系统动力学入门——系统基模 系统动力学模型

不太好理解?耐心等待,我将用生活中的一个个故事解读……

系统动力学的理论基础是反馈理论、控制理论、信息论、非线性理论和大系统理论等。系统动力学具有规范与标准的计算机模拟软件来支持建摸与模拟。

经过将近50年的发展,系统动力学已经有在复杂社会经济系统中获得了广泛的应用和成就。例如,著名的罗马俱乐部,通过建立系统动力学世界模型,研究世界发展问题,提出世界经济发展将会受到资源与环境制约,使环境与资源问题,得到了普遍重视。又如,美国的国家模型、城市模型等。系统动力学另一个重要的应用是企业管理,始自1956年,建立了各种各样的企业模型。近十多年来正在兴起的学习型组织,就是基于系统动力学方法对于学习型组织的研究成果。另外南京在将系统思考应用于中学的主动创新教学也取得了一定的效果。

美国MIT的JawForrester在2003年的国际系统动力学会议上,强调了系统基模的作用。系统基模(archetype)可以作为分析复杂系统的一个主要工具,它们可以涵盖人类大部分的动态性复杂问题:它们蕴含在小至个人、家庭,大至组织、产业、都市、社会、国家和世界,甚至民族、历史及生态环境的种种活动之中。系统基模是由不断增强的回馈(“+”反馈环)、反复调节的回馈(“–”反馈环)和时间滞延等三个基本元件建立起来的,揭示了在管理复杂现象背后的单纯之美,分析系统基模的目的是重新调整我们的认知,以使我们更能看清结构的运作,寻找结构中的杠杆点。

(1)反应迟缓的调节基模
个人、群体或组织、在具有时间延迟的调节回路中,不断朝一个目标调整其行动,如果没有注意到时间延迟,那么他们所采取的改正行动会比需要的为多;也许因为他们在短期内一直无法看到有什么进展而索性放弃。

(2)成长上限(或增长受挫)基模
一个会自我繁殖的环路,产生一段时期的加速成长或扩展,然后成长开始慢下来
(系统里面的人常未察觉),终至停上成长,而且甚至可能开始加速衰败。
此种变化形态中的“快速成长期”,是由一个(或数个)“增强环路”所产生。随
后的“成长减缓期”,是在成长达到某种“限制”时,由“调节环路”所引起。这种限
制可能是资源的限制,或勺、外部对成长的一种反应。其“加速衰败期”(如果发生的
话),则是由于“增强环路”反转过来运作,而使衰败加速,原来的成效愈来愈萎缩。

(3)舍本逐末基模
使用一项头痛医头的治标方式来处理问题,在短期内产生看起来正面而立即的效果。
但如果这种暂时消除症状的方式使用愈多,治本措施的使用也相对的愈来愈少。一段时
间之后,使用“根本解”的能力可能萎缩,而导致对“症状解”更大的依赖。
涵义和特点:

(4)成长与投资不足基模
如果公司或个人的成长接近上限时,可以投资在“产能”的扩充上,以突破成长的上限,再创未来。但是这种投资必须积极,且必须在成长降低之前,不然将永远无法做到。然而大部分的做法是将目标或绩效标准降低,来使投资不足“合理化”。如此一来,“慢郎中”的产能扩充进度势将难以应付“急惊风”的需求快速成长,而使绩效愈来愈差,最后可能使成长逆转而使需求大幅下滑

(5)目标侵蚀基模
任何组织都有自己既定的目标(有时是隐含的)。由于系统内外制约因素的作用,或主管者决策的失误,还可能由于自我陶醉在已有的业绩,而不自觉或被迫地逐渐降低目标。这个基模的特点,它是隐含在“治标伤本”基模中的,因此它是基模中的基模。

(6)恶性竞争基模
不论组织或个人,往往都认为要保有自己的福祉,必须建立在胜过对手的基础上。
但这样会产生一个对立情势升高的恶性竞争;只要有一方领先,另一方就会感受到更大
的威胁,导致它更加积极行动,重建自己的优势,一段时间之后,这又对另一方产生威
胁,升高它行动的积极程度……。通常每一方都视自己积极的行为是为了防卫他方侵略
的措施;但是每一方的防卫行动,造成逐渐提升到远超过任何一方都不想要的程度。


