萬(wàn)志遠(yuǎn),劉勤明,葉春明,劉文溢
(上海理工大學(xué)管理學(xué)院,上海200093)
應(yīng)急資源冗余配置是一切應(yīng)急救援活動(dòng)順利開(kāi)展的必要保障,但若應(yīng)急資源冗余的配置不合理,會(huì)降低醫(yī)院在面臨突發(fā)事件時(shí)應(yīng)急救援的及時(shí)性、增加突發(fā)事件的不確定性,甚至?xí)档歪t(yī)院對(duì)應(yīng)急資源的利用效率。
應(yīng)急資源優(yōu)化問(wèn)題的研究?jī)?nèi)容一直頗多。張華等[1]探討了改良護(hù)理應(yīng)急管理系統(tǒng)及人力資源配置在災(zāi)害救援中的應(yīng)用效果,改良了醫(yī)院護(hù)理應(yīng)急管理體系,實(shí)施了科學(xué)的人力資源管理;張玲等[2]考慮到突發(fā)事件的不確定性,建立了隨機(jī)規(guī)劃模型;潘星明等[3]建立了基于仿真智能對(duì)象(Simulation Intelligent Object,SIMIO)的醫(yī)院應(yīng)急系統(tǒng)模型,模擬出突發(fā)事件下醫(yī)院的應(yīng)急救援過(guò)程;Xiang 等[4]提出了一個(gè)新的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò),以模擬病人健康狀況的惡化,并提供分析解決方案和數(shù)字說(shuō)明,制定了兩種資源分配模型;Yang等[5]認(rèn)為選擇合適的分類過(guò)程并為分診和專用實(shí)驗(yàn)室增加額外的容量可以顯著提高急診科(Emergency Department,ED)性能,尤其是在醫(yī)生利用率很高的情況下,共享實(shí)驗(yàn)室通常比專用實(shí)驗(yàn)室為ED提供更好的支持;Su 等[6]致力于以并行方式將多個(gè)緊急資源分配給多個(gè)并發(fā)事件的挑戰(zhàn)性問(wèn)題,減少響應(yīng)時(shí)間和緊急資源成本;Wen 等[7]研究了緊急醫(yī)療資源分配是用于資源優(yōu)化調(diào)度的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。
資源冗余方面已有研究大多從冗余資源的整體出發(fā)。熊雪晨等[8]針對(duì)醫(yī)院醫(yī)療系統(tǒng)中的資源需求變化性,認(rèn)為資源冗余優(yōu)化配置過(guò)程中需要有合理性;陳舒盈等[9]通過(guò)優(yōu)化醫(yī)療衛(wèi)生資源配置結(jié)構(gòu)合理調(diào)整存量、提高醫(yī)療資源在機(jī)構(gòu)內(nèi)的投入產(chǎn)出效率、完善衛(wèi)生資源配置評(píng)價(jià)體系;李曉翔等[10]研究了資源冗余與企業(yè)績(jī)效之間不同條件下的相關(guān)性;徐瑩等[11]提出了波形電路和導(dǎo)向按鈕的資源冗余優(yōu)化方法,將可靠性與轉(zhuǎn)換器中的投資相協(xié)調(diào),驗(yàn)證了配置策略的有效性;Cheng等[12]提出了一種基于六角錐冗余配置的單軸回旋調(diào)制捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)方式,建立了多指標(biāo)約束冗余配置的優(yōu)化準(zhǔn)則,并設(shè)計(jì)了六邊形金字塔配置方案;龍婷等[13]研究了企業(yè)內(nèi)部存在的冗余資源環(huán)境對(duì)企業(yè)投資和戰(zhàn)略創(chuàng)新的影響調(diào)度作用。由于資源冗余方法的使用導(dǎo)致模型的擬態(tài)空間變大,尋優(yōu)算法的求解效率需要增加,為此,何盼等[14]研究了基于相鄰空間解析的模因算法。
