李仁松 余禮鋒 趙 磊

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

基于熵理論的指揮流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化探析*

李仁松 余禮鋒 趙 磊

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

指揮流程結(jié)構(gòu)決定流程的功能和效率,是流程優(yōu)化的主要內(nèi)容。引入時(shí)效熵、質(zhì)量熵和整體有序度描述指揮流程的結(jié)構(gòu)特性,探索一種指揮流程評(píng)價(jià)優(yōu)化的方法。比較串行執(zhí)行指揮活動(dòng)和并行執(zhí)行指揮活動(dòng)兩種流程運(yùn)作方式,仿真計(jì)算得出應(yīng)根據(jù)時(shí)效或質(zhì)量偏重綜合運(yùn)用串并結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

時(shí)效熵; 質(zhì)量熵; 指揮流程結(jié)構(gòu)

Class Number O213

1 引言

在傳統(tǒng)機(jī)械化工業(yè)時(shí)代,管理理念以規(guī)范化管理為主導(dǎo),其主要體現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)管理體系的制度化、程序化和標(biāo)準(zhǔn)化。隨著信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用,信息系統(tǒng)與管理體系結(jié)合愈加緊密,以信息技術(shù)為支撐的流程管理逐漸表現(xiàn)出對(duì)系統(tǒng)效能更加強(qiáng)大的促進(jìn)作用,以流程運(yùn)作為核心逐漸成為管理領(lǐng)域的主導(dǎo)思想。作戰(zhàn)指揮本質(zhì)上也是一種在特定領(lǐng)域的組織管理活動(dòng)[1]。指揮流程屬于管理領(lǐng)域上的流程范疇。一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置合理的指揮流程,能確保作戰(zhàn)體系的執(zhí)行能力高效輸出。流程理念的引入為探索提高軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力提供一種重要途徑。

2 指揮流程概念

2.1 指揮流程定義

流程是指一系列連續(xù)的、有規(guī)律的活動(dòng)組合,這些活動(dòng)的組合是以特定的方式進(jìn)行,并導(dǎo)致特定結(jié)果的產(chǎn)生[2]。從流程的定義可引申出對(duì)指揮流程的理解:作戰(zhàn)指揮員和指揮機(jī)關(guān)對(duì)所屬部隊(duì)構(gòu)成作戰(zhàn)指揮活動(dòng)的諸事項(xiàng)及其實(shí)施的順序和步驟[3]。將這些指揮活動(dòng)有序組合即成為指揮流程的結(jié)構(gòu)。指揮流程結(jié)構(gòu)由各種指揮活動(dòng)及相互關(guān)系組成。對(duì)于獨(dú)立的指揮活動(dòng),這些相互關(guān)系通常表現(xiàn)為串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系。事物通過(guò)內(nèi)因起作用,指揮流程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定其功能及運(yùn)作效率。現(xiàn)行指揮流程由機(jī)械化時(shí)代發(fā)展演變而來(lái),隨著信息技術(shù)的普及應(yīng)用,原來(lái)的指揮流程越來(lái)越不適合信息化條件下的作戰(zhàn)模式。如何配置指揮活動(dòng)和相互關(guān)系,優(yōu)化現(xiàn)有指揮流程,甚至重構(gòu)指揮流程成為現(xiàn)實(shí)需求。熵對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述有助于指揮流程的優(yōu)化改良。

2.2 指揮流程組成要素

流程是系統(tǒng)功能發(fā)揮的方法載體,只有特定的活動(dòng)組合方式才能促使特定功能的發(fā)揮。因此,流程構(gòu)建對(duì)系統(tǒng)的效能具有十分重要的影響。一般而言,一個(gè)完整的指揮流程包含輸入、輸出、流程結(jié)構(gòu)、流程執(zhí)行者、輸入源和作用對(duì)象等六方面要素,如圖1所示。輸入,即信息、計(jì)劃、指令流程運(yùn)作必需的物質(zhì)資料等,其有效流動(dòng)推動(dòng)指揮流程運(yùn)作;輸出,即指揮流程能夠達(dá)成的結(jié)果;流程執(zhí)行者,即指揮流程運(yùn)作中的指揮人員或操作人員;輸入源,可理解為傳感器或后裝供應(yīng)部門(mén)等提供輸入的平臺(tái)實(shí)體或單位;作用對(duì)象,即指揮流程輸出的作用對(duì)象;流程結(jié)構(gòu),即指揮活動(dòng)間的相互關(guān)系。流程結(jié)構(gòu)是指揮流程效能發(fā)揮的重要影響因素,優(yōu)化指揮流程的一個(gè)主要內(nèi)容就是流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化。流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化分為兩部分,一是指揮活動(dòng)的規(guī)劃,界定一個(gè)獨(dú)立的指揮活動(dòng)作為流程結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn);二是指揮活動(dòng)相互關(guān)系的規(guī)劃,確定流程結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)以何種方式組合。下面將重點(diǎn)研究指揮活動(dòng)關(guān)系規(guī)劃。

