基于信息熵的高铁基础设施养护维修管理体系研究

李 月，李建成

（1. 武汉铁路职业技术学院，铁道运输管理学院，武汉 430205）（2. 重庆交通大学，交通运输学院，重庆 400074）

0 引 言

顾建华[1]对高铁基础设施维修体系进行了综合分析，提出了高铁基础设施维修基地的组织体系，但是其组织体系仍停留在主观指导性建议层面，没有理论体系支持。可生存性系统模型VSM（Viable Systems Model）最早是Stafford Beer 于20 世纪70 年代在进行神经控制论和社会科学研究的基础上提出的，提出任何组织都应看作是可生存性系统的观点，并且进一步阐述了可生存性系统的内部功能构成关系，还给出具体设计系统的方法[2,3]。本文基于VSM 的基本思想和组织设计方法，通过对相关机构部门的糅合重组，构建高铁基础设施“三合一”养护维修管理体系，并通过组织体系结构熵模型对新体系做出定量评价，构建出研究适合我国发展的高铁基础设施“三合一”养护维修管理体系。

1 VSM 的基本思想和形式

1.1 多样性平衡

多样性在控制理论中是指系统可能出现的状态总数，系统的多样性越大，代表复杂性越高。高铁基础设施维修系统就是这样一个具有多样性的复杂大系统。多样性需求定理认为管理者的多样性至少应与所控制的系统多样性相等[4]。但在实际工作过程中，环境的多样性远远大于组织的多样性，组织的多样性也远远大于管理的多样性，这就存在多样性不平衡的现象。为解决这个问题Kadouch 提出了多样性平衡[5]，就是在管理、组织和环境之间建立“放大器”和“过滤器”来补充彼此之间的多样性差异。如图1 所示，“放大器”和“过滤器”是指为了增加或者减少多样性所采取的措施，具体到高铁基础设施养护维修管理体系中，就是利用增加管理的多样性而建立的综合养护维修小组、组织管理专家组、构建管理信息系统等；减少组织的多样性就是构建综合有效的部门、制定良好的养护维修计划、构建固定的管理模式等。

图1 多样性平衡过程

1.2 递归分解

根据多样性平衡的思想，需要构建足够多的“放大器”和“过滤器”来解决多样性不平衡的问题，而在实际作业中，没有足够的人力、物力和财力。为了进一步解决这一问题提出递归分解，构建组织的可生存性系统等级链，将在某一层次未能解决的环境多样性传递给上下层可生存性系统，从而达到适应环境多样性的目的[5]。如图2所示，最顶层的可生存性系统为了适应环境的多样性，递归分解到第二层可生存性系统，然后再逐次分解。这一系列的可生存性系统的结构和功能都是一样的，不论其出于哪个层次，都具有应对环境的多样性能力。

图2 递归分解过程

1.3 VSM 的基本形式

基于上述思想，得到组织的VSM 基本形式，包括两个子系统：操作系统和管理系统[6]。操作系统包括各种操作单元，实现组织目标的实际变换。管理系统包括：协调、控制、情报和政策系统，其中协调系统主要是协调工作过程中资源、费用和时间等冲突；控制系统主要是管理和控制操作系统中的操作单元，确保其正确执行各种指令并保持自身可生存性；情报系统主要是确立组织的未来发展的规划和目标；政策系统主要是确立组织未来的发展方向，也起到缓解控制系统的维持组织稳定和情报系统的关注未来发展的矛盾的作用，它们之间的关系如图3 所示。

图3 可生存性系统模型

2 基于VSM 的高铁基础设施养护维修体系

2.1 高铁基础设施养护维修现有管理体系

现有高铁基础设施养护维修部门仍与既有线基础设施养护维修部门统一在同一机构下管理，即整体管理方式和组织结构还和既有铁路保持一致，如图4 所示。实际工作过程中，高铁基础设施养护维修的技术标准是有别于既有铁路的，高铁基础设施的养护维修以及日常天窗维修的过程涉及电务段、工务段和供电段等部门的协同作业，因此将这些部门统筹规划形成专门的高铁基础设施养护维修基地是发展趋势；另一方面，高铁基础设施养护维修现有管理体制为三级结构，这样虽有利于上下级的沟通，但很多部门的职责分工并不明确，信息传递的准确性相对较差。同时有关高铁的部门种类繁多，可以相互糅合协调，减少资源浪费。

