Системная динамика

Системная динамика — направление в изучении сложных систем, исследующее их поведение во времени и в зависимости от структуры элементов системы и взаимодействия между ними.
В том числе: причинно-следственных связей, петель обратных связей, задержек реакции, влияния среды и других. Особенное внимание уделяется компьютерному моделированию таких систем.

Обратные связи
Обратная связь, обратное воздействие результатов процесса на его протекание или управляемого процесса на управляющий орган.
Обратная связь характеризует системы регулирования и управления в живой природе, обществе и технике.
Различают положительную и отрицательную
Если результаты процесса усиливают его, то обратная связь является положительной.
Когда результаты процесса ослабляют его действие, то имеет место отрицательная обратная связь.
Отрицательная Обратная связь стабилизирует протекание процессов.
Положительная Обратная связь, напротив, обычно приводит к ускоренному развитию процессов и к колебательным процессам.

В 1970 Дж.Форрестер был приглашен на встречу Римского клуба в Берне, Швейцария.
Римский клуб - организация, деятельность которой заключается в прогнозировании путей развития человечества и выявлении возможных кризисных ситуаций, к примеру глобального кризиса, вызванного ограниченными ресурсами Земли в сочетании с экспоненциально растущим населением.
На этой встрече Форрестеру был задан вопрос о возможности применения системной динамики к моделированию человечества.

Результаты исследования были опубликованы в книге «Мировая динамика» (1971), в ней говорилось, что дальнейшее развитие человечества на физически ограниченной планете Земля приведет к экологической катастрофе в 20-х годах следующего столетия.
Проект Д.Медоуза «Пределы роста» (1972) — первый доклад Римскому клубу.

Основные принципы системной динамики
поведение системы - это следствие проявления ее структуры и взаимодействия ее элементов;
структура системы и характер взаимосвязей между элементами системы, определяющие ее поведение, более важны, нежели количественные оценки для понимания поведения системы;
состояние системы и ее структура есть причина изменений, а не их результат;
проблемы возникают внутри системы, а не вне ее;
изучить систему - значит определить ее состав и установить отношения между ее элементами, то есть ее структуру;
определяющее значение в поведении системы имеет взаимодействие контуров обратной связи в ее структуре;
в контурах обратной связи и консервативных подсистемах всегда присутствуют уровни и темпы;
уровни и темпы являются необходимыми и достаточными переменными для описания любой динамической системы;
при построении системно-динамических моделей следует опираться на принцип "непосредственной верификации
при изучении системы важно концентрировать внимание на анализе действенности политики а не на точном получении количественных оценок.

Экспоненциальный рост промышленного капитала происходит благодаря своей способности к самовоспроизводству.
Система обратных связей, представляющая это самовоспроизводство, подобна системе народонаселения.

Контур отрицательной обратной связи, цепь причинных отношений, которая меняет направление изменений на противоположное, корректирует ситуацию, восстанавливает баланс.
Истощение ресурсов преодолено. Загрязнения уничтожены или захоронены. Общество может продолжать свой рост.
Подобные адаптивные контуры существуют и играют важную роль. Технологии, здравоохранение, контроль за рождаемостью,

Модель "США на пороге ХХ1-го века"
Имитационная модель "США на пороге ХХ1-го века", (Институт Тысячелетия (США) в 1995 г.) Общая структура модели представлена в следующем виде:
Обобщенная причинно-следственная диаграмма модели

Модель включает в себя одиннадцать секторов: 1) народонаселение (включая процесс миграции населения), 2) сельское хозяйство (животноводство и растениеводство), 3) промышленное производство, 4) торговля (внешняя), 5) национальные счета (государственный и частный сектор, заграница и денежный запас), 6) здравоохранение, 7) образование (начальное), 8) окружающая среда, 9) экономический уклад (производственная функция, спрос и предложение, потребление, экспорт и импорт), 10) продовольствие, 11) энергетика (гидроэнергетика, тепловая и атомная энергетика).
Результаты имитационных экспериментов для модели "США на пороге 21-го века"

