基于熵理论的指挥流程结构优化探析*

李仁松 余礼锋 赵 磊

(海军陆战学院 广州 510430)

基于熵理论的指挥流程结构优化探析*

李仁松 余礼锋 赵 磊

(海军陆战学院 广州 510430)

指挥流程结构决定流程的功能和效率,是流程优化的主要内容。引入时效熵、质量熵和整体有序度描述指挥流程的结构特性,探索一种指挥流程评价优化的方法。比较串行执行指挥活动和并行执行指挥活动两种流程运作方式,仿真计算得出应根据时效或质量偏重综合运用串并结构的结论。

时效熵; 质量熵; 指挥流程结构

Class Number O213

1 引言

在传统机械化工业时代,管理理念以规范化管理为主导,其主要体现在强调管理体系的制度化、程序化和标准化。随着信息技术的发展应用,信息系统与管理体系结合愈加紧密,以信息技术为支撑的流程管理逐渐表现出对系统效能更加强大的促进作用,以流程运作为核心逐渐成为管理领域的主导思想。作战指挥本质上也是一种在特定领域的组织管理活动[1]。指挥流程属于管理领域上的流程范畴。一个内部结构配置合理的指挥流程,能确保作战体系的执行能力高效输出。流程理念的引入为探索提高军队战斗力提供一种重要途径。

2 指挥流程概念

2.1 指挥流程定义

流程是指一系列连续的、有规律的活动组合,这些活动的组合是以特定的方式进行,并导致特定结果的产生[2]。从流程的定义可引申出对指挥流程的理解:作战指挥员和指挥机关对所属部队构成作战指挥活动的诸事项及其实施的顺序和步骤[3]。将这些指挥活动有序组合即成为指挥流程的结构。指挥流程结构由各种指挥活动及相互关系组成。对于独立的指挥活动,这些相互关系通常表现为串联或并联关系。事物通过内因起作用,指挥流程的内部结构决定其功能及运作效率。现行指挥流程由机械化时代发展演变而来,随着信息技术的普及应用,原来的指挥流程越来越不适合信息化条件下的作战模式。如何配置指挥活动和相互关系,优化现有指挥流程,甚至重构指挥流程成为现实需求。熵对系统结构的描述有助于指挥流程的优化改良。

2.2 指挥流程组成要素

流程是系统功能发挥的方法载体,只有特定的活动组合方式才能促使特定功能的发挥。因此,流程构建对系统的效能具有十分重要的影响。一般而言,一个完整的指挥流程包含输入、输出、流程结构、流程执行者、输入源和作用对象等六方面要素,如图1所示。输入,即信息、计划、指令流程运作必需的物质资料等,其有效流动推动指挥流程运作;输出,即指挥流程能够达成的结果;流程执行者,即指挥流程运作中的指挥人员或操作人员;输入源,可理解为传感器或后装供应部门等提供输入的平台实体或单位;作用对象,即指挥流程输出的作用对象;流程结构,即指挥活动间的相互关系。流程结构是指挥流程效能发挥的重要影响因素,优化指挥流程的一个主要内容就是流程结构优化。流程结构优化分为两部分,一是指挥活动的规划,界定一个独立的指挥活动作为流程结构中的节点;二是指挥活动相互关系的规划,确定流程结构各个节点以何种方式组合。下面将重点研究指挥活动关系规划。

图1 指挥流程组成要素

3 熵与指挥流程结构特征

3.1 熵的概念

熵是对系统不确定性的量度[4]。熵源于对热力学的研究,克劳修斯发现工作物质热量变化δQR与绝对温度T的状态函数关系而提出热力学熵。玻尔兹曼将热力学熵拓展,从微观角度提出了玻尔兹曼熵,认为熵与热力学概率的对数成正比例关系。香农将熵引入信息领域,提出了信息熵的概念[5～6]:

(1)

