基于分形理论的应急物流系统研究

基于分形理论的应急物流系统研究内容内容摘要：本文以分形理论为基础，介绍了应急物流的自类似嵌套式分形构造，给出分形应急物流系统的构建经过。文章根据分形系统条理性、自类似和自优化的构造特点，重点研究分形应急物流系统在突发事件多变环境下的快速重构问题。本文关键词语：应急物流系统分形自优化分形应急物流系统是为了解决复杂的应急物流问题，在分形理论的基础上提出来的，其核心思想在于增长应急物流系统应对突发事件的快速反应能力，实现资源的最优化配置，加强救援保障能力。分形应急物流由不同条理上的相对独立的分形单元构成，它们具有一定的类似性并能够根据应急物流的总体目的进行自组织、自优化、自设计。分形理论分形〔fractal〕该词是mandlebrot为了表征复杂图形和复杂经过将拉丁文fractus转化后引入天然科学领域的，其原意具有不规则、支离破碎的物体。mandlebrot对分形给出了两个定义：定义1：假如一个集合在欧氏空间中的hausdoff维数dh恒大于其拓扑维数dt，即dhdt，则称这个集合为分形集，简称为分形。定义2：构成部分以某种方式与整体类似的形体叫分形。分形特性中，最主要的一个特征是它具有自类似性。所谓自类似，是指系统的总体和部分之间，这部分和那部分之间具有的类似性。英国数学家falconer列出了分形集合的五条非确定性的特性：精细构造，非常不规则，具有某种形式的自类似性，其“分形维数〞常大于拓扑维数，一般能够简单地递归定义。应急物流的分形构造物流的性质能够划分为固有性质和非固有性质两类。物流的固有性质是指物的实体〔party〕性质和运动〔flow〕性质；物流的非固有性质包含物流效劳〔service〕、管理〔management〕、技术〔technology〕和经济〔economy〕四个方面。物流固有性质是物流非固有性质选择优化的客观对象，而非固有性质揭示了固有性质效率改善的实质，提供了其选择优化的途径和方法。从物流的性质来看，物流中的任何物流活动都应包含主体〔party〕、物质〔material〕、运动〔flow〕三部分，且在物流中存在以pmf为分形单元的自类似嵌套式构造。应急物流是为应对突发事件的特殊物流，同样具有一般物流的固有和非固有性质。应急物流系统具有一次性和临时性的特点，应急物流需求和供应在突发事件发生前是不确定的，其组织构成如、商业物流中心、企业等，必需在突发事件发生后才纳入应急物流系统中，各层应急物流活动都拥有物流的一般pmf构造。因而，应急物流系统及其子系统存在多层pmf，能够有更低条理的自治pmf构造。用嵌套形式来表示应急物流的分形构造体系，如此图1所示。由此可见，应急物流整体与部分以及各部分之间存在构造和功能上的自类似，即每一条理的应急物流活动都包含人、物和运动。除了在功能构造上自类似，各应急物流分形在目的方面也是自类似的，每一个应急物流子块单元都是上一层单元的一个分形，因而其目的与整体应急物流目的是一致的，就是要实现对突发事件的应急物资保障。除此之外，还有应急物流分形行为规范的自类似，固然不同的应急物流分形单元有着不同的作业标准和业务流程，尤其是拥有不同核心能力的加盟物流企业，其行为规范难以构成统一标准，但随着现代物流和应急物流发展的需要，将会逐步构成统一规范的物流标准，包含物流基础设备标准、物流设备标准、物流信息交换标准、物流作业标准和物流管理标准等。应急物流构造的自类似性强调自治，目的的自类似性强调自律，行为规范的自类似性强调协同。应急物流系统内包括若干相对独立的物流子块单元，这些子块单元在构造、目的、行为规范等方面的一定水平上是包括着整体的信息，是整体的缩影，这种应急物流自类似嵌套式构造体系能够称为应急物流分形，应急物流分形体系内子块单元称为应急物流分形单元。每个应急物流分形单元的活动空间是由目的、资源、约束三个坐标轴构成的三维空间，如此图2所示。