基于信息熵的高鐵基礎設施養護維修管理體系研究

李 月，李建成

（1. 武漢鐵路職業技術學院，鐵道運輸管理學院，武漢 430205）（2. 重慶交通大學，交通運輸學院，重慶 400074）

0 引 言

顧建華[1]對高鐵基礎設施維修體系進行了綜合分析，提出了高鐵基礎設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性建議層面，沒有理論體系支持。可生存性系統模型VSM（Viable Systems Model）最早是Stafford Beer 于20 世紀70 年代在進行神經控制論和社會科學研究的基礎上提出的，提出任何組織都應看作是可生存性系統的觀點，并且進一步闡述了可生存性系統的內部功能構成關系，還給出具體設計系統的方法[2,3]。本文基于VSM 的基本思想和組織設計方法，通過對相關機構部門的糅合重組，構建高鐵基礎設施“三合一”養護維修管理體系，并通過組織體系結構熵模型對新體系做出定量評價，構建出研究適合我國發展的高鐵基礎設施“三合一”養護維修管理體系。

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可能出現的狀態總數，系統的多樣性越大，代表復雜性越高。高鐵基礎設施維修系統就是這樣一個具有多樣性的復雜大系統。多樣性需求定理認為管理者的多樣性至少應與所控制的系統多樣性相等[4]。但在實際工作過程中，環境的多樣性遠遠大于組織的多樣性，組織的多樣性也遠遠大于管理的多樣性，這就存在多樣性不平衡的現象。為解決這個問題Kadouch 提出了多樣性平衡[5]，就是在管理、組織和環境之間建立“放大器”和“過濾器”來補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，具體到高鐵基礎設施養護維修管理體系中，就是利用增加管理的多樣性而建立的綜合養護維修小組、組織管理專家組、構建管理信息系統等；減少組織的多樣性就是構建綜合有效的部門、制定良好的養護維修計劃、構建固定的管理模式等。

圖1 多樣性平衡過程

1.2 遞歸分解

根據多樣性平衡的思想，需要構建足夠多的“放大器”和“過濾器”來解決多樣性不平衡的問題，而在實際作業中，沒有足夠的人力、物力和財力。為了進一步解決這一問題提出遞歸分解，構建組織的可生存性系統等級鏈，將在某一層次未能解決的環境多樣性傳遞給上下層可生存性系統，從而達到適應環境多樣性的目的[5]。如圖2所示，最頂層的可生存性系統為了適應環境的多樣性，遞歸分解到第二層可生存性系統，然后再逐次分解。這一系列的可生存性系統的結構和功能都是一樣的，不論其出于哪個層次，都具有應對環境的多樣性能力。

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，包括兩個子系統：操作系統和管理系統[6]。操作系統包括各種操作單元，實現組織目標的實際變換。管理系統包括：協調、控制、情報和政策系統，其中協調系統主要是協調工作過程中資源、費用和時間等沖突；控制系統主要是管理和控制操作系統中的操作單元，確保其正確執行各種指令并保持自身可生存性；情報系統主要是確立組織的未來發展的規劃和目標；政策系統主要是確立組織未來的發展方向，也起到緩解控制系統的維持組織穩定和情報系統的關注未來發展的矛盾的作用，它們之間的關系如圖3 所示。

圖3 可生存性系統模型

2 基于VSM 的高鐵基礎設施養護維修體系

2.1 高鐵基礎設施養護維修現有管理體系

現有高鐵基礎設施養護維修部門仍與既有線基礎設施養護維修部門統一在同一機構下管理，即整體管理方式和組織結構還和既有鐵路保持一致，如圖4 所示。實際工作過程中，高鐵基礎設施養護維修的技術標準是有別于既有鐵路的，高鐵基礎設施的養護維修以及日常天窗維修的過程涉及電務段、工務段和供電段等部門的協同作業，因此將這些部門統籌規劃形成專門的高鐵基礎設施養護維修基地是發展趨勢；另一方面，高鐵基礎設施養護維修現有管理體制為三級結構，這樣雖有利于上下級的溝通，但很多部門的職責分工并不明確，信息傳遞的準確性相對較差。同時有關高鐵的部門種類繁多，可以相互糅合協調，減少資源浪費。

圖4 高鐵基礎設施養護維修現有管理體系

2.2 高鐵基礎設施養護維修VSM 管理體系

根據VSM 的基本思想，構建圖5 高鐵基礎設施綜合維修VSM 體系，首先明確體系的目標和任務，主要包括能夠滿足日常的高鐵基礎養護維修和天窗工作；能夠通過對目前的養護維修技術和高鐵基礎設施的研究工作，時刻更新現有設施技術下可能出現的問題和先進的養護維修技術；能夠對出現的突發情況做出有效的協調應急處理。第二步是確定組織體系的遞歸層次，鐵路總公司、鐵路集團公司和高鐵基礎設施養護維修基地分別是每一層的控制系統，因此圍繞它們分層構建可生存性系統，補充完善每一層次中的其他系統。最后是構建每一遞歸分解層次中間的情報、操作、政策和協調系統，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設施維修管理部門從原有的部門抽離出來，再根據相應部門的職責重新整合，明確分工。