效用理論的研究方向各有不同,李宗活等[15]引入雙方風(fēng)險(xiǎn)分均的效用函數(shù),建立了雙方效益對(duì)稱下的風(fēng)險(xiǎn)分均模型;Bayrak 等[16]提出了一種風(fēng)險(xiǎn)決策的新模型,該模型為經(jīng)驗(yàn)觀察到的偏好逆轉(zhuǎn)提供了解釋,其核心是概率感知不精確的結(jié)合,這是由于個(gè)體對(duì)數(shù)值概率的模糊理解而產(chǎn)生的;袁競(jìng)峰等[17]結(jié)合社會(huì)期望上的效用理論,建立了以風(fēng)險(xiǎn)決策為主的效用模型。
已有的資源冗余相關(guān)研究很少涉及突發(fā)事件下的應(yīng)急資源冗余,突發(fā)事件發(fā)生前,應(yīng)急資源的冗余預(yù)備必不可少,醫(yī)院在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中,必定會(huì)出現(xiàn)一定量的資源冗余。本文從應(yīng)急救援資源預(yù)先配置的角度出發(fā),將應(yīng)急資源冗余進(jìn)行定義并分類,引入效用函數(shù),建立突發(fā)事件下的醫(yī)院應(yīng)急資源冗余配置優(yōu)化模型,將粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)和常用來(lái)求解效用函數(shù)的序列二次規(guī)劃(Sequential Quadratic Programming,SQP)方法相結(jié)合對(duì)模型進(jìn)行尋優(yōu)求解,并通過(guò)一次案例分析得出研究結(jié)果。
由Hermann的災(zāi)難模型[18]可知,突發(fā)事件帶來(lái)生命危險(xiǎn)、決策時(shí)間緊和未知意外。應(yīng)急資源冗余對(duì)突發(fā)事件下醫(yī)院應(yīng)急的效用可能體現(xiàn)在以下三點(diǎn):
1)拯救生命、應(yīng)急救援。應(yīng)急資源冗余有助于醫(yī)院擁有足夠的空間去適應(yīng)突發(fā)事件場(chǎng)景的變化,維持醫(yī)院應(yīng)急工作的順利進(jìn)行,即使在災(zāi)情嚴(yán)重的情況下,應(yīng)急資源冗余完善的醫(yī)院仍然能夠較大程度地保障病人的生命安全。
2)靈活救援、短時(shí)間應(yīng)急決策。應(yīng)急資源冗余給予應(yīng)急人員和醫(yī)院各部門之間主動(dòng)性和靈活性,突發(fā)事件發(fā)生之后,擁有較多應(yīng)急資源冗余的醫(yī)院中低層應(yīng)急管理者能在緊急情況下靈活響應(yīng)救援活動(dòng)和自行做出決策,高層應(yīng)急管理者面對(duì)海量的細(xì)節(jié)信息時(shí)就可以減少?zèng)Q策壓力,集中精力進(jìn)行關(guān)鍵性應(yīng)急決策。
3)面對(duì)意外情況和緊急調(diào)度,及時(shí)完善應(yīng)急體系。突發(fā)事件下應(yīng)急救援活動(dòng)的同時(shí),醫(yī)院可以同時(shí)審視自身的不足,及時(shí)調(diào)度應(yīng)急資源,應(yīng)急資源冗余能夠幫助醫(yī)院在臨時(shí)調(diào)度過(guò)程中支持所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和意外,減少資源約束。
本文將醫(yī)院應(yīng)急資源冗余定義為醫(yī)院為了保障突發(fā)事件下應(yīng)急救援的緩沖資源,其分類及內(nèi)容表述如表1。
效用理論是管理者進(jìn)行決策時(shí)使用的一種理論。突發(fā)事件下醫(yī)院應(yīng)急資源冗余配置優(yōu)化的系統(tǒng)效用,即醫(yī)院應(yīng)急管理者對(duì)應(yīng)急資源冗余產(chǎn)生突發(fā)事件發(fā)生時(shí)應(yīng)急救援效用水平的滿意度,就像消費(fèi)者對(duì)商品消費(fèi)的滿意度。
表1 醫(yī)院應(yīng)急資源冗余的分類及內(nèi)容Tab.1 Classification and contents of hospital emergency resource redundancy
