基于信息熵的高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修管理體系研究

李 月，李建成

（1. 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鐵道運(yùn)輸管理學(xué)院，武漢 430205）（2. 重慶交通大學(xué)，交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

0 引 言

顧建華[1]對(duì)高鐵基礎(chǔ)設(shè)施維修體系進(jìn)行了綜合分析，提出了高鐵基礎(chǔ)設(shè)施維修基地的組織體系，但是其組織體系仍停留在主觀指導(dǎo)性建議層面，沒有理論體系支持。可生存性系統(tǒng)模型VSM（Viable Systems Model）最早是Stafford Beer 于20 世紀(jì)70 年代在進(jìn)行神經(jīng)控制論和社會(huì)科學(xué)研究的基礎(chǔ)上提出的，提出任何組織都應(yīng)看作是可生存性系統(tǒng)的觀點(diǎn)，并且進(jìn)一步闡述了可生存性系統(tǒng)的內(nèi)部功能構(gòu)成關(guān)系，還給出具體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法[2,3]。本文基于VSM 的基本思想和組織設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)相關(guān)機(jī)構(gòu)部門的糅合重組，構(gòu)建高鐵基礎(chǔ)設(shè)施“三合一”養(yǎng)護(hù)維修管理體系，并通過組織體系結(jié)構(gòu)熵模型對(duì)新體系做出定量評(píng)價(jià)，構(gòu)建出研究適合我國(guó)發(fā)展的高鐵基礎(chǔ)設(shè)施“三合一”養(yǎng)護(hù)維修管理體系。

1 VSM 的基本思想和形式

1.1 多樣性平衡

多樣性在控制理論中是指系統(tǒng)可能出現(xiàn)的狀態(tài)總數(shù)，系統(tǒng)的多樣性越大，代表復(fù)雜性越高。高鐵基礎(chǔ)設(shè)施維修系統(tǒng)就是這樣一個(gè)具有多樣性的復(fù)雜大系統(tǒng)。多樣性需求定理認(rèn)為管理者的多樣性至少應(yīng)與所控制的系統(tǒng)多樣性相等[4]。但在實(shí)際工作過程中，環(huán)境的多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于組織的多樣性，組織的多樣性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管理的多樣性，這就存在多樣性不平衡的現(xiàn)象。為解決這個(gè)問題Kadouch 提出了多樣性平衡[5]，就是在管理、組織和環(huán)境之間建立“放大器”和“過濾器”來補(bǔ)充彼此之間的多樣性差異。如圖1 所示，“放大器”和“過濾器”是指為了增加或者減少多樣性所采取的措施，具體到高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修管理體系中，就是利用增加管理的多樣性而建立的綜合養(yǎng)護(hù)維修小組、組織管理專家組、構(gòu)建管理信息系統(tǒng)等；減少組織的多樣性就是構(gòu)建綜合有效的部門、制定良好的養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃、構(gòu)建固定的管理模式等。

圖1 多樣性平衡過程

1.2 遞歸分解

根據(jù)多樣性平衡的思想，需要構(gòu)建足夠多的“放大器”和“過濾器”來解決多樣性不平衡的問題，而在實(shí)際作業(yè)中，沒有足夠的人力、物力和財(cái)力。為了進(jìn)一步解決這一問題提出遞歸分解，構(gòu)建組織的可生存性系統(tǒng)等級(jí)鏈，將在某一層次未能解決的環(huán)境多樣性傳遞給上下層可生存性系統(tǒng)，從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境多樣性的目的[5]。如圖2所示，最頂層的可生存性系統(tǒng)為了適應(yīng)環(huán)境的多樣性，遞歸分解到第二層可生存性系統(tǒng)，然后再逐次分解。這一系列的可生存性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能都是一樣的，不論其出于哪個(gè)層次，都具有應(yīng)對(duì)環(huán)境的多樣性能力。

圖2 遞歸分解過程

1.3 VSM 的基本形式

基于上述思想，得到組織的VSM 基本形式，包括兩個(gè)子系統(tǒng)：操作系統(tǒng)和管理系統(tǒng)[6]。操作系統(tǒng)包括各種操作單元，實(shí)現(xiàn)組織目標(biāo)的實(shí)際變換。管理系統(tǒng)包括：協(xié)調(diào)、控制、情報(bào)和政策系統(tǒng)，其中協(xié)調(diào)系統(tǒng)主要是協(xié)調(diào)工作過程中資源、費(fèi)用和時(shí)間等沖突；控制系統(tǒng)主要是管理和控制操作系統(tǒng)中的操作單元，確保其正確執(zhí)行各種指令并保持自身可生存性；情報(bào)系統(tǒng)主要是確立組織的未來發(fā)展的規(guī)劃和目標(biāo)；政策系統(tǒng)主要是確立組織未來的發(fā)展方向，也起到緩解控制系統(tǒng)的維持組織穩(wěn)定和情報(bào)系統(tǒng)的關(guān)注未來發(fā)展的矛盾的作用，它們之間的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 可生存性系統(tǒng)模型