圖5 高鐵基礎設施養護維修VSM 管理體系

3 高鐵基礎設施養護維修體系組織體系結構熵模型評價

3.1 結構熵模型計算方法

從廣義系統的角度來看，熵是系統狀態無序程度的衡量指標[7]。而組織結構的有序度就是在考慮系統信息傳輸的時效和質量時系統的有序度，用R 表示，R 越大則越優，可用下式計算：

式中，α、β 為時效和質量關于組織體系的權重系數。組織結構時效和質量的計算方法如下：

（1）組織的時效

信息在組織元素間的流通速度稱為系統結構的時效，信息在組織元素間流通時效不確定性大小的度量稱為系統的時效熵。如圖6 所示的組織結構，設系統有n 個組成要素或部門，m 個管理層次。縱向上下級任意兩個元素x、y 之間聯系的時效熵 S ( Pxy)定義[8-11]為：

式中， Pxy為x、y 聯系時的時效微觀態實現概率，可由下式計算：

式中， Lxy是x、y 聯系的最短路徑，1N 是時效微觀態總數。組織體系總的時效熵1S 定義為：

組織體系的時效1R 為：

式中，S ( Pxy)m=ln N1。

圖6 體系組織結構

（2）組織的質量

信息傳遞質量是通過測量信息流通時的準確性大小來實現，質量熵是描述信息質量不確定性大小的標度[10-16]。組織體系中元素的質量熵S ( Px)為：

式中，xP 為第x 個元素的質量微觀態實現概率。

組織體系的總質量熵 S2為：

系統的質量M 為：

式中， S2m=lnN2，N2是質量微觀態總數。

3.2 組織體系熵模型計算

（1）時效熵計算

根據圖4、5 中的高鐵基礎設施養護維修體系構架圖構建出邏輯結構圖，如圖7、圖8 所示。

圖7 原有體系邏輯結構

圖8 VSM 體系邏輯結構

由邏輯結構圖7、8 計算得到兩個體系的時效微觀狀態數據，見表1、2。聯系長度就是不同層次元素間的最短距離，微觀狀態數就是聯系長度和該聯系長度元素數量合計的乘積。

表1 原有體系時效有序度

表2 VSM 體系時效有序度

（2）質量熵計算

由圖7、8 得到各連接度組織結構的微觀狀態數和微觀狀態實現率，見表3、4。其中聯系度就是與該元素直接相連的元素數量，微觀狀態數即聯系度和該聯系度的元素數量合計的乘積。

表3 原有體系質量有序度

表4 VSM 體系質量有序度

3.3 結果分析

組織結構有序度為R=αR1+βM，α 和β 的取值是依據每個組織體系結構來反復試驗確定的。在高鐵基礎設施養護維修管理體系中，信息傳遞的質量比時效要稍重要，所以本文假設α =0.4，β =0.6，根據表1、2、3、4 中的數據，利用公式（1）～（8），可以得出兩種體系的對比結果，如表5 所示。

表5 組織結構有序度對比

由上表結果可知VSM 體系的組織時效熵和組織質量熵都比原有體系小，說明VSM 體系在穩定性上要優于原有體系；原體系的組織時效與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效；另外，因原有體系是自上而下的三級管理體系，頂端管理幅度大，部門種類繁多，職責不明，管理成本相對較高，導致原體系的組織質量不及VSM 體系；從整體的組織結構有序度來看，VSM 體系要高于原體系。綜合表明，本文構建的高鐵基礎設施養護維修VSM 管理體系要優于原有體系。

4 結 論

高鐵發展迅猛，但高鐵基礎設施養護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 可生存性系統模型為基礎，通過對高鐵基礎設施維修現有體系的分析研究，對原有體系的三級管理成本較高以及部門種類繁多、職責不明等問題，結合工務、電務以及供電三個作業的協同合作性，利用VSM 的構建方法提出高鐵基礎設施養護維修VSM 管理體系，并通過構建兩種體系的結構熵模型，結合組織體系有序度計算得到原有體系和VSM 體系的組織結構有序度分別為0.2063 和0.2105，可知VSM體系要整體優于原有體系。本文提出的高鐵基礎設施養護維修的管理框架，為將來的高鐵綜合一體化管理起到鋪墊作用。