、替換、分離或者并入整體流程，而不會對流程整體功能和流程其余部分產生負面的影響。模塊化程度低的流程中，流程整體具有較高的依賴性，流程的變動將產生復雜的影響，因而難以變動流程。李超等[8]研究了機務準備流程的模塊化管理問題，并運用Exspect仿真證明了模塊化流程優(yōu)化的有效性。吳維海[9]研究了模塊化流程對銀行業(yè)務變革的作用，并據(jù)此提出了一套業(yè)務整合的發(fā)展模式。

2.2 應急預案形式化描述與結構化管理研究進展

應急預案形式化描述與結構化管理方面，Hoogendoom[10]使用TTL語言描述應急預案的組織結構及其動態(tài)特性，并利用了相應的邏輯工具對應急預案進行建模，分析了應急管理的組織結構、任務和職責。Canos[11]提出使用多媒體信息技術(如圖、文、聲、像等三維模型和動畫技術)描述應急預案，將應急響應過程表示為圖形化描述，以解決文本預案所造成的難以快速結構化閱讀的問題。Mak[12]等人將工作流技術應用于危機管理，對瑞士政府危機管理系統(tǒng)建立了工作流框架，結果表明效果比較理想。Tian Jun[13]等用Petri網對應急預案進行形式化描述，并以堤岸防洪的應急預案為例，建立了計算機管理流程。Grathwohl[14]提出通過邏輯推理來實現(xiàn)對應急預案的一致性進行檢驗和態(tài)勢評估，用于實現(xiàn)預案的整合和重組。張建華等人[15]提出了案例推理規(guī)則，并結合采用面向對象框架的應急預案描述方法，以實現(xiàn)應急預案的檢索及重構。王文俊等[16]將本體思想和工作流技術應用于應急預案的形式化描述，引入了表示應急預案的規(guī)范詞匯的概念，形成了應急預案的本體。李紅臣[17]等人通過對應急預案和應急響應過程的分析，提出了對應急組織結構、應急過程以及應急資源這三個應急預案的基本構造元素進行結構化描述。A ter Morn[18]指出由于應急突發(fā)事件不可完全預知性，應急業(yè)務流程應該即席而作(improvisation)，并加強各項應急活動之間的信息交互和反饋，基于此提出了用來描述應急任務之間各種依賴關系的框架，為應急預案的在線生成提供了有益指導。

但是，從現(xiàn)實需求來看，在應急環(huán)境下，由于應急任務之間具有(資源、信息、角色等)依賴性，很難按照應急預案事先的規(guī)劃來執(zhí)行[18]，最重要的是對應急預案在動態(tài)環(huán)境下進行重構的特殊要求，上述研究都還無法提出滿足應用需要的理論支撐和解決方案 。

3 基于設計結構矩陣(DSM)的建模

3.1 建模思路

設計結構矩陣(DSM)的研究和應用開始于20世紀七十年代，早期主要應用于機械產品的設計和開發(fā)，90年代以后，DSM受到了廣泛的關注，被逐漸應用到組織設計、軟件設計以及流程設計等領域，其中文獻[19]是DSM在復雜軟件結構設計中較新的應用研究，發(fā)表在Management Science上。DSM與其他流程建模方法相比，由于其能夠支持流程分解、活動依賴建模以及流程定量分析，從而使其具有一定的優(yōu)越性。李超等[8]用布爾型DSM實施了對機務準備流程的優(yōu)化。Feitzinger[20]闡述了在制造業(yè)中將制造流程分解為子流程從而增加流程的柔性，滿足大規(guī)模定制生產所需的流程柔性。

