基于双层多目标规划模型的网络信息资源生态配置_目标函数论文

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      根据中国互联网络信息中心于2015年2月3日发布的《第35次中国互联网络发展状况统计报告》，截至2014年12月，我国IPv6地址数量为18 797块/32，年增长12.8%；域名总数增至2 060万个，年增长11.7%；网站数量为335万个，年增长4.6%；网页数量为1 899亿个，年增长率为26.6%。具体到每个省的数据：域名数量位居前三的是广东（3 904 905个、占总数的19.0%）、山东（3 041 693个、占总数的14.8%）、上海（1 023 124个、占总数的12.9%），排在末尾后三位的是西藏（8 645个、占总数的0.0%）、青海（15 940个、占总数的0.1%）、宁夏（22 989个、占总数的0.1%）；网站数量前三位的为广东（532 787个、占总数的15.90%）、北京（457 032个、占总数的13.6%）、上海（314 374个、占总数的9.4%），排在末尾后三位的是西藏（965个、占总数的0.0%）、青海（2 111个、占总数的0.1%）、宁夏（3 665个、占总数的0.1%）；去重后网页总数排在前三的有北京（55 161 533 346）、广东（30 218 300 072）、江苏（1 451 157 211），排在最后三位的是西藏（2 015 345）、青海（8271386）、宁夏（17 335 676）[1]。由此可见，我国网络信息资源的数量是巨大的，并且保持着蓬勃的发展势头，但省与省之间的差距也是十分明显的。总体而言，东南沿海地区要远远高于西北、东北等地区。如何消除如此巨大的网络信息资源配置鸿沟，是摆在我们每一位信息工作者眼前的问题。本文基于信息生态理论，引入双层多目标规划模型方法，就网络信息资源生态化配置问题展开研究。

      1 研究现状与可行性分析

      1.1 网络信息资源优化配置研究现状

      国外学者对网络信息资源配置的研究主要有：Johari R等人[2]引入价格机制研究如何实现网络信息资源配置的效用最大化。Moore J C[3]对网络信息资源配置如何以最小的成本获取尽可能多的效益的问题进行研究。美国学者夏皮罗和瓦里安在详细分析了网络信息环境的特点后，提出近几年网络信息总量的增长与网络信息的消费之间的关系揭示了“信息马尔萨斯定律”，即信息供给呈指数增长时，信息消费只是保持了线性增长[4]。英国学者Muir A与Oppenheim C撰写的关于在全世界范围内国家信息政策发展的文章从信息政策角度研究了网络信息资源配置[5]。

      随着因特网在中国的兴起，国内学者亦围绕网络信息资源配置展开了一系列研究。查先进[6]、胡昌平[7]等专家对网络信息资源优化配置的意义与原则进行了深入研究；马费成、靖继鹏[8]从网络信息商品的特有属性出发，分析网络信息商品的价格形成机理，考察网络信息市场的资源配置效率，探讨网络信息市场的结构和运行机制。以周丽霞[9]和蔡宇宏[10]为代表的学者分别从影响因素角度与信息政策角度对网络信息资源配置进行研究。这些研究都为随后展开的应用性研究提供了坚实的理论基础。吴涛[11]等人提出基于价值链过程的模糊信息资源配置模型。陈明红先后引用囚徒困境博弈理论[12]、结构方程模型[13]、复杂系统理论[14]构建网络信息生态系统信息资源配置模型。

      1.2 双层多目标规划模型应用研究现状

      自20世纪70年代中后期以来，国内很多学者开始关注在经营管理、资源配置及区域规划等领域中经常遇到的一类问题，即存在一种具有多决策者卷入，各决策者的目标函数不止一个，决策者之间存在双层递进关系的系统——双层多目标规划问题[15]。

