基于cas范式的南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈管理研究

基于cas范式的南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈管理研究

銀川市以東的水資源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的水資源系統(tǒng)，集河流流域、水源和目標(biāo)于一體。同時，它涉及五個省級部門（市）的水保護(hù)。在如此復(fù)雜的市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境中運(yùn)輸這一系統(tǒng)是中國水資源的分配和運(yùn)營管理尚未發(fā)現(xiàn)的新問題，也沒有外國經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。對江南工程合理、高效、便捷的水資源配置和配置方便的水資源進(jìn)行合理、合理、高效的規(guī)劃和設(shè)計，協(xié)調(diào)區(qū)域和部門之間的水資源需求，優(yōu)化區(qū)域水資源的配置，確保江南項(xiàng)目的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮江東項(xiàng)目的優(yōu)勢，對黃淮海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。在市場經(jīng)濟(jì)體制下,南水北調(diào)東線水資源配置與調(diào)度系統(tǒng)是一個復(fù)雜巨系統(tǒng).如果把其描述成網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)模式,以鏈上各個節(jié)點(diǎn)的供水方和需水方為主體,涉及水利部門與多個有自主行為和自身利益及目標(biāo)的中間環(huán)節(jié)的鏈狀系統(tǒng),這一系統(tǒng)的典型特點(diǎn)是具有復(fù)雜性、動態(tài)性和整體性.很顯然,該系統(tǒng)符合供應(yīng)鏈系統(tǒng)的諸多特點(diǎn),主鏈成員之間串型鏈接,子鏈網(wǎng)狀鏈接,通過供需協(xié)議,實(shí)現(xiàn)溝通與協(xié)調(diào),使整個水資源系統(tǒng)處于雙贏平衡狀態(tài),因而南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈?zhǔn)且粋€復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)(complexadaptivesystem,簡稱CAS).本文論述了南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈系統(tǒng)的復(fù)雜性,在分析供應(yīng)鏈系統(tǒng)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上,提出基于CAS范式下南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈系統(tǒng)管理模式,為南水北調(diào)東線水資源配置與調(diào)度問題的研究提供一個新思路.1通過供應(yīng)鏈管理優(yōu)化配置水資源,實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置與調(diào)度南水北調(diào)東線水資源配置與調(diào)度供應(yīng)鏈?zhǔn)窃谝欢ǖ奈锪?水流)、資金流和信息流下,供需雙方之間按照一定的結(jié)構(gòu)(主鏈鏈狀和子鏈網(wǎng)狀)進(jìn)行一系列活動(提水、輸水和供水),從而實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)這一既定目標(biāo),并使成本最小、效用最大而組成的網(wǎng)絡(luò).供應(yīng)鏈管理(supplychainmanagement,SCM)是指供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)內(nèi)部的計劃、設(shè)計和管理等活動,以及各環(huán)節(jié)相互之間的協(xié)調(diào),如物流、信息流、資金流的管理等.供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)包括供應(yīng)商、制造和組裝工廠、分配中心、零售商和最終客戶等組成的網(wǎng)絡(luò).