基于結(jié)構(gòu)熵的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)有序性評價研究

吳志福 周 強(qiáng) 王文龍

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

現(xiàn)代國際貨運(yùn)物流要求以最短的時間和最低的成本完成貨物轉(zhuǎn)運(yùn)，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(diǎn)，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(biāo)[1].合理的集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)決定了集裝箱碼頭集疏運(yùn)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(jìn)的信息化技術(shù)不斷應(yīng)用到港口物流服務(wù)中，信息流已然成為碼頭貨物轉(zhuǎn)運(yùn)和資源調(diào)度有序進(jìn)行的關(guān)鍵.及時、準(zhǔn)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(guān)鍵，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障.

我國港口碼頭規(guī)劃設(shè)計大部分停留在依靠歷史資料、專家經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)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(shè)計階段，缺乏對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)評價工具和比選依據(jù)，導(dǎo)致港口碼頭建成后，或生產(chǎn)能力達(dá)不到預(yù)期效果、或產(chǎn)能過剩而導(dǎo)致資源浪費(fèi)現(xiàn)象.鑒于在集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)評價和優(yōu)化研究方面的空白，以現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)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(fù)雜性問題，運(yùn)用結(jié)構(gòu)熵理論分析集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，研究成果為碼頭組織結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計方案的比選提供參考決策，深刻結(jié)合了學(xué)術(shù)理論和工程實(shí)際應(yīng)用，為集裝箱碼頭工程設(shè)計提供新的思路.

1 集裝箱碼頭物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與自組織機(jī)制

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

集裝箱碼頭物流系統(tǒng)作為一個典型的復(fù)雜分形網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜的整體.受自組織機(jī)制的推動，系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)在演化過程中由U型向M型轉(zhuǎn)變，從而改善碼頭系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)和反應(yīng)速度，避免過于復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)造成管理不便和成本增加.

2 結(jié)構(gòu)熵理論和集裝箱碼頭物流系統(tǒng)有序度

2.1 結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)關(guān)系.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熵隨著內(nèi)部組成元素的增多、結(jié)構(gòu)層次的復(fù)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(jī)制原理[7]，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看作是一個自組織體，雖然演化過程十分復(fù)雜，但遵循則一定的秩序.因?yàn)槠渥陨淼淖越M織能力和環(huán)境適應(yīng)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(fù)熵理論可知[8]，只有通過引入外界的負(fù)熵，并能夠消除系統(tǒng)內(nèi)部的正熵時，系統(tǒng)才能走向有序化.在度量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熵時，將信息源在組織結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)的有序程度體現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)部信息交換的時效性和準(zhǔn)確性，可以應(yīng)用結(jié)構(gòu)熵定量化地描述系統(tǒng)的有序程度，不同組織結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)的重要介質(zhì)，快捷和準(zhǔn)確地信息傳遞是整個系統(tǒng)有效運(yùn)行、資源合理利用、作業(yè)效率提高的保障.應(yīng)用結(jié)構(gòu)熵理論對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)宏觀層面——組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述，計算不同系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熵和有序度，進(jìn)而比較和評價不同方案的優(yōu)劣，可為工程實(shí)際應(yīng)用提供借鑒，使宏觀層面設(shè)計更加合理化.

3 基于結(jié)構(gòu)熵的系統(tǒng)評價方法

通常將系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)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(diǎn)，管理層節(jié)點(diǎn)數(shù)由碼頭的設(shè)計結(jié)構(gòu)和裝卸工藝決定，操作層則為不同控制節(jié)點(diǎn)的直接控制下級節(jié)點(diǎn).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(nèi)部之間和系統(tǒng)與外部環(huán)境之間存在復(fù)雜的物質(zhì)、能量、信息交換，決定了集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和信息傳遞規(guī)則，系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)中各元素之間進(jìn)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(jié)構(gòu)層次圖

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熵理論對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述[9-12]，定義其結(jié)構(gòu)有序度為

(1)

式中：H為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)越優(yōu).Hmax的值取決于系統(tǒng)內(nèi)部的組成規(guī)模和組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，其表征著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最無序的狀態(tài).若將結(jié)構(gòu)熵與最大熵值比較，則表示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的無序度，即H/Hmax.