      目前，双层多目标规划模型已被多个领域广泛应用，如吕智林等人[16]同时考虑出行成本和环境成本，提出了采用双层多目标规划模型来描述城市快道路网的匝道控制与污染控制问题；何宇强等人[17]通过对不同类型列车的客流平衡条件进行分析，得出不同类型列车的广义费用函数，并建立客运专线列车开行方案的多目标双层规划模型；姚鹏程[18]从系统的角度，运用经济学的市场供需原理，引入双层多目标规划模型，分析PPP项目在市场中如何实现最优投资决策；吕一兵[19]从自然生态环境角度出发，以提高水资源质量与经济效益为目标，采用双层多目标规划理论，建立水资源优化配置模型。以上4篇论文的共同之处为运用双层多目标规划模型解决各相关领域内资源的优化配置问题，该模型在解决资源优化配置问题方面具有一定的优势。

      1.3 基于双层多目标规划模型研究网络信息资源生态化配置的可行性

      双层多目标决策问题是单层多目标决策和双层单目标决策的结合，这种模型更能描述管理部门的阶层关系，更全面地体现决策者的意愿。双层多目标规划模型分为上下两层目标函数，并且目标函数可为多个，上下两层之间相互作用，得出最佳决策方案。目前，双层多目标规划已有效地解决了多领域内资源的优化配置问题。

      网络信息资源生态化配置是利用生态学的观点对网络信息资源进行优化配置，以实现网络信息生态系统的平衡性与和谐性，不仅在宏观的国家层面以最小的投入实现尽可能大的经济效益与社会效益，而且在微观层面使每位用户以最小的投入获取尽可能大的回报，这正符合双层多目标规划模型的应用范围。引入双层多目标规划模型研究网络信息资源生态化配置问题，可以为网络信息资源管理部门实现经济效益与社会效益的最大化寻找一条新的研究途径，在用户实现自身知识结构的优化、信息素养与创新能力的提高等方面发挥作用，使网络信息生态系统更加和谐。因此，本文将构建网络信息资源生态化配置双层多目标规划模型来研究网络信息资源生态化配置问题。

      2 网络信息资源生态化配置

      目前各位专家学者对“信息资源配置是有效利用信息资源的关键”[20]这一理念已基本达成共识。网络信息资源配置的依据是用户对网络信息资源的需求，以网络信息资源配置效果的好坏与效率的高低来衡量配置水平，对当前的网络信息资源分布和分配预期进行调整，最终达到信息资源可以在不同的需求者之间进行合理分配的过程[21]。

      随着互联网各种应用的飞速发展，网络信息生态系统的构成要素和相互作用关系日趋复杂化。在网络信息资源配置过程中，不但要以效率和效果为指针，还要考虑配置后网络信息生态系统的和谐性和平衡性。目前我国网络信息资源在地域上分布的极端不均衡性，是配置低生态性的体现。无论从国家层面的宏观网络信息资源配置，还是具体系统的内部资源配置，在当前的网络环境中，都要重视信息生态问题，对网络信息资源进行生态化配置。

      网络信息资源生态化配置根据国家和地区的经济文化发展层次，以及具体区域环境内信息人对网络信息资源的需求量和需求内容，追求网络信息资源配置的平衡性、前瞻性、高效性和人性化，调控网络信息资源的分布，实现网络信息资源分配和利用的动态平衡与可持续发展，促进网络信息资源的生态化分布，最终达到社会效益、经济效益与用户自身效益最大化的目的。

      对网络信息资源进行生态化配置有利于推动我国网络信息资源总量的增加、质量的提高、结构的优化，发展壮大网络信息资源产业；有利于提升全社会网络信息资源开发利用的水平，提高信息化建设带来的综合效益。

      3 网络信息资源生态化配置的双层多目标规划模型

      3.1 双层多目标规划模型

      双层多目标规划模型是上下层多个决策者之间存在递进关系的决策系统，并且每个决策者预期实现的目标并不止一个。由于双层多目标规划问题求解的定义具有多样性，双层规划结构具有复杂性，目前应用数学领域较为公认的双层多目标规划模型的一般形式为：

      

      就本研究而言，上层决策者为网络信息资源管理机构，其投入为资金，所要达到的目标是经济效益、社会效益的最大化；下层决策者为广大网络信息资源用户，其投入是上网所需的费用、时间成本、机会成本等，预期达到的目标为在最短时间内获取较多的对自身发展有用的网络信息资源。网络信息资源管理部门的决策会对网络信息用户的决策产生影响，双层决策者在决策中共同发挥作用，解析上下层决策者的相互作用和影响关系，使之协调发展，互相促进，达到网络信息资源生态化配置的目的，提高网络信息资源产业的社会效益与经济效益。

