Τι μπορεί να μας διδάξει η δομή του μοντέλου συστήματος για τη συμπεριφορά του μοντέλου – Concord Consortium

Οι συγγραφείς του βιβλίου του 1972 με τίτλο Τα όρια της ανάπτυξης βάλθηκε να απαντήσει σε μια κρίσιμης σημασίας ερώτηση. Μπορεί η Γη να διατηρήσει έναν ανθρώπινο πληθυσμό που επιδιώκει έναν στόχο συνεχούς οικονομικής ανάπτυξης;

Με βάση ένα μοντέλο υπολογιστή που δημιούργησαν, η απάντησή τους ήταν συγκρατημένη και προειδοποιητική: «Εάν οι τρέχουσες τάσεις ανάπτυξης στον παγκόσμιο πληθυσμό, η εκβιομηχάνιση, η ρύπανση, η παραγωγή τροφίμων και η εξάντληση των πόρων συνεχίσουν να παραμένουν αμετάβλητες, τα όρια ανάπτυξης σε αυτόν τον πλανήτη θα φτάσουμε κάποια στιγμή μέσα στα επόμενα εκατό χρόνια. Το πιο πιθανό αποτέλεσμα θα είναι μια μάλλον ξαφνική και ανεξέλεγκτη μείωση τόσο του πληθυσμού όσο και της βιομηχανικής ικανότητας».

Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι το βιβλίο ήταν εξαιρετικά αμφιλεγόμενο.

Οι επικριτές υποστήριξαν ότι το μοντέλο έκανε προβλέψεις βασισμένες σε ψευδείς υποθέσεις και ότι ήταν πολύ απλό να αναπαραστήσει σωστά την περίπλοκη δυναμική ενός εξαιρετικά πολύπλοκου κόσμου.

Ωστόσο, η κριτική δεν πείραξε τους συγγραφείς. Η Donella Meadows, ο Dennis Meadows, ο Jørgen Randers και ο William Behrens III ήταν μαθητές του Jay Forrester στο MIT.

Ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός με εκπαίδευση, ο Forrester αναγνώρισε ότι πολλές από τις σχέσεις που βρίσκονται στα κοινωνικά συστήματα φαίνονται επίσης σε ηλεκτρικά κυκλώματα και συστήματα. Συγκεκριμένα, είδε τους βρόχους ανατροφοδότησης – κυκλικές συνδέσεις αιτίας και αποτελέσματος μέσα στο σύστημα – ως τους κύριους καθοριστικούς παράγοντες της περίπλοκης συμπεριφοράς σε όλα τα συστήματα, και ξεκίνησε να αναπτύξει λογισμικό υπολογιστή που θα μπορούσε να το μοντελοποιήσει. Αυτή ήταν η αρχή μιας ολοκαίνουργιας πειθαρχίας γνωστής ως δυναμική συστημάτων

Η πρωτοποριακή δουλειά του Forrester οδήγησε στην ανάπτυξη του λογισμικού και της προσέγγισης μοντελοποίησης που χρησιμοποιούσαν οι συγγραφείς του Τα όρια της ανάπτυξης. Η προσέγγιση ονομάστηκε δυναμική συστήματος επειδή εξετάζει συγκεκριμένα τις εξελισσόμενες αλλαγές στη συμπεριφορά που συμβαίνουν σε πολύπλοκα συστήματα καθώς περνά ο χρόνος.

Γράφημα της αλλαγής με την πάροδο του χρόνου στο παγκόσμιο μοντέλο πόρων από Τα όρια της ανάπτυξης.

Το παραπάνω γράφημα δείχνει τα αποτελέσματα μιας από τις πολλές προσομοιώσεις Τα όρια της ανάπτυξης. Οι υποθέσεις του ήταν ότι η ανθρωπότητα δεν θα υποστεί σημαντικές αλλαγές στην προσέγγισή της για την ανάπτυξη στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ότι η οικονομική ανάπτυξη θα παρέμενε προτεραιότητα και ότι δεν θα υπήρχαν τεχνολογικές εξελίξεις που θα μπορούσαν να αλλάξουν σημαντικά τα πράγματα.

Θα αφήσω σε εσάς να αποφασίσετε εάν οι τροχιές που εμφανίζονται έχουν νόημα μισό αιώνα μετά την πρώτη δημιουργία του γραφήματος. Αυτό στο οποίο θέλω να εστιάσω εδώ είναι η απλότητα της δομής που δημιούργησε αυτές τις συμπεριφορές.

Χρησιμοποιώντας το λογισμικό μοντελοποίησης συστημάτων μας, SageModeler, δημιούργησα ένα απλό μοντέλο των τεσσάρων τομέων του παγκόσμιου συστήματος που εξετάστηκαν από Τα όρια της ανάπτυξης μοντέλο: πληθυσμός, ρύπανση, βιομηχανική παραγωγή και μη ανανεώσιμοι πόροι. Κάθε τομέας μπορεί να θεωρηθεί ανεξάρτητα, όπως φαίνεται στον αιτιολογικό χάρτη παρακάτω. Τα στοιχεία με εικόνες αντιπροσωπεύουν εκείνα τα μέρη του συστήματος όπου τα υλικά κινούνται και συσσωρεύονται. Εκείνοι με μπλε κουτάκια παρέχουν πληροφορίες για το πώς θα συμβεί η μετακίνηση του υλικού.

