基于結構熵的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)有序性評價研究

吳志福 周 強 王文龍

(武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063)

0 引 言

現(xiàn)代國際貨運物流要求以最短的時間和最低的成本完成貨物轉運，從而在激烈的國際物流行業(yè)競爭中占據(jù)優(yōu)勢.集裝箱碼頭作為海上物流的重要節(jié)點，除了地理環(huán)境條件，作業(yè)效率也是碼頭競爭力的重要指標[1].合理的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構決定了集裝箱碼頭集疏運和裝卸船作業(yè)的效率，保正了碼頭高效地生產(chǎn)作業(yè)，從而減少碼頭作業(yè)的人力、物力成本和時間.隨著先進的信息化技術不斷應用到港口物流服務中，信息流已然成為碼頭貨物轉運和資源調度有序進行的關鍵.及時、準確的信息流是充分發(fā)揮集裝箱碼頭物流系統(tǒng)功能的關鍵，是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要保障.

我國港口碼頭規(guī)劃設計大部分停留在依靠歷史資料、專家經(jīng)驗和應用數(shù)理統(tǒng)計方法測算分析的狀態(tài)[2], 新建港口在規(guī)劃設計階段，缺乏對系統(tǒng)結構設計的科學評價工具和比選依據(jù)，導致港口碼頭建成后，或生產(chǎn)能力達不到預期效果、或產(chǎn)能過剩而導致資源浪費現(xiàn)象.鑒于在集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構評價和優(yōu)化研究方面的空白，以現(xiàn)代系統(tǒng)科學思想和熵理論為依據(jù)，深入研究和解決集裝箱碼頭物流系統(tǒng)復雜性問題，運用結構熵理論分析集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構，研究成果為碼頭組織結構規(guī)劃設計方案的比選提供參考決策，深刻結合了學術理論和工程實際應用，為集裝箱碼頭工程設計提供新的思路.

1 集裝箱碼頭物流系統(tǒng)結構與自組織機制

根據(jù)分形理論[3]，由若干個基本結構組成的網(wǎng)絡構型，在賦予結構中各節(jié)點不同類型的功能后，形成復雜網(wǎng)絡結構.分形理論自被提出以來已經(jīng)成為了用來描述復雜網(wǎng)絡結構的重要工具[4],系統(tǒng)組織結構的演化與發(fā)展是一種分形網(wǎng)絡結構的互動過程，該理論用來研究系統(tǒng)組織結構的復雜性具有重要意義.集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的復雜性主要體現(xiàn)在其系統(tǒng)內、外部環(huán)境的不確定性、碼頭平面布局網(wǎng)絡結構的復雜性、系統(tǒng)生產(chǎn)組織結構的復雜性和碼頭作業(yè)流程的復雜性等[5].

集裝箱碼頭物流系統(tǒng)作為一個典型的復雜分形網(wǎng)絡系統(tǒng)，其局部存在自相似性，整體上又存在不規(guī)則性，簡單的局部自組織成復雜的整體.受自組織機制的推動，系統(tǒng)的組織結構在演化過程中由U型向M型轉變，從而改善碼頭系統(tǒng)的協(xié)同效應和反應速度，避免過于復雜的組織結構造成管理不便和成本增加.

2 結構熵理論和集裝箱碼頭物流系統(tǒng)有序度

2.1 結構熵理論

由熵概念的定義知，熵是用來定量描述通信過程中信息傳輸?shù)男畔⒃吹牟淮_定性、不規(guī)則性和不穩(wěn)定性等特性的參量[6]，熵(entropy)、信息(information)，以及有序性(order)之間存在著密切的關聯(lián)關系.系統(tǒng)的結構熵隨著內部組成元素的增多、結構層次的復雜而增大；而系統(tǒng)已知的信息量增多時，系統(tǒng)的熵值反而會減小，系統(tǒng)由無序變得有序.根據(jù)自組織機制原理[7]，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的內部網(wǎng)絡結構可以看作是一個自組織體，雖然演化過程十分復雜，但遵循則一定的秩序.因為其自身的自組織能力和環(huán)境適應性，所以在長久的演化過程中總是趨向優(yōu)化、有序化方向發(fā)展.根據(jù)負熵理論可知[8]，只有通過引入外界的負熵，并能夠消除系統(tǒng)內部的正熵時，系統(tǒng)才能走向有序化.在度量系統(tǒng)的結構熵時，將信息源在組織結構內部傳遞的不確定度分為信息在傳遞過程中是否及時的不確性和信息傳遞前后是否一致的不確定性.

