基于熵理論的指揮流程結構優化探析*

李仁松 余禮鋒 趙 磊

(海軍陸戰學院 廣州 510430)

基于熵理論的指揮流程結構優化探析*

李仁松 余禮鋒 趙 磊

(海軍陸戰學院 廣州 510430)

指揮流程結構決定流程的功能和效率,是流程優化的主要內容。引入時效熵、質量熵和整體有序度描述指揮流程的結構特性,探索一種指揮流程評價優化的方法。比較串行執行指揮活動和并行執行指揮活動兩種流程運作方式,仿真計算得出應根據時效或質量偏重綜合運用串并結構的結論。

時效熵; 質量熵; 指揮流程結構

Class Number O213

1 引言

在傳統機械化工業時代,管理理念以規范化管理為主導,其主要體現在強調管理體系的制度化、程序化和標準化。隨著信息技術的發展應用,信息系統與管理體系結合愈加緊密,以信息技術為支撐的流程管理逐漸表現出對系統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。作戰指揮本質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。一個內部結構配置合理的指揮流程,能確保作戰體系的執行能力高效輸出。流程理念的引入為探索提高軍隊戰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的、有規律的活動組合,這些活動的組合是以特定的方式進行,并導致特定結果的產生[2]。從流程的定義可引申出對指揮流程的理解:作戰指揮員和指揮機關對所屬部隊構成作戰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構。指揮流程結構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為串聯或并聯關系。事物通過內因起作用,指揮流程的內部結構決定其功能及運作效率。現行指揮流程由機械化時代發展演變而來,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模式。如何配置指揮活動和相互關系,優化現有指揮流程,甚至重構指揮流程成為現實需求。熵對系統結構的描述有助于指揮流程的優化改良。

2.2 指揮流程組成要素

流程是系統功能發揮的方法載體,只有特定的活動組合方式才能促使特定功能的發揮。因此,流程構建對系統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、流程結構、流程執行者、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果;流程執行者,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;流程結構,即指揮活動間的相互關系。流程結構是指揮流程效能發揮的重要影響因素,優化指揮流程的一個主要內容就是流程結構優化。流程結構優化分為兩部分,一是指揮活動的規劃,界定一個獨立的指揮活動作為流程結構中的節點;二是指揮活動相互關系的規劃,確定流程結構各個節點以何種方式組合。下面將重點研究指揮活動關系規劃。

圖1 指揮流程組成要素

3 熵與指揮流程結構特征

3.1 熵的概念

熵是對系統不確定性的量度[4]。熵源于對熱力學的研究,克勞修斯發現工作物質熱量變化δQR與絕對溫度T的狀態函數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成正比例關系。香農將熵引入信息領域,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種可能結果中的第i種結果的出現概率。顯然,當隨機試驗X服從均勻分布時,其各種可能結果將等概率出現,此時信息熵出現最大值H(X)=logn。信息熵使熵的概念從統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 熵在指揮流程結構優化的拓展應用

從信息論和控制論的角度看,作戰指揮是指揮員根據當前的情報信息態勢以及來自上級的決策信息任務,對所屬部隊及其作戰行動實施有目的的規劃和控制的活動[7]。從信息角度理解指揮是利用信息流推動能量流、物質流定向流動的過程[8]。信息沿指揮流程拓撲結構有序流動,推動著指揮流程中各項指揮活動的進行。信息與指揮流程結構緊密結合,信息的傳遞效率和質量實現效率即時效和質量必然受指揮流程結構的影響,下面引入時效熵、質量熵對指揮流程結構進行研究[9～10]。

1) 時效熵

時效是指信息在指揮流程結構中流動的效率,對于一個指揮流程拓撲結構,設最大指揮跨度為N,指揮層次數為L,節點數量即指揮活動數量為n,第i層的節點數為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,因此引入聯系長度概念,將相鄰的兩個節點的聯系長度看作一個單位,信息在節點中轉一次,聯系長度增加一個單位,對于整個指揮流程結構而言,所有可以產生聯系的節點的聯系長度之和即總聯系長度為

其中lij是指從節點i到節點j的聯系長度。

根據式(1)關于信息熵的數學描述可知,任意兩節點i和j產生聯系時,若兩節點之間的轉移概率為pij,那么定義

為節點i和j產生聯系時的時效熵,其中節點i到節點j的轉移概率可以通過節點i到節點j的聯系長度與總聯系長度之比表示,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生聯系的節點的時效熵之和:

對于當前的轉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,其必然存在一種結構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構中各節點的聯系長度決定。