2 基于VSM 的高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修體系

2.1 高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修現(xiàn)有管理體系

現(xiàn)有高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修部門仍與既有線基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修部門統(tǒng)一在同一機(jī)構(gòu)下管理，即整體管理方式和組織結(jié)構(gòu)還和既有鐵路保持一致，如圖4 所示。實(shí)際工作過程中，高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是有別于既有鐵路的，高鐵基礎(chǔ)設(shè)施的養(yǎng)護(hù)維修以及日常天窗維修的過程涉及電務(wù)段、工務(wù)段和供電段等部門的協(xié)同作業(yè)，因此將這些部門統(tǒng)籌規(guī)劃形成專門的高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修基地是發(fā)展趨勢(shì)；另一方面，高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修現(xiàn)有管理體制為三級(jí)結(jié)構(gòu)，這樣雖有利于上下級(jí)的溝通，但很多部門的職責(zé)分工并不明確，信息傳遞的準(zhǔn)確性相對(duì)較差。同時(shí)有關(guān)高鐵的部門種類繁多，可以相互糅合協(xié)調(diào)，減少資源浪費(fèi)。

圖4 高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修現(xiàn)有管理體系

2.2 高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修VSM 管理體系

根據(jù)VSM 的基本思想，構(gòu)建圖5 高鐵基礎(chǔ)設(shè)施綜合維修VSM 體系，首先明確體系的目標(biāo)和任務(wù)，主要包括能夠滿足日常的高鐵基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)維修和天窗工作；能夠通過對(duì)目前的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)和高鐵基礎(chǔ)設(shè)施的研究工作，時(shí)刻更新現(xiàn)有設(shè)施技術(shù)下可能出現(xiàn)的問題和先進(jìn)的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)；能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的突發(fā)情況做出有效的協(xié)調(diào)應(yīng)急處理。第二步是確定組織體系的遞歸層次，鐵路總公司、鐵路集團(tuán)公司和高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修基地分別是每一層的控制系統(tǒng)，因此圍繞它們分層構(gòu)建可生存性系統(tǒng)，補(bǔ)充完善每一層次中的其他系統(tǒng)。最后是構(gòu)建每一遞歸分解層次中間的情報(bào)、操作、政策和協(xié)調(diào)系統(tǒng)，還是沿用原來的管理部門和管理人員，但是必須將高鐵基礎(chǔ)設(shè)施維修管理部門從原有的部門抽離出來，再根據(jù)相應(yīng)部門的職責(zé)重新整合，明確分工。

圖5 高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修VSM 管理體系

3 高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修體系組織體系結(jié)構(gòu)熵模型評(píng)價(jià)

3.1 結(jié)構(gòu)熵模型計(jì)算方法

從廣義系統(tǒng)的角度來看，熵是系統(tǒng)狀態(tài)無序程度的衡量指標(biāo)[7]。而組織結(jié)構(gòu)的有序度就是在考慮系統(tǒng)信息傳輸?shù)臅r(shí)效和質(zhì)量時(shí)系統(tǒng)的有序度，用R 表示，R 越大則越優(yōu)，可用下式計(jì)算：

式中，α、β 為時(shí)效和質(zhì)量關(guān)于組織體系的權(quán)重系數(shù)。組織結(jié)構(gòu)時(shí)效和質(zhì)量的計(jì)算方法如下：

（1）組織的時(shí)效

信息在組織元素間的流通速度稱為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)效，信息在組織元素間流通時(shí)效不確定性大小的度量稱為系統(tǒng)的時(shí)效熵。如圖6 所示的組織結(jié)構(gòu)，設(shè)系統(tǒng)有n 個(gè)組成要素或部門，m 個(gè)管理層次。縱向上下級(jí)任意兩個(gè)元素x、y 之間聯(lián)系的時(shí)效熵 S ( Pxy)定義[8-11]為：

式中， Pxy為x、y 聯(lián)系時(shí)的時(shí)效微觀態(tài)實(shí)現(xiàn)概率，可由下式計(jì)算：

式中， Lxy是x、y 聯(lián)系的最短路徑，1N 是時(shí)效微觀態(tài)總數(shù)。組織體系總的時(shí)效熵1S 定義為：

組織體系的時(shí)效1R 為：

式中，S ( Pxy)m=ln N1。

圖6 體系組織結(jié)構(gòu)