2.2 系統(tǒng)的有序度

系統(tǒng)組織結構的有序程度體現(xiàn)為系統(tǒng)內部信息交換的時效性和準確性，可以應用結構熵定量化地描述系統(tǒng)的有序程度，不同組織結構的結構熵和有序度不同.在集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)時，信息是連接碼頭各個節(jié)點的重要介質，快捷和準確地信息傳遞是整個系統(tǒng)有效運行、資源合理利用、作業(yè)效率提高的保障.應用結構熵理論對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)宏觀層面——組織結構進行定量描述，計算不同系統(tǒng)的結構熵和有序度，進而比較和評價不同方案的優(yōu)劣，可為工程實際應用提供借鑒，使宏觀層面設計更加合理化.

3 基于結構熵的系統(tǒng)評價方法

通常將系統(tǒng)組織結構分為決策層、管理層和操作層三個層面(也存在四個層面的情況)，見圖1.決策層一般只有一個節(jié)點，管理層節(jié)點數(shù)由碼頭的設計結構和裝卸工藝決定，操作層則為不同控制節(jié)點的直接控制下級節(jié)點.集裝箱碼頭決策層為其碼頭本身的物流系統(tǒng)，管理層為信息系統(tǒng)、泊位系統(tǒng)、集箱/提箱系統(tǒng)、裝/卸船系統(tǒng)、堆場系統(tǒng)、路網(wǎng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，操作層為各子系統(tǒng)的控制單元.集裝箱碼頭系統(tǒng)內部之間和系統(tǒng)與外部環(huán)境之間存在復雜的物質、能量、信息交換，決定了集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的組織結構和信息傳遞規(guī)則，系統(tǒng)組織結構中各元素之間進行信息傳遞的規(guī)則可被定義為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)有序度.

圖系統(tǒng)組織結構層次圖

根據(jù)系統(tǒng)的結構熵理論對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)結構進行描述[9-12]，定義其結構有序度為

(1)

式中：H為系統(tǒng)的結構熵；Hmax為系統(tǒng)中的最大熵值.

R越大，表示該集裝箱碼頭物流系統(tǒng)越有序，其結構越優(yōu).Hmax的值取決于系統(tǒng)內部的組成規(guī)模和組織結構的復雜程度，其表征著系統(tǒng)結構最無序的狀態(tài).若將結構熵與最大熵值比較，則表示為系統(tǒng)結構的無序度，即H/Hmax.

根據(jù)結構熵理論，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的結構熵H定義為

(2)

式中：pi為第i個系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)的概率；n為狀態(tài)的總數(shù)量.

由拉格朗日乘子法可得系統(tǒng)最大熵值為

Hmax=lbn

(3)

3.1 系統(tǒng)的結構有序度

計算集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構的有序度時, 要綜合考慮集裝箱碼頭物流系統(tǒng)信息傳遞的時效有序度和質量有序度，對兩者加權求和得到結構有序度，或稱質效有序度為

R=αRt+βRq

(4)

式中：Rt為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構的時效有序度；Rq為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構的質量有序度；α，β分別為它們的權重.

3.2 系統(tǒng)的時效有序度

假設該圖為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構，系統(tǒng)結構層次為三層，總共有N個系統(tǒng)的基本要素，決策層要素個數(shù)一般取1，管理層要素個數(shù)為k，見圖2.

圖2 集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構示意圖

其中方框內的標號“1”為第1個元素，線段連接的兩個方框之間具有直接聯(lián)系(或稱直接信息交流).集裝箱碼頭物流系統(tǒng)中管理層為各子系統(tǒng)，它們之間的交互需要通過中控系統(tǒng)也就是決策層進行信息交換，所以圖中結構僅有上下層級間的信息交互，而在實際中有些特定的系統(tǒng)會有橫向的信息交互.

在某個時間段ti內，圖2中某一元素i向該物流系統(tǒng)中的其他元素j發(fā)出信號后，能否在ti時間段內及時的收到相應的信息反饋的不確定性程度稱為元素i和元素j之間信息聯(lián)系的時效熵Ht(ij).該物流系統(tǒng)中，上下層級間任意兩元素的聯(lián)系時效熵Ht(ij)定義為

Ht(ij)=-pt(ij)lbpt(ij)

(5)

式中：pt(ij)為系統(tǒng)第ij個聯(lián)系時效微觀態(tài)出現(xiàn)的概率，pt(ij)=Lij/At，其中：Lij為該系統(tǒng)的組織結構中任意兩個元素i,j之間的最小聯(lián)系長度，若兩個元素之間聯(lián)系，則最短聯(lián)系長度Lij為1，若需要經(jīng)過一次中轉，則Lij為2，以此類推,經(jīng)過二次周轉長度為3，經(jīng)過三次中轉長度為4；At為系統(tǒng)的時效微觀態(tài)總數(shù)，At=∑i∑jLij.

綜上可得，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)總時效熵Ht為

Ht=∑i∑jHt(ij)=

∑i∑jpt(ij)lbpt(ij)

(6)

則系統(tǒng)的時效有序度為Rt=1-Ht/Ht/max.

