新的管理模式:元服務系統的構建

一、新的管理模式：網元化服務系統

物聯網是近年來出現的一種信息技術，它提出的物質信息之間的聯系，信息的可靠傳輸以及智能管理等豐富了信息化管理的內容，同時，也提出了很多新的問題，如云計算等，這些方面的研究在參考文獻[1]中得到了很好的總結。然而，物聯網主要是從技術角度提出的信息化管理模式，而在城市管理中，人的因素是非常重要的。筆者曾經提出的GBCP管理模式[2][3]是一種既考慮了信息化管理，又考慮了人的因素的管理模型。在經典的GBCP理論中，我們考察了政府（G）、企業（B）、公眾（C）與公共物品（P）之間的動態關系，建立了靜態、動態兩種模型，并在此基礎上，討論了物質信息系統的基本性質[4]，然而，這些討論的一個前提假設是所有的公共物品都可以看成是點，即不考慮形狀和位置，并且考慮的重點為單個GBCP環的性質和規律，這樣與實際應用還有一定的距離。為此，在原有GBCP理論的基礎上，本文提出了一種新的管理模式：“網元化服務系統”。這種管理模式借鑒了物聯網的基本思想，即物質信息的對應、轉換關系，智慧管理（包括機器和人的智能管理）等，又兼顧人的因素，實現了“以人為本”的管理目標。

在網元化服務系統中，主要考慮的因素有：物質所存在的環境，即三維現實空間、時間因素以及網元系統運行所需要的金錢等成本，我們稱之為能量。于是由三維現實空間、時間、能量這五個相對獨立的因素，構成了一個五維空間，并在這五維空間中，討論網元系統的運行。

二、網元的構建與運行模式

（一）網元的構建

首先，適用網元化服務的系統范圍，即哪些系統適合網元化管理，稱之為元系統，一般具有以下特征：

1.系統中有物質、信息和人，物質和信息存在著對應關系，在一定條件下可以轉化，信息可以傳遞（用一句話概括，就是高度信息化）；

2.系統在正常運行下，具有某種功能，這種功能服務于人；

3.如果系統中的物質的屬性發生改變，從而影響功能的話，系統自身有能力修復此物質的屬性，使之重新具有原功能。

比如城市管理系統中，以道路照明的路燈為例，所有維護路燈照明的企業、主管部門以及公眾就可以形成一個元系統，這里路燈是物質，系統的功能是照明，為公眾服務。如果路燈屬性改變（壞了），那么就會產生對應的信息的改變，信息可以傳遞，最終結果為路燈修好了（信息與物質轉換）。這個過程就是經典的GBCP模式所描述的過程。由此可見，如果在城市部件都已經信息化的假設下，城市管理系統就可以看成是一個元系統，筆者研究的重點，不在于元系統的構建和如何運行，而是如果系統的物質的性質發生改變，影響到系統的功能時，系統如何更好地修復此功能。

為了研究方便，可以給出如下概念：

（1）元系統的穩定：是指元系統能夠保證功能正常運行；（2）事件：影響元系統功能的物質變化；（3）服務：系統所需處理的目標事件；（4）子服務：為了完成這個目標事件，可以把完成的過程分為若干個步驟或若干個子目標事件；（5）單位子服務：不能再分解的子服務；（6）網元：為了提供單位子服務，所需要的系統中元素的最小集合。

這里提出的不能再分解，主要依賴于元系統，是指在元系統中物質不能再分解了。比如城市管理系統就是一個大的元系統，可能有路燈壞了，可能有井蓋丟了，等等，這些事件需要服務。如果有多個井蓋丟了，那么每修復一個的過程就可以看成是一個網元。而如何制造、安裝這個井蓋，就不是城市管理系統所關心的范圍了，因此可看成是一個網元。很明顯，元系統中可能有多個網元，這些網元可以相互作用，但每個網元是相對獨立的。

有了網元的概念，可以給出網元化管理的描述。所謂網元化管理，就是針對每個網元，利用GBCP的管理模式，利用物質、信息、人的相互作用與影響，完成單位服務，再經過服務的疊加，完成整個服務，使元系統恢復功能的過程。

這里要回答兩個問題，一是為什么要選擇GBCP管理模式；二是如何應用GBCP管理模式。

首先，可以看到，元系統是一個物質信息系統，同時，這個物質信息系統又有反饋的作用，即在處理事件的過程中，元系統的某組成部分（比如說“人”）會對事件的處理的進程和結果有作用；同時，每處理完一個事件之后，本次處理的結果都會對下一個事件有作用。正是通過對這種具有反饋作用的物質信息系統的研究，提出了GBCP管理模式，并指出GBCP模式可以很好的達到管理的目的（參見文獻[5]，第六章）。

