基于DSM的应急任务流程模块化设计研究

田 军，李莉芳，白 剑，冯耕中

(西安交通大学管理学院，陕西 西安 710049)

1 引言

应急任务的流程化管理问题，是增强应急预案可操作性和提高其使用效果的一个瓶颈，也是在应急管理信息平台上实现应急管理处置过程的计算机化管理，所面临的一个迫切需要解决的问题。由于突发事件具有蔓延、转化、衍生和耦合的作用机制，事先很难料想到这种不确定性，因此在应急预案设计过程中，不可能针对所有的情景设置对应的处置方式。为了解决应急活动(任务)的结构化管理和动态集成问题，有学者提出了将预案中某些特定的功能或措施独立出来，形成独立的固定流程，即模块化管理的思路[1]。其目的在于：(1)降低管理过程的复杂性。模块化实现的是对内将活动进行封装，把复杂性隐藏在内部，对外提供标准的接口，实现即插即用的功能。(2)解决效率和柔性之间的矛盾。模块内部的高内聚和模块间的松耦合，就会使得模块间的依赖性减小，当外界发生变动时，可以通过模块的修改、替代、增加、删除等操作活动，实现模块的快速重组和新功能的产生。

2008年汶川地震时，中国政府确定了九大工作组，涉及部门多达几十个，通过对九大任务的划分，把平时散落在各个行政部门的能力暂时集中了起来，在地震救援过程中发挥了巨大的作用，这样的组织方式就充分体现了模块化管理的思想。本文将采用统一建模语言描述的应急预案任务(活动)映射到设计结构矩阵(DSM，Design Structure Matrix)之中，定量测量应急任务(活动)之间的依赖关系，并依据这种依赖关系的强弱，对应急任务进行聚类分析，按照高内聚松耦合的目标，建立模块化任务的功能结构，实现对应急任务进行模块化划分的目的，进而为实现应急预案任务流程的模块化管理提供支持。

2 流程模块化管理与应急任务流程管理的研究综述

2.1 流程模块化管理的研究进展

模块化的思想启蒙于Simon的复杂系统论[2]，从Simon提出复杂系统的“层次性”与“可分性”特质起，不少学者参与了“近似可分系统”的研究，Starr在1965年的《哈佛商业评论》上提出了模块化的概念[3]，在随后的几十年间，模块化技术和思想被应用到了不同的领域，从产品设计、生产流程到组织管理，模块化的生产和管理方式产生了巨大的经济社会效益。

模块化具有松耦合、强内聚、标准化接口、功能独特性、可重用性以及自治性等特点，正如Richard[4]指出的那样，模块化是基于组织及其流程的系统理论，其寻求的是系统的组成部分是如何“耦合”的，以及这些部分之间的联系有多紧密。增强的模块化使得系统的各部分能够更加灵活的拆分与聚合，Schilling[5]认为模块化是描述系统部件可以被分解和重组的程度的度量，这种度量包含两个方面，一方面是系统部件之间的耦合程度，另一方面是系统部件按照一定的规则能组合和匹配的程度(即模块化程度)。

在经济管理领域，模块化更多的应用是集中在业务流程方面[6]。“流程”是一组相互联系且共同将多种输入转化为对顾客有价值活动的总和。复旦大学方丁认为[7]，模块化流程是由流程模块(由一组活动和执行活动的资源组成[6])组合而成的业务流程，模块化程度高的流程具有“封装”和“即插即用”的特性，其组成模块能够被快速、低成本的修改、替换、分离或者并入整体流程，而不会对流程整体功能和流程其余部分产生负面的影响。模块化程度低的流程中，流程整体具有较高的依赖性，流程的变动将产生复杂的影响，因而难以变动流程。李超等[8]研究了机务准备流程的模块化管理问题，并运用Exspect仿真证明了模块化流程优化的有效性。吴维海[9]研究了模块化流程对银行业务变革的作用，并据此提出了一套业务整合的发展模式。

