Fischer_Consideo_Modeler

KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

Institute of Nuclear and Energy Technologies

www.kit.edu

Entscheidungshilfe für komplexe Situationenmit dem Consideo Modeler

Texte und Grafiken vorwiegend nach:Consideo (CH) und C. Dethloff: Systemisches Denken - Eine Kernkompetenz für die Zukunft (2008)

Friedmar FischerInstitut für Kern- und Energietechnik (K.I.T. – CN)

2Dr. Friedmar Fischer, K.I.T. (CN)

Motivation

Kritische Infrastrukturen sind komplexe vernetzte und dynamische Strukturen ( siehe folgende Grafik)

Für Hilfe bei Entscheidungen in solchen Situationen sind geeignete Werkzeuge zu finden

In den Bereichen Wirtschaft, Naturwissenschaften und Medizin werden verschiedene Tools zur Visualisierung und Simulation komplexer Sachverhalte angeboten

Grosse Preisunterschiede

Grosse Bandbreite bzw. Spezialisierung der Zielrichtungen (siehe die nachfolgende Grafik)

Grosse Bandbreite beim Tool-Einarbeitungsbedarf

Daher Suche nach einem preiswerten, intuitiven, leichter handhabbaren Werkzeug für die Definition, Visualisierung, Analyse und Simulation komplexer Zusammenhänge


Tools zur Visualisierung (Simulation) von komplexen Zusammenhängen (qualitativ und quantitativ)

frei nach K. Neumann (Consideo, 2009)


Modell „Kritischer Infrastrukturen“


Consideo Modeler – Kurzbeschreibung (1)

Der CONSIDEO MODELER ist ein Werkzeug für die Definition, Visualisierung, Analyse und Simulation komplexer Zusammenhänge

Einfach in der Handhabung ermöglicht das Tool fundierte Analysen

Überall dort wo Ideen gefunden, Argumente ausgetauscht, Projekte geplant, Strategien entwickelt, Risiken erkannt, Fehler vermieden und erfolgreiche Maßnahmen erarbeitet werden sollen, unterstützt Sie der CONSIDEO MODELER

Die aktuellen Versionen des CONSIDEO MODELER vereinen durch ihre verschiedenen Arbeitsbereiche mehrere Methoden miteinander:



Qualitatives Modellieren:

Faktoren eines Systems werden definiert, modelliert und miteinander in

Beziehung gebracht. Die Wirkungsbeziehungen werden gewichtet. Das

qualitative Modell ermöglicht einen unmittelbaren Erkenntnisgewinn

über das System. Kurz- und langfristige Hebel und Risiken innerhalb

des modellierten Systems werden schnell erkannt und führen zu einer

hohen Entscheidungssicherheit.

Quantitatives Modellieren und Simulation:

Die Faktoren des modellierten Systems werden mit konkreten Daten

und mathematischen Formeln ergänzt. Quantitative Modelle können

simuliert und über Simulations-Cockpits gesteuert und ausgewertet

werden. Es besteht die Möglichkeit, Daten aus diversen Quellen für die

Simulation zu importieren.



Monte Carlo Simulationen:

Die Monte Carlo-Simulation ist eine mathematische Technik und wird vor allem in der Risiko-Analyse angewendet. Das Eintreffen eines Ereignisses und dessenAuswirkungen im System können mittels dieser Technik simuliert und nachgewiesen werden. Basis für Monte Carlo Simulationen sind quantitativeModelle.

Prozess-Modellierung:

Zusätzlich zur Grundversion des CONSIDEO MODELERs wird auch eine Erweiterung der Software angeboten:

Der CONSIDEO PROCESS MODELER erlaubt die ereignisorientierte Analyse vonProjekten und Prozessen in „Was-Wäre-Wenn'-Szenarien. Prozesse innerhalb von Prozess-Ketten können ohne Eingabe von Formeln berechnet werden. Flaschenhälse (Theory of Constraints — ToC) können schon in der Planungsphase identifiziert werden. Bestehende Projektdaten, beispielsweiseaus MS-Project, können importiert werden.


Consideo Modeler – Qualitatives Modellieren

Qualitative Modellierung und Visualisierung Schritt für Schritt

Sie beschreiben die zu lösende Problematik und definieren das Ziel der Modellierung

Sie beschreiben das System und seine Systemgrenzen

Sie definieren und beschreiben die relevanten Faktoren im System

Sie definieren und beschreiben die Wirkungsbeziehungen der Faktoren untereinander

Sie gewichten die Wirkungsbeziehungen der Faktoren unter dem Aspekt der Wirkungsstärke ( schwach / mittel / stark )

der Wirkungspolarität ( positiv / negativ )

und der Wirkungszeit ( kurzfristig / mittelfristig / langfristig )

Allein die Modellierung und Visualisierung führt schon zu einem besseren System-

Verständnis. Durch die Vernetzung der Faktoren werden die direkten und indirekten

Wirkungsbeziehungen der Faktoren eindrücklich in ihrer Gesamtheit sichtbar.


Consideo Modeler – Beispiel qualitatives Modell („Kritische Infrastrukturen“)


Consideo Modeler – Qualitatives Modellieren Submodelle

Es besteht die Möglichkeit, Modelle zu segmentieren. Durch die Bildung von Submodellen können komplexe Systeme mit sehr vielen Faktoren in logisch kleinere und übersichtlichere Einheiten eingeteilt werden.

Im Beispielnetz der „Kritischen Infrastrukturen“ könnte man z.B. Detail-Submodellstrukturen für Verkehr und Telekommunikation integrieren.

Wenn man auf der Suche nach den das Modell bestimmenden Faktoren ist, sollte man bereits beginnen, nach Submodell-bildenden Strukturen zu fahnden. Generell kann ein Modell auch im Nachhinein in Submodellen strukturiert werden. Das ist aber oft recht mühselig.



Analysieren

Die Software bietet für jeden einzelnen Faktor im Modell

folgende Analyse-Funktionen an:

Analyse der Wirkungs-KetteFür jeden Faktor kann eine graphisch dargestellte

Wirkungskette aufgerufen werden. Sie zeigt an, welche direkten

und indirekten Wirkungen ein Faktor auf andere Faktoren hat

Analyse der Ursachen-KetteFür jeden Faktor kann eine graphisch dargestellte

Ursachenkette aufgerufen werden. Sie zeigt an, wie der Faktor

durch andere Faktoren direkt und indirekt beeinflusst wird.



AnalysierenSchleifen

Das Tool erkennt sämtliche Rückkoppungsschleifen im Modell und qualifiziert sie automatisch als balancierend oder verstärkend. Die Rückkopplungs-schleifen sind ein wichtiger Indikator für die Dynamik und die Komplexität des modellierten Systems. Für analytische Betrachtungen können beliebigeSchleifen isoliert dargestellt werden.

ErkenntnismatrixFür jeden Faktor kann eine Erkenntnis-Matrix aufgerufen werden, welche graphisch aufzeigt, wie dieser Faktor durch andere Faktoren beeinflusst wird(x-Achse) und wie dieser Einfluss sich aufgrund von Wirkungsschleifen mit der Zeit verändert (y-Achse).Das geschulte Auge findet in dieser Matrix diestärksten Hebel zur Beeinflussung des gewählten Faktors, die nachhaltigstenElemente zur Stabilisierung und die gefährlichsten Risiken.

DokumentierenAlle Informationen der Modelle können zusammenhängend oder partiell in Formate wie HTML, PDF oder JPG exportiert werden. So führen Modelle und die daraus gewonnenenErkenntnisse zu leicht verständlichen, Tool-unabhängigen Dokumentationen.


Consideo Modeler – Wirkungskette Faktor Elektrizität


Consideo Modeler – Ursachenkette in Bezug auf Überlebensfähigkeit


Consideo Modeler – Schleifen


Consideo Modeler – Gewichtungsmatrix (eine Voraussetzung für die Erkenntnismatrix)

Qualitative Gewichtungen können durch beliebige Prozentwerte differenzierter ausgedrückt werden als durch „schwach“, „mittel“ oder „stark“. Ein Faktor kann nicht zu mehr als 100 Prozent beeinflußt werden. Summenzahlen unter 100 Prozent können andeuten, dass es Einflüsse außerhalb des Modells auf diesen Faktor gibt. Der Faktor 4 Wasserversorgung kann z.B. durch externe Bedingungen wie Katastrophen (Wetter), Seuchen beeinflußt werden, usw.


Consideo Modeler – Erkenntnismatrix (1)

Die Erkenntnismatrix des Consideo Modelers erlaubt als Konsequenz der getroffenen Annahmen zu Wirkungsstärken, -ausrichtungen (Schleifen) die Wirkungen von Faktoren miteinander zu vergleichen.

Die nachfolgende Grafik deutet die sofortige verstärkende Wirkung von Umweltverträglichkeitsmaßnahmen auf den Faktor 12: „Überlebensfähigkeit“ aus, leicht abgeschwächt spielt auch Faktor 6: „Technische Funktionsfähigkeit“ eine verstärkende Rolle, dabei ist die „