(7)富者越富基模
两个使用同一资源或某种支持的活动同时展开,起初表现业绩相近,但为取得有限的资源或支持而竞争。渐渐地其中一方因业绩较好,便占有较高的优势去争取更多的资源或支持;于是表现越来越好,又有越来越多的资源和支持。而其它方则陷入资源和支持越来越少局面,表现越来越差地没落下去。

(8)共同悲剧基模
许多个体基于个别的需求,共同使用某项资源,同时也付出相应的努力。这个资源起初看起来很充裕,他们使用这项资源使自己逐渐扩展,并产生增强回路而使成长愈来愈快。但后来他们发现过去充裕的情况如今已转趋困难(实际上这一资源是有限的),他们的收益都开始渐减,因此各个个体都认为必须更加努力以获取利益,但愈努力,成长愈慢,最后资源显著减少或告罄,造成共同的悲剧。这种事例如:多家公司的竞相开采,使某种资源加速耗尽;或由于工业的高速增长,却忽视对环境污染的治理,造成臭氧层破坏、温室效应、酸雨等破坏生态环境的严重问题。

(9)饮鸩止渴基模
一个对策在短期内有效,并使人们成为偏好,一再加以运用。但人们又渐渐觉得这在以前总是有效,为什么它现在不灵了?然而未料正是这些对策的使用,同时播下了不良的种子。因此长期而言,会产生愈来愈严重的后遗症,使问题更加恶化,并可能会益发依赖此短期对策,而难以自拔。一种能逐渐上瘾且有后遗症的"解"都属于此基模的例子,如个人和企业以借贷去支付原负债的利息,则在来年需支付更多的利息;借酒浇愁愁更愁,等等都属此例。

什么是系统?

系统是由一组相互作用、相互关联、而又相互依赖的局部所组成的,具有特定目的、复杂而统一的整体。

系统的一些显著特点:

• 系统具有目的性;

• 系统中的各个部分以特定的形式组合在一起,使得系统能够实现其目的;

• 系统在更大的系统中服务于更大系统的目标;

• 系统趋于稳定的特性;

• 系统具有反馈性。

下面是从美国K12网站翻译而来(http://www.clexchange.org/),由毕业了的学生团队翻译整理。

1 动力学的模型是什么?

模型的建立对于我们去理解我们周围真实的世界是非常重要的,我们通常有我们主观的色彩去观察这个世界,把这个世界分为因和果。这种我们自己为自己建立的模型能够让我们例如可以安全的过马路,工程师和社会学家试图建立更加复杂的模型去模拟我们人类的这种心智的影响。随着计算机和制图技术的飞速发展,我们能够为我们周围的世界的现象建立更加复杂的模型,计算机系统仿真的使用,使得我们能够通过宏观的计算结果来去观察微观的世界的现象,反之毅然。通过系统动力学的帮助,我们可以更好的预测这个世界的未来。

2 系统思考是什么?

当我们在说系统思考时我们是否知道它到底是什么含义呢?我们是用一系列的工具,例如因果循环图,流量图,仿真模型,这些方法能帮助我们绘制和发现动力学的复杂性,系统动力学这个名称也是一种特别的名称我们用来表达对动力复杂性的认识。例如:系统思考者经常会把我们的世界描述成补充平衡的过程,还有极限,延时,行为的样式等类型,种种如此。

3 为什么K-12的教育者认为系统思考和动力学模型如此的重要呢?