2.2 应急预案形式化描述与结构化管理研究进展

应急预案形式化描述与结构化管理方面，Hoogendoom[10]使用TTL语言描述应急预案的组织结构及其动态特性，并利用了相应的逻辑工具对应急预案进行建模，分析了应急管理的组织结构、任务和职责。Canos[11]提出使用多媒体信息技术(如图、文、声、像等三维模型和动画技术)描述应急预案，将应急响应过程表示为图形化描述，以解决文本预案所造成的难以快速结构化阅读的问题。Mak[12]等人将工作流技术应用于危机管理，对瑞士政府危机管理系统建立了工作流框架，结果表明效果比较理想。Tian Jun[13]等用Petri网对应急预案进行形式化描述，并以堤岸防洪的应急预案为例，建立了计算机管理流程。Grathwohl[14]提出通过逻辑推理来实现对应急预案的一致性进行检验和态势评估，用于实现预案的整合和重组。张建华等人[15]提出了案例推理规则，并结合采用面向对象框架的应急预案描述方法，以实现应急预案的检索及重构。王文俊等[16]将本体思想和工作流技术应用于应急预案的形式化描述，引入了表示应急预案的规范词汇的概念，形成了应急预案的本体。李红臣[17]等人通过对应急预案和应急响应过程的分析，提出了对应急组织结构、应急过程以及应急资源这三个应急预案的基本构造元素进行结构化描述。A ter Morn[18]指出由于应急突发事件不可完全预知性，应急业务流程应该即席而作(improvisation)，并加强各项应急活动之间的信息交互和反馈，基于此提出了用来描述应急任务之间各种依赖关系的框架，为应急预案的在线生成提供了有益指导。

但是，从现实需求来看，在应急环境下，由于应急任务之间具有(资源、信息、角色等)依赖性，很难按照应急预案事先的规划来执行[18]，最重要的是对应急预案在动态环境下进行重构的特殊要求，上述研究都还无法提出满足应用需要的理论支撑和解决方案 。

3 基于设计结构矩阵(DSM)的建模

3.1 建模思路

设计结构矩阵(DSM)的研究和应用开始于20世纪七十年代，早期主要应用于机械产品的设计和开发，90年代以后，DSM受到了广泛的关注，被逐渐应用到组织设计、软件设计以及流程设计等领域，其中文献[19]是DSM在复杂软件结构设计中较新的应用研究，发表在Management Science上。DSM与其他流程建模方法相比，由于其能够支持流程分解、活动依赖建模以及流程定量分析，从而使其具有一定的优越性。李超等[8]用布尔型DSM实施了对机务准备流程的优化。Feitzinger[20]阐述了在制造业中将制造流程分解为子流程从而增加流程的柔性，满足大规模定制生产所需的流程柔性。

应急预案的核心为处置应急事件的任务流程，具有一般事务性流程的共同特性，因此使用DSM对应急任务流程优化设计具有可行性。通过模块化设计将应急任务流程划分为具有不同功能的应急模块，有利于应急能力的评估和管理，在面对突发事件时把平时散落在各部门间的资源和能力集中起来，即有助于形成临时的跨组织边界的模块化组织。本文使用已成为国际标准的统一建模语言(UML)来反映流程活动之间的部分依赖关系——流依赖(由信息联系所反映)，并将UML活动图所表示的流依赖映射到DSM中，之后将DSM所能表示的资源共享依赖(由资源联系所反映)也同样映射到DSM中，最后再根据应急任务的特点进行聚类分析，建立具有功能独立的模块结构。

3.2 DSM流程建模分析

DSM可以反应活动(任务)之间的依赖关系，Malone[21]提出流程活动之间的依赖关系主要有三种：流依赖、适应依赖、和(资源)共享依赖。流依赖是指一个活动的输出被作为另一个活动的输入，这两个活动之间存在着信息依赖的关系。适应性依赖是指两项活动的交互式依赖关系，即活动1的输出是活动2的输入，同时活动2输出又是活动1的输入，事实上，这种迭代关系，可以看作是流依赖关系中的一种，因此把适应性依赖也划分到流依赖当中。在用统一建模语言(UML)来反映流程活动之间的依赖关系时，先将应急流程用UML语言表述出来，再将UML活动图映射到活动的DSM中，UML的活动和DSM的活动一一对应。同时，将UML活动之间的顺序、分支分叉、汇合和循环关系转换成DSM结构，反映活动间的流依赖关系，具体的转化方式如图1所示。对于应急业务流程中可能存在的互效活动，该类活动之间存在迭代关系，可以采用图2的方式进行DSM描述。说明，图中上半部分为UML描述的活动关系，下半部分为设计结构矩阵表示(其中数字1表示存在依赖关系，0表示不存在依赖关系)。

图1 UML活动图向DSM的映射

图2 互效活动的DSM表示

为了能够更加准确和真实地反应各流程活动之间的强弱关系，选择数字化DSM对应急流程进行建模，采用四点刻度法度量活动间的流依赖性强度(见表1)。其中需要说明的是，从依赖性强度的角度讲，分叉活动和连接活动是特殊的顺序活动，所以把这两种活动的强度归到串行活动中。因此，针对流依赖建立的DSM模型如图3所示，其中，fin的可能取值为0、1、3、9，表示流依赖的强弱关系。