在南水北調(diào)東線水資源配置與調(diào)度供應(yīng)鏈中,溝通與協(xié)調(diào)是供應(yīng)鏈管理中活的成分,良好的協(xié)調(diào)機(jī)制既能調(diào)動合作企業(yè)的積極性,又能實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈整體動態(tài)的優(yōu)化目標(biāo),不斷實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置與效率.2由于北海航線公司的復(fù)雜自適應(yīng)特性，2.1主體環(huán)境的適應(yīng)能力Holland教授于1994年在以“隱藏的秩序”(hiddenorder)為主題的演講報告中正式提出CAS理論.該范式以CAS為分析工具,其基本思想就是適應(yīng)性造就復(fù)雜性,強(qiáng)調(diào)主體與整體之間、微觀與宏觀之間的復(fù)雜關(guān)系.CAS范式對于認(rèn)識和解釋不同領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路和視角,已經(jīng)得到了不同程度的應(yīng)用和驗(yàn)證,成為學(xué)術(shù)界與企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn).CAS是由大量的根據(jù)各自行業(yè)規(guī)則或者模式相互作用的行為主體組成的系統(tǒng),它們以適應(yīng)的方式不斷地進(jìn)行學(xué)習(xí)和進(jìn)化,具有以下基本特征:(a)主體(agent):CAS中的成員稱為具有適應(yīng)性的主體;(b)模式(schema):指對一個CAS所受刺激進(jìn)行規(guī)范化的模型是由規(guī)范系統(tǒng)現(xiàn)時運(yùn)作和判斷系統(tǒng)下一步運(yùn)作的性質(zhì)進(jìn)而采取行動的一系列規(guī)則組成的;(c)混沌邊緣(edgedofchaos):指一個CAS運(yùn)行在有序和無序中間的相變過程中出現(xiàn)的有界非穩(wěn)定性的一種形式;(d)突現(xiàn)(emergence):指CAS中的行為主體根據(jù)各自行為規(guī)則相互作用所產(chǎn)生的沒有事先計劃但實(shí)際卻發(fā)生了的一種行為模式;(e)自組織(self-organization):指CAS系統(tǒng)中的行為主體在沒有任何統(tǒng)一的目標(biāo)要求它們干什么或者怎么干的情況下,根據(jù)各自的行為規(guī)則相互作用的過程;(f)自適應(yīng)(adaptive):所謂自適應(yīng)是主體能夠與環(huán)境以及其他主體進(jìn)行交流,在這種交流的過程中“學(xué)習(xí)”或“積累經(jīng)驗(yàn)”并且根據(jù)學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)改變自身的結(jié)構(gòu)和行為方式,適應(yīng)的目的是生存或發(fā)展;(g)動態(tài)(dynamic):CAS總是處在發(fā)生、發(fā)展、老化、突變……的過程中,整體特性有時甚至突然或神秘地改變,整體性能改變并不暗示一定有外力的作用存在.此外,CAS還有一些其他學(xué)科已為人熟知的特性,如非平衡態(tài)、反饋、整體大于部分之和、部分影響整體但整體也影響部分等.2.2節(jié)點(diǎn)湖泊的概化由上述可見,南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈管理具有CAS范式的特點(diǎn):a.結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.南水北調(diào)東線工程從揚(yáng)州市的江都抽引長江水,利用京杭大運(yùn)河及與其平行的河道逐級提水北送,并連接起調(diào)蓄作用的洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖,向山東等地送水,沿線涉及的城市和地區(qū)很多,受益的用水戶更是不計其數(shù).為了研究問題的方便,同時使得設(shè)計的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)不失一般性,將南水北調(diào)工程線路進(jìn)行概化,以調(diào)水線路上的各個調(diào)蓄湖泊作為節(jié)點(diǎn)企業(yè),南水北調(diào)東線水資源配置與調(diào)度供應(yīng)鏈的主鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示.在該供應(yīng)鏈主鏈結(jié)構(gòu)上的每一個節(jié)點(diǎn)湖泊周圍都存在一個網(wǎng)狀的供水系統(tǒng),所以在每一個節(jié)點(diǎn)湖泊周圍都存在一個子供應(yīng)鏈,我們將節(jié)點(diǎn)湖泊看作供方,周圍對用戶的供水系統(tǒng)概化成一個需方,其單節(jié)點(diǎn)概化如圖2所示.