基于仿真的應(yīng)急組織評(píng)價(jià)方法研究

胡冉曾斌

（海軍工程大學(xué) 武漢 430034）

1 引言

應(yīng)急組織是指為了保障群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)和諧穩(wěn)定，最大限度地降低突發(fā)公共事件造成的損害而建立的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)組織。合理的應(yīng)急組織體制是遭遇外界環(huán)境的突發(fā)事件時(shí)保證組織運(yùn)行效率的基礎(chǔ)。在信息化時(shí)代，組織結(jié)構(gòu)中信息的傳輸與流通發(fā)生了巨大的變化，對(duì)不同組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇合理的、符合信息時(shí)代要求的應(yīng)急組織結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮組織合力，最大化實(shí)現(xiàn)組織在突發(fā)情況下的運(yùn)行效能，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)在這方面已有大量的研究，從學(xué)者來(lái)看［1］，馬麗［2］以結(jié)構(gòu)熵為基礎(chǔ)，從信息的角度對(duì)組織結(jié)構(gòu)有序度進(jìn)行評(píng)價(jià)；代劍環(huán)［3］結(jié)合AHP、熵值法及模糊綜合評(píng)價(jià)，建立組織發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；蘇長(zhǎng)亮［4］以熵理論為基礎(chǔ)，提出廣義信息力的概念，建立有序度評(píng)價(jià)模型。國(guó)外學(xué)者Alberts和Hayes［5］介紹了如何通過(guò)“扁平化”的分散組織來(lái)執(zhí)行多單元的規(guī)劃。這些研究主要以有序度熵作為組織結(jié)構(gòu)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并以靜態(tài)組織結(jié)構(gòu)作為熵模型的輸入?yún)?shù)，而應(yīng)急組織要求對(duì)外界環(huán)境變化做出及時(shí)反應(yīng)，靜態(tài)的有序度熵不能有效地衡量其組織結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

為此本文通過(guò)探討應(yīng)急組織結(jié)構(gòu)中信息的傳遞模式，建立了阻力熵模型，并通過(guò)相應(yīng)的仿真結(jié)果來(lái)計(jì)算阻力熵，從而在動(dòng)態(tài)環(huán)境下評(píng)測(cè)應(yīng)急組織系統(tǒng)。

2 阻力熵模型的建立

熵理論在信息論中它是一個(gè)隨機(jī)事件不確定性的度量，對(duì)于一個(gè)廣義的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，熵可以作為狀態(tài)的混亂性和無(wú)序性的度量。在靜態(tài)環(huán)境中，通過(guò)信息的不斷獲取，熵總是在不斷減少。

為了定義這種變化，本文將狀態(tài)空間（P）劃分成可行狀態(tài)（Pf）和不可行狀態(tài)（Pi）。在狀態(tài)空間中，Brillouin［6］定義信息 I=log2||P ，且在已經(jīng)接受信息Im的情況下，存在的可行性狀態(tài)數(shù)量等于：

在Shannon的信息熵中，一條信息的熵等于：

那么對(duì)于一個(gè)固定不變的狀態(tài)空間來(lái)說(shuō)，其熵等于：

上式顯示了在靜態(tài)世界中熵會(huì)隨著信息的獲取而減小，減小的熵就等于獲取信息量的大小。然而在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，信息的獲取所實(shí)現(xiàn)的熵的減少可以被由于環(huán)境變化引起的熵增所抵消。因此，我們這里提出阻力熵的概念，用Hd表示。即由于外界環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，這種變化具有不確定性，因此熵增對(duì)組織了解環(huán)境的狀態(tài)產(chǎn)生了阻力。由于不可行狀態(tài)總是會(huì)不斷轉(zhuǎn)變成可行狀態(tài)，而這種轉(zhuǎn)變的速率便是形成阻力熵的驅(qū)動(dòng)力。所以我們正式將阻力熵定義為

x表示環(huán)境在t時(shí)刻的狀態(tài)。在應(yīng)急組織中，時(shí)間t監(jiān)測(cè)到的應(yīng)急信息S的價(jià)值會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減少。由于應(yīng)急組織存在多個(gè)監(jiān)測(cè)部門(mén)且環(huán)境一直處在動(dòng)態(tài)變化中，所以對(duì)于某個(gè)時(shí)間t'＞t，同一個(gè)監(jiān)測(cè)部門(mén)的第二個(gè)檢測(cè)值S'=(xj,t')的條件熵H(x ( t')|S)將不為零。對(duì)于在時(shí)間tk=t結(jié)束的狀態(tài)x的k個(gè)信息序列S1:k={( xj,tj) }，定義系統(tǒng)在時(shí)間t'＞t處的觀測(cè)值上的阻力熵(Hd)等于

