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價優(yōu)化的方法。比較串行執(zhí)行指揮活動和并行執(zhí)行指揮活動兩種流程運作方式,仿真計算得出應根據(jù)時效或質(zhì)量偏重綜合運用串并結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

時效熵; 質(zhì)量熵; 指揮流程結(jié)構(gòu)

Class Number O213

1 引言

在傳統(tǒng)機械化工業(yè)時代,管理理念以規(guī)范化管理為主導,其主要體現(xiàn)在強調(diào)管理體系的制度化、程序化和標準化。隨著信息技術的發(fā)展應用,信息系統(tǒng)與管理體系結(jié)合愈加緊密,以信息技術為支撐的流程管理逐漸表現(xiàn)出對系統(tǒng)效能更加強大的促進作用,以流程運作為核心逐漸成為管理領域的主導思想。作戰(zhàn)指揮本質(zhì)上也是一種在特定領域的組織管理活動[1]。指揮流程屬于管理領域上的流程范疇。一個內(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戰(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)律的活動組合,這些活動的組合是以特定的方式進行,并導致特定結(jié)果的產(chǎn)生[2]。從流程的定義可引申出對指揮流程的理解:作戰(zhàn)指揮員和指揮機關對所屬部隊構(gòu)成作戰(zhàn)指揮活動的諸事項及其實施的順序和步驟[3]。將這些指揮活動有序組合即成為指揮流程的結(jié)構(gòu)。指揮流程結(jié)構(gòu)由各種指揮活動及相互關系組成。對于獨立的指揮活動,這些相互關系通常表現(xiàn)為串聯(lián)或并聯(lián)關系。事物通過內(nèi)因起作用,指揮流程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定其功能及運作效率。現(xiàn)行指揮流程由機械化時代發(fā)展演變而來,隨著信息技術的普及應用,原來的指揮流程越來越不適合信息化條件下的作戰(zhàn)模式。如何配置指揮活動和相互關系,優(yōu)化現(xiàn)有指揮流程,甚至重構(gòu)指揮流程成為現(xiàn)實需求。熵對系統(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,只有特定的活動組合方式才能促使特定功能的發(fā)揮。因此,流程構(gòu)建對系統(tǒng)的效能具有十分重要的影響。一般而言,一個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、輸入源和作用對象等六方面要素,如圖1所示。輸入,即信息、計劃、指令流程運作必需的物質(zhì)資料等,其有效流動推動指揮流程運作;輸出,即指揮流程能夠達成的結(jié)果;流程執(zhí)行者,即指揮流程運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部門等提供輸入的平臺實體或單位;作用對象,即指揮流程輸出的作用對象;流程結(jié)構(gòu),即指揮活動間的相互關系。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,一是指揮活動的規(guī)劃,界定一個獨立的指揮活動作為流程結(jié)構(gòu)中的節(jié)點;二是指揮活動相互關系的規(guī)劃,確定流程結(jié)構(gòu)各個節(jié)點以何種方式組合。下面將重點研究指揮活動關系規(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

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

(1)

其中H(X)=H(p1,p2,…,pn)是隨機試驗X的信息熵,pi是對于隨機試驗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,當隨機試驗X服從均勻分布時,其各種可能結(jié)果將等概率出現(xiàn),此時信息熵出現(xiàn)最大值H(X)=logn。信息熵使熵的概念從統(tǒng)計物理學意義上的熵拓展到任意的隨機事件集合中,從而使熵開始應用到其他自然科學乃至社會科學中。

3.2 熵在指揮流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化的拓展應用

從信息論和控制論的角度看,作戰(zhàn)指揮是指揮員根據(jù)當前的情報信息態(tài)勢以及來自上級的決策信息任務,對所屬部隊及其作戰(zhàn)行動實施有目的的規(guī)劃和控制的活動[7]。從信息角度理解指揮是利用信息流推動能量流、物質(zhì)流定向流動的過程[8]。信息沿指揮流程拓撲結(jié)構(gòu)有序流動,推動著指揮流程中各項指揮活動的進行。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)量實現(xiàn)效率即時效和質(zhì)量必然受指揮流程結(jié)構(gòu)的影響,下面引入時效熵、質(zhì)量熵對指揮流程結(jié)構(gòu)進行研究[9～10]。

1) 時效熵

時效是指信息在指揮流程結(jié)構(gòu)中流動的效率,對于一個指揮流程拓撲結(jié)構(gòu),設最大指揮跨度為N,指揮層次數(shù)為L,節(jié)點數(shù)量即指揮活動數(shù)量為n,第i層的節(jié)點數(shù)為mi,那么有

對于信息流動而言,信息所通過的路徑長度必然會影響其傳遞效率,因此引入聯(lián)系長度概念,將相鄰的兩個節(jié)點的聯(lián)系長度看作一個單位,信息在節(jié)點中轉(zhuǎn)一次,聯(lián)系長度增加一個單位,對于整個指揮流程結(jié)構(gòu)而言,所有可以產(chǎn)生聯(lián)系的節(jié)點的聯(lián)系長度之和即總聯(lián)系長度為

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

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

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

由于熵是一個廣延量具有可疊加性,因此對于整個指揮流程而言,其總時效熵應該是所有產(chǎn)生聯(lián)系的節(jié)點的時效熵之和:

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

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

當時效R越大,信息在指揮流程的的運轉(zhuǎn)效率就越好,反之則反。顯然時效R只與指揮流程當前的時效熵有關,而時效熵則由指揮流程的結(jié)構(gòu)中各節(jié)點的聯(lián)系長度決定。

2) 質(zhì)量熵

式中ki是指節(jié)點i的聯(lián)系跨度,即對于某節(jié)點言,與之直接發(fā)生聯(lián)系節(jié)點的個數(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。通過數(shù)學分析易知指揮流程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與節(jié)點間的聯(lián)系程度有關。

3) 有序度

指揮流程結(jié)構(gòu)的時效熵、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時在傳遞效率性、傳遞準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)學定義為

Y=1/(α·Hs+β·Hz)

其中α、β分別為時效熵、質(zhì)量熵對于有序度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組成,理論上其拓撲結(jié)構(gòu)可以區(qū)分為總線型、環(huán)形、星形、樹形等種類。就目前我軍指揮體制和實際應用而言,其組合方式一般分為串聯(lián)、并聯(lián)兩種。對于具有n個節(jié)點的指揮流程,如何通過串并聯(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。

假設作戰(zhàn)準備的指揮流程由n個指揮活動組成,即其對應兩種組合方式的網(wǎng)圖A1和網(wǎng)圖B1的節(jié)點數(shù)為n,如圖2所示。

1) 網(wǎng)圖A1時效熵

網(wǎng)圖A1節(jié)點間的聯(lián)系長度如表1所示。

圖2 多節(jié)點指揮流程網(wǎng)圖

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

總聯(lián)系長度為

任意節(jié)點i和j的轉(zhuǎn)移概率:

任意節(jié)點i和j的時效熵:

網(wǎng)圖A1總時效熵:

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時效熵

表3 網(wǎng)圖B1聯(lián)系長度

總聯(lián)系長度:

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 仿真計算

以上根據(jù)網(wǎng)圖A1和B1的結(jié)構(gòu)得出相應的時效熵和質(zhì)量熵計算公式。下面利用計算機輔助計算,分別計算從取n=3到n=53時兩網(wǎng)圖結(jié)構(gòu)特性變化情況,其計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)圖A1、B1結(jié)構(gòu)特征曲線

對于純串聯(lián)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)圖A1,時效隨著節(jié)點數(shù)的增加而增加,在節(jié)點數(shù)小于10個時增加較快,但此后增加速率越趨平緩;質(zhì)量除在節(jié)點數(shù)等于3個、4個和5個時質(zhì)量先增后減外總體隨著節(jié)點數(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)點數(shù)小于10個時急劇下降,此后下降速度趨緩。

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

6 結(jié)論分析

對比兩圖的結(jié)構(gòu)特性,對于相同節(jié)點數(shù)時,網(wǎng)圖A1的時效比B1的時效好,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)點數(shù)小于10個之前兩網(wǎng)圖整體有序度較為接近,此后相差幅度較大。可以看出串聯(lián)結(jié)構(gòu)的各個節(jié)點最多只與其他兩個指揮活動聯(lián)系而并聯(lián)結(jié)構(gòu)中節(jié)點1聯(lián)系跨度隨著節(jié)點數(shù)增加而增加,其物理意義是一個指揮活動節(jié)點要與多個指揮活動節(jié)點產(chǎn)生指揮關系。

綜合以上分析,可以得出以下幾點結(jié)論:

在節(jié)點數(shù)量相同的條件下: 1) 在時效方面,串聯(lián)的指揮流程活動組合方式優(yōu)于并聯(lián)的指揮流程活動組合方式; 2) 在質(zhì)量方面,并聯(lián)的指揮流程活動組合方式優(yōu)于串聯(lián)的指揮流程活動組合方式; 3) 在綜合有序度方面,并聯(lián)的指揮流程活動組合方式優(yōu)于串聯(lián)的指揮流程活動組合方式; 4) 當節(jié)點數(shù)達到一定數(shù)量后,再增加節(jié)點數(shù)無助于指揮流程結(jié)構(gòu)的時效和質(zhì)量的快速有效增長,反而會導致整體有序度進一步下降。因此節(jié)點數(shù)量應控制在一定范圍內(nèi)。由于依次增加節(jié)點數(shù)量導致時效、質(zhì)量、整體有序度的變化速率沒有出現(xiàn)驟增或驟減情況,因此難以準確地確定最優(yōu)節(jié)點數(shù)。如圖3,可選最優(yōu)節(jié)點數(shù)應在5～15個之間,在此區(qū)間中越少越優(yōu),當一個節(jié)點的聯(lián)系跨度過大必然要求更強的指揮能力。

因此,無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,應該結(jié)合當前指揮流程的配套體系,根據(jù)對指揮流程時效或質(zhì)量的偏重綜合運用串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合各項指揮活動。

7 結(jié)語

從指揮流程結(jié)構(gòu)時效熵和質(zhì)量熵的角度入手分析了在構(gòu)建或優(yōu)化指揮流程時串并方式對指揮流程結(jié)構(gòu)特征的作用,探索了一種評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,應該結(jié)合實際情況,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,綜合運用串并聯(lián)混合方式,以期達到指揮流程最優(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)指揮理論及應用。余禮鋒,男,碩士研究生,研究方向:作戰(zhàn)指揮理論及應用。趙磊,男,碩士,講師,研究方向:作戰(zhàn)指揮理論及應用。

O213

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.009