圖1 指揮流程組成要素

3 熵與指揮流程結(jié)構(gòu)特征

3.1 熵的概念

熵是對(duì)系統(tǒng)不確定性的量度[4]。熵源于對(duì)熱力學(xué)的研究,克勞修斯發(fā)現(xiàn)工作物質(zhì)熱量變化δQR與絕對(duì)溫度T的狀態(tài)函數(shù)關(guān)系而提出熱力學(xué)熵。玻爾茲曼將熱力學(xué)熵拓展,從微觀角度提出了玻爾茲曼熵,認(rèn)為熵與熱力學(xué)概率的對(duì)數(shù)成正比例關(guān)系。香農(nóng)將熵引入信息領(lǐng)域,提出了信息熵的概念[5～6]:

(1)

其中H(X)=H(p1,p2,…,pn)是隨機(jī)試驗(yàn)X的信息熵,pi是對(duì)于隨機(jī)試驗(yàn)X的n種可能結(jié)果中的第i種結(jié)果的出現(xiàn)概率。顯然,當(dāng)隨機(jī)試驗(yàn)X服從均勻分布時(shí),其各種可能結(jié)果將等概率出現(xiàn),此時(shí)信息熵出現(xiàn)最大值H(X)=logn。信息熵使熵的概念從統(tǒng)計(jì)物理學(xué)意義上的熵拓展到任意的隨機(jī)事件集合中,從而使熵開(kāi)始應(yīng)用到其他自然科學(xué)乃至社會(huì)科學(xué)中。

3.2 熵在指揮流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的拓展應(yīng)用

從信息論和控制論的角度看,作戰(zhàn)指揮是指揮員根據(jù)當(dāng)前的情報(bào)信息態(tài)勢(shì)以及來(lái)自上級(jí)的決策信息任務(wù),對(duì)所屬部隊(duì)及其作戰(zhàn)行動(dòng)實(shí)施有目的的規(guī)劃和控制的活動(dòng)[7]。從信息角度理解指揮是利用信息流推動(dòng)能量流、物質(zhì)流定向流動(dòng)的過(guò)程[8]。信息沿指揮流程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有序流動(dòng),推動(dòng)著指揮流程中各項(xiàng)指揮活動(dòng)的進(jìn)行。信息與指揮流程結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合,信息的傳遞效率和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)效率即時(shí)效和質(zhì)量必然受指揮流程結(jié)構(gòu)的影響,下面引入時(shí)效熵、質(zhì)量熵對(duì)指揮流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[9～10]。

1) 時(shí)效熵

時(shí)效是指信息在指揮流程結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的效率,對(duì)于一個(gè)指揮流程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)最大指揮跨度為N,指揮層次數(shù)為L(zhǎng),節(jié)點(diǎn)數(shù)量即指揮活動(dòng)數(shù)量為n,第i層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為mi,那么有

對(duì)于信息流動(dòng)而言,信息所通過(guò)的路徑長(zhǎng)度必然會(huì)影響其傳遞效率,因此引入聯(lián)系長(zhǎng)度概念,將相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系長(zhǎng)度看作一個(gè)單位,信息在節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)一次,聯(lián)系長(zhǎng)度增加一個(gè)單位,對(duì)于整個(gè)指揮流程結(jié)構(gòu)而言,所有可以產(chǎn)生聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系長(zhǎng)度之和即總聯(lián)系長(zhǎng)度為

其中l(wèi)ij是指從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的聯(lián)系長(zhǎng)度。

根據(jù)式(1)關(guān)于信息熵的數(shù)學(xué)描述可知,任意兩節(jié)點(diǎn)i和j產(chǎn)生聯(lián)系時(shí),若兩節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)移概率為pij,那么定義

為節(jié)點(diǎn)i和j產(chǎn)生聯(lián)系時(shí)的時(shí)效熵,其中節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的轉(zhuǎn)移概率可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的聯(lián)系長(zhǎng)度與總聯(lián)系長(zhǎng)度之比表示,即

由于熵是一個(gè)廣延量具有可疊加性,因此對(duì)于整個(gè)指揮流程而言,其總時(shí)效熵應(yīng)該是所有產(chǎn)生聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)的時(shí)效熵之和:

對(duì)于當(dāng)前的轉(zhuǎn)移率有當(dāng)前的總時(shí)效熵Hs。由最大熵原理可知,對(duì)于某一指揮流程,其必然存在一種結(jié)構(gòu)使信息在流程時(shí)的總時(shí)效熵最大,下面定義最大總時(shí)效熵:

時(shí)效熵表征信息在指揮流程中流動(dòng)時(shí)效性的不確定性,那么指揮流程的時(shí)效可以理解為

當(dāng)時(shí)效R越大,信息在指揮流程的的運(yùn)轉(zhuǎn)效率就越好,反之則反。顯然時(shí)效R只與指揮流程當(dāng)前的時(shí)效熵有關(guān),而時(shí)效熵則由指揮流程的結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系長(zhǎng)度決定。

2) 質(zhì)量熵

式中ki是指節(jié)點(diǎn)i的聯(lián)系跨度,即對(duì)于某節(jié)點(diǎn)言,與之直接發(fā)生聯(lián)系節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。同理,指揮流程的總質(zhì)量熵定義為

最大質(zhì)量熵定義為

指揮流程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量定義為

質(zhì)量Q越大,信息在指揮流程結(jié)構(gòu)中流程的質(zhì)量保證就越好,反之則反。通過(guò)數(shù)學(xué)分析易知指揮流程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系程度有關(guān)。

3) 有序度

指揮流程結(jié)構(gòu)的時(shí)效熵、質(zhì)量熵都在描述因指揮流程結(jié)構(gòu)的影響而使信息流動(dòng)時(shí)在傳遞效率性、傳遞準(zhǔn)確性等方面的不確定性,綜合這些不確定性,引入有序度的概念,用于描述指揮流程結(jié)構(gòu)整體的有序程度,其數(shù)學(xué)定義為

Y=1/(α·Hs+β·Hz)

其中α、β分別為時(shí)效熵、質(zhì)量熵對(duì)于有序度Y的權(quán)重系數(shù)。

4 指揮流程結(jié)構(gòu)分析

指揮流程由若干指揮活動(dòng)組成,理論上其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以區(qū)分為總線型、環(huán)形、星形、樹(shù)形等種類。就目前我軍指揮體制和實(shí)際應(yīng)用而言,其組合方式一般分為串聯(lián)、并聯(lián)兩種。對(duì)于具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的指揮流程,如何通過(guò)串并聯(lián)方式使指揮流程結(jié)構(gòu)最優(yōu)。下面分析串并聯(lián)方式在結(jié)構(gòu)特征上的差別。

假設(shè)作戰(zhàn)準(zhǔn)備的指揮流程由n個(gè)指揮活動(dòng)組成,即其對(duì)應(yīng)兩種組合方式的網(wǎng)圖A1和網(wǎng)圖B1的節(jié)點(diǎn)數(shù)為n,如圖2所示。

1) 網(wǎng)圖A1時(shí)效熵

網(wǎng)圖A1節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系長(zhǎng)度如表1所示。

圖2 多節(jié)點(diǎn)指揮流程網(wǎng)圖

聯(lián)系長(zhǎng)度節(jié)點(diǎn)1節(jié)點(diǎn)2節(jié)點(diǎn)3…節(jié)點(diǎn)n節(jié)點(diǎn)1012…n-1節(jié)點(diǎn)201…n-2節(jié)點(diǎn)30…??0n-(n-1)節(jié)點(diǎn)n0

總聯(lián)系長(zhǎng)度為

任意節(jié)點(diǎn)i和j的轉(zhuǎn)移概率:

任意節(jié)點(diǎn)i和j的時(shí)效熵:

網(wǎng)圖A1總時(shí)效熵:

2) 網(wǎng)圖A1質(zhì)量熵

表2 網(wǎng)圖A1聯(lián)系跨度

網(wǎng)圖A1的總聯(lián)系跨度:

總質(zhì)量熵:

3) 網(wǎng)圖B1時(shí)效熵

表3 網(wǎng)圖B1聯(lián)系長(zhǎng)度

總聯(lián)系長(zhǎng)度:

4) 網(wǎng)圖B1質(zhì)量熵

表4 網(wǎng)圖B1聯(lián)系跨度

網(wǎng)圖B1的總聯(lián)系跨度:

總質(zhì)量熵:

5 仿真計(jì)算

以上根據(jù)網(wǎng)圖A1和B1的結(jié)構(gòu)得出相應(yīng)的時(shí)效熵和質(zhì)量熵計(jì)算公式。下面利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算,分別計(jì)算從取n=3到n=53時(shí)兩網(wǎng)圖結(jié)構(gòu)特性變化情況,其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)圖A1、B1結(jié)構(gòu)特征曲線

對(duì)于純串聯(lián)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)圖A1,時(shí)效隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加,在節(jié)點(diǎn)數(shù)小于10個(gè)時(shí)增加較快,但此后增加速率越趨平緩;質(zhì)量除在節(jié)點(diǎn)數(shù)等于3個(gè)、4個(gè)和5個(gè)時(shí)質(zhì)量先增后減外總體隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加反而下降,下降的速率越趨平緩;整體有序度在節(jié)點(diǎn)數(shù)小于10個(gè)時(shí)急劇下降,此后下降速度趨緩。

