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论文阅读 (48):A Library of Optimization Algorithms for Organizational Design

2022-06-23 16:49:48因吉

0 概述

0.1 题目

  2005Levchuk:用于组织设计的优化算法库 (A library of optimization algorithms for organizational design)

0.2 背景

  介绍用以解决各组织规范设计中广泛出现的优化问题算法库,以满足特定任务的需要。设计过程不同阶段的特定优化算法的使用,引发了任务结构与组织、资源/约束之间的有效匹配问题。该算法库构成了所设计软件环境的核心,用于综合与其任务一致的组织。这允许分析者在多个目标和约束中获得可接受的权衡,且满足计算复杂性与解决方案效率的要求。

0.3 Bib

@techreport{
    Levchuk:2005:library,
author		=	{
    Georgiy M Levchuk and Yuri N Levchuk and Jie Luo and Fang Tu and Krishna R Pattipati},
title		=	{
    A library of optimization algorithms for organizational design},
institution	=	{
    Connecticut Univ Storrs Dept of Electrical Engineering and Computer Science}
year		=	{
    2005},
}

1 引入

1.1 动机

  最佳组织设计问题 (optimal organizational design problem) 是找到使得允许组织在进行特定任务时实现卓越性能的最佳组织结构 ( 例 如 决 策 层 次 结 构 、 对 决 策 者 ( d e c i s i o n − m a k e r s , D M s ) 的 资 源 与 职 能 分 配 , 以 及 通 信 结 构 ) _{例如决策层次结构、对决策者 (decision-makers, DMs) 的资源与职能分配,以及通信结构)} (decisionmakers,DMs))策略 ( 例 如 D M s 任 务 分 配 , 任 务 执 行 序 列 ) _{(例如DMs任务分配,任务执行序列)} (DMs)。近年来,在组织决策中的研究表明,任务环境的具体结构与伴随的最佳组织设计之间存在强大的功能依赖。随后,相关研究表明,组织设计的最优性最终取决于实际的任务参数 (和组织限制)。 这个前提导致系统工程技术在人类队伍设计中的应用,进而倡导使用规范性算法来优化人类团队的表现。

1.2 相关研究

  在复杂任务建模和相应组织设计时,各种任务尺寸 ( 例 如 功 能 、 地 理 、 地 形 ) _{(例如功能、地理、地形)} () 以及所需的模型粒度的深度确定了设计过程的复杂性。我们的任务建模和组织设计方法允许通过迭代解决方案的一系列较小与良好的优化问题,以综合解决方案来克服计算复杂性。这些方法用于指定本人于1999所提概述中的、用于组织设计的软件环境,以帮助用户处理复杂的任务并综合组织。该软件环境的组件结构允许分析者在设计过程的不同阶段混合和匹配不同的优化算法。所囊括的任务建模与3阶段迭代组织设计过程如图1。具体地,3阶段设计过程解决了3个不同的子优化问题。

图1:3阶段组织设计

1.2.1 规划阶段 (scheduling phase)

  建立关于任务–资源分配 (task-resource allocation) 的优化问题,其所依托的术语为平台到任务 (platform-to-task) 的分配矩阵,优化目标 ( 例 如 任 务 完 成 时 间 , 或 者 完 成 时 间 、 准 确 性 、 工 作 负 载 、 资 源 消 耗 , 以 及 外 部 协 调 等 组 合 ) _{(例如任务完成时间,或者完成时间、准确性、工作负载、资源消耗,以及外部协调等组合)} ()则是在约束条件 ( 例 如 分 配 、 _{(例如分配、} ( 资 源 可 用 性 、 _{资源可用性、} 平 台 速 度 、 _{平台速度、} 以 及 图 形 − − 相 关 _{以及图形--相关} ( 例 如 优 先 级 和 同 步 ) ) _{(例如优先级和同步) )} ())下的最小化。

1.2.2 聚合阶段 (I) (clustering phase)

  建立关于DM–资源分配的优化问题,其所依托的术语为DM–平台分配矩阵,优化目标 ( 例 如 最 大 内 部 和 _{(例如最大内部和} ( 外 部 工 作 负 载 的 加 权 总 和 _{外部工作负载的加权总和} , 或 者 D M 的 数 量 、 _{,或者DM的数量、} DM D M 的 经 验 、 _{DM的经验、} DM 可 用 平 台 , _{可用平台,} 以 及 居 民 资 源 的 组 合 ) _{以及居民资源的组合}) )则是在分配与DM工作量约束下的最小化。

1.2.3 结构优化阶段 (II) (structural optimization phase)

  建立关于组织层次结构 (organizational hierarchy) 的优化问题,其最终的表述形式为树,树中的链接表明支持与被支持关关系。优化目标 ( 例 如 直 接 ( 一 对 一 ) 和 间 接 协 调 _{(例如直接 (一对一)和间接协调} (() 引 起 的 最 大 层 次 工 作 负 载 , _{引起的最大层次工作负载,} 或 者 D M 间 的 有 效 链 接 数 、 _{或者DM间的有效链接数、} DM 组 织 层 级 结 构 的 深 度 , _{组织层级结构的深度,} 以 及 信 息 流 的 组 合 ) _{以及信息流的组合)} )在图相关约束 ( 例 如 信 息 访 问 、 _{(例如信息访问、} (访 层 级 结 构 ) _{层级结构)} )下的最小化。