Выводы по секторам: динамика переменных в период с 1995 по 2050 год выглядит следующим образом.
В секторе народонаселения ожидается стабилизация (на уровне около 300 млн. чел) и даже небольшое снижение количества населения. При этом смертность замедлит свой рост, а рождаемость будет продолжать существенно падать, что могло бы привести к уменьшению численности населения. Однако население США будет пополняться вновь прибывшими иммигрантами, скорость притока которых стабилизируется на уровне 1995 г. Плотность населения при этом составит около 0.3 чел/га. Средний размер семьи составит 3 человека.
В секторе сельского хозяйства при неизменных размерах сельскохозяйственных площадей (450 млн. га), выпуск конечной продукции стабилизируется на уровне 250 млрд. $/год при возрастании и дальнейшем сохранении инвестиций на уровне около 17 млрд. дол.
В промышленном секторе ожидается линейное увеличение годового выпуска промышленной продукции с его утроением к 2050 г. по сравнению с 1995 г. при практически неизменной энергоемкости производства, увеличение и стабилизация численности занятых в производстве на уровне около 125 млн. человек с дальнейшим небольшим ее снижением, что свидетельствует о технологическом росте. При этом будет наблюдаться линейное годовое увеличение ВВП, но более медленное, чем годовое увеличение выпуска промышленной продукции.
В секторе здравоохранения будет наблюдаться небольшой линейный рост качества медицинского обслуживания наряду со значительным линейным увеличением инвестиций в социальный сектор.
В секторе начального образования намечается двукратное увеличение качества образования при сохраняющемся проценте грамотности населения.
В секторе окружающей среды рост загрязнения в результате промышленного, сельскохозяйственного производства и энергетики рост загрязнения будет носить линейный характер (динамику основных показателей смотри в предыдущем параграфе).
В секторе продовольствия ожидается поддержание качества обеспечения населения продуктами питания на одном и том же уровне.
В секторе энергетики ожидается дальнейшее линейное увеличение доли ядерной энергетики и добычи угля при экспоненциальном спаде добычи газа и нефти.

Stratagem
Имитационная игра Stratagem была разработана в 1983 -1984 гг группой ученых Международного института системного анализа в Вене, под руководство Д. Медоуза (США).
Название игры является аббревиатурой трех английских слов, характеризующих метод, лежащий в основе игры – strategy gaming management - игровой стратегический подход к управлению динамическими системами. В русском варианте игра получила название "Стратагема". Основной задачей авторов было найти эффективный способ демонстрации взаимозависимости долгосрочных решений в экономике, использовании энергии, охране окружающей среды и благосостоянии населения .

КАК ИГРАТЬ В ИГРУ
Каждый участник выбирает роль одного из пяти министров, ответственных за развитие экономики страны, удовлетворение потребностей населения в продуктах питания и в здоровой среде обитания, товарах потребления и энергетических ресурсах. Министры работают вместе, как единый кабинет, принимая решения о распределении имеющихся продуктов питания, товаров потребления и энергетических ресурсов.
Их решения влияют на рост численности населения, расширение производственных мощностей; обеспеченность населения социальными услугами (медицинским обеспечением и образованием), состояние окружающей среды, эффективность экономики; уровень экспорта, размер внешнего долга.
В игре 10 раундов или периодов. Решения, принятые в начале каждого периода определяют развитие страны в течение пяти лет. Компьютерная программа моделирует экономику гипотетической страны, обрабатывает решения, принятые кабинетом министров и, как результат этих решений, получает величины, отражающие состояние страны на следующем периоде.
В игре нет случайных факторов или неопределенностей. Команда участников в целом имеет всю необходимую информацию для достижения высокого уровня развития страны. Лучший результат не может быть достигнут случайным образом. Он достигается той командой, которая лучше других сумеет разобраться в структуре причинно-следственных связей и наилучшим образом организует процесс принятия решения

Игроки
1. Министр по проблемам населения должен обеспечить регулирование численности населения и рост жизненного уровня.
2. Министр энергетики отвечает за производство энергоресурсов и внедрение энергосберегающих технологий.
3. Министр промышленности и социальных услуг отвечает за промышленное производство и социальные услуги -(медицинское обеспечение и образование).
4. Министр сельского хозяйства и охраны окружающей среды отвечает за производство продуктов питания и состояние окружающей среды.
5. Министр внешней торговли и финансов отвечает за внешнюю торговлю и финансы координацию принятия решений.

СОСТОЯНИЕ СТРАНЫ НА ИСХОДНЫЙ ПЕРИОД
Ваша страна похожа на многие развивающиеся страны мира. В стране относительно хорошо развит сельскохозяйственный сектор, хорошие возможности развития энергетики. На пути к развитому обществу немало преград - быстро растущая численность населения, существующая нехватка энергоресурсов и низкий производительности труда. В отличии от остальных развивающихся стран, страна в настоящее время не испытывает бремени внешнего долга, поэтому можно воспользоваться займом в иностранных банках, как эффективным средством экономического развития.
НАСЕЛЕНИЕ
Численность населения в стране составляет 200 человек. Уровень потребления продуктов питания средний - 2 единицы по шкале от 0 до 5, поэтому смертность невысокая. Материальный уровень жизни низок (2 по шкале от 0 до 15), в связи с чем в стране высокая рождаемость. В результате численность населения удваивается каждые 30 лет, несмотря на попытки снизить темп роста. Хотя в стране есть возможность повысить уровень питания, часть продуктов экспортируется для обеспечения импорта необходимых энергоресурсов.
ЭНЕРГОРЕСУРСЫ
Основной источник энергии в стране - энергоресурсы, вырабатываемые ГЭС. Если необходимо, можно импортировать нефть. В стране не развивалось энергосбережение , поэтому каждая единица производительного капитала требует в три раза больше энергии по сравнению с затратами при оптимальном энергосбережении. Хотя страна импортирует энергоресурсы, их не хватает для полноты обеспечения производства продуктов питания и товаров. В ближайшем будущем развитие энергетики может увеличить количество энергоресурсов в стране.