其中H(X)=H(p1,p2,…,pn)是随机试验X的信息熵,pi是对于随机试验X的n种可能结果中的第i种结果的出现概率。显然,当随机试验X服从均匀分布时,其各种可能结果将等概率出现,此时信息熵出现最大值H(X)=logn。信息熵使熵的概念从统计物理学意义上的熵拓展到任意的随机事件集合中,从而使熵开始应用到其他自然科学乃至社会科学中。

3.2 熵在指挥流程结构优化的拓展应用

从信息论和控制论的角度看,作战指挥是指挥员根据当前的情报信息态势以及来自上级的决策信息任务,对所属部队及其作战行动实施有目的的规划和控制的活动[7]。从信息角度理解指挥是利用信息流推动能量流、物质流定向流动的过程[8]。信息沿指挥流程拓扑结构有序流动,推动着指挥流程中各项指挥活动的进行。信息与指挥流程结构紧密结合,信息的传递效率和质量实现效率即时效和质量必然受指挥流程结构的影响,下面引入时效熵、质量熵对指挥流程结构进行研究[9～10]。

1) 时效熵

时效是指信息在指挥流程结构中流动的效率,对于一个指挥流程拓扑结构,设最大指挥跨度为N,指挥层次数为L,节点数量即指挥活动数量为n,第i层的节点数为mi,那么有

对于信息流动而言,信息所通过的路径长度必然会影响其传递效率,因此引入联系长度概念,将相邻的两个节点的联系长度看作一个单位,信息在节点中转一次,联系长度增加一个单位,对于整个指挥流程结构而言,所有可以产生联系的节点的联系长度之和即总联系长度为

其中lij是指从节点i到节点j的联系长度。

根据式(1)关于信息熵的数学描述可知,任意两节点i和j产生联系时,若两节点之间的转移概率为pij,那么定义

为节点i和j产生联系时的时效熵,其中节点i到节点j的转移概率可以通过节点i到节点j的联系长度与总联系长度之比表示,即

由于熵是一个广延量具有可叠加性,因此对于整个指挥流程而言,其总时效熵应该是所有产生联系的节点的时效熵之和:

对于当前的转移率有当前的总时效熵Hs。由最大熵原理可知,对于某一指挥流程,其必然存在一种结构使信息在流程时的总时效熵最大,下面定义最大总时效熵:

时效熵表征信息在指挥流程中流动时效性的不确定性,那么指挥流程的时效可以理解为

当时效R越大,信息在指挥流程的的运转效率就越好,反之则反。显然时效R只与指挥流程当前的时效熵有关,而时效熵则由指挥流程的结构中各节点的联系长度决定。

2) 质量熵

式中ki是指节点i的联系跨度,即对于某节点言,与之直接发生联系节点的个数。同理,指挥流程的总质量熵定义为

最大质量熵定义为

指挥流程结构的质量定义为

质量Q越大,信息在指挥流程结构中流程的质量保证就越好,反之则反。通过数学分析易知指挥流程结构的质量与节点间的联系程度有关。

3) 有序度

指挥流程结构的时效熵、质量熵都在描述因指挥流程结构的影响而使信息流动时在传递效率性、传递准确性等方面的不确定性,综合这些不确定性,引入有序度的概念,用于描述指挥流程结构整体的有序程度,其数学定义为

Y=1/(α·Hs+β·Hz)

其中α、β分别为时效熵、质量熵对于有序度Y的权重系数。

4 指挥流程结构分析

指挥流程由若干指挥活动组成,理论上其拓扑结构可以区分为总线型、环形、星形、树形等种类。就目前我军指挥体制和实际应用而言,其组合方式一般分为串联、并联两种。对于具有n个节点的指挥流程,如何通过串并联方式使指挥流程结构最优。下面分析串并联方式在结构特征上的差别。