式中：系統(tǒng)最大時效熵Ht/max=At.

3.3 系統(tǒng)的質量有序度

用質量熵描述信息在傳遞過程中的準確與否，其值表示為信息傳遞質量的不確定性大小.即在單位時間段ti內，元素i向該物流系統(tǒng)中的除本身外任意元素發(fā)出信息，對應的信息接收方收到信息后，發(fā)出的反饋信息與發(fā)送信息一致程度的不確定大小稱為兩元素i,j之間的質量熵Hq(ij)，定義為

Hq(ij)=-pq(ij)lbpq(ij)

(7)

式中：pq(ij)為系統(tǒng)第ij個聯(lián)系質量微觀態(tài)出現(xiàn)的概率，pq(ij)=Ki/Aq.其中：Ki為該物流系統(tǒng)中與元素i有直接聯(lián)系的元素數(shù)量，稱為元素聯(lián)系幅度；Aq為系統(tǒng)的質量微觀總數(shù)，Aq=∑iKi.

綜上可得，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的質量熵為

Hq=∑i∑jHq(ij)=

∑i∑jpq(ij)lbpq(ij)

(8)

則系統(tǒng)的質量有序度為其中，系統(tǒng)最大質量熵.

4 算 例

圖3為傳統(tǒng)型和新型集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的組織結構圖.

將圖3簡化為元素-結構圖，見圖4.

應用上述的結構熵評價模型對兩種集裝箱碼頭物流系統(tǒng)結構進行結構熵和有序度計算，得到兩個系統(tǒng)的時效熵和時效有序度、質量熵和質量有序度，見表1～4.

表1 傳統(tǒng)型系統(tǒng)組織結構時效熵和有序度

表2 新型系統(tǒng)組織結構時效熵和有序度

圖3 系統(tǒng)組織結構

表3 傳統(tǒng)型系統(tǒng)組織結構質量熵

表4 新型系統(tǒng)組織結構質量熵

圖4 系統(tǒng)組織結構簡化圖

然后根據(jù)公式R=αRt+βRq計算結構有序度，為不失一般性，在系統(tǒng)中信息傳遞過程中時效熵和質量熵權重α和β都取0.5，則兩個物流系統(tǒng)結構的計算結果見表5.在實際應用評價模型時，可以根據(jù)港口碼頭對兩者的偏好和專家意見對權重進行針對性的取值.

表5 兩種集裝箱碼頭物流系統(tǒng)結構熵比較

對比兩種系統(tǒng)結構的計算結果，說明新型系統(tǒng)結構在信息交流的時效和質量方面皆優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)結構，新型物流系統(tǒng)的時效有序度高于傳統(tǒng)型物流系統(tǒng)32%，說明新型結構信息傳輸更為及時有效；從質量有序度可以得到兩個結構的信息傳遞的準確性(或一致性)接近相同，但是新型結構的質量熵低于傳統(tǒng)結構，略優(yōu)于傳統(tǒng)結構；新型結構的結構有序度高于傳統(tǒng)結構9.7%.此有序度計算結果說明新型結構整體上和某些局部上優(yōu)于傳統(tǒng)結構，若不考慮其他影響因素和權重問題，新型結構是兩者的優(yōu)選方案.但是在集裝箱碼頭物流系統(tǒng)構建或優(yōu)選時可以從信息論方面獲得一些理論支持.雖然在工程實際中，可能會遇到兩個方案的時效有序度和質量有序度一大一小的情況，此時則需根據(jù)集裝箱碼頭物流系統(tǒng)實際生產(chǎn)作業(yè)情況對時效和質量的偏好，適當改變兩者的權重和或將系統(tǒng)結構拆分為貨物流、信息流、車流等結構并重新建立結構熵模型，獲得更完善的有序度評價模型.

5 結 束 語

基于系統(tǒng)科學和耗散結構理論，對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結構的有序度評價研究，并建立集裝箱碼頭物流系統(tǒng)有序度評價模型，在算例中，應用結構熵模型計算傳統(tǒng)型和新型集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的組織結構有序度，分析和比較不同系統(tǒng)組織結構的優(yōu)劣，并驗證了該模型的有效性.集裝箱碼頭物流系統(tǒng)作為一個耗散結構，它的“熵增”導因相當復雜，若從微觀層次考慮難以實現(xiàn)，這也是該評價模型的局限所在.如果系統(tǒng)的功能和目標存在較大差異時，評價模型需要進一步的完善和系統(tǒng)仿真驗證，模型中的權重取值也需要進一步研究和完善.此外，該有序度評價模型不僅可以用在集裝箱碼頭物流系統(tǒng)，還可以推廣到煤炭或鐵礦等干散貨碼頭、油品碼頭、件雜貨碼頭等物流系統(tǒng)結構方案的評價和比較.