图2中表示应急物流分形单元有两种位置，“●〞表示应急物流活动的合法位置，在这里范围内可履行应急物流任务；“○〞表示物流活动的非法位置，超越了履行范围。活动空间表示应急物流分形单元的自治权，自治权大小随活动空间的变化而变化。其中，目的坐标轴表示应急物流的运作策略，通过定义总体目的和分形单元目的自类似，全部分形单元具有共同的总目的，使得各分形单元在高度自治的基础上又具有附属性，保证分形单元的协调运作；应急物流以提供突发性天然灾祸、突发性公共卫生事件等突发性事件所需应急物资为目的，以寻求时间效益最大化和灾祸损失最小化为目的。资源坐标轴表示应急物流能力，即应急物流实体能提供的应急物流效劳的能力，分形单元只要在一定的资源基础上能力履行应急物流任务，能够自组织和自优化，实现资源最佳配置。约束坐标轴表示限制应急物流系统的目的实现的各种客观条件，如信息约束、时间约束、运载能力约束等，表示分形单元实现应急物流目的和能力上的可能性大小。分形应急物流系统〔一〕分形应急物流系统的构建分形应急物流系统是以应急物流目的为驱动，以分形理论为指点，针对突发事件复杂环境下应急物流资源协调的要求，实现应急物流组织体系中各成员的协作连续优化的协调控制系统。系统的构建重要有下面几个步骤：1.确定分形单元的活动空间。即确定目的、资源与约束。根据突发事件的危害水平、范围等因素，确定应急事故等级，由责任区低等级批示部先响应，责任区应急物流能力不足，则恳求上一级应急物流批示部开展应急响应，逐级响应，确定应急物流响应最高级别。将整体目的逐一分解，构成不同条理的子目的，启动相关层级和相关部门应急预案，确定应急物流的任务。应急物流系统的构建和运作始终围绕应急物流的目的展开。2.构建应急物流分形单元。分形的一个主要特征是自类似性，在分形单元的构建中，通常把所有分形单元胞看成一个个节点，任意两个分形单元的类似度用两节点间的间隔l表示，定义类与类之间的间隔lb，要求某一类中任意两个节点间的间隔都小于lb，把所有节点不反复地放在不同类中；所有的节点都分配到其中一类之后，再把每个类用单个节点来表示，称为重构节点，这就得到了一个新的网络，这种重构经过一直进行下去，直到整个网络被归约为单个节点。应急物流分形单元的重构经过要求首先根据应急物流的整体目的和子目的确定应急物流分形单元重构规则，重构规则能够按物资种类、按应急响应的效劳等级、按应急响应组织的等级构造、按突发事件区域等进行选择，前提是与应急物流总体目的相适应；然后根据重构规则，建立分形单元类似度评价指标集，指标集可分为组织构造类、运作形式类、分享平台类等，应急物流能够先建立一套基础指标体系，而在战时针对突发事件需要部分修改，这样就能构成一套比较细致、精确用以刻画分形单元类似度的标尺；最后，根据指标集的分形单元数据，采取具有分形特性的自类似度评价算法，重构应急物流系统。重构的基本原则是将有较大类似性的分形单元归为同一类，而将差别较大的分形单元归入不同的类。在分形单元的聚类中，需要研究分形单元之间的关系。能够使用分形维数的方法，分形维数是刻画某个客观事物复杂水平的标准，将每一个分形单元看作p维空间的一个点，并在空间定义间隔，间隔较近的点归为一类，间隔较远的点则属于不同的类。对不同评价指标计算它们的类似系数，性质越接近的评价指标，它们的类似系数越接近于1，相关性越小的评价指标的类似系数越接近于0。将类似系数较大的评价指标归为一类，类似系数较小的评价指标属于不同的类。设xik(i=1,2,λ,n;k=1,2,λ,p)为第i个样品的第k个指标的评价数据。即有n个同级应急物流分形单元，有p项评价指标，则每个分形单元都能够看成p维空间中的一个点，n个分形单元就是p维空间中的n个点，定义dij为分形单元i与分形单元j的在空间的间隔，得到一个n×n的间隔矩阵：d=(dij)n×n。分形单元的聚类基于此间隔矩阵进行，空间上各点之间的间隔能够使用欧氏间隔。