表1 四点刻度法

图3 DSM模型

在业务流程中，两个活动的资源共享有三种基本的类型：角色、软件系统和设备[11]。在应急服务流程中，应急活动的资源包括：救援队伍、救援设备、救援物资、医疗资源。张旭凤[22]将应急物资划分为四类，分别为：生命救助应急物资、应急工程保障物资、应急工程建设物资、灾后恢复重建物资。姜玉宏[23]将应急物资分为通用类和专用类。通过对现有文献的分析，应急活动中的资源结构可以归结为角色、物资、设备、和设施四类。一般而言，通用资源的共享较为普遍，活动间的共享性依赖强度较低，而专用型资源共享产生的资源共享性依赖强度较高。由于一般性应急物资(诸如粮食、帐篷等)的使用面广，通用性强，因此对模块的划分影响较弱，在此不予考虑。这样，在DSM中的应急活动依赖关系中，只分析资源共享依赖中的应急角色、应急设备和应急设施这三项内容。另外，由于信息资源的重要性非常突出，因此，在资源依赖中，增加信息资源依赖的内容(见表2)。这四类资源依赖，采用与流依赖相同的四点刻度法来加以度量(如表1所示)。

这样，DSM矩阵中表示资源依赖的每一个单元格是一个四维向量(如图4所示，1表示存在依赖，0表示不存在依赖关系)。其中第一象限表示应急信息资源依赖，第二象限表示应急角色资源依赖，第三象限表示应急设备依赖，第四象限表示应急设施依赖。

表2 应急活动资源结构

图4 流依赖及资源共享依赖的表示

但是，DSM中共包含流依赖、信息依赖、角色依赖、设备依赖、设施依赖五个维度，将会对分析应急活动间的联系造成非常大的困难，因此必须对向量做降维处理，将五个维度加权集成，得到一个综合加权的依赖关系指标，即：

fij=αLij+β(θIij+ρRij+τMij+δFij)

(1)

其中，Lij为流依赖的强度取值，α为其权重。Iij为信息资源依赖强度，Rij是设备依赖强度，Mij为应急角色依赖强度，Fij为应急设施依赖强度，β为包含所有四项资源依赖(Iij,Rij,Mij,Fij)的权重，满足α+β=1。θ,ρ,δ,τ分别为四种资源依赖对于资源依赖影响的权重，满足θ+ρ+δ+τ=1。在实际计算中，将根据具体情况对权重进行评估和设置。

通过降维处理，最终DSM中的每一个单元格就仅有一个数字来表示行列元素的依赖强度关系，其内容则是流依赖关系和资源依赖关系强度的最终加权之和。

4 应急流程DSM模型聚类分析

4.1 流程模块划分的目标要求

根据流程的模块化要求，每一个模块要尽可能的独立以降低模块间的耦合程度，元素之间的联系尽可能的位于模块(聚类)内部，以便减小组织之间交互的复杂性，缩短任务完成的时间，并且对模块间的接口进行良好定义，以方便实现模块间的集成。能够满足上述要求的DSM模型模块化方法，主要通过聚类分析方法进行优化计算。为解决行列元素多、元素间关系复杂条件下的模块划分，本文设计了基于遗传算法的DSM模型智能聚类分析方法。

4.2 聚类划分数学模型的建立

将DSM模型中某个行列元素依赖强度的总量定义为依赖量，假设，对于包含M个元素的DSM矩阵的聚类数目为N，聚类名称依次标记为L1,L2,…Ln，则，第k个聚类Lk内部元素的依赖可以通过下式计算：

(2)

式中，

fij——DSM矩阵中第i个列元素与第j个行元素的依赖强度值；

nk——第k个聚类的第一个元素的位置编号；

mk——第k个聚类的最后一个元素的位置编号。

那么，在一个DSM中，所有聚类的内部元素依赖量为：

(3)

因为包含元素较少的聚类的行列元素之间的依赖关系，比包含元素较多的聚类元素之间的依赖关系更容易管理，因此，假设依赖量与聚类中的元素数量成正比，则不同聚类间的依赖量为：

(4)

其中，p=1,2,…,N为第p个聚类，q=1,2,…,N为第q个聚类，μ为聚类数量对聚类间依赖量的影响程度，本文为取0.9，则所有不同聚类间的依赖量为：

(5)