根據(jù)結(jié)構(gòu)熵理論，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有序度

計算集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)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(zhì)量有序度，對兩者加權(quán)求和得到結(jié)構(gòu)有序度，或稱質(zhì)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(jié)構(gòu)的時效有序度；Rq為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有序度；α，β分別為它們的權(quán)重.

3.2 系統(tǒng)的時效有序度

假設(shè)該圖為集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

其中方框內(nèi)的標(biāo)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(jìn)行信息交換，所以圖中結(jié)構(gòu)僅有上下層級間的信息交互，而在實(shí)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(nèi)，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(nèi)及時的收到相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，則Lij為2，以此類推,經(jīng)過二次周轉(zhuǎn)長度為3，經(jīng)過三次中轉(zhuǎn)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(zhì)量有序度

用質(zhì)量熵描述信息在傳遞過程中的準(zhǔn)確與否，其值表示為信息傳遞質(zhì)量的不確定性大小.即在單位時間段ti內(nèi)，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(yīng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量微觀總數(shù)，Aq=∑iKi.

綜上可得，集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的質(zhì)量熵為

Hq=∑i∑jHq(ij)=

∑i∑jpq(ij)lbpq(ij)

(8)

則系統(tǒng)的質(zhì)量有序度為其中，系統(tǒng)最大質(zhì)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(jié)構(gòu)圖.

將圖3簡化為元素-結(jié)構(gòu)圖，見圖4.

應(yīng)用上述的結(jié)構(gòu)熵評價模型對兩種集裝箱碼頭物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(zhì)量熵和質(zhì)量有序度，見表1～4.

表1 傳統(tǒng)型系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)時效熵和有序度

表2 新型系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)時效熵和有序度

圖3 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

表3 傳統(tǒng)型系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)質(zhì)量熵

表4 新型系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)質(zhì)量熵

圖4 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)簡化圖

然后根據(jù)公式R=αRt+βRq計算結(jié)構(gòu)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(zhì)量熵權(quán)重α和β都取0.5，則兩個物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果見表5.在實(shí)際應(yīng)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(quán)重進(jìn)行針對性的取值.

表5 兩種集裝箱碼頭物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熵比較

對比兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，說明新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在信息交流的時效和質(zhì)量方面皆優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)信息傳輸更為及時有效；從質(zhì)量有序度可以得到兩個結(jié)構(gòu)的信息傳遞的準(zhǔn)確性(或一致性)接近相同，但是新型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量熵低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，略優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；新型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)有序度高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.7%.此有序度計算結(jié)果說明新型結(jié)構(gòu)整體上和某些局部上優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，若不考慮其他影響因素和權(quán)重問題，新型結(jié)構(gòu)是兩者的優(yōu)選方案.但是在集裝箱碼頭物流系統(tǒng)構(gòu)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(shí)際中，可能會遇到兩個方案的時效有序度和質(zhì)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(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況對時效和質(zhì)量的偏好，適當(dāng)改變兩者的權(quán)重和或?qū)⑾到y(tǒng)結(jié)構(gòu)拆分為貨物流、信息流、車流等結(jié)構(gòu)并重新建立結(jié)構(gòu)熵模型，獲得更完善的有序度評價模型.

5 結(jié) 束 語

基于系統(tǒng)科學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)理論，對集裝箱碼頭物流系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)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(yīng)用結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有序度，分析和比較不同系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，并驗(yàn)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(jié)構(gòu)，它的“熵增”導(dǎo)因相當(dāng)復(fù)雜，若從微觀層次考慮難以實(shí)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(biāo)存在較大差異時，評價模型需要進(jìn)一步的完善和系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，模型中的權(quán)重取值也需要進(jìn)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(jié)構(gòu)方案的評價和比較.