對(duì)于純并聯(lián)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)圖B1,與網(wǎng)圖A1相反,網(wǎng)圖B1的時(shí)效隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加反而降低,在節(jié)點(diǎn)數(shù)小于10個(gè)前下降速率較快,此后趨于下降平緩;質(zhì)量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加,在節(jié)點(diǎn)數(shù)小于10個(gè)前增加較快,此后增加速率趨緩;整體有序度在節(jié)點(diǎn)數(shù)小于10個(gè)時(shí)急劇下降,此后下降速度趨緩。

6 結(jié)論分析

對(duì)比兩圖的結(jié)構(gòu)特性,對(duì)于相同節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí),網(wǎng)圖A1的時(shí)效比B1的時(shí)效好,網(wǎng)圖A1的質(zhì)量比B1的質(zhì)量差,網(wǎng)圖A1的整體有序度比B1的整體有序度差,在節(jié)點(diǎn)數(shù)小于10個(gè)之前兩網(wǎng)圖整體有序度較為接近,此后相差幅度較大?？梢钥闯龃?lián)結(jié)構(gòu)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)最多只與其他兩個(gè)指揮活動(dòng)聯(lián)系而并聯(lián)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)1聯(lián)系跨度隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而增加,其物理意義是一個(gè)指揮活動(dòng)節(jié)點(diǎn)要與多個(gè)指揮活動(dòng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生指揮關(guān)系。

綜合以上分析,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

在節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同的條件下: 1) 在時(shí)效方面,串聯(lián)的指揮流程活動(dòng)組合方式優(yōu)于并聯(lián)的指揮流程活動(dòng)組合方式; 2) 在質(zhì)量方面,并聯(lián)的指揮流程活動(dòng)組合方式優(yōu)于串聯(lián)的指揮流程活動(dòng)組合方式; 3) 在綜合有序度方面,并聯(lián)的指揮流程活動(dòng)組合方式優(yōu)于串聯(lián)的指揮流程活動(dòng)組合方式; 4) 當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后,再增加節(jié)點(diǎn)數(shù)無(wú)助于指揮流程結(jié)構(gòu)的時(shí)效和質(zhì)量的快速有效增長(zhǎng),反而會(huì)導(dǎo)致整體有序度進(jìn)一步下降。因此節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。由于依次增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量導(dǎo)致時(shí)效、質(zhì)量、整體有序度的變化速率沒(méi)有出現(xiàn)驟增或驟減情況,因此難以準(zhǔn)確地確定最優(yōu)節(jié)點(diǎn)數(shù)。如圖3,可選最優(yōu)節(jié)點(diǎn)數(shù)應(yīng)在5～15個(gè)之間,在此區(qū)間中越少越優(yōu),當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系跨度過(guò)大必然要求更強(qiáng)的指揮能力。

因此,無(wú)限扁平的指揮流程結(jié)構(gòu)或垂直指揮流程結(jié)構(gòu)均不利于提高指揮效能,應(yīng)該結(jié)合當(dāng)前指揮流程的配套體系,根據(jù)對(duì)指揮流程時(shí)效或質(zhì)量的偏重綜合運(yùn)用串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合各項(xiàng)指揮活動(dòng)。

7 結(jié)語(yǔ)

從指揮流程結(jié)構(gòu)時(shí)效熵和質(zhì)量熵的角度入手分析了在構(gòu)建或優(yōu)化指揮流程時(shí)串并方式對(duì)指揮流程結(jié)構(gòu)特征的作用,探索了一種評(píng)估指揮流程整體特性的方法。在構(gòu)建或優(yōu)化指揮流程結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況,尤其要考慮指揮能力,通信能力等因素,將指揮流程置于指揮體系大環(huán)境下,綜合運(yùn)用串并聯(lián)混合方式,以期達(dá)到指揮流程最優(yōu),指揮效能最大。

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Operational Command Flow Optimization Based on Entropy Theory

LI Rensong YU Lifeng ZHAO Lei

(Naval Marine Academy, Guangzhou 510430)

Operational command flow structure determines function and efficiency. It is primary content of operational command flow optimization. Entropy theory about informational efficiency and quality is a way to operational command flow optimization. Serial and collateral way about operational command flow circulate are compared, computer computing is used to make a conclusion that efficiency and quality of operational command flow could not only depend on serial or collateral way.

efficiency entropy, quality entropy, operational command flow structure

2014年6月3日,

2014年7月25日

李仁松,男,教授,研究方向:作戰(zhàn)指揮理論及應(yīng)用。余禮鋒,男,碩士研究生,研究方向:作戰(zhàn)指揮理論及應(yīng)用。趙磊,男,碩士,講師,研究方向:作戰(zhàn)指揮理論及應(yīng)用。

O213

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.009