Ένας αιτιολογικός χάρτης που δημιουργήθηκε στο SageModeler των τεσσάρων τομέων του παγκόσμιου μοντέλου πόρων από Τα όρια της ανάπτυξης.

Ανοίξτε το μοντέλο και, στη συνέχεια, κάντε κλικ στο SIMULATE επάνω δεξιά. Τώρα, δοκιμάστε να μετακινήσετε ρυθμιστικά στις μεταβλητές πληροφοριών. Θα πρέπει να δείτε συμπεριφορές που έχουν νόημα για κάθε τομέα. Για παράδειγμα, αν μετακινήσετε το ρυθμιστικό των συνολικών διαθέσιμων πόρων προς τα πάνω, ο πληθυσμός αυξάνεται, αν και θα φτάσει σε ένα όριο. Η βιομηχανική παραγωγή αυξάνεται εκθετικά, με την παραγωγή να παράγει κέρδος και το κέρδος να δημιουργεί περισσότερες δυνατότητες ανάπτυξης. Η ρύπανση αυξάνεται για να φτάσει σε μια σταθερή κατάσταση, με τη δημιουργία ρύπανσης να ισούται με την απορρόφηση από το περιβάλλον. Οι μη ανανεώσιμοι πόροι εξαντλούνται με ρυθμό που εξαρτάται εν μέρει από την ποσότητα των διαθέσιμων πόρων.

Όλα αυτά είναι συμπεριφορές που μπορεί να είχατε προβλέψει όταν εξετάζετε κάθε τομέα ξεχωριστά. Τι συμβαίνει όμως όταν είναι όλα συνδεδεμένα και υπάρχει κάποια ανατροφοδότηση εντός του συστήματος; Μπορείτε να προβλέψετε αν θα υπάρξει ή όχι αλλαγή στη συμπεριφορά του μοντέλου; Και αν ναι, ποια θα είναι η αλλαγή;

Ένα μοντέλο των τεσσάρων τομέων που συνδέονται.

Έξοδος γραφημάτων από Τα Όρια της Ανάπτυξης μοντέλο (αριστερά) και μοντέλο SageModeler (δεξιά).

Και στις δύο προσομοιώσεις, ο πληθυσμός, η ρύπανση και η βιομηχανική παραγωγή αυξάνονται για λίγο και μετά μειώνονται μάλλον δραματικά. Οι μη ανανεώσιμοι πόροι μειώνονται σταθερά. Τα δύο γραφήματα δείχνουν παρόμοια, αλλά όχι ίδια συμπεριφορά.

Το 1971 Όρια ανάπτυξης Το μοντέλο, αν και πολύ πιο απλό από το παγκόσμιο σύστημα, έχει πολλές περισσότερες μεταβλητές από το μοντέλο SageModeler και οι δημιουργοί του αφιέρωσαν μήνες ερευνώντας και συλλέγοντας δεδομένα από τον πραγματικό κόσμο προκειμένου να ορίσουν τις αιτιώδεις σχέσεις στο μοντέλο όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Στην έκδοση SageModeler, οι αιτιώδεις σχέσεις γίνονται μόνο κατά προσέγγιση.

Παρά αυτές τις διαφορές, αυτό που είναι ίσως πιο εντυπωσιακό είναι ότι τα μοτίβα συμπεριφοράς των πρωταρχικών μεταβλητών από κάθε τομέα είναι τόσο παρόμοια. Στην αρχή υπάρχει ανάπτυξη, αλλά σε όλες τις περιπτώσεις η ανάπτυξη επιβραδύνεται, ξεπερνά τη μέγιστη τιμή και μετά μειώνεται.

Μπορεί η δομή του μοντέλου να μας βοηθήσει να καταλάβουμε γιατί;

Η ανίχνευση του βρόχου ανάδρασης (μπλε βέλη) δίνει κάποιες ενδείξεις για το τι συμβαίνει. Αρχικά, υπάρχουν πολλοί φυσικοί πόροι που μπορούν να εξαχθούν από τη Γη και να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία βιομηχανικού κεφαλαίου και δυναμικότητας. Η πρώιμη ανάπτυξη υποστηρίζεται και η οικονομία μπορεί να επεκταθεί καθώς το βιομηχανικό κεφάλαιο και η παραγωγή του αυξάνονται. Αλλά καθώς οι πόροι μειώνονται, τόσο μειώνεται και το καύσιμο για την αναπτυσσόμενη οικονομία. Η προσθήκη νέου βιομηχανικού κεφαλαίου αρχίζει να μειώνεται, τα παλιά μηχανήματα δεν αντικαθίστανται, οι εργαζόμενοι απολύονται χωρίς αντικατάσταση και σύντομα η βιομηχανική παραγωγή αρχίζει να μειώνεται. Ο βρόχος που ξεκίνησε με την αύξηση του βιομηχανικού κεφαλαίου και της παραγωγής τελικά αντιστρέφεται και προκαλεί μείωση της παραγωγής.

