系统论在高速公路工程智慧建设中应用的思考

程 乾

(山西省交通建设中心，山西 太原 030006)

1 概 述

美籍奥地利生物学家贝塔朗菲在20世纪50～60年代创立的一般系统论的理论观点，对人类社会生活的方方面面产生了难以想象的巨大影响。它不仅是一种观点认知，而且是与现代社会发展高度契合的一种方法论。贝塔朗菲认为所谓系统，是相互联系、相互作用的诸元素的综合体，无论自然界、人类社会，乃至整个宇宙都是由各种不同的有机联系的系统组成。高速公路建设本身是一个复杂、开放的大系统。通过建立基于互联网的信息处理平台，将信息化、智能化的管理手段应用于高速公路工程建设管理，使施工管理可感知、可预测、可决策，实现资源的合理配置，提升了施工现场的生产效率、管理效率和决策能力。

2 建立高速公路工程智慧建设系统应遵循的原则

2.1 整体性原则

系统论主要研究的是由部分组成的整体。整体性即系统作为一个由诸多要素结合而成的有机整体存在并发挥作用。这是一切系统的最本质特征，也是系统分析法的根源所在。它要求从系统的整体着眼，部分入手，统筹考虑，各方协调，达到整体最优化。这也是高速公路智慧建设中确立系统目标、设计建立系统的一个基本的分析方法。

高速公路建设是一个投资大、建设周期长、施工场地广、参建单位多、设计专业杂、施工协同难度大、多层次管理的一个系统工程。它的整体性不仅表现在目标的整体性，而且表现在整体与要素、要素与要素、要素与功能的有机联系上。高速公路工程智慧建设系统的开发和评价，不是管理要素功能的简单相加，而是以信息化管理的整体优势、整体效益为基础，注重整体和子系统(要素)之间联系的有机性，这种有机的联系通常表现在项目管理的流程、制度、规范、标准和合同中。同时，要素之间的联系也具有必然性，正如人体的神经系统、循环系统、消化系统和外界物质、文化供给系统、所处环境的生活系统一样缺一不可，不能中断。

2.2 有序(层次)性原则

一切系统都有结构。凡是系统结构都具备有序性、层次性，这就是作为系统能够发挥整体功能的关键所在。当前世界范围内高速发展的现代高科技技术使高速公路管理系统的各个层次之间的相互关联更加紧密。

高速公路工程建设管理的层次性有三个特征：其一，根据各子系统在整体中所处地位、任务的不同，形成了反映宏观控制的中心系统，如综合集成的质量、安全、进度、投资、合同管理功能的高层次子系统，以及反映微观控制的低层次子系统，如“政工、行政、后勤和党务”等处于服务保障地位的辅助系统；其二，系统运行是否有效，效率如何，很大程度上取决于系统层次是否分明，能否各司其职。如果各个子系统(要素)颠倒主次，混淆层次，不顾系统的整体目标各自为政，那将无法协调控制各子系统，为实现系统的整体目标而进行有序的活动；其三，系统层次控制是参建单位根据自己的目标、责任、权限等实施资源管理和项目职能管理。

2.3 动态性原则

从系统学的基本观点看，物质、能量和信息是组成现实世界的三大要素，三者密不可分。任何系统都是物质、能量、信息相互作用的产物。只有通过物质(包括技术、设备等)才能采集、储存、加工、传输信息，只有依靠能量才能实现传播。要想获得更多更新的物质就必须依靠信息。而信息的获得必须依靠能量，而驾驭能量又需要信息，这就是高速公路工程信息化建设的基本依据。

开放性系统是系统与系统环境之间存在的物质、能量、信息的交换，封闭式的系统在客观世界中并不存在。这是系统论的基本观点。

高速公路工程智慧建设管理系统是以互联网为媒介，对管理要素信息不间断地进行采集、加工、传输和反馈的运动过程。随着智能化、信息化技术不断地发展而发展。在此应该抛弃静止的、不变的观点。从项目建设管理者角度考察项目管理综合平台的系统功能，从技术和经济两个方面评价项目管理的系统效益。把智能化、信息化技术贯穿于整个项目管理始终，在不断地建设管理实践中寻找资源管理、项目职能管理有效关键要素和新技术、新科技的结合点，逐步完善其系统的应用功能。

2.4 目标性原则

目标是系统的社会属性。每一种社会系统，都是人们为了完成一定的目标而设计出来的。每一个系统都是服务于它的整体目标的。高速公路工程智慧建设本身属于一个社会系统。作为一个有机的整体，这个系统应当有一个正确可行的、明确的系统目标。目标可以分为远期目标、中期目标和近期目标。这些目标是由高速公路工程建设项目的具体特点、投资规模、当时技术设备水平和人的主观认知等因素决定的。如果没有明确的目标，就谈不上高速公路工程智慧建设系统，也就不能追求系统目标的最优化效果，系统控制将失去价值。

3 高速公路工程智慧建设的实施途径

1)优化整体目标，做好顶层设计，统筹规划，以集中有效资源，高效快捷地实现目标。

项目管理的目标确立与优化是高速公路智慧建设的核心。未来要建设的高速公路工程智慧建设项目综合管理平台将是一个开放复杂的人-机结合、人-网结合的系统。由于系统的各管理对象和任务不同，系统的形式和运动特点也不同，所以要采用“分解-协调”的系统分析方法。先将这个复杂的大系统按照不同的类型和等级分解为若干具体的子系统。子系统从各自的实际出发，随机制宜，扬长避短，发挥自己的优势，使每个具体的智慧建设子系统实现最优化，在这个前提下，实现各类功能数据的输出输入，无缝对接。有效简化系统结构，突出系统的主要矛盾，明确系统管理工作重点等是避免目标错位，确立与优化高速公路智慧建设目标的前提。

(1)高速公路工程智慧建设关键管理要素的辨识与确定。首先公路建设项目资源管理是指为了降低项目成本，根据具体分项工程特点，按照“人、机、料、法、环”等关键资源要素在建设中所做出的贡献、提供的价值与作用等原则进行识别和确认。在完成职能管理的前提下，实现资源的优化配置。其次，公路工程项目管理是指在限定的资源条件下和时间内，从业单位通常按照合同约定从分项工程的质量、进度、投资、安全与合同五个不同维度进行管理。三控制、二管理等关键职能管理要素进行分类识别和确认后，在全过程或若干阶段各个环节组织实施和协调。

(2)高速公路工程建设管理通常由资源管理为横轴，职能管理为纵轴的矩阵式管理模式来实现的。这是个具有双道命令的系统，其权力平衡是这一组织结构的关键。多重领导、多方联系是矩阵式管理的特点与难点。而项目综合管理平台正是采用信息化公开告知与多方会谈协同等方式，实现了对各管理子系统实时远程控制，逐级建立了层次有序的职能管理和资源管理相互融合的建设管理系统网络，有效地解决了工程技术专业化与相关工作综合化的矛盾。

2)总体设计、综合集成是设计和建立性量结合、人机互构的高速公路工程项目综合管理平台的技术路径。

总体设计、综合集成的技术路径就是通过一定的技术手段对数据流(对信息的分析、归纳、挖掘等)的有效控制过程(见图1)。

图1 数据流的有效控制流程

图1中，数据采集、传输是以人(业务数据)+物联网技术(传感器数据)为核心来实现的；数据管理是基于元数据来管理的；数据分析是算法&模型的专家系统来实现的；数据的储存基于边缘储存和集中储存实现的；数据的应用是采用数据仓库、中间件等手段构建；数据的协同是通过人机互构的方式实现的。

在全球贸易形势不断发生变化的情况下，中国企业参与国际市场也在逐步多元化。特别是在“一带一路”的倡议下，中国企业主动出击，积极“走出去”开拓国际市场。

早在20世纪90年代初，钱学森针对“开放性复杂巨系统”就已经提出了“定性到定量的综合集成方法”的解决方案。该方法是把智慧体系(专家)+知识体系(信息)+技术体系(计算机)有机结合构成一个高度智能化的人机结合即知识+智慧融合体。其最终实践形式就是一个集专家、数据+信息+知识和计算机三者于一体的巨型智慧系统——“定性到定量综合集成研讨大厅”体系。钱老的论述为今日的高速公路智慧建设提供了理论引领。这里的“定性”指的是不能或不易用准确的数量关系进行描述事物的专家的经验和判断。“定量”则指借助数学模式和计算方法，通过计算机仿真技术建立可量化的研究系统。它首先将科学理论和经验知识与专家判断相结合，形成经验性假设(猜想或判断)，再利用现代计算机技术，建立起包括大量参数的模型，接着通过计算机的仿真计算得出定量结果，由专家进行分析、综合和判断，通过“人机交互，反复对比，逐次逼近”，最后形成科学的结论和建议。

同时，综合集成方法也是在综合集成研讨体系下，通过信息、技术、知识的“综合”与思想的“集成”，最大限度地发挥该系统的综合优势、整体优势和智能优势，将个体智慧转化为群体智慧，为更加科学地处理现代社会日益突出的管理问题提供了方法论依据。

从技术层面上讲，项目管理综合平台通常采用B/S(Browser/Server)的架构,支持各从业单位多种访问入口，同时支持手机、PAD、电脑终端等多种终端访问。平台一般是由前台、中台和后台三部分组成的。数据集成功能基于前台展示的；数据管理、储存是在系统后台实现的；数据的分析、集成应用(包括数据汇总)是中台的主要功能(见图2)。

图2 项目管理综合平台的组成

目前国内高速公路智慧建设仍处于初级阶段，只是把传统的项目管理在线化、数据检测的动态实时化。由于高速公路工程建设施工现场的场景极为复杂，难以精确地仿真模拟，目前项目管理综合平台所能做到的只是数据的分类、统计、展示，数据的多元融合和专家分析实现程度有限。随着大数据分析和云计算相关技术的不断发展、成熟和应用，高速公路工程建设将完成由信息化管理阶段向智能化管理阶段的实质性飞跃。

3)结合项目实际，分阶段、分步骤实施，近期目标和远期规划相结合，是实现高速公路工程智慧建设的现实之路。

这是由高速公路工程智慧建设的特点和现状所决定的。目前虽然已经有一些人才、资金、技术设备等方面的先期投入，但离智慧建设的整体目标和要求还相去甚远。应该把高速公路智慧建设作为行业的长期战略来考虑，着眼当下，分类推进实施。

4 结论与展望

系统论的原则和思维贯穿于高速公路工程智慧建设的目标、设计和建设的各个环节，它为传统建设管理和科技设备的有效结合提供了全新的分析方法。其中，大数据的分析和云计算是专家系统的核心和难点，相信不远的将来，这些难题必将被越来越汹涌的科学技术浪潮所破解，为高速公路智慧建设的飞跃提供强有力的保障。

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