應急預案的核心為處置應急事件的任務流程，具有一般事務性流程的共同特性，因此使用DSM對應急任務流程優(yōu)化設計具有可行性。通過模塊化設計將應急任務流程劃分為具有不同功能的應急模塊，有利于應急能力的評估和管理，在面對突發(fā)事件時把平時散落在各部門間的資源和能力集中起來，即有助于形成臨時的跨組織邊界的模塊化組織。本文使用已成為國際標準的統(tǒng)一建模語言(UML)來反映流程活動之間的部分依賴關系——流依賴(由信息聯(lián)系所反映)，并將UML活動圖所表示的流依賴映射到DSM中，之后將DSM所能表示的資源共享依賴(由資源聯(lián)系所反映)也同樣映射到DSM中，最后再根據(jù)應急任務的特點進行聚類分析，建立具有功能獨立的模塊結構。

3.2 DSM流程建模分析

DSM可以反應活動(任務)之間的依賴關系，Malone[21]提出流程活動之間的依賴關系主要有三種：流依賴、適應依賴、和(資源)共享依賴。流依賴是指一個活動的輸出被作為另一個活動的輸入，這兩個活動之間存在著信息依賴的關系。適應性依賴是指兩項活動的交互式依賴關系，即活動1的輸出是活動2的輸入，同時活動2輸出又是活動1的輸入，事實上，這種迭代關系，可以看作是流依賴關系中的一種，因此把適應性依賴也劃分到流依賴當中。在用統(tǒng)一建模語言(UML)來反映流程活動之間的依賴關系時，先將應急流程用UML語言表述出來，再將UML活動圖映射到活動的DSM中，UML的活動和DSM的活動一一對應。同時，將UML活動之間的順序、分支分叉、匯合和循環(huán)關系轉換成DSM結構，反映活動間的流依賴關系，具體的轉化方式如圖1所示。對于應急業(yè)務流程中可能存在的互效活動，該類活動之間存在迭代關系，可以采用圖2的方式進行DSM描述。說明，圖中上半部分為UML描述的活動關系，下半部分為設計結構矩陣表示(其中數(shù)字1表示存在依賴關系，0表示不存在依賴關系)。

圖1 UML活動圖向DSM的映射

圖2 互效活動的DSM表示

為了能夠更加準確和真實地反應各流程活動之間的強弱關系，選擇數(shù)字化DSM對應急流程進行建模，采用四點刻度法度量活動間的流依賴性強度(見表1)。其中需要說明的是，從依賴性強度的角度講，分叉活動和連接活動是特殊的順序活動，所以把這兩種活動的強度歸到串行活動中。因此，針對流依賴建立的DSM模型如圖3所示，其中，fin的可能取值為0、1、3、9，表示流依賴的強弱關系。

表1 四點刻度法

圖3 DSM模型

在業(yè)務流程中，兩個活動的資源共享有三種基本的類型：角色、軟件系統(tǒng)和設備[11]。在應急服務流程中，應急活動的資源包括：救援隊伍、救援設備、救援物資、醫(yī)療資源。張旭鳳[22]將應急物資劃分為四類，分別為：生命救助應急物資、應急工程保障物資、應急工程建設物資、災后恢復重建物資。姜玉宏[23]將應急物資分為通用類和專用類。通過對現(xiàn)有文獻的分析，應急活動中的資源結構可以歸結為角色、物資、設備、和設施四類。一般而言，通用資源的共享較為普遍，活動間的共享性依賴強度較低，而專用型資源共享產生的資源共享性依賴強度較高。由于一般性應急物資(諸如糧食、帳篷等)的使用面廣，通用性強，因此對模塊的劃分影響較弱，在此不予考慮。這樣，在DSM中的應急活動依賴關系中，只分析資源共享依賴中的應急角色、應急設備和應急設施這三項內容。另外，由于信息資源的重要性非常突出，因此，在資源依賴中，增加信息資源依賴的內容(見表2)。這四類資源依賴，采用與流依賴相同的四點刻度法來加以度量(如表1所示)。

這樣，DSM矩陣中表示資源依賴的每一個單元格是一個四維向量(如圖4所示，1表示存在依賴，0表示不存在依賴關系)。其中第一象限表示應急信息資源依賴，第二象限表示應急角色資源依賴，第三象限表示應急設備依賴，第四象限表示應急設施依賴。