ТОВАРЫ И СОЦИАЛЬНЫЕ УСЛУГИ
В стране большие резервы повышения продуктивности производства товаров. Производительность труда составляет лишь 1/10 от величины, которая может быть достигнута при оптимальных капитальных вложениях в производство товаров и социальные услуги. Что касается социальных услуг - образования и медицинского обеспечения, то недостаточное финансирование этой сферы привело к спаду производительности труда и высокой рождаемости.
ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА.
Хотя в настоящее время страна является экспортером продуктов питания, производительность в этом секторе значительно ниже, чем могла бы быть. Окружающая среда оказалась сильно загрязненной. Сельское хозяйство страны получало недостаточное количество капиталовложений. В настоящее время загрязнение окружающей среды снижает выпуск продуктов питания на 31%. Максимум инвестиций в производство продуктов питания, достаточное количество энергоресурсов, необходимый уровень капиталовложений в охрану окружающей среды могут увеличить выпуск продуктов питания в 9 раз.
МЕЖДУНАРОДНАЯ ТОРГОВЛЯ И ФИНАНСЫ.
В настоящее время в стране нет внешнего долга. Поэтому можно взять заем в иностранных банках на условиях 10% в год. Если допустить, что внешняя задолженность превысит уровень среднего объема экспорта, то величина нормы процента по кредитам увеличиться и условия внешней торговли ухудшатся.

МИНИСТР ПО ПРОБЛЕМАМ НАСЕЛЕНИЯ
Цель - добиться стабилизации численности населения и достичь высокого уровня обеспеченности продуктами питания, товарами и высокого уровня социальных услуг
Решение 1. Выделить из всего имеющегося количества продуктов питания часть на потребление (для населения) и часть на экспорт (если это необходимо).
Решение 2. Выделить из всего имеющегося количества товаров часть на потребление (для населения), часть для финансирования промышленности и сельского хозяйства и часть на экспорт (если это необходимо).

МИНИСТР ЭНЕРГЕТИКИ
Цель - добиться полного удовлетворения потребностей населения, сельского хозяйства и промышленного производства в энергоресурсах
Решение 3. Распределить все имеющиеся энергоресурсы. Количество энергоресурсов, необходимое для населения (коммунальное хозяйство и бытовые нужды) определяется следующим образом: на каждые 5 единиц товаров, выделенных министром по проблемам народонаселения на потребление, Вам нужно выделить 1 единицу энергоресурсов. Эта потребность всегда должна быть удовлетворена. Оставшуюся часть энергоресурсов необходимо распределить на нужды производства (сельского хозяйства и производства товаров) и может быть оставлена в резерве на следующий период.
Решение 4. Распределить энергоресурсы, выделенные на производственные нужды.
Решение 5. Распределить все количество товаров, выделенных для капиталовложений. Вы должны выделить необходимое количество товаров для капиталовложений в производство энергоресурсов и энергосбережение.

МИНИСТР ПРОМЫШЛЕННОСТИ И СОЦИАЛЬНЫХ УСЛУГ
Цель - увеличить производство товаров до уровня, обеспечивающего более высокий материальный уровень жизни населения, необходимый объем экспорта и капиталовложений в экономику, в том числе в сектор социальных услуг. Улучшить уровень образования и здоровья населения, и тем самым повысить эффективность контроля над рождаемостью
Решение 5. Распределить все товары, выделенные на финансирование. Вы должны выделить товары для финансирования производства товаров и сектора социальных услуг.

МИНИСТР СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Цель - повысить уровень питания населения и обеспечить необходимый уровень доходов от экспорта продовольствия за счет наращивания производства продуктов питания и улучшения качества окружающей среды
Решение 5. Распределить все товары, выделенные на финансирование. Вы должны определить количество товаров для финансирования производства продуктов питания и сектора охраны окружающей среды.

МИНИСТР ВНЕШНЕЙ ТОРГОВЛИ И ФИНАНСОВ
Цель - используя возможности внешней торговли, максимально удовлетворить потребности страны в товарах, продуктах питания и энергоресурсах. При этом внешний долг не должен превышать уровень, начиная с которого иностранными банками применяются специальные санкции в целях защиты своих кредитов
Решение 6. Собрать вместе весь экспортный потенциал и иностранную помощь.
Решение 7. Принять решение о новом иностранном займе.
Решение 8. Принять решение о выплате процентов по долгу.
Решение 9. Принять решение об импорте.