假设作战准备的指挥流程由n个指挥活动组成,即其对应两种组合方式的网图A1和网图B1的节点数为n,如图2所示。

1) 网图A1时效熵

网图A1节点间的联系长度如表1所示。

图2 多节点指挥流程网图

联系长度节点1节点2节点3…节点n节点1012…n-1节点201…n-2节点30…︙︙0n-(n-1)节点n0

总联系长度为

任意节点i和j的转移概率:

任意节点i和j的时效熵:

网图A1总时效熵:

2) 网图A1质量熵

表2 网图A1联系跨度

网图A1的总联系跨度:

总质量熵:

3) 网图B1时效熵

表3 网图B1联系长度

总联系长度:

4) 网图B1质量熵

表4 网图B1联系跨度

网图B1的总联系跨度:

总质量熵:

5 仿真计算

以上根据网图A1和B1的结构得出相应的时效熵和质量熵计算公式。下面利用计算机辅助计算,分别计算从取n=3到n=53时两网图结构特性变化情况,其计算结果如图3所示。

图3 网图A1、B1结构特征曲线

对于纯串联结构的网图A1,时效随着节点数的增加而增加,在节点数小于10个时增加较快,但此后增加速率越趋平缓;质量除在节点数等于3个、4个和5个时质量先增后减外总体随着节点数的增加反而下降,下降的速率越趋平缓;整体有序度在节点数小于10个时急剧下降,此后下降速度趋缓。

对于纯并联结构的网图B1,与网图A1相反,网图B1的时效随着节点数的增加反而降低,在节点数小于10个前下降速率较快,此后趋于下降平缓;质量随着节点数的增加而增加,在节点数小于10个前增加较快,此后增加速率趋缓;整体有序度在节点数小于10个时急剧下降,此后下降速度趋缓。

6 结论分析

对比两图的结构特性,对于相同节点数时,网图A1的时效比B1的时效好,网图A1的质量比B1的质量差,网图A1的整体有序度比B1的整体有序度差,在节点数小于10个之前两网图整体有序度较为接近,此后相差幅度较大。可以看出串联结构的各个节点最多只与其他两个指挥活动联系而并联结构中节点1联系跨度随着节点数增加而增加,其物理意义是一个指挥活动节点要与多个指挥活动节点产生指挥关系。

综合以上分析,可以得出以下几点结论:

在节点数量相同的条件下: 1) 在时效方面,串联的指挥流程活动组合方式优于并联的指挥流程活动组合方式; 2) 在质量方面,并联的指挥流程活动组合方式优于串联的指挥流程活动组合方式; 3) 在综合有序度方面,并联的指挥流程活动组合方式优于串联的指挥流程活动组合方式; 4) 当节点数达到一定数量后,再增加节点数无助于指挥流程结构的时效和质量的快速有效增长,反而会导致整体有序度进一步下降。因此节点数量应控制在一定范围内。由于依次增加节点数量导致时效、质量、整体有序度的变化速率没有出现骤增或骤减情况,因此难以准确地确定最优节点数。如图3,可选最优节点数应在5～15个之间,在此区间中越少越优,当一个节点的联系跨度过大必然要求更强的指挥能力。

因此,无限扁平的指挥流程结构或垂直指挥流程结构均不利于提高指挥效能,应该结合当前指挥流程的配套体系,根据对指挥流程时效或质量的偏重综合运用串联和并联的方式组合各项指挥活动。

7 结语

从指挥流程结构时效熵和质量熵的角度入手分析了在构建或优化指挥流程时串并方式对指挥流程结构特征的作用,探索了一种评估指挥流程整体特性的方法。在构建或优化指挥流程结构时,应该结合实际情况,尤其要考虑指挥能力,通信能力等因素,将指挥流程置于指挥体系大环境下,综合运用串并联混合方式,以期达到指挥流程最优,指挥效能最大。

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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:作战指挥理论及应用。余礼锋,男,硕士研究生,研究方向:作战指挥理论及应用。赵磊,男,硕士,讲师,研究方向:作战指挥理论及应用。

O213

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.009