类与类之间的间隔计算能够使用离差平方和法，同类分形单元之间的离差平方和较小，类与类之间的离差平方和较大。对应急物流分形单元进行聚类时，分形间的“类似〞水平能够用间隔来刻画。分形单元聚类常用的方法是在分形单元间隔的基础上定义类与类之间的间隔，首先将n个分形单元分成n类，每个分形单元自成一类，然后每次将一定间隔内的分形单元合并为一类，这里忽略lb的设置，每次合并间隔近期的两类为一个新类，合并后从新计算类与类之间的间隔，这个经过一直继续到所有的分形单元归为一类为止，由这个经过能够得到一张聚类图，通过聚类图可方便的进行分类。根据上述分析，分形单元聚类的基本步骤如下：计算n个分形单元两两间的间隔，记作dij；构造n个类，每个类只包括一个分形单元；合并间隔近期的两类为一新类；计算新类与当下各类的间隔，若类的个数等于1，转到步骤五，否则回到步骤三；画聚类图；决定类的个数和类。以上从分形单元集聚方面说明应急物流系统的重构。实际中，分形单元间既有集聚也有分裂。每个分形单元有自适应自组织性，能够根据其它分形单元的行为或环境的变化，不断进行学习和修改。3.履行。应急物流分形单元进行应急物资获得、运输、储存、装卸、搬运、包装、配送以及信息处理等详细应急物流活动。各分形单元既能够自立运作完成应急物流子任务，可以以集成和协调，作为一个整体协作运行。4.反应。针对突发事件的处理进展，分阶段对应急物流的运作情况进行评估，调整及修正应急物流目的。评估内容包含时间大概情况、现场调查处理概括、物资补充情况、所采用办法的效果、应急物流运行中存在的问题和经历体验及改良建议。5.清算与解体。应急物流任务结束后，分形应急物流系统解体，各加盟物流单位恢复正常生产、运作。在解体前，应急物流中心要对加盟物流单位按合作协议进行各项清算。分形应急物流系统构建框架如此图3所示。分形应急物流系统能够分为三个条理，第一个条理为分形单元的自优化条理，重要设计到应急物流系统微观层面上的优化，如企业的自组织和自优化；第二条理为分形单元的构造优化条理，重要牵涉到分形单元构造和应急物流系统加盟成员的调整和重构；第三条理为供给链的战略优化条理，重要牵涉对应急物流战略目的的调整、资源和约束的从新定义和划分。〔二〕分形应急物流系统的构造特点分形应急物流系统可定义为：分形应急物流系统是由若干应急物流分形单元构成的系统，通过目的驱动机制，各分形单元能够快速反应协作，适应突发事件环境变化。应急物流分形单元是指能完成一定的应急物流任务，具有自类似、自组织、自优化等功能的物流活动，是分形应急物流系统的基本构成单位。分形应急物流系统的构造是动态的，其动态变化包含两个方面：在平常，应急物流系统随现代物流稳定演变发展；在碰到灾祸时，根据突发事件实现应急物流系统快速重构。分形应急物流系统由若干相对独立的分形单元构成，每个分形单元还可划分下层分形单元，包括若干下层分形单元，下层分形单元受上层分形单元控制，并将其运行结果反应回上层分形单元，分形应急物流系统的控制模型如此图4所示。分形应急物流系统具有的条理性和自类似性。系统的最上层是控制单元，其组织通常为应急物流中心，它的功能职责是根据突发事件状况、应急救援需求等因素，定下救援目的、拟制应急物流计划，并对下级分形单元提出任务要求；下层能够细分为几个互相协作的分形单元。相对于上一层的分形单元，下层分形单元的功能职责和组织形式更明确，每一个分形单元又把自己的功能进一步细化，以此类推。随着功能职责的不断细化，分形单元的构造也越来越精细化和简约，直至分解到单个的分形元胞。同层内的分形单元具有不同的本能机能分工，通过协作来完成上一层分形单元所交给的任务。分形应急物流系统运作的协调度有赖于分形单元间的类似度。分形单元间的构造类似度越大，其运作形式上类似度越大，应急物流系统的运作协调性越好，系统重构后所需付出的协调成本越低。结论分形理论是研究天然界和人类社会中