Начальные условия
Численность населения - 200 человек
Низкая (18/1000) смертность
Высокая (41/1000) рождаемость
Прирост населения составляет 2,3 % в год. Это означает, что население удваивается каждые 30 лет

Игровые условия
Обеспеченность населения товарами (равна 2 из 15)
Обеспеченность населения продуктами питания (равна 2 из 5)
Социальные услуги на душу населения (равны 2.25 из 20)
Проблемы в энергетическом секторе (энергетический кризис)
Реальные страны
(Латинская Америка 1984 год)
Отсутствие частных а/м, отсутствие высокотехнологичной продукции
Население может позволить себе чашку риса/бобов 3 раза в день
Одна школа на несколько районов города, одна больница на 250000 человек
В основном используются ГЭС, некоторое количество нефтепродуктов импортируется

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЕ СВЯЗИ
Население
При низком уровне жизни в стране, рождаемость имеет тенденцию к повышению – люди стремятся иметь большее количество работающих в семье. Низкий уровень образования сдерживает распространение информации о контроле над рождаемостью
Нищета способствует непрерывному росту численности населения, так как сохраняются условия для низкого уровня образования, здравоохранения, отсутствия планирования семьи и свободы выбора. Единственный путь выхода из нищеты в этих странах видят в создании больших семей, надеясь, что дети помогут родителям своим заработком или трудом.
Обе стрелки активны и могут усиливать влияние друг друга в контуре положительной обратной связи, усиливая его по нисходящей и образуя замкнутый круг, где бедные остаются бедными, а численность населения растет. нищета» привело к тому. что успехи сельского хозяйства проявились прежде всего в даль­нейшем увеличении численности населения и истощении ре­сурсов планеты.

Энергоресурсы.
Дефицит энергоресурсов - одна из ключевых проблем не только в игре "Стратегия", но и во многих странах реального мира. Решение этой проблемы к её разрешению - это ключ к достижению высокого уровня жизни населения страны и сбалансированного развития экономики.
Защита окружающей среды.
Отрицательные действие на окружающую среду вредных факторов, связанных с развитием сельского хозяйства, производства товаров и энергоресурсов могут быть компенсированы за счёт капиталовложений в защиту окружающей среды. Это даёт возможность, хотя и медленно, проявиться процессам регенерации среды. Хотя отсутствие капиталовложений в защиту окружающей среды на первых периодах игры не особенно заметно, но вред наносимый окружающей среде производственной деятельностью накапливается, способность среды к самовосстановлению падает и, тем самым, становится всё труднее и дороже вернуть систему в исходное состояние.

Капиталовложения
Закон уменьшающейся отдачи
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ.
Проблема 1.
РОСТ ЧИСЛЕННОСТИ НАСЕЛЕНИЯ.
Рост численности населения - одно из главных препятствий на пути развивающейся страны к сбалансированному развитию как в реальной жизни, так и в игре "Стратагема"
Рождаемость и смертность.
Проблема 2
ОГРАНИЧЕННОСТЬ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ.
В игре '"Стратагема", как и в реальной жизни имеются ограничения на энергоресурсы - одно из главных препятствий на пути страны к сбалансированному развитию и высокому уровню жизни. Существуют 4 основных способа разрешения этой проблемы:
1. Расширение производственных мощностей (в игре "Стратагема" это означает строительство плотин и ГЭС, линий электропередач) .
2. Импорт энергоресурсов. (Валюта для импорта, получается, от экспорта или займа в иностранных банках).
3. Увеличение эффективности использования энергии в производстве продуктов питания и товаров.
4. Преимущественное право на капиталовложения в менее энергоемкие сектора экономики (например, социальные услуги).

проблема 3.
УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ВЫПУСКА.
В игре "Стратагема" есть три способа увеличения производства товаров:
1. Увеличение продуктивности
В сельском хозяйстве
увеличить капиталовложения на единицу обрабатываемых земель;
не допускать снижения производительности труда, которая падает, если снижается потребление продуктов питания на душу населения ;
улучшить качество окружающей среды (по средствам капиталовложений в защиту окружающей среды).
В промышленности
увеличить капиталовложения на единицу рабочей силы;
не допускать спада производительности труда, что может про­изойти, если снизится уровень социальных услуг;
повысить уровнь жизни населения, выделяя соответствующее количество товаров на потребление.
2. Эффективное использование производственных мощностей.
3. Сбалансированность решений с учетом обратных связей и косвенных последствий в других секторах экономики.