其中，H(x ( t')|S1:k)表明在已知S1:k的條件下，狀態(tài)x在t'時(shí)刻的不確定性。由于阻力熵對(duì)信息的影響表現(xiàn)為狀態(tài)空間中信息量的減少，因此信息I等于

其中，β表示處理信息所需的時(shí)間，即計(jì)算復(fù)雜度。I0是開(kāi)始處理之前狀態(tài)空間中存在的信息內(nèi)容。

3 基于仿真的阻力熵計(jì)算

3.1 信息流

為了探索信息在應(yīng)急組織內(nèi)的流動(dòng)傳輸情況，本文使用幾種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖形G=( )V,E來(lái)模擬幾種應(yīng)急組織結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)v∈V代表組織內(nèi)不同的部門(mén)或人員，每條邊e∈E代表了兩個(gè)部門(mén)或人員之間具有傳輸途徑。仿真還在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)定義了一組特殊的節(jié)點(diǎn)S?V，這些節(jié)點(diǎn)代表能夠不斷獲取應(yīng)急信息的監(jiān)測(cè)部門(mén)。為了建立阻力熵的模型，本文使用了一個(gè)函數(shù)，它從to時(shí)間開(kāi)始使信息逐漸發(fā)生衰減。

在這個(gè)模型中，每個(gè)部門(mén)總會(huì)處于四種狀態(tài)的一種，SEND、CHECK、COMPUTE和SENSE分別代表部門(mén)發(fā)送、檢查、處理和感知新信息。在SENSE狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)部門(mén)i∈S讀取一位無(wú)初始不確定性的信息，并在當(dāng)前模擬時(shí)間將該信息與時(shí)間戳相關(guān)聯(lián)。在本實(shí)驗(yàn)中，我們?yōu)镾ENSE狀態(tài)分配1s的延遲。完成SENSE狀態(tài)后，部門(mén)立即進(jìn)入COMPUTE狀態(tài)，其狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度是要處理的信息量的函數(shù)。計(jì)算延遲由與監(jiān)測(cè)部門(mén)新獲得的數(shù)據(jù)成正比的線性延遲決定，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)部門(mén)的計(jì)數(shù)不超過(guò)一次，即只有來(lái)自給定檢測(cè)部門(mén)的最近的監(jiān)測(cè)值被處理。此模擬使用參數(shù)β來(lái)確定和量化處在COMPUTE狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度。COMPUTE狀態(tài)完成后，部門(mén)進(jìn)入SEND狀態(tài)，通過(guò)發(fā)送已經(jīng)處理但鄰節(jié)點(diǎn)尚未收到的信息來(lái)與鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。無(wú)論發(fā)送的信息數(shù)量如何，這個(gè)通信階段都需要設(shè)定1s的模擬時(shí)間，并且與所有的鄰節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行通信，而鄰節(jié)點(diǎn)之間不存在交互。如果i∈S仍有存在數(shù)據(jù)需要處理，則從SEND狀態(tài)再次進(jìn)入SENSE狀態(tài)，否則，進(jìn)入CHECK狀態(tài)。CHECK狀態(tài)是一個(gè)保持狀態(tài)，其一直保持到有新的信息需要接受。

3.2 控制流

為了模擬各部門(mén)在信息交互時(shí)的指令與信息流之間的關(guān)系，這就限制了組織必須是樹(shù)型的層次結(jié)構(gòu)，即每一級(jí)子部門(mén)都從屬于上一級(jí)部門(mén)，每一級(jí)的部門(mén)都能夠處理從下層部門(mén)傳上來(lái)的信息，同時(shí)根據(jù)信息控制下級(jí)的行為。