其次，如何應用GBCP管理模式的問題。在城市管理中，對于公共部件，我們給出了GBCP模式的理論和算法。那么在元系統中，其核心思想同樣適用。因為在元系統中，三個重要的組成部分，物質（M）、信息（I）、人（M），構成一個MIM系統，而這個系統中最重要的還是人的作用。因為元系統的一個重要的功能就是“以人為本”，正是為了滿足人的需求，一旦物質的屬性發生改變（M>0），利用“物質-信息”相互轉換這個工具，完成對物質屬性的修復。這和GBCP理論中的產生帶動整個GBCP環的形成的原理是一致的。所不同的是，元系統中的物質更為復雜，研究好元系統中物質的屬性是建立網元化管理的關鍵所在，解決的辦法就是利用五維空間中的三維現實子空間。

為了更精確表達網元化管理的過程和優勢，要借助于數學模型。由于考慮元系統中物質屬性的改變，物質屬性中下列兩個屬性對于網元模式是很重要的：

幾何屬性：物質在現實三維空間中呈現的維數特征；功能屬性：物質是否正常，即該物質能否保證元系統功能正常運行。

比如，在城市管理的元系統中，電線桿、井蓋就可以看成是點狀物質，即0維；公路、各種線路可以看成是線狀物質，即1維；停車場、湖泊可看成是面狀物質，即2維；商城、高層建筑等可看成體狀物質，即3維。于是，在t時刻，物質的屬性可表示為Mat(p，k，s，t)，其中p表示物質的位置信息；k為物質的幾何屬性，取值范圍為（0，1，2，3）；s為物質的狀態，s=0，表示物質功能正常，s=1表示物質功能不正常；t為時刻。

一般來說，對于高維（維數大于等于1）的物質，其狀態不能簡單地表示成正常或非正常，因為還要進一步確定非正常的部分（看成一個點），在高度信息化的假設下，用向量（或矩陣）的方法給出表達，比如對于1維物質（公路，河流等），可以采取的信息采集方式為：

簡記為

其中，p為物質的位置信息，k=2為物質的維數，共mn個信息點，s(i，j)的取值為0或1，為第(i，j)個信息采集點的狀態，t為時刻。

以此類推，3維物質在t時刻對應的信息為：

簡記為

其中，p為物質的位置信息，k=3為物質的維數，共nml個信息點，s(i，j，h)的取值為0或1，為第（i，j，h）個信息采集點的狀態，t為時刻。

以上筆者給出了從Mat(p，k，s，t)到Inf(p，k，s(i，j，h)，t)的過程，然而，為了以GBCP管理模式進行網元化管理，還必須引入“人”的因素。首先，從Mat(p，k，s，t)到Inf(p，k，s(i，j，h)，t)，信息的采集可能靠傳感器，也可能是人，對于人，或者說信息的采集者（對應GBCP中的C），用Man(p，k，C(i，j，h)，t)表示，即在t時刻，對物品Mat(p，k，s，t)的部分(i，j，h)進行信息采集的人；如果采集的結果出現異常，要對這個異常信息進行處理，于是就要有具有管理職能的人（對應GBCP中的G），即Man(p，k，G(i，j，h)，t)，把信息傳遞到提供或修復物品的人或企業（對應GBCP中的B），最終使物品Mat(p，k，s，t)中(i，j，h)部分的屬性從s(i，j，h)=1變成s(i，j，h)=0。

于是可以看出，網元系統是按照物質(Mat)——信息（Inf）——人員（Man）的形式建立起來的，為一個MIM系統。

物質流，信息流，人員流的概念如下：

物質流：描述物質的屬性在一段時間內隨時間改變而變化的集合，用數學表達式給出為：{Mat(p，k，s，t)｜t(t0，t1)}，其中t0、t1分別表示首末時間點；

信息流：描述物質對應的信息在一段時間內隨時間改變而變化的集合，用數學表達式給出為：{Inf(p，k，s(i，j，h)，t)｜t(t0，t1)}，其中t0、t1分別表示首末時間點；

人員流：描述人員在一段時間內隨時間改變而變化的集合，用數學表達式給出為：{Man(p，k，G(i，j，h)，t)｜t(t0，t1)}，{Man(p，k，B(i，j，h)，t)｜t(t0，t1)}，{Man(p，k，C(i，j，h)，t)｜t(t0，t1)}，其中t0、t1分別表示首末時間點。

（二） 網元化管理的運行方式

網元化管理的運行方式，即GBCP模式、物質、信息、人員流互動模式，以及五維系統空間模式。對于一個網元，首先要注意它是提供單位子服務的，因此，這里的物質屬性發生改變時，其對應的Inf(p，k，s(i，j，h)，t)中，有且僅有一個s(i，j，h)=1，其余均為0。換句話說，就只有一處出現故障。

1.網元化管理的GBCP運行方式。（見圖1）

首先，觸發網元管理的原因是物質Mat(p，k，s，t)的s=1，因此由前述有且僅有一個s(i，j，h)=1，此信息由Man(p，k，C(i，j，h)，t)獲取，于是得到影射：TC:Mat→inf，TC(Mat(p，k，s，t1))=inf(p，k，s(i，j，h)，t2)，這里s(i，j，h)=1。