图4 高铁基础设施养护维修现有管理体系

2.2 高铁基础设施养护维修VSM 管理体系

根据VSM 的基本思想，构建图5 高铁基础设施综合维修VSM 体系，首先明确体系的目标和任务，主要包括能够满足日常的高铁基础养护维修和天窗工作；能够通过对目前的养护维修技术和高铁基础设施的研究工作，时刻更新现有设施技术下可能出现的问题和先进的养护维修技术；能够对出现的突发情况做出有效的协调应急处理。第二步是确定组织体系的递归层次，铁路总公司、铁路集团公司和高铁基础设施养护维修基地分别是每一层的控制系统，因此围绕它们分层构建可生存性系统，补充完善每一层次中的其他系统。最后是构建每一递归分解层次中间的情报、操作、政策和协调系统，还是沿用原来的管理部门和管理人员，但是必须将高铁基础设施维修管理部门从原有的部门抽离出来，再根据相应部门的职责重新整合，明确分工。

图5 高铁基础设施养护维修VSM 管理体系

3 高铁基础设施养护维修体系组织体系结构熵模型评价

3.1 结构熵模型计算方法

从广义系统的角度来看，熵是系统状态无序程度的衡量指标[7]。而组织结构的有序度就是在考虑系统信息传输的时效和质量时系统的有序度，用R 表示，R 越大则越优，可用下式计算：

式中，α、β 为时效和质量关于组织体系的权重系数。组织结构时效和质量的计算方法如下：

（1）组织的时效

信息在组织元素间的流通速度称为系统结构的时效，信息在组织元素间流通时效不确定性大小的度量称为系统的时效熵。如图6 所示的组织结构，设系统有n 个组成要素或部门，m 个管理层次。纵向上下级任意两个元素x、y 之间联系的时效熵 S ( Pxy)定义[8-11]为：

式中， Pxy为x、y 联系时的时效微观态实现概率，可由下式计算：

式中， Lxy是x、y 联系的最短路径，1N 是时效微观态总数。组织体系总的时效熵1S 定义为：

组织体系的时效1R 为：

式中，S ( Pxy)m=ln N1。

图6 体系组织结构

（2）组织的质量

信息传递质量是通过测量信息流通时的准确性大小来实现，质量熵是描述信息质量不确定性大小的标度[10-16]。组织体系中元素的质量熵S ( Px)为：

式中，xP 为第x 个元素的质量微观态实现概率。

组织体系的总质量熵 S2为：

系统的质量M 为：

式中， S2m=lnN2，N2是质量微观态总数。

3.2 组织体系熵模型计算

（1）时效熵计算

根据图4、5 中的高铁基础设施养护维修体系构架图构建出逻辑结构图，如图7、图8 所示。

图7 原有体系逻辑结构

图8 VSM 体系逻辑结构

由逻辑结构图7、8 计算得到两个体系的时效微观状态数据，见表1、2。联系长度就是不同层次元素间的最短距离，微观状态数就是联系长度和该联系长度元素数量合计的乘积。

表1 原有体系时效有序度

表2 VSM 体系时效有序度

（2）质量熵计算

由图7、8 得到各连接度组织结构的微观状态数和微观状态实现率，见表3、4。其中联系度就是与该元素直接相连的元素数量，微观状态数即联系度和该联系度的元素数量合计的乘积。

表3 原有体系质量有序度

表4 VSM 体系质量有序度

3.3 结果分析

组织结构有序度为R=αR1+βM，α 和β 的取值是依据每个组织体系结构来反复试验确定的。在高铁基础设施养护维修管理体系中，信息传递的质量比时效要稍重要，所以本文假设α =0.4，β =0.6，根据表1、2、3、4 中的数据，利用公式（1）～（8），可以得出两种体系的对比结果，如表5 所示。

表5 组织结构有序度对比

由上表结果可知VSM 体系的组织时效熵和组织质量熵都比原有体系小，说明VSM 体系在稳定性上要优于原有体系；原体系的组织时效与VSM 体系基本相同，说明两种体系信息的传递速度相同，VSM 体系维持了较好的组织时效；另外，因原有体系是自上而下的三级管理体系，顶端管理幅度大，部门种类繁多，职责不明，管理成本相对较高，导致原体系的组织质量不及VSM 体系；从整体的组织结构有序度来看，VSM 体系要高于原体系。综合表明，本文构建的高铁基础设施养护维修VSM 管理体系要优于原有体系。

4 结 论

高铁发展迅猛，但高铁基础设施养护维修管理体系仍在沿用既有铁路的，一体化的管理更为贴合。本文以VSM 可生存性系统模型为基础，通过对高铁基础设施维修现有体系的分析研究，对原有体系的三级管理成本较高以及部门种类繁多、职责不明等问题，结合工务、电务以及供电三个作业的协同合作性，利用VSM 的构建方法提出高铁基础设施养护维修VSM 管理体系，并通过构建两种体系的结构熵模型，结合组织体系有序度计算得到原有体系和VSM 体系的组织结构有序度分别为0.2063 和0.2105，可知VSM体系要整体优于原有体系。本文提出的高铁基础设施养护维修的管理框架，为将来的高铁综合一体化管理起到铺垫作用。