表2 應急活動資源結構

圖4 流依賴及資源共享依賴的表示

但是，DSM中共包含流依賴、信息依賴、角色依賴、設備依賴、設施依賴五個維度，將會對分析應急活動間的聯(lián)系造成非常大的困難，因此必須對向量做降維處理，將五個維度加權集成，得到一個綜合加權的依賴關系指標，即：

fij=αLij+β(θIij+ρRij+τMij+δFij)

(1)

其中，Lij為流依賴的強度取值，α為其權重。Iij為信息資源依賴強度，Rij是設備依賴強度，Mij為應急角色依賴強度，F(xiàn)ij為應急設施依賴強度，β為包含所有四項資源依賴(Iij,Rij,Mij,Fij)的權重，滿足α+β=1。θ,ρ,δ,τ分別為四種資源依賴對于資源依賴影響的權重，滿足θ+ρ+δ+τ=1。在實際計算中，將根據(jù)具體情況對權重進行評估和設置。

通過降維處理，最終DSM中的每一個單元格就僅有一個數(shù)字來表示行列元素的依賴強度關系，其內容則是流依賴關系和資源依賴關系強度的最終加權之和。

4 應急流程DSM模型聚類分析

4.1 流程模塊劃分的目標要求

根據(jù)流程的模塊化要求，每一個模塊要盡可能的獨立以降低模塊間的耦合程度，元素之間的聯(lián)系盡可能的位于模塊(聚類)內部，以便減小組織之間交互的復雜性，縮短任務完成的時間，并且對模塊間的接口進行良好定義，以方便實現(xiàn)模塊間的集成。能夠滿足上述要求的DSM模型模塊化方法，主要通過聚類分析方法進行優(yōu)化計算。為解決行列元素多、元素間關系復雜條件下的模塊劃分，本文設計了基于遺傳算法的DSM模型智能聚類分析方法。

4.2 聚類劃分數(shù)學模型的建立

將DSM模型中某個行列元素依賴強度的總量定義為依賴量，假設，對于包含M個元素的DSM矩陣的聚類數(shù)目為N，聚類名稱依次標記為L1,L2,…Ln，則，第k個聚類Lk內部元素的依賴可以通過下式計算：

(2)

式中，

fij——DSM矩陣中第i個列元素與第j個行元素的依賴強度值；

nk——第k個聚類的第一個元素的位置編號；

mk——第k個聚類的最后一個元素的位置編號。

那么，在一個DSM中，所有聚類的內部元素依賴量為：

(3)

因為包含元素較少的聚類的行列元素之間的依賴關系，比包含元素較多的聚類元素之間的依賴關系更容易管理，因此，假設依賴量與聚類中的元素數(shù)量成正比，則不同聚類間的依賴量為：

(4)

其中，p=1,2,…,N為第p個聚類，q=1,2,…,N為第q個聚類，μ為聚類數(shù)量對聚類間依賴量的影響程度，本文為取0.9，則所有不同聚類間的依賴量為：

(5)

那么，DSM聚類劃分的優(yōu)化模型可以描述為：

s.tfij∈{0,1,3,9}?i,j

(6)

4.3 基于遺傳算法的設計與求解

使用遺傳算法(GA)的實現(xiàn)步驟以及具體實現(xiàn)方法如下：

(1)識別出DSM中的獨立元素，及與其他元素依賴較弱的元素，這些元素由于與其他元素聯(lián)系較弱，而與外部聯(lián)系較為緊密，為了避免其對其他元素聚類劃分的影響，將其刪除掉，不參與到聚類劃分過程。

(2)染色體編碼并生成初始種群。采用二維染色體矩陣編碼(m×n矩陣)，行向量對應一個聚類，列向量對應一個與聚類前DSM中保持順序不變的的代表活動的元素 (即E1,E2…En)，如下式所示：

(7)

編碼結束后需要對種群進行初始化。把每一個列向量中的一個任意單元格賦值為1，其他的單元格賦值為0，就形成了一個初始染色體，重復上述過程，直到產生種群要求的染色體數(shù)量為止；

