系統論在高速公路工程智慧建設中應用的思考

程 乾

(山西省交通建設中心，山西 太原 030006)

1 概 述

美籍奧地利生物學家貝塔朗菲在20世紀50～60年代創立的一般系統論的理論觀點，對人類社會生活的方方面面產生了難以想象的巨大影響。它不僅是一種觀點認知，而且是與現代社會發展高度契合的一種方法論。貝塔朗菲認為所謂系統，是相互聯系、相互作用的諸元素的綜合體，無論自然界、人類社會，乃至整個宇宙都是由各種不同的有機聯系的系統組成。高速公路建設本身是一個復雜、開放的大系統。通過建立基于互聯網的信息處理平臺，將信息化、智能化的管理手段應用于高速公路工程建設管理，使施工管理可感知、可預測、可決策，實現資源的合理配置，提升了施工現場的生產效率、管理效率和決策能力。

2 建立高速公路工程智慧建設系統應遵循的原則

2.1 整體性原則

系統論主要研究的是由部分組成的整體。整體性即系統作為一個由諸多要素結合而成的有機整體存在并發揮作用。這是一切系統的最本質特征，也是系統分析法的根源所在。它要求從系統的整體著眼，部分入手，統籌考慮，各方協調，達到整體最優化。這也是高速公路智慧建設中確立系統目標、設計建立系統的一個基本的分析方法。

高速公路建設是一個投資大、建設周期長、施工場地廣、參建單位多、設計專業雜、施工協同難度大、多層次管理的一個系統工程。它的整體性不僅表現在目標的整體性，而且表現在整體與要素、要素與要素、要素與功能的有機聯系上。高速公路工程智慧建設系統的開發和評價，不是管理要素功能的簡單相加，而是以信息化管理的整體優勢、整體效益為基礎，注重整體和子系統(要素)之間聯系的有機性，這種有機的聯系通常表現在項目管理的流程、制度、規范、標準和合同中。同時，要素之間的聯系也具有必然性，正如人體的神經系統、循環系統、消化系統和外界物質、文化供給系統、所處環境的生活系統一樣缺一不可，不能中斷。

2.2 有序(層次)性原則

一切系統都有結構。凡是系統結構都具備有序性、層次性，這就是作為系統能夠發揮整體功能的關鍵所在。當前世界范圍內高速發展的現代高科技技術使高速公路管理系統的各個層次之間的相互關聯更加緊密。

高速公路工程建設管理的層次性有三個特征：其一，根據各子系統在整體中所處地位、任務的不同，形成了反映宏觀控制的中心系統，如綜合集成的質量、安全、進度、投資、合同管理功能的高層次子系統，以及反映微觀控制的低層次子系統，如“政工、行政、后勤和黨務”等處于服務保障地位的輔助系統；其二，系統運行是否有效，效率如何，很大程度上取決于系統層次是否分明，能否各司其職。如果各個子系統(要素)顛倒主次，混淆層次，不顧系統的整體目標各自為政，那將無法協調控制各子系統，為實現系統的整體目標而進行有序的活動；其三，系統層次控制是參建單位根據自己的目標、責任、權限等實施資源管理和項目職能管理。

2.3 動態性原則

從系統學的基本觀點看，物質、能量和信息是組成現實世界的三大要素，三者密不可分。任何系統都是物質、能量、信息相互作用的產物。只有通過物質(包括技術、設備等)才能采集、儲存、加工、傳輸信息，只有依靠能量才能實現傳播。要想獲得更多更新的物質就必須依靠信息。而信息的獲得必須依靠能量，而駕馭能量又需要信息，這就是高速公路工程信息化建設的基本依據。

開放性系統是系統與系統環境之間存在的物質、能量、信息的交換，封閉式的系統在客觀世界中并不存在。這是系統論的基本觀點。

高速公路工程智慧建設管理系統是以互聯網為媒介，對管理要素信息不間斷地進行采集、加工、傳輸和反饋的運動過程。隨著智能化、信息化技術不斷地發展而發展。在此應該拋棄靜止的、不變的觀點。從項目建設管理者角度考察項目管理綜合平臺的系統功能，從技術和經濟兩個方面評價項目管理的系統效益。把智能化、信息化技術貫穿于整個項目管理始終，在不斷地建設管理實踐中尋找資源管理、項目職能管理有效關鍵要素和新技術、新科技的結合點，逐步完善其系統的應用功能。

2.4 目標性原則

目標是系統的社會屬性。每一種社會系統，都是人們為了完成一定的目標而設計出來的。每一個系統都是服務于它的整體目標的。高速公路工程智慧建設本身屬于一個社會系統。作為一個有機的整體，這個系統應當有一個正確可行的、明確的系統目標。目標可以分為遠期目標、中期目標和近期目標。這些目標是由高速公路工程建設項目的具體特點、投資規模、當時技術設備水平和人的主觀認知等因素決定的。如果沒有明確的目標，就談不上高速公路工程智慧建設系統，也就不能追求系統目標的最優化效果，系統控制將失去價值。

3 高速公路工程智慧建設的實施途徑

1)優化整體目標，做好頂層設計，統籌規劃，以集中有效資源，高效快捷地實現目標。

項目管理的目標確立與優化是高速公路智慧建設的核心。未來要建設的高速公路工程智慧建設項目綜合管理平臺將是一個開放復雜的人-機結合、人-網結合的系統。由于系統的各管理對象和任務不同，系統的形式和運動特點也不同，所以要采用“分解-協調”的系統分析方法。先將這個復雜的大系統按照不同的類型和等級分解為若干具體的子系統。子系統從各自的實際出發，隨機制宜，揚長避短，發揮自己的優勢，使每個具體的智慧建設子系統實現最優化，在這個前提下，實現各類功能數據的輸出輸入，無縫對接。有效簡化系統結構，突出系統的主要矛盾，明確系統管理工作重點等是避免目標錯位，確立與優化高速公路智慧建設目標的前提。