2) 質量熵

式中ki是指節點i的聯系跨度,即對于某節點言,與之直接發生聯系節點的個數。同理,指揮流程的總質量熵定義為

最大質量熵定義為

指揮流程結構的質量定義為

質量Q越大,信息在指揮流程結構中流程的質量保證就越好,反之則反。通過數學分析易知指揮流程結構的質量與節點間的聯系程度有關。

3) 有序度

指揮流程結構的時效熵、質量熵都在描述因指揮流程結構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構整體的有序程度,其數學定義為

Y=1/(α·Hs+β·Hz)

其中α、β分別為時效熵、質量熵對于有序度Y的權重系數。

4 指揮流程結構分析

指揮流程由若干指揮活動組成,理論上其拓撲結構可以區分為總線型、環形、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、并聯兩種。對于具有n個節點的指揮流程,如何通過串并聯方式使指揮流程結構最優。下面分析串并聯方式在結構特征上的差別。

假設作戰準備的指揮流程由n個指揮活動組成,即其對應兩種組合方式的網圖A1和網圖B1的節點數為n,如圖2所示。

1) 網圖A1時效熵

網圖A1節點間的聯系長度如表1所示。

圖2 多節點指揮流程網圖

聯系長度節點1節點2節點3…節點n節點1012…n-1節點201…n-2節點30…??0n-(n-1)節點n0

總聯系長度為

任意節點i和j的轉移概率:

任意節點i和j的時效熵:

網圖A1總時效熵:

2) 網圖A1質量熵

表2 網圖A1聯系跨度

網圖A1的總聯系跨度:

總質量熵:

3) 網圖B1時效熵

表3 網圖B1聯系長度

總聯系長度:

4) 網圖B1質量熵

表4 網圖B1聯系跨度

網圖B1的總聯系跨度:

總質量熵:

5 仿真計算

以上根據網圖A1和B1的結構得出相應的時效熵和質量熵計算公式。下面利用計算機輔助計算,分別計算從取n=3到n=53時兩網圖結構特性變化情況,其計算結果如圖3所示。

圖3 網圖A1、B1結構特征曲線

對于純串聯結構的網圖A1,時效隨著節點數的增加而增加,在節點數小于10個時增加較快,但此后增加速率越趨平緩;質量除在節點數等于3個、4個和5個時質量先增后減外總體隨著節點數的增加反而下降,下降的速率越趨平緩;整體有序度在節點數小于10個時急劇下降,此后下降速度趨緩。

對于純并聯結構的網圖B1,與網圖A1相反,網圖B1的時效隨著節點數的增加反而降低,在節點數小于10個前下降速率較快,此后趨于下降平緩;質量隨著節點數的增加而增加,在節點數小于10個前增加較快,此后增加速率趨緩;整體有序度在節點數小于10個時急劇下降,此后下降速度趨緩。

6 結論分析

對比兩圖的結構特性,對于相同節點數時,網圖A1的時效比B1的時效好,網圖A1的質量比B1的質量差,網圖A1的整體有序度比B1的整體有序度差,在節點數小于10個之前兩網圖整體有序度較為接近,此后相差幅度較大。可以看出串聯結構的各個節點最多只與其他兩個指揮活動聯系而并聯結構中節點1聯系跨度隨著節點數增加而增加,其物理意義是一個指揮活動節點要與多個指揮活動節點產生指揮關系。

綜合以上分析,可以得出以下幾點結論:

在節點數量相同的條件下: 1) 在時效方面,串聯的指揮流程活動組合方式優于并聯的指揮流程活動組合方式; 2) 在質量方面,并聯的指揮流程活動組合方式優于串聯的指揮流程活動組合方式; 3) 在綜合有序度方面,并聯的指揮流程活動組合方式優于串聯的指揮流程活動組合方式; 4) 當節點數達到一定數量后,再增加節點數無助于指揮流程結構的時效和質量的快速有效增長,反而會導致整體有序度進一步下降。因此節點數量應控制在一定范圍內。由于依次增加節點數量導致時效、質量、整體有序度的變化速率沒有出現驟增或驟減情況,因此難以準確地確定最優節點數。如圖3,可選最優節點數應在5～15個之間,在此區間中越少越優,當一個節點的聯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構或垂直指揮流程結構均不利于提高指揮效能,應該結合當前指揮流程的配套體系,根據對指揮流程時效或質量的偏重綜合運用串聯和并聯的方式組合各項指揮活動。

7 結語

從指揮流程結構時效熵和質量熵的角度入手分析了在構建或優化指揮流程時串并方式對指揮流程結構特征的作用,探索了一種評估指揮流程整體特性的方法。在構建或優化指揮流程結構時,應該結合實際情況,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境下,綜合運用串并聯混合方式,以期達到指揮流程最優,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:作戰指揮理論及應用。余禮鋒,男,碩士研究生,研究方向:作戰指揮理論及應用。趙磊,男,碩士,講師,研究方向:作戰指揮理論及應用。

O213

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.009