基于突發(fā)事件下醫(yī)院應(yīng)急救援管理的特性,本文將醫(yī)院應(yīng)急資源冗余配置優(yōu)化中的效用和邊際效用定義為:效用表示為醫(yī)院應(yīng)急救援活動(dòng)中,在使用應(yīng)急資源(人力、物力、財(cái)力、信息)后對(duì)醫(yī)院應(yīng)急效用水平的滿意度(即效用值);邊際效用表示醫(yī)院應(yīng)急救援活動(dòng)中,單位應(yīng)急資源冗余量使用后得到的效用值增加度。
本文選取人力保障資源冗余x1、社會(huì)保障資源冗余x2、物質(zhì)保障資源冗余x3和信息保障資源冗余x4作為模型的決策變量。結(jié)合已確定的醫(yī)院應(yīng)急資源冗余分類,假設(shè)影響醫(yī)院應(yīng)急水平質(zhì)量的應(yīng)急資源冗余類型為S,對(duì)第i 類應(yīng)急資源冗余的投入總量為xi,應(yīng)急效用水平為P(xi)。在突發(fā)事件下的應(yīng)急環(huán)境中,應(yīng)急資源冗余可看作一種特殊而昂貴的商品,其消費(fèi)應(yīng)符合邊際規(guī)律,即有:
邊際效用的函數(shù)曲線如圖1所示。
其效用函數(shù)為:
對(duì)應(yīng)邊際效用函數(shù)為:
針對(duì)上述公式,引入兩個(gè)變量,xmax與xmin:xmax表示醫(yī)院對(duì)于應(yīng)急資源冗余量的最大量值,當(dāng)醫(yī)院存在的應(yīng)急資源冗余大于xmax時(shí),效用值不會(huì)再增加;xmin表示安應(yīng)急資源冗余量的最小量值,當(dāng)醫(yī)院存在的應(yīng)急資源冗余小于xmin時(shí),效用值為0。
隨著xi的增加,P(xi)的值會(huì)逐步增加,且越來(lái)越趨近于1。再設(shè)置參數(shù)ε,ε是無(wú)窮小的一個(gè)值,當(dāng)函數(shù)值大于或等于1-ε時(shí),令P(xi)=1。
參數(shù)ρ 與μ 的求解過(guò)程如下:設(shè)當(dāng)資源冗余為xmax時(shí),P(xi)=1-ε;當(dāng)資源冗余為xmin時(shí),P(xi)=0。
解得:
在上述效用函數(shù)確定后的基礎(chǔ)上,綜合資源配置優(yōu)化理論,建立醫(yī)院應(yīng)急資源冗余配置優(yōu)化模型。
當(dāng)應(yīng)急資源冗余的量值不變時(shí),將其總效用值作為目標(biāo)函數(shù)。記此函數(shù)的總效用為Y,則:
其中,ωi指各變量之間的加權(quán)比重,且
P(xi)和xi分別表示第i 類應(yīng)急資源冗余的資源效用值和其對(duì)應(yīng)的變量值。
由于醫(yī)院存在的應(yīng)急資源冗余總量的值是一定的,即:
其中,B表示醫(yī)院儲(chǔ)存應(yīng)急資源冗余量的最大值。
根據(jù)柯布-道格拉斯函數(shù)常表示的函數(shù)關(guān)系,醫(yī)院的合理應(yīng)急程度可以用F(x1,x2,…,xi)表示為:
其中:A 為醫(yī)院醫(yī)療技術(shù)水平系數(shù);x1,x2,…,xi為醫(yī)院各決策變量的投入;αi表示i 個(gè)決策變量之間的重要性系數(shù),且α1+α2+…+αi=1。
醫(yī)院的救援需要在一定的合理應(yīng)急程度下進(jìn)行,故:
其中,W為醫(yī)院應(yīng)急救援必須要有的最低合理應(yīng)急程度。
對(duì)于上述模型中的目標(biāo)函數(shù),使用拉格朗日乘數(shù)函數(shù)則可以表示為:
G(xi,θ)取極值的必要條件為:
由此,得到模型最優(yōu)解的必要條件為:
則有:
式(13)中,若記:
式(15)表明,當(dāng)xi>0 時(shí),有ωiρ >φ。因此,醫(yī)院只需對(duì)所有ωiρ >φ 的應(yīng)急資源進(jìn)行投入。記滿足該條件的資源冗余類型有I個(gè)(所有資源冗余類型的重要程度已按照ωiρ由大至小進(jìn)行排序),則模型最優(yōu)解的必然條件式(15)等價(jià)于:
此模型屬于非線性規(guī)劃問(wèn)題,主要特點(diǎn)是在求解過(guò)程中變量較多,非線性函數(shù)具有復(fù)雜性,突發(fā)事件下應(yīng)急資源需求波動(dòng)具有隨機(jī)變化性。這樣的特點(diǎn)使得求解難度偏高,普通的數(shù)學(xué)尋優(yōu)無(wú)法很好地進(jìn)行求解。本文運(yùn)用拉朗日方法與KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件,將粒子群算法和常用來(lái)求解效用函數(shù)的序列二次規(guī)劃法相結(jié)合,通過(guò)粒子群算法進(jìn)行全局搜索,用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行局部尋優(yōu),以此求得最優(yōu)解。
PSO 操作過(guò)程較簡(jiǎn)單,且可以并行搜索尋優(yōu)。用PSO 求解尋優(yōu)時(shí),首先需要初始化隨機(jī)粒子,經(jīng)過(guò)每一次的搜索,粒子群需要追尋2 個(gè)值來(lái)更新自己的位置和速度,個(gè)體極值和全 局 極 值 分 別 用Pi=[Pi1,Pi2,…,Pid,…,PiD]和Pg=[Pg1,Pg2,…,Pgd,…,PgD]表示。
具體迭代公式如下:
式中:Xi=[Xi1,Xi2,…,Xid,…,XiD]是指第i 個(gè)粒子在其求解集合內(nèi)的所在位置,Vi=[Vi1,Vi2,…,Vid,…,ViD]是指第i個(gè)粒子其求解集合內(nèi)的運(yùn)行速度;ω 為慣性權(quán)重系數(shù);c1和c2為常量,表示正的學(xué)習(xí)因子;r1、r2為0到1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。
而在求解過(guò)程中,粒子的速度卻對(duì)全局收斂性存在著極大的影響,當(dāng)求解過(guò)程中無(wú)法控制和約束粒子時(shí),就會(huì)拖慢后期的求解,使得其求解結(jié)果的最優(yōu)值不夠完全。
在用SQP 方法對(duì)模型進(jìn)行求解時(shí),首先需要求出每一個(gè)迭代的值,然后將其作為尋優(yōu)的點(diǎn),沿著該點(diǎn)搜索,直到逼近最終的解。
在求解非線性化的函數(shù)問(wèn)題時(shí),雖然SQP方法收斂快、求解效率較高,但其初始值的設(shè)定對(duì)求解效率和準(zhǔn)確度有著較大的影響,初始值設(shè)定需謹(jǐn)慎合理。
PSO 算法與SQP 方法的結(jié)合,避免了兩者缺點(diǎn)的同時(shí)又有著較好的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
其主要思路是:首先,通過(guò)PSO 算法迭代搜索,當(dāng)其2 次尋優(yōu)的值小于規(guī)定的值時(shí),可用其作為PSO-SQP 算法的初始值;然后,通過(guò)最大效用函數(shù)和模型中的約束建立一個(gè)適應(yīng)度函數(shù);最后,求解此函數(shù),從而不斷獲取下一個(gè)迭代值,直至求得最優(yōu)解。
算法具體操作及改進(jìn)如下:
步驟1 設(shè)定權(quán)重系數(shù)、初始值、變量和學(xué)習(xí)因子等參數(shù)。
步驟2 初始化隨機(jī)產(chǎn)生一定數(shù)量的粒子種群。
步驟3 采用PSO 算法進(jìn)行一定次數(shù)的尋優(yōu)計(jì)算,得到最優(yōu)值及其變量X。
步驟5 設(shè)定xi為SQP方法的初始值。
步驟6 使用SQP 方法進(jìn)行局部搜索優(yōu)化并求解,從而獲得Y(xSQP)的值作為其最優(yōu)解,以及其對(duì)應(yīng)的變量xSQP。
步驟7 判斷優(yōu)化計(jì)算的最終值,取2種算法的最小值為最優(yōu)解,即對(duì)Y(xi)和Y(xSQP)的大小進(jìn)行比較,得到最終解值。