(1)高速公路工程智慧建設關鍵管理要素的辨識與確定。首先公路建設項目資源管理是指為了降低項目成本，根據具體分項工程特點，按照“人、機、料、法、環”等關鍵資源要素在建設中所做出的貢獻、提供的價值與作用等原則進行識別和確認。在完成職能管理的前提下，實現資源的優化配置。其次，公路工程項目管理是指在限定的資源條件下和時間內，從業單位通常按照合同約定從分項工程的質量、進度、投資、安全與合同五個不同維度進行管理。三控制、二管理等關鍵職能管理要素進行分類識別和確認后，在全過程或若干階段各個環節組織實施和協調。

(2)高速公路工程建設管理通常由資源管理為橫軸，職能管理為縱軸的矩陣式管理模式來實現的。這是個具有雙道命令的系統，其權力平衡是這一組織結構的關鍵。多重領導、多方聯系是矩陣式管理的特點與難點。而項目綜合管理平臺正是采用信息化公開告知與多方會談協同等方式，實現了對各管理子系統實時遠程控制，逐級建立了層次有序的職能管理和資源管理相互融合的建設管理系統網絡，有效地解決了工程技術專業化與相關工作綜合化的矛盾。

2)總體設計、綜合集成是設計和建立性量結合、人機互構的高速公路工程項目綜合管理平臺的技術路徑。

總體設計、綜合集成的技術路徑就是通過一定的技術手段對數據流(對信息的分析、歸納、挖掘等)的有效控制過程(見圖1)。

圖1 數據流的有效控制流程

圖1中，數據采集、傳輸是以人(業務數據)+物聯網技術(傳感器數據)為核心來實現的；數據管理是基于元數據來管理的；數據分析是算法&模型的專家系統來實現的；數據的儲存基于邊緣儲存和集中儲存實現的；數據的應用是采用數據倉庫、中間件等手段構建；數據的協同是通過人機互構的方式實現的。

在全球貿易形勢不斷發生變化的情況下，中國企業參與國際市場也在逐步多元化。特別是在“一帶一路”的倡議下，中國企業主動出擊，積極“走出去”開拓國際市場。

早在20世紀90年代初，錢學森針對“開放性復雜巨系統”就已經提出了“定性到定量的綜合集成方法”的解決方案。該方法是把智慧體系(專家)+知識體系(信息)+技術體系(計算機)有機結合構成一個高度智能化的人機結合即知識+智慧融合體。其最終實踐形式就是一個集專家、數據+信息+知識和計算機三者于一體的巨型智慧系統——“定性到定量綜合集成研討大廳”體系。錢老的論述為今日的高速公路智慧建設提供了理論引領。這里的“定性”指的是不能或不易用準確的數量關系進行描述事物的專家的經驗和判斷。“定量”則指借助數學模式和計算方法，通過計算機仿真技術建立可量化的研究系統。它首先將科學理論和經驗知識與專家判斷相結合，形成經驗性假設(猜想或判斷)，再利用現代計算機技術，建立起包括大量參數的模型，接著通過計算機的仿真計算得出定量結果，由專家進行分析、綜合和判斷，通過“人機交互，反復對比，逐次逼近”，最后形成科學的結論和建議。

同時，綜合集成方法也是在綜合集成研討體系下，通過信息、技術、知識的“綜合”與思想的“集成”，最大限度地發揮該系統的綜合優勢、整體優勢和智能優勢，將個體智慧轉化為群體智慧，為更加科學地處理現代社會日益突出的管理問題提供了方法論依據。

從技術層面上講，項目管理綜合平臺通常采用B/S(Browser/Server)的架構,支持各從業單位多種訪問入口，同時支持手機、PAD、電腦終端等多種終端訪問。平臺一般是由前臺、中臺和后臺三部分組成的。數據集成功能基于前臺展示的；數據管理、儲存是在系統后臺實現的；數據的分析、集成應用(包括數據匯總)是中臺的主要功能(見圖2)。

圖2 項目管理綜合平臺的組成

目前國內高速公路智慧建設仍處于初級階段，只是把傳統的項目管理在線化、數據檢測的動態實時化。由于高速公路工程建設施工現場的場景極為復雜，難以精確地仿真模擬，目前項目管理綜合平臺所能做到的只是數據的分類、統計、展示，數據的多元融合和專家分析實現程度有限。隨著大數據分析和云計算相關技術的不斷發展、成熟和應用，高速公路工程建設將完成由信息化管理階段向智能化管理階段的實質性飛躍。

3)結合項目實際，分階段、分步驟實施，近期目標和遠期規劃相結合，是實現高速公路工程智慧建設的現實之路。

這是由高速公路工程智慧建設的特點和現狀所決定的。目前雖然已經有一些人才、資金、技術設備等方面的先期投入，但離智慧建設的整體目標和要求還相去甚遠。應該把高速公路智慧建設作為行業的長期戰略來考慮，著眼當下，分類推進實施。

4 結論與展望

系統論的原則和思維貫穿于高速公路工程智慧建設的目標、設計和建設的各個環節，它為傳統建設管理和科技設備的有效結合提供了全新的分析方法。其中，大數據的分析和云計算是專家系統的核心和難點，相信不遠的將來，這些難題必將被越來越洶涌的科學技術浪潮所破解，為高速公路智慧建設的飛躍提供強有力的保障。

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