（2）組織的質(zhì)量

信息傳遞質(zhì)量是通過測(cè)量信息流通時(shí)的準(zhǔn)確性大小來實(shí)現(xiàn)，質(zhì)量熵是描述信息質(zhì)量不確定性大小的標(biāo)度[10-16]。組織體系中元素的質(zhì)量熵S ( Px)為：

式中，xP 為第x 個(gè)元素的質(zhì)量微觀態(tài)實(shí)現(xiàn)概率。

組織體系的總質(zhì)量熵 S2為：

系統(tǒng)的質(zhì)量M 為：

式中， S2m=lnN2，N2是質(zhì)量微觀態(tài)總數(shù)。

3.2 組織體系熵模型計(jì)算

（1）時(shí)效熵計(jì)算

根據(jù)圖4、5 中的高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修體系構(gòu)架圖構(gòu)建出邏輯結(jié)構(gòu)圖，如圖7、圖8 所示。

圖7 原有體系邏輯結(jié)構(gòu)

圖8 VSM 體系邏輯結(jié)構(gòu)

由邏輯結(jié)構(gòu)圖7、8 計(jì)算得到兩個(gè)體系的時(shí)效微觀狀態(tài)數(shù)據(jù)，見表1、2。聯(lián)系長(zhǎng)度就是不同層次元素間的最短距離，微觀狀態(tài)數(shù)就是聯(lián)系長(zhǎng)度和該聯(lián)系長(zhǎng)度元素?cái)?shù)量合計(jì)的乘積。

表1 原有體系時(shí)效有序度

表2 VSM 體系時(shí)效有序度

（2）質(zhì)量熵計(jì)算

由圖7、8 得到各連接度組織結(jié)構(gòu)的微觀狀態(tài)數(shù)和微觀狀態(tài)實(shí)現(xiàn)率，見表3、4。其中聯(lián)系度就是與該元素直接相連的元素?cái)?shù)量，微觀狀態(tài)數(shù)即聯(lián)系度和該聯(lián)系度的元素?cái)?shù)量合計(jì)的乘積。

表3 原有體系質(zhì)量有序度

表4 VSM 體系質(zhì)量有序度

3.3 結(jié)果分析

組織結(jié)構(gòu)有序度為R=αR1+βM，α 和β 的取值是依據(jù)每個(gè)組織體系結(jié)構(gòu)來反復(fù)試驗(yàn)確定的。在高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修管理體系中，信息傳遞的質(zhì)量比時(shí)效要稍重要，所以本文假設(shè)α =0.4，β =0.6，根據(jù)表1、2、3、4 中的數(shù)據(jù)，利用公式（1）～（8），可以得出兩種體系的對(duì)比結(jié)果，如表5 所示。

表5 組織結(jié)構(gòu)有序度對(duì)比

由上表結(jié)果可知VSM 體系的組織時(shí)效熵和組織質(zhì)量熵都比原有體系小，說明VSM 體系在穩(wěn)定性上要優(yōu)于原有體系；原體系的組織時(shí)效與VSM 體系基本相同，說明兩種體系信息的傳遞速度相同，VSM 體系維持了較好的組織時(shí)效；另外，因原有體系是自上而下的三級(jí)管理體系，頂端管理幅度大，部門種類繁多，職責(zé)不明，管理成本相對(duì)較高，導(dǎo)致原體系的組織質(zhì)量不及VSM 體系；從整體的組織結(jié)構(gòu)有序度來看，VSM 體系要高于原體系。綜合表明，本文構(gòu)建的高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修VSM 管理體系要優(yōu)于原有體系。

4 結(jié) 論

高鐵發(fā)展迅猛，但高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修管理體系仍在沿用既有鐵路的，一體化的管理更為貼合。本文以VSM 可生存性系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，通過對(duì)高鐵基礎(chǔ)設(shè)施維修現(xiàn)有體系的分析研究，對(duì)原有體系的三級(jí)管理成本較高以及部門種類繁多、職責(zé)不明等問題，結(jié)合工務(wù)、電務(wù)以及供電三個(gè)作業(yè)的協(xié)同合作性，利用VSM 的構(gòu)建方法提出高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修VSM 管理體系，并通過構(gòu)建兩種體系的結(jié)構(gòu)熵模型，結(jié)合組織體系有序度計(jì)算得到原有體系和VSM 體系的組織結(jié)構(gòu)有序度分別為0.2063 和0.2105，可知VSM體系要整體優(yōu)于原有體系。本文提出的高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修的管理框架，為將來的高鐵綜合一體化管理起到鋪墊作用。