某醫(yī)院某年的應(yīng)急資源冗余總量為392 萬(wàn)元,其中人力保障資源冗余為92萬(wàn)元,社會(huì)保障資源冗余為100萬(wàn)元,物質(zhì)保障資源冗余為105 萬(wàn)元,信息保障資源冗余為95 萬(wàn)元。突發(fā)事件下醫(yī)院的合理應(yīng)急度達(dá)到95 才可以達(dá)到應(yīng)急救援活動(dòng)的相關(guān)要求,各類參數(shù)的具體數(shù)值見(jiàn)表2。
表2 應(yīng)急資源冗余模型相關(guān)參數(shù)Tab.2 Related parameters of emergency resource redundancy model
在CPU 為3.4 GHz、內(nèi)存為4 GB 的計(jì)算機(jī)上,使用Matlab R2017a 編程求解,實(shí)現(xiàn)PSO-SQP 算法優(yōu)化,設(shè)粒子群算法的種群規(guī)模為200,慣性權(quán)重取值0.729 8,兩個(gè)學(xué)習(xí)因子都取值為1.494 45,運(yùn)行程序30 次,求解時(shí)間都在11.401 547~11.894 152 s,說(shuō)明其求解的結(jié)果和時(shí)間都具有較高的穩(wěn)定性。PSO-SQP 算法適應(yīng)度函數(shù)的關(guān)系變化曲線如圖2所示。
圖2 PSO-SQP算法的適應(yīng)度曲線Fig.2 Fitness curve of PSO-SQP algorithm
根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可以得出該醫(yī)院模型的應(yīng)急總效用值Y為0.876,合理應(yīng)急度為97.118。最終獲得的應(yīng)急資源 冗 余 量 配 置 情 況 為:xT=[101.187,117.352,162.216,70.245],此時(shí)總效用為0.907,與優(yōu)化之前相比提高了1.48%,醫(yī)院的應(yīng)急合理度為99.579。表3 列出了模型的優(yōu)化前后結(jié)果數(shù)據(jù)。
1)人力保障資源冗余:人力保障資源冗余的量與之前相比,由92萬(wàn)元增加至101.187萬(wàn)元,表示該醫(yī)院人力保障資源冗余的量偏小,需要增加。研究調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),應(yīng)急救援主要依靠人力保障資源,在確保醫(yī)院及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力下,該醫(yī)院應(yīng)增加人力保障資源冗余的投入量,提升醫(yī)護(hù)人員等人力保障資源冗余的質(zhì)量水平,以提高醫(yī)院系統(tǒng)的應(yīng)急效用值。
表3 醫(yī)院應(yīng)急資源冗余模型優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比Tab.3 Result comparison of hospital emergency resource redundancy model before and after optimization
2)社會(huì)保障資源冗余:該醫(yī)院應(yīng)增加社會(huì)保障資源的投入,將社會(huì)保障資源冗余從100萬(wàn)元增加至117.352萬(wàn)元。調(diào)查顯示,雖然該醫(yī)院有社會(huì)保障資源冗余,但是突發(fā)事件的嚴(yán)重性可能導(dǎo)致此種資源的不足,應(yīng)適量增加。
3)物質(zhì)保障資源冗余:該醫(yī)院的物質(zhì)保障資源冗余的量投入過(guò)少,需要增加,應(yīng)該由105 萬(wàn)元增加至132.216 萬(wàn)元。良好的物質(zhì)保障基礎(chǔ)能幫助醫(yī)院在面對(duì)突發(fā)事件時(shí)提高應(yīng)急水平,使得醫(yī)院的應(yīng)急救援活動(dòng)能夠快速有效地進(jìn)行。