      3.3 建立模型

      依据双层多目标规划模型的构建方法，需要解析出影响目标问题最核心的四个要素，其中上层决策者两个要素，下层决策者两个要素，并需要解析出来一个核心的系统影响要素，它既不属于上层决策者，也不属于下层决策者。在五个最核心的要素下，可以进行具体分解和细化子要素。对于网络信息资源生态化配置双层多目标规划模型的构建来说，上层决策者是国家信息资源管理部门，进行信息资源配置的核心投入要素是资金，核心产出要素是社会效益和经济效益。在资金这一核心要素下，可以分解出雇佣人力资源成本、研发与引进先进信息技术成本、硬件设施建设成本三个子要素。网络信息资源生态化配置的下层决策者是网络信息用户，用户进行信息资源配置的核心投入要素是资金，核心产出要素是单位时间内获取的信息价值。在资金这一核心要素下，可以分解出用户的上网费用、时间成本和机会成本。其中时间成本是指用户为了得到所希望拥有的商品或服务而必须消耗的时间换算成的代价[22]，在其他因素不变的情况下，用户购买该项商品或服务所需的时间越长，花费的时间成本就越大，反之亦然。就本研究而言，网络信息用户的时间成本是指在信息网络中寻找所需信息所花费的时间换算成的货币的价值。机会成本是指为了得到某种东西而所要放弃的其他东西中的最大价值[23]，就本研究而言，网络用户所花费的机会成本为在要进行网络信息检索这一决策时，被舍弃的另一些选项中最高价值者即是本次决策的机会成本。

      综合上述分析，网络信息资源生态化配置的多层双目标规划模型上层为网络信息资源管理部门决策的目标函数，以实现有限资金在雇佣技术人员与管理人员、硬件设施的配置、信息技术的研发与引进等费用间的优化配置为目标；下层为网络信息资源用户的目标函数，以投入尽可能小的上网费用、机会成本、时间成本，获取尽可能多的有利于自身发展的信息为目标，建立网络信息资源生态化配置的双层多目标规划模型如图1所示。

      

      

      上层为网络信息资源管理部门决策的目标函数，以实现有限资金在雇佣技术人员与管理人员、硬件设施的配置、信息技术的研发与引进等费用间的优化配置为目标，并且上层的决策将会对下层的决策产生影响。

      下层目标函数为：

      

      下层为网络信息资源用户的目标函数，以投入尽可能小的上网费用、机会成本、时间成本，获取尽可能多的有利于自身发展的信息为目标，下层的决策也会对上层的决策产生影响。

      综上所述，建立网络信息资源生态化配置双层多目标规划模型如下：

      

      网络信息资源生态化配置双层多目标规划模型揭示的是作为上层决策者的网络信息资源管理机构有实现经济效益、社会效益最大化等多个目标，作为下层决策者的网络信息资源用户同样具有节约费用、时间，获取较多自身需要的网络信息资源等多个目标的双层多目标规划问题，双层目标需要同时协调满足。网络信息资源管理部门的决策将对网络信息资源用户的决策产生影响，随后网络信息资源管理部门再根据用户的反应，做出有利于我国网络信息资源生态化发展的决策，上下两层目标相互作用，从而得到网络信息资源生态化配置的最佳方案。

      3.4 模型的求解

      为了获得网络信息资源生态化配置的最佳方案，需要对得到的网络信息资源生态化配置双层多目标规划模型求最优解。首先进行如下假设：对于已给出的上层网络信息资源管理部门的决策变量

、J、t，下层网络信息资源用户决策问题的目标函数

为凸函数，即在某个特定向量空间凸子集上的实值函数，就网络信息用户决策问题的目标函数

而言，其横坐标为网络信息用户的投入，纵坐标为网络信息用户的产出，峰值为投入与产出在特定向量空间中的最佳匹配点的实值，也正是我们要求的使网络信息用户以最小的投入或得尽可能大的产出的临界点，也就是获得最佳生态化配置的关键点。为了求出这个最高点，首先需要根据双层多目标规划数学模型，得出下层决策问题中第i个用户的决策最优性条件函数，可以写为：