那么，DSM聚类划分的优化模型可以描述为：

s.tfij∈{0,1,3,9}∀i,j

(6)

4.3 基于遗传算法的设计与求解

使用遗传算法(GA)的实现步骤以及具体实现方法如下：

(1)识别出DSM中的独立元素，及与其他元素依赖较弱的元素，这些元素由于与其他元素联系较弱，而与外部联系较为紧密，为了避免其对其他元素聚类划分的影响，将其删除掉，不参与到聚类划分过程。

(2)染色体编码并生成初始种群。采用二维染色体矩阵编码(m×n矩阵)，行向量对应一个聚类，列向量对应一个与聚类前DSM中保持顺序不变的的代表活动的元素 (即E1,E2…En)，如下式所示：

(7)

编码结束后需要对种群进行初始化。把每一个列向量中的一个任意单元格赋值为1，其他的单元格赋值为0，就形成了一个初始染色体，重复上述过程，直到产生种群要求的染色体数量为止；

(3)根据目标函数选择适应度函数，设计相应的选择、交叉、变异算子，建立进化算法。采用二维一点的交叉方法，在父染色体的列中任意选择一个交叉点，把两个父染色体中位于交叉点一侧的行列元素进行交换，元素交换后生成了两条子染色体。变异方法是在一条染色体矩阵中随机选择其中的两行列元素进行位置交换，形成子染色体。

(4)循环进化，直至达到目标要求的进化代数，输出最终的染色体并解码成DSM的聚类划分方案。

5 计算示例及分析

选取文献[24]中的抗洪应急预案作为分析对象，对应急疏散流程进行模块划分。该流程包含了22个基本活动(任务)，其UML活动图如5所示。

由于流程包含活动较多，需要众多的组织来协同完成，其中涉及人员和资源调配、信息交互等，有一定的复杂性程度。由于第1项和第12项活动较为独立，因此，把这两项活动从聚类需求中首先去除掉，按照上节的方法对流程进行DSM建模，即由UML图将流依赖和资源共享依赖映射到DSM中去(见图6)。其中，流依赖的强度按照表1提供的活动关系进行计量，疏散流程所需资源包括信息资源、角色资源、设备资源以及设施资源四类(见表2)，每项活动的具体说明、输入、输出，以及所需资源见表3-表4。采用专业人员评价方法，对每项活动每项资源的依赖强度用四点刻度法(0,1,3,9)进行评估。在计算综合依赖强度时(公式1)，为计算方便，假设流依赖和资源依赖的权重为0.2∶0.8，资源依赖内部四种依赖关系的权重系数相等，为θ∶ρ∶τ∶δ=1∶1∶1∶1。这样就使得五项内容的权重相等，都为0.2。便于进行计算。

图5 应急疏散流程UML活动图

表3 应急疏散流程所需资源列表

运用遗传算法来实现应急流程的模块聚类划分，假定DSM聚类数目是7(即染色体的编码矩阵即为7×20)，初始种群的大小选为40，交叉概率为0.8，变异率为0.1。通过多次运行，经过执行选择、交叉、变异的算子，当运行到第240代的时达到收敛，收敛曲线的过程图如7所示。

图6 DSM矩阵

图7 收敛曲线

求得满意解时，最小目标函数取值1028.00，结果对应的染色体(聚类)见表5。

据此可以得到对应的模块划分结果，根据每个模块包含的活动内容，赋予每个模块一个简洁通俗的名称(见表6)。每一模块为一项服务，可以交由相应的模块化组织去完成。

表5 聚类结果表

表6 模块划分结果与包含的活动内容

6 结语

本文主要探索建立模块化应急预案任务管理的建模思路，通过将应急服务流程中的流依赖以及资源共享依赖映射到设计结构矩阵DSM中，建立了优化聚类模型，并使用遗传算法对应急预案流程中的任务进行了优化搜索，建立模块化流程体系，选取了一个通用疏散应急预案模板的应急疏散流程，对流程进行模块化划分的结果显示，使用遗传算法对应急服务流程进行模块化划分具有可行性，并且较为合理的将不同功能的应急服务流程划分到不同的模块中。

研究结论的价值在于，通过对应急服务流程的模块化，将具有相同应急功能的流程聚为一类，在一定程度上提高应急管理的组织效率，为最终实现应急预案的计算机模块化管理奠定了基础。当然，要想真正实现这一目标，今后还需要进一步研究模块之间的协同作用机制，以便建立标准化接口。

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