1.2.4 在线适应阶段 (III) (on-line adaptation phase)

  在资源或决策节点故障的时,将分支定界 (branch-and-bound) 方法应用于任务资源调度的首选项矩阵,从而生成下一次最佳分配,这将涉及新的任务资源分配策略。这种策略使得适应选项得以快速高效运行;动态调度帐户用于在线更正,而无需完全解决问题;如果新获得的任务资源调度矩阵与组织约束不匹配,阶段II和III将生成全新的组织结构。在这种情况下,阶段II将具备演变机制,即通过重新组合旧平台组获得平台集群,而不是从零开始的异世界。最终,如果无法生成可行的组织结构,当前任务将被迫终止

1.3 文章布局

  章节2提供任务建模与组织设计环境的总览,章节3描述包含3个阶段的优化算法,章节4进行总结并做出展望。

2 多目标优化与组织设计软件环境

  近日,本人已经开展了在软件平台上的模型设计与部署以自动化组织设计过程,其允许用户的自定义更改在设计过程的不同阶段中进行迭代。为了辅助分析者,我们的软件环境可以用于展示组织性能指标、表征任务目标的实现,以及指定感兴趣组织元素的载荷分布。
  所设计的软件环境包含以下七个关键构件
  1)资源描述 (asset/resource description);
  2)DM解析 (DM structure profiler);
  3)任务建模 (mission modeling);
  4)性能标准 (performance criteria/measures);
  5)规划生成 (schedule generation);
  6)资源分配 (resource allocation);以及
  7)层级结构 (hierarchy construction)。

图2:软件环境架构

2.1 模型架构

  所设计软件环境的前三个构件用以辅助分析不同时间复杂度下的任务建模与组织约束,其结果将作为设计过程的输入,性能标准构件则用于明确设计过程的优化目标,且定义了一个结合任务目标与设计参数的损失函数。

2.2 优化构建与算法设计

  软件环境的后三个构建允许分析者对组织结构进行逐步设计,同时在设计过程的各个阶段实施用户定义的设计修改,以调整组织的性能标准。特别地,规划生成构件生成I阶段适配的任务资源分配方案。资源分配构件 (II阶段) 通过对平台进行分组来定义DM功能,并在内外协调之间提供平衡。层级结构 构件 (III阶段) 导出组织层次结构,以尽量减少由于层次结构引起的间接外部协调的工作量。
  通常而言,规划生成、资源分配,以及层级结构三个部分均属于NP难问题。因此,有必要设计高效的启发式方法以解决大规模问题。我们的软件环境则允许在不同的设计阶段施加不同的算法以处理特定问题。多个算法的迭代允许我们在设计目标之间可接受的权衡下,同时优化多个性能标准。
  组织结构是设计过程的结果,它通过指定组织实体之间的关系来规定:
  1)任务-资源规划;
  2)DM-资源分配;
  3)DM组织层级;
  4)DM间协调结构。
  组织结构通过分配每一个DM所掌控的信息与资源,为其赋予了相应的能力,并为DM间的协调制定规则。组织结构与一组限制DM工作量的阈值一起,共同确定了可行的组织策略 (即所有可行的DM-任务-资源分配和协调策略) 的空间边界。组织可以从中选择特定的策略用于实施。可行的战略空间界定了组织可以进行的战略调整,而无需进行重大的结构重组。

3 优化算法库

  本节介绍组织设计软件环境中使用的优化算法库。该库在不断发展,并且正在添加新的算法和性能标准,以扩大软件环境的适用范围。

3.1 调度 (scheduling)

3.1.1 问题定义

  调度关注随着时间的推移将有限资源分配给任务。资源和任务的形式多样,例如资源可以是平台、人类团队、监控资产、信息资源等,任务则可以是飞机的起飞与着陆、评估与决策、操作性与信息性。它们可以是汇聚的或者独立的、进攻的或者防卫的,每个任务都有自己的优先级及机会窗口。
  调度是一个决策过程,其需要优化一个乃至多个优化目标,这些目标也需要处理很多平台。一个可能的目标是最小化任务完成时间,其它则是违反任务期限。
  优化设计过程的调度可以大致描述如下。一组具有指定处理时间、资源需求、位置和优先级关系的任务需要由一组给定的具有指定资源能力、操作范围和速度的平台执行。资源需求和资源能力通过相同长度的向量表示,每个条目对应于特定的资源类型。任务分配给平台组的方式是,对于每个这样的分配,任务的资源需求向量的每个组成小于或等于分配给它的平台组的聚合资源能力。只有当所有前任都完成并且分配给它的组中的所有平台都到达其位置时,才能开始处理该任务。一个资源只能同时分配给一个任务。平台将在任务之间路由,以使整体完成时间 (称为任务完成时间——最后一个任务的完成时间) 最小化

3.1.2 例子

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

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