      

      其中，网络信息用户的产出与投入的差值为零，即上式值为0时，表示该函数在理论意义上处于平衡状态，用户的投入获取了等值的产出。但在具体应用中，往往会出现差值为正或为负的情况，当差值为正的情况出现，则表明下层决策问题中第i个用户的产出大于投入，第i个用户所做的决策有利于其对网络信息资源的有效获取，该决策应该得到保持并进一步优化；若差值为负，则表明下层决策问题中第i个用户的产出小于投入，没有达到资源配置的最优状态，这时第i个用户的决策应进行适当调整，最终达到产出与投入差值为正的状态。这个调整的过程也就是进行生态化资源配置的过程。

      在实际工作中，我们可以根据获得的数据，验证产出与投入的差值是否达到了等于或大于零的状态，如果没有，就说明没有达到网络信息资源生态化配置的最优状态，要根据该函数，对投入和产出进行调整，直至使产出与投入的差值达到大于零的状态，完成生态化最优配置。

      将上述调整过程求出a、b作为已知量带入下层的网络信息资源用户决策问题的最优性条件代替下层决策问题，a、b分别表示第i个网络信息用户在理论上为了获取有效信息所要付出的成本；b为实际可能获得的产出与理论上的产出的关系系数，理论上的投入与产出是指网络信息资源处于较好的生态化配置状态中的值，得到非线性多目标规划公式如下：

      

      

      M为罚函数。罚函数算法的主要思想为[24]：

      

      一定区域网络信息资源的生态化配置是政府信息资源管理部门的职责，区域信息资源投入和产出值可以由相关部门的历史数据获得，运用历史数据带入模型测算，可以衡量在过去的时间段内，该区域网络信息资源配置是否达到了生态化配置的最优状态。具体过程为，对原始数据进行无量纲化处理，方便数据在数学模型中的应用，求出上层目标函数中理想点所对应的k的值，并将该值作为已知量代入上层国家信息资源管理部门的目标函数的理想点，求出国家信息资源管理部门投入与产出的凸函数峰值点的数值，再把该点的数值作为已知量带入下层函数，求出下层网络信息用户的凸函数的峰值点的数值，由此得到网络信息资源生态化配置双层多目标规划模型的最优解。该最优解不但可以帮助网络信息资源管理部门解决有限的资金在雇佣技术人员与管理人员、维护硬件设施、研发与引进信息技术之间进行合理的分配，使有限的资源得到最大化的利用，产生最大化的经济效益与社会效益，还可以帮助广大的网络信息资源用户投入尽可能少的上网费用、机会成本、时间成本，获得尽可能多的有利于自身发展的信息，从而实现个人知识结构的优化、信息素养与创新能力提高的目标。

      4 结语

      本研究针对目前网络信息资源配置中可供实践的方法不多的问题，从信息生态化角度出发，以实现作为上层决策者的网络信息管理部门以最少的资金投入获取最大的社会效益与经济效益的目标；同时以作为下层决策者的广大网络信息用户以最少的上网费用、时间成本、机会成本的投入，在最短时间内获取尽可能多的有利于自身发展的网络信息资源为目标，建立网络信息资源生态化配置双层多目标规划模型，并针对该模型设计了较为有效的求解方法，最终实现配置后网络信息生态系统具有较好的和谐性和平衡性的目标。

      由于政府、企业、公共机构分别作为网络信息资源生态化配置的主体，其进行网络信息资源生态化配置的预期目标略有不同。如：政府更加侧重于信息资源生态化配置所产生的社会效益；企业更加注重网络信息资源生态化配置所产生的经济效益；公共机构更加注重网络信息资源生态化配置所产生的文化效益等。在具体应用中可根据实际工作的具体需要，对网络信息资源生态化配置双层多目标规划模型中的变量进行相应调整。

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