动力系统掌握这个世界,理解这些是我们成功的学习和生存的基础。这些理解的动力系统在很多领域是地区国家国际上的标准。使用系统动力学的概念和方法可以让我们的学生更加深入的理解复杂的动力系统。
近十年K-12的教育者已经在全美国的课堂上使用系统动力学和系统思考的方法。这些使用各不相同,但已经在不同的课程领域和年级里得到了应用。不论怎样的课题,不论年龄到底是多大的孩子,成功的事实总是接二连三的出现这些充满热情的报道的基础是什么呢?是科技的应用吗?孩子们当然享受着这种独一无二的使用电脑的快乐,然而,对于执行任务时那种集中的注意力还有学习的收获都使孩子们更加的高兴,虽然在某些活动中并没有什么电脑的使用。
探索动力学的复杂能够充分的激发孩子的学习的兴趣。在对真实的世界的难题的探索中提高了孩子们学习的积极性,这种解决实际问题的能力的提高可以证明对他们一生的发展都是极为有利的。系统动力学和有效的指导之间的结合能够使孩子在学习的过程中极大的挖掘他们的潜力。
研究发现能使学习最优化的设置是以学习为中心的,有经验的,整体的,可信的。另外,要给学生们足够多的机会去利用各种方式的表达,去反应,去与其他的学生交流,还有合作。学习应该具有发展性,应该具有创造性的思想和体系。有效的系统动力学和系统思考的应用软件则含又所有这些的特点。最成功的方式策略就是将强有力的概念和系统动力学的工具从本质上结合起来,而这些工具是在实践中得来的。

4 K-12的教育者是如何系统动力学和思考模型?

引自K-12教育者:
Behavior-over-time曲线是具体的学生思考的表现,这引起了学生的长时间的讨论。当我发给每组一张字幕片让孩子们去解释和画图时,孩子们很喜欢这。
STELLA是一种能够给学生具体的方法去探索他们的思想和测验效度的工具。当他们创造出模型时,他们也就得出了一部文学作品的内在联系。
通过使用这个模型,我们能够更加清晰的看到问题的实质,能有更深的理解,这显然是实验室的一种扩充。过去我们总是为各学科的资料不停的去整理,这是事实,但现在我们在寻找一种更加普遍的方式去超越过去的那种独立。
这让数学和自然科学真正的成为了其它事物的一部分。
系统思考和系统动力学模型教给我们寻找所有系统的反馈是多么的重要以及如何去影响这些系统,还有去找到可能存在的杠杆点。
这能让我去更好的去接近这些难题,如超越普通的课程范围还有超出高中学生掌握的普通的学习方法。
我看到了所有事情都联系在一起,尤其是通过我的行动影响了我周围的人,不论是我的家人还是我的学生抑或我洲际旅行时的旅行者。
当我的学生不断的从实际生活中获得数据再通过STELLA软件不断的去模拟实现实际的事件时,更有自信的去完善和精简模型去最好的接近实际。这种经历使得我的学生能更好的把概念理解到一个新的高度。
使用系统动力学必须提前准备好课程的内容,而不是过多的去充斥,这必须有一个计划的框架。

5 系统思考使用的具体事例

在历史课上,学生学习压迫,权利,谋反之间的相互关系,是为了更好的理解各种革命爆发的原因。
在文学课上,同学们阅读由计算机仿真得到的小说,《施舍者》,是为了发现在故事中描述的社会可能发生的变化而可能发生的结果。
在社区中,城市的公务员因果循环图表去研究一种新政策长期的无意识的执行结果。他们认为在系统存在的可能出现的影响不会马上就出现的。
在自然科学课上,学生们通过画出池塘中不同物种的数量的增长曲线,去寻找可能存在的线索去了解水中极限的毒性数值。
在家里,家长要根据孩子们在学校的表现的好坏来去确定对孩子的期望值。
在数学课上,学生们根据不同的利息的利率,不同存款方式,以及不同的存款时间,比较长时间的存钱的最终的结果。最终建立计算机模型去比较这些结果。
系统动力学入门——系统基模 系统动力学模型
在学校里,校长要求老师们确定最好的能够激发学生学习热情和能够使学生成功的最好的方式,老师在一起去实验各种假设,确定学校的结构,发展这种教育方式,同时不断的检查结果,并做出修改。
在委员会的会议上,一位成员问,对于这个难题,我们该做怎样的假设,怎样去实验这些假设呢?
系统思考以及学校的发展以及是否利用计算机,这些要根据实际的情况还有参与者的需求。

  

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