Ο βρόχος ανατροφοδότησης και οι επιπτώσεις του επισημαίνονται.

Η κυμαινόμενη συμπεριφορά του βρόχου ανάδρασης έχει σημαντικό αντίκτυπο στο υπόλοιπο μοντέλο. Η αρχική αύξηση του βιομηχανικού κεφαλαίου βοηθά στη δημιουργία υψηλότερου βιοτικού επιπέδου και για λίγο υποστηρίζει υψηλότερο ποσοστό γεννήσεων και αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού. Η αύξηση του βιομηχανικού κεφαλαίου και της παραγωγής οδηγεί επίσης σε αυξημένη ρύπανση. Καθώς αυξάνεται η ρύπανση, αυξάνονται και οι ανθρώπινοι θάνατοι, και παρόλο που ο πληθυσμός συνεχίζει να αυξάνεται, το κάνει με πιο αργό και βραδύτερο ρυθμό έως ότου οι θάνατοι ξεπεράσουν τις γεννήσεις και ο πληθυσμός αρχίσει να μειώνεται.

Λοιπόν… τα κατάλαβες όλα αυτά;

Συγχαρητήρια, αν το κάνατε, γιατί συνέβαιναν πολλά!

Το να φαντάζεσαι βρόχους, στοιχεία και μονοπάτια επιρροής και μετά να τα προσομοιώνεις διανοητικά μέσα στο χρόνο δεν είναι κάτι που κάνει καλά ο ανθρώπινος εγκέφαλος. Έχουμε την τάση να σκεφτόμαστε ένα βήμα τη φορά, διαδοχικά και πολύ μεθοδικά. Όταν τα συστήματα γίνονται μεγάλα με πολλά εξαρτήματα και περίπλοκα και αλληλένδετα κυκλικά μονοπάτια, είναι αδύνατο να προσομοιώσουμε διανοητικά το σύστημα επειδή εμείς οι άνθρωποι δεν έχουμε την ικανότητα να φανταστούμε ότι όλα συμβαίνουν ταυτόχρονα.

Σε αυτό το παράδειγμα, προσθέσαμε τεράστια πολυπλοκότητα στη συμπεριφορά του συστήματος συνδέοντας μερικά απλά μοντέλα μαζί. Φανταστείτε ένα ακόμη μεγαλύτερο σύστημα με περισσότερους βρόχους που αλληλεπιδρούν.

Εδώ λάμπουν τα μοντέλα υπολογιστών!

• Οι υπολογιστές μπορούν να αντιμετωπίσουν την πολυπλοκότητα «με τη μία» σε αντίθεση με τη γραμμική προσέγγιση που χρησιμοποιεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος, και έτσι μας ειδοποιούν για απρόβλεπτες και μη διαισθητικές συμπεριφορές που μπορεί να προκύψουν.
• Τα μοντέλα υπολογιστών παρέχουν έναν «πάγκο εργασίας» πάνω στον οποίο μπορούν να ληφθούν πειραματικές αποφάσεις και να εκτελεστούν προσομοιώσεις, για να δούμε τον πιθανό αντίκτυπό τους στο μέλλον.
• Το παιχνίδι με μοντέλα υπολογιστών μπορεί να βοηθήσει στην οικοδόμηση της διαίσθησής μας σχετικά με την ανατροφοδότηση και να εστιάσουμε την προσοχή μας στη σημασία των δικών μας αποφάσεων, αντί να κατηγορούμε αυτόματα εξωτερικούς παράγοντες ως αιτία για την εμπειρία μας.

Το πιο σημαντικό, από εκπαιδευτική άποψη, το να αφιερώσουμε χρόνο για να δημιουργήσουμε ένα μοντέλο υπολογιστή απαιτεί να αποκτήσουμε μια οικειότητα με το υπό μελέτη σύστημα που δεν μπορεί να επιτευχθεί χωρίς την ικανότητα να εξετάσουμε, να ορίσουμε και να ελέγξουμε τις αιτιώδεις συνδέσεις μεταξύ των στοιχείων του.

Ίσως μια μέρα οι μαθητές μας θα χρησιμοποιήσουν τις ιδέες της δυναμικής του συστήματος και του SageModeler για να βοηθήσουν την ανθρωπότητα να λάβει πιο τεκμηριωμένες αποφάσεις και να αποφύγει τα αποτελέσματα που είχαν αρχικά σχεδιαστεί Τα όρια της ανάπτυξης. Ας ελπίσουμε.