第二步，此信息經由管理者Man(p，k，G(i，j，h)，t)傳遞到物質的提供者Man(p，k，B(i，j，h)，t)。

TG:Inf→inf，TG(Inf(p，k，s(i，j，h)，t2))=Inf(p，k，s(i，j，h)，t3)

第三步，物質的提供者Man(p，k，B(i，j，h)，t)生產此物質，

TB:Inf→Mat，TB(Inf(p，k，s(i，j，h)，t3))=Mat(p，k，s，t4)

此時，新的物質Mat(p，k，s，t4)的屬性s=0。

這里的映射同樣滿足TCTGTB=I，即去掉時間因素外，復合映射為恒等映射。

2.網元管理的物質信息流模式（見圖2）

圖2為典型的物質信息流相互作用模型。從GBCP模式可以看出，網元化管理起始于物質狀態的改變，即△s=1，終止也是物質狀態的改變△s=-1，在這期間，物質、信息可以相互轉變，即TC:Mat→inf，TB:inf→Mat，信息可以傳輸TG:inf→inf，最終形成物質流、信息流的相互影響，完成網元化管理。

這里還有人員流的概念，但在圖中沒有給出，事實上，人員流相對穩定，但其存在的必要性是：確保物質流、信息流能夠順利地形成并相互作用。

至此，筆者認為，單個網元的模型和GBCP模型基本一致。

三、網元系統的構建與運行模式

在元系統中，一旦功能出現問題，涉及的網元往往不止一個，那么在多網元情形下，如何確定管理模式呢。為此，筆者考慮了以下幾種可能出現的情形。既然網元系統的核心思想是提供服務，因此，多網元系統的劃分必然也是按照服務來劃分的。首先，如果服務可以分解成若干個子服務，并且由這些子服務確定的網元中涉及的G、B、C都是互不重疊的，于是就可以簡單的分析這些子服務是否有先后順序，如沒有，就可用并行式；若有，就是串行式；

（一） 網元系統的基本模式

1.并行式

在一個元系統中，若需要提供的服務可以分解為若干個子服務，且這些子服務確定的網元中Man(p，k，C(i，j，h)，t)，Man(p，k，G(i，j，h)，t)，Man(p，k，B(i，j，h)，t)互不相同，那么就可以同時進行網元管理，最終提供系統的服務。

例如：在城市管理系統中，井蓋和路燈同時壞了，用物質流、信息流可表示如圖3。

2.串行式

在一個元系統中，若需要提供的服務可以分解為若干個子服務；且這些子服務確定的網元中Man(p，k，C(i，j，h)，t)，Man(p，k，G(i，j，h)，t)，Man(p，k，B(i，j，h)，t)互不相同，但服務之間有先后次序，那么就要按子服務次序進行網元管理，最終提供系統的服務。

例如：井蓋丟了，但在送新井蓋的途中，交通發生了擁堵，這樣，必須先解決交通擁堵問題，再解決井蓋丟失問題，用物質流、信息流可表示如圖4。

（二） 網元系統的其他模式

如果在一個元系統中，需要提供的服務可以分解為若干個子服務，且這些子服務確定的網元中Man(p，k，C(i，j，h)，t)，Man(p，k，G(i，j，h)，t)，Man(p，k，B(i，j，h)，t)有相同的元素，可采用以下方式處理。

1.共享G式

如果在元系統中，若干個子服務共享Man(p，k，G(i，j，h)，t)，那么可以按照并列式網元系統模型進行考慮，因為G是管理者，其在網元系統中主要起信息傳遞、監督的作用，因此，當兩個網元在G處重疊時，可按并行處理。采用并行式管理模式。

2.共享B、C式

如果在元系統中，若干個子服務共享Man(p，k，C(i，j，h)，t)，Man(p，k，B(i，j，h)，t)，那么，可以按串行式網元系統模型處理，因為B、C承擔著物質、信息轉換的功能，如果上一個網元沒有完成，下一個網元無法繼續，因此，可以按串行式模型提供服務。

3.共享物質式

如果在系統中，對于同一個物質，若物質的幾何屬性為0，那么它的功能屬性要么是0，要么是1。但是對于高維物質，可能發生同一物質在兩個以上不同點同時功能屬性為1的情形，比如，同一條公路上發生兩處以上事故，同一個小區內出現多處垃圾污染等等，那么就需要根據物質的類型判斷是并列式還是串行式了，比如，如果是公路擁堵問題，往往是串行式，但如果小區污染問題，又可以采用并行式了。

參考文獻：

[1] C. Floerkemeier.The Internet of Things［M].springer， 2008.

[2]李立明，程永強，曹鵬.信息化城市管理和諧模型建模初探[J].城市管理與科技，2005，7（5）：183-185.

[3]李立明，程永強，曹鵬，等.信息化城市管理和諧模型建模再探[J].城市管理與科技，2005，7（6）:227-230.

[4]李立明，程永強，曹鵬.信息化城市管理和諧模式評價體系[J].城市管理與科技，2006，8（2）：51-53.

[5]李立明，等著.奧運城市運行系統設計與實現[M].北京：科學出版社，2009.

（責任編輯：黃荔）

注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”