其中c為生產(chǎn)成本;p為買方價格;q為需方訂單;W(q)為需方付款;D(p)為價格敏感性市場需求.b.供應(yīng)鏈的龐大性.東線工程基本任務(wù)是從長江下游調(diào)水,向黃淮海平原東部和山東半島補(bǔ)充水源,與南水北調(diào)中線、西線工程一起,共同解決我國北方地區(qū)水資源緊缺問題,其主要供水目標(biāo)是解決調(diào)水線路沿線和山東半島的城市及工業(yè)用水,改善淮北部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)供水條件,并在北方需要時提供農(nóng)業(yè)和部分生態(tài)環(huán)境用水.供應(yīng)鏈的主體是由調(diào)水沿線的各個節(jié)點(diǎn)獨(dú)立或半獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)實(shí)體組成,這些主體對下級屬供方,對上級是需方,本身具有供需雙重功用.主鏈的始末端點(diǎn)比較特殊,僅具有供或需單重功用.這些主體之間具有競爭、合作、動態(tài)等多種性質(zhì)的供需關(guān)系.在市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下,南水北調(diào)水資源供應(yīng)鏈管理就是研究主鏈成員間、子鏈成員間和主子鏈成員間的合作與協(xié)調(diào),從而實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置與效率.c.供應(yīng)鏈系統(tǒng)的開放性.南水北調(diào)水資源供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)企業(yè)之間都有交互作用,同時它們與外界環(huán)境也有相互作用,尤其是受市場變化和宏觀調(diào)控的影響.整個供應(yīng)鏈會隨著外部環(huán)境的變化而不斷改善,從本質(zhì)上來說,在整個供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中體現(xiàn)了一種進(jìn)化的趨勢.可見,供應(yīng)鏈?zhǔn)且粋€開放、漸進(jìn)演化的系統(tǒng).d.供應(yīng)鏈系統(tǒng)的涌現(xiàn).涌現(xiàn)指的是系統(tǒng)各組成部分之間通過非線性相互作用而產(chǎn)生其組成部分或部分總和沒有的性質(zhì),這是系統(tǒng)最重要的特性.南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈恰如其分地體現(xiàn)了整體大于部分之和的思想,說明供應(yīng)鏈模式是主體競爭、協(xié)同發(fā)展過程中的一種突現(xiàn),因?yàn)閱蝹€主體或部分之和無法完成南水北調(diào)這一最終目標(biāo).e.供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)之間動態(tài)交互作用的復(fù)雜性.供應(yīng)鏈中所有主體之間存在復(fù)雜的信息流、物流(水流)和資金流的交互作用,存在競爭、協(xié)同的關(guān)系.為了實(shí)現(xiàn)整條供應(yīng)鏈效用最大化,需要主鏈、子鏈、主子鏈集成和信息共享,力求達(dá)到整條供應(yīng)鏈全局的動態(tài)最優(yōu)目標(biāo).3基于swrt的流程模型基于CAS理論,美國圣菲研究所(SantaFeInstitute,SFI)開發(fā)出一個復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)仿真的多主體軟件工具集,其仿真軟件平臺Swarm是用來幫助分析復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng),可以用于經(jīng)濟(jì)、生物、生態(tài)、地理、國防等諸多領(lǐng)域.Swarm的整個思想是提供一個執(zhí)行環(huán)境,在這個環(huán)境中,大量的對象能夠“生活”,并以一種分布式的并行方式互相作用.在Swarm上的很多工作并不僅僅是為了使并行性的任務(wù)易于管理,而是建立一種機(jī)制,使人們意識到在它們的實(shí)驗(yàn)裝置中多個時間線程是如何互相作用的.Swarm支持分級建模方法,在嵌套結(jié)構(gòu)中,某個體可由其他個體的Swarms組成.Swarm提供了面向?qū)ο蟮目芍赜媒M件庫,用來建模并進(jìn)行分析,顯示以及對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制,考察和研究系統(tǒng)的行為和演化規(guī)律.