(3)根據(jù)目標函數(shù)選擇適應度函數(shù)，設計相應的選擇、交叉、變異算子，建立進化算法。采用二維一點的交叉方法，在父染色體的列中任意選擇一個交叉點，把兩個父染色體中位于交叉點一側的行列元素進行交換，元素交換后生成了兩條子染色體。變異方法是在一條染色體矩陣中隨機選擇其中的兩行列元素進行位置交換，形成子染色體。

(4)循環(huán)進化，直至達到目標要求的進化代數(shù)，輸出最終的染色體并解碼成DSM的聚類劃分方案。

5 計算示例及分析

選取文獻[24]中的抗洪應急預案作為分析對象，對應急疏散流程進行模塊劃分。該流程包含了22個基本活動(任務)，其UML活動圖如5所示。

由于流程包含活動較多，需要眾多的組織來協(xié)同完成，其中涉及人員和資源調配、信息交互等，有一定的復雜性程度。由于第1項和第12項活動較為獨立，因此，把這兩項活動從聚類需求中首先去除掉，按照上節(jié)的方法對流程進行DSM建模，即由UML圖將流依賴和資源共享依賴映射到DSM中去(見圖6)。其中，流依賴的強度按照表1提供的活動關系進行計量，疏散流程所需資源包括信息資源、角色資源、設備資源以及設施資源四類(見表2)，每項活動的具體說明、輸入、輸出，以及所需資源見表3-表4。采用專業(yè)人員評價方法，對每項活動每項資源的依賴強度用四點刻度法(0,1,3,9)進行評估。在計算綜合依賴強度時(公式1)，為計算方便，假設流依賴和資源依賴的權重為0.2∶0.8，資源依賴內部四種依賴關系的權重系數(shù)相等，為θ∶ρ∶τ∶δ=1∶1∶1∶1。這樣就使得五項內容的權重相等，都為0.2。便于進行計算。

圖5 應急疏散流程UML活動圖

表3 應急疏散流程所需資源列表

運用遺傳算法來實現(xiàn)應急流程的模塊聚類劃分，假定DSM聚類數(shù)目是7(即染色體的編碼矩陣即為7×20)，初始種群的大小選為40，交叉概率為0.8，變異率為0.1。通過多次運行，經過執(zhí)行選擇、交叉、變異的算子，當運行到第240代的時達到收斂，收斂曲線的過程圖如7所示。

圖6 DSM矩陣

圖7 收斂曲線

求得滿意解時，最小目標函數(shù)取值1028.00，結果對應的染色體(聚類)見表5。

據(jù)此可以得到對應的模塊劃分結果，根據(jù)每個模塊包含的活動內容，賦予每個模塊一個簡潔通俗的名稱(見表6)。每一模塊為一項服務，可以交由相應的模塊化組織去完成。

表5 聚類結果表

表6 模塊劃分結果與包含的活動內容

6 結語

本文主要探索建立模塊化應急預案任務管理的建模思路，通過將應急服務流程中的流依賴以及資源共享依賴映射到設計結構矩陣DSM中，建立了優(yōu)化聚類模型，并使用遺傳算法對應急預案流程中的任務進行了優(yōu)化搜索，建立模塊化流程體系，選取了一個通用疏散應急預案模板的應急疏散流程，對流程進行模塊化劃分的結果顯示，使用遺傳算法對應急服務流程進行模塊化劃分具有可行性，并且較為合理的將不同功能的應急服務流程劃分到不同的模塊中。

研究結論的價值在于，通過對應急服務流程的模塊化，將具有相同應急功能的流程聚為一類，在一定程度上提高應急管理的組織效率，為最終實現(xiàn)應急預案的計算機模塊化管理奠定了基礎。當然，要想真正實現(xiàn)這一目標，今后還需要進一步研究模塊之間的協(xié)同作用機制，以便建立標準化接口。

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