在這次仿真中，每個(gè)部門(mén)在任意時(shí)間點(diǎn)都處在七個(gè)狀態(tài)中之一：SENSE，SEND_I，REC_I，PROC，SEND_A，REC_A，ACT和HOLD。與上一個(gè)相同，監(jiān)測(cè)部門(mén)獲取一位的信息。如果該部門(mén)沒(méi)有子部門(mén)，則該部門(mén)在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)成HOLD狀態(tài)，并嘗試與上一級(jí)部門(mén)進(jìn)行通信，否則，就轉(zhuǎn)入PROC狀態(tài)。在SEND_I狀態(tài)，部門(mén)將其從子部門(mén)收到的所有檢測(cè)值發(fā)送到上一級(jí)部門(mén)，而上一級(jí)部門(mén)必須處在REC_I狀態(tài)。SEND_I狀態(tài)結(jié)束后，部門(mén)將進(jìn)入PROC狀態(tài)，而REC_I狀態(tài)結(jié)束后，如果是根節(jié)點(diǎn)，并且收到其所有子部門(mén)的信息，則將進(jìn)入PROC。與之對(duì)應(yīng)的是SEND_A和REC_A。在SEND_A狀態(tài)，上級(jí)部門(mén)將控制命令傳遞給所有的監(jiān)測(cè)部門(mén)，而接受命令的監(jiān)測(cè)部門(mén)必須處在REC_A狀態(tài)。SEND_A結(jié)束后，部門(mén)進(jìn)入HOLD狀態(tài)；REC_A結(jié)束后，如果該部門(mén)是監(jiān)測(cè)部門(mén)，則轉(zhuǎn)入ACT狀態(tài)，否則同樣進(jìn)入HOLD。在PROC狀態(tài)，部門(mén)將對(duì)其所有子部門(mén)增加一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的延遲，用來(lái)表示每個(gè)監(jiān)測(cè)的一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的處理延遲。PROC結(jié)束后，監(jiān)測(cè)部門(mén)會(huì)進(jìn)入ACT狀態(tài)，而其他部門(mén)則進(jìn)入HOLD狀態(tài)。ACT狀態(tài)需要一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)表示將控制命令應(yīng)用監(jiān)測(cè)部門(mén)，并且如果部門(mén)仍有控制命令需要傳遞給子部門(mén)，則該轉(zhuǎn)換為HOLD，否則，轉(zhuǎn)變?yōu)镾ENSE。在HOLD狀態(tài)下，上級(jí)部門(mén)首先在其子部門(mén)中查找也處于HOLD狀態(tài)但尚未接收到其最近控制命令的部門(mén)。如果存在這樣的子部門(mén)，則子部門(mén)轉(zhuǎn)換到REC_A，該部門(mén)轉(zhuǎn)換到SEND_A。如果沒(méi)有，且自上一次與上級(jí)部門(mén)通訊以來(lái)，已經(jīng)獲得了子部門(mén)的所有信息，那么該部門(mén)將向其上一級(jí)部門(mén)嘗試通信，如果是這種情況，則該部門(mén)轉(zhuǎn)換到SEND_I，上級(jí)部門(mén)轉(zhuǎn)換到REC_I。如果上述兩個(gè)步驟均不導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)轉(zhuǎn)換，則將保持HOLD狀態(tài)，直到下一個(gè)時(shí)間再次嘗試通信。

與上一個(gè)仿真不同，這次每個(gè)部門(mén)一次只能同一個(gè)鄰接部門(mén)進(jìn)行通訊，并且必須等待鄰居準(zhǔn)備好發(fā)起通信。此次仿真中監(jiān)測(cè)部門(mén)的數(shù)量仍是64個(gè)，但部門(mén)總數(shù)是不同的，從而探求部門(mén)數(shù)對(duì)應(yīng)急組織結(jié)構(gòu)的影響，且用于評(píng)價(jià)的指標(biāo)不再是信息量，而是控制信息的總和。