4)信息保障資源冗余:該醫(yī)院的信息保障資源冗余的量偏多,需要由95 萬(wàn)元減少至78.245 萬(wàn)元。調(diào)查結(jié)果顯示,該醫(yī)院為了增加突發(fā)事件反應(yīng)調(diào)度功能,投入了偏多的信息管理系統(tǒng)構(gòu)建和應(yīng)急知識(shí)培訓(xùn)課程。然而由于大量的培訓(xùn)在后續(xù)時(shí)段內(nèi)缺乏對(duì)受培訓(xùn)醫(yī)護(hù)人員的知識(shí)查驗(yàn),使得許多應(yīng)急人員沒(méi)有真正具備正確的應(yīng)急能力,讓醫(yī)院的應(yīng)急管理存在疏漏。因此,該醫(yī)院應(yīng)提高應(yīng)急人員的綜合能力,以及多引進(jìn)應(yīng)急管理高水平人才,提升管理人員的綜合水平和能力。
另外,不同醫(yī)院的應(yīng)急水平不同,如表4 所示,其應(yīng)急合理度也不同,為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性以及分析不同類型資源冗余的優(yōu)勢(shì),通過(guò)調(diào)查,得出的不同醫(yī)院的資源冗余需求如表5所示。
表4 醫(yī)院應(yīng)急水平對(duì)比Tab.4 Comparison of hospital emergency levels
表5 幾種醫(yī)院的應(yīng)急資源冗余對(duì)比Tab.5 Comparison of emergency resource redundancy in several types of hospitals
可以看出,對(duì)于應(yīng)急水平為低和中的中小型醫(yī)院來(lái)說(shuō),其冗余資源主要在于人力保障資源和物質(zhì)保障資源,社會(huì)保障資源與信息保障資源的適用性較低;相反,對(duì)于應(yīng)急水平高的一些大型醫(yī)院來(lái)說(shuō),社會(huì)保障資源與信息保障資源的重要性呈直線上升。
這是因?yàn)榇笮歪t(yī)院在突發(fā)事件發(fā)生的時(shí)候,承擔(dān)的救援任務(wù)較重,信息保障資源的及時(shí)供應(yīng)顯得尤為重要,應(yīng)急管理制度的完善亦需要信息保障資源提供強(qiáng)有力的支撐;而對(duì)于小型醫(yī)院來(lái)說(shuō),人力和物力是最直接的應(yīng)急手段,所以這兩種資源冗余的妥善完備更為重要。圖3 為上述幾種類型醫(yī)院優(yōu)化前后的應(yīng)急合理度數(shù)值。兩條曲線所構(gòu)成的區(qū)域代表著優(yōu)化的效果,面積越大效果越明顯。
圖3 幾種類型醫(yī)院應(yīng)急合理度優(yōu)化前后對(duì)比Fig.3 Comparison of emergency rationality of several types of hospitals before and after optimization
本文首先從應(yīng)急救援資源預(yù)先配置的角度出發(fā),闡述了醫(yī)院應(yīng)急資源冗余效用所體現(xiàn)的三個(gè)方面,將應(yīng)急資源冗余進(jìn)行定義并分類;之后引入效用函數(shù),建立了突發(fā)事件下的醫(yī)院應(yīng)急資源冗余配置優(yōu)化模型,將常用來(lái)求解效用函數(shù)的序列二次規(guī)劃方法和粒子群算法結(jié)合對(duì)模型進(jìn)行尋優(yōu)求解;最后通過(guò)一次案例分析,將某醫(yī)院的應(yīng)急資源冗余進(jìn)行了合理優(yōu)化配置,優(yōu)化后的總效用水平提升了1.48%,驗(yàn)證了突發(fā)事件下應(yīng)急資源冗余配置優(yōu)化的合理性和有效性。
然而本文的應(yīng)急資源冗余是醫(yī)院為了保證突發(fā)事件下應(yīng)急救援活動(dòng)的合理進(jìn)行而留存的“預(yù)備資源”,應(yīng)急資源冗余的總量如果太多,就會(huì)使得醫(yī)院的運(yùn)行成本偏大,所以在確保醫(yī)院應(yīng)急水平合理化的同時(shí),怎樣減少醫(yī)院的應(yīng)急資源冗余量,是我們以后的研究方向。