在這種框架下,Swarm的使用者不必花費(fèi)精力在特定模型的實(shí)現(xiàn)上.Swarm模擬的基本單位是個體,一個個體就像系統(tǒng)中的一個演員,它能夠產(chǎn)生動作并影響自身和其他個體.模擬包括幾組交互作用的個體.用Swarm軟件建模的重要機(jī)制就是通過適應(yīng)度來求解均衡結(jié)果.具有適應(yīng)性的主體(即局中人)通過遺傳算法或其他進(jìn)化算法所刻畫的學(xué)習(xí)過程使得自己的策略不斷向均衡解靠近.這一策略得出過程生動地表現(xiàn)了主體對環(huán)境的不斷學(xué)習(xí)和主動適應(yīng)等特點(diǎn).一個Swarm包括兩大部分:模型Swarm和觀察員Swarm(圖3).其中模型Swarm又包括兩個部分:個體和時間表.個體定義了Swarm系統(tǒng)中的基本對象,即模擬部件.時間表是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),定義了各個對象的獨(dú)立事件發(fā)生的流程,即各個事件的執(zhí)行順序.在Swarm中,時間表通過規(guī)定特定的行為在特定的時間發(fā)生,可以科學(xué)地解決實(shí)驗(yàn)對象行為的順序性、同步性等問題,這一點(diǎn)在不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)模擬時尤為重要.模型Swarm通常指程序部分,而觀測員Swarm通過圖形用戶界面同普通用戶發(fā)生聯(lián)系,形象地說它是一個觀察和測量的儀器.一個觀測員Swarm主要包括3個組成部分:實(shí)驗(yàn)儀器、時間表和輸入輸出.其中,不同的仿真實(shí)驗(yàn)需要不同的實(shí)驗(yàn)儀器.觀測員中的時間表安排從模型Swarm中讀出數(shù)據(jù),形成結(jié)果(通常是一些圖表,如柵格圖、線性圖……).輸入輸出是模型同用戶進(jìn)行交流的橋梁,供用戶配置實(shí)驗(yàn)參數(shù)、生成所需要的圖表,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.用Swarm建立南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈仿真模型,有以下特點(diǎn):a.實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)東線水資源的配置與調(diào)度效用最大化是一個漸進(jìn)演化完善的過程,在以“溝通與協(xié)調(diào)”代替“技術(shù)經(jīng)濟(jì)尋優(yōu)”思想指導(dǎo)下,實(shí)現(xiàn)資源的相對有效配置是一個自組織學(xué)習(xí)過程,是在不斷打破舊的平衡基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的.Swarm基于非均衡論,將微觀與宏觀統(tǒng)一起來.傳統(tǒng)的理論模型都重視最優(yōu)化,要求主體的行為在給定的環(huán)境下是最好的,并且主體知道所有的信息,這些假設(shè)都與現(xiàn)實(shí)存在偏差.Swarm放棄了嚴(yán)格的條件假設(shè),使用遺傳算法等進(jìn)化算法做出更符合實(shí)際的決策.b.Swarm依據(jù)的理論基礎(chǔ)是非均衡論,而且是隨機(jī)變動的,其仿真模型是非線性的,使得系統(tǒng)本身具有自適應(yīng)性,模擬結(jié)果更接近真實(shí)情況.c.信息不完全往往是困擾水資源復(fù)雜大系統(tǒng)運(yùn)營的重要因素之一.Swarm的原理是通過信號傳遞,主體通過接受信號確定自己的收益,進(jìn)而調(diào)整自己的策略,并不需要建立聯(lián)立方程計算,而是通過遺傳迭代等進(jìn)化算法模擬主體對環(huán)境信號的適應(yīng)過程,并且,由于系統(tǒng)的環(huán)境變量將通過微觀主體的自適應(yīng)過程得到合理修正,這使得Swarm對外生初始變量值的要求不高.由此可見,用Swarm建立南水北調(diào)東線水資源供應(yīng)鏈仿真模型是可行而且有效的.4采取有機(jī)結(jié)合點(diǎn)探索南水北調(diào)東線水資源配置與調(diào)度供應(yīng)鏈可以看作是一個具有適應(yīng)性的、主體構(gòu)成的、處于不斷演化過程中的復(fù)雜系統(tǒng).本文從管理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度分析南水北調(diào)東線水資源配置與調(diào)度,這一問題是學(xué)科交叉的有機(jī)結(jié)合點(diǎn),為合理有效地找到問題的落腳點(diǎn)提供了更廣闊