4 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證某些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同阻力熵和復(fù)雜度條件下比其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表現(xiàn)更好的假設(shè)，我們比較了衰減-復(fù)雜度(Γ ，β)在5個(gè)不同圖形中的模擬情況。本實(shí)驗(yàn)包含了一個(gè)完全連通圖，一個(gè)二叉樹(shù)、一個(gè)4元樹(shù)、一個(gè)小世界圖和一個(gè)無(wú)標(biāo)度圖。所有模擬的應(yīng)急組織都有127個(gè)部門(mén)，其中64個(gè)為監(jiān)測(cè)部門(mén)。在模擬開(kāi)始時(shí)，每個(gè)監(jiān)測(cè)部門(mén)只執(zhí)行一次監(jiān)測(cè)。在本次仿真中使用的主要度量是在給定時(shí)間步驟內(nèi)處理的所有監(jiān)測(cè)信息的總和，其用來(lái)表示處理后的信息量。本節(jié)以表格的形式給出兩種仿真結(jié)果。其中表1～5反映的是五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同條件下處理信息量的數(shù)量。圖1反映的是多種樹(shù)形層次結(jié)構(gòu)在不同阻力熵下產(chǎn)生的控制信息數(shù)量。

表1 完全圖信息量計(jì)算結(jié)果

表2 二叉樹(shù)信息量計(jì)算結(jié)果

表3 （3，3）無(wú)標(biāo)度圖信息量計(jì)算結(jié)果

表4 3環(huán)+10信息量計(jì)算結(jié)果

表5 4元樹(shù)信息量計(jì)算結(jié)果

由上表可見(jiàn)，當(dāng)計(jì)算復(fù)雜度小于1時(shí)，完全圖結(jié)構(gòu)在任意衰減度下都能處理較多的信息；當(dāng)計(jì)算復(fù)雜度在（3，5）區(qū)間，阻力熵（0.599，0.799）時(shí)，3環(huán)+10圖可以處理較多的信息；而二叉樹(shù)和（3，3）無(wú)標(biāo)度圖總體而言信息量大小相似，不同情況下相差不大；4元樹(shù)相較于其他四種結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)情況較差。

圖1 總控制信息量隨延遲率的變化

圖1 表明，在阻力熵較低時(shí)，簡(jiǎn)單連接且部門(mén)數(shù)較少的組織結(jié)構(gòu)由于信息傳輸效率較高，控制信息基于從下層傳輸?shù)男畔⑤^多，從而產(chǎn)生的控制信息也較多，相反的情況發(fā)生在阻力熵較高的區(qū)域。隨著阻力熵的增加，二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總控制信息大幅明顯增加。在阻力熵較高的區(qū)域，無(wú)標(biāo)度圖明顯優(yōu)于其他三種結(jié)構(gòu)。

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，以完全圖結(jié)構(gòu)構(gòu)成的應(yīng)急組織在監(jiān)測(cè)到的信息所需計(jì)算量較小時(shí)，可以有效及時(shí)地處理和交互組織獲得的信息，然而當(dāng)阻力熵較高時(shí)，各個(gè)監(jiān)測(cè)部門(mén)信息計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致組織無(wú)法及時(shí)處理所有的信息，從而造成信息的遲滯和堆積，嚴(yán)重影響應(yīng)急組織在處突時(shí)的效率。像無(wú)標(biāo)度圖和二叉樹(shù)這樣的層次結(jié)構(gòu)，在具有一定阻力熵和復(fù)雜度的情況下，仍能夠較好地處理組織內(nèi)的信息，但在復(fù)雜度較高時(shí)，這兩種結(jié)構(gòu)都不如小世界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而類似4元樹(shù)的層次組織結(jié)構(gòu)因?yàn)榻M織過(guò)于冗余，在任何情況下處理信息的能力都不如其他組織結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于信息論的組織結(jié)構(gòu)評(píng)估方法。具體而言，用復(fù)雜性和阻力熵來(lái)表征組織結(jié)構(gòu)的性能。結(jié)果表明，信息量與組織結(jié)構(gòu)確實(shí)存在相關(guān)性。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用于描述場(chǎng)景的最佳信息量和該場(chǎng)景中用于協(xié)調(diào)操作的最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著場(chǎng)景的信息量度變化而變化。特別是，對(duì)于某些信息的特征，二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)于無(wú)尺度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；谶@些結(jié)果，我們可以說(shuō)，一個(gè)應(yīng)急組織用來(lái)影響指揮和控制的結(jié)構(gòu)應(yīng)該隨著情況的變化而變化，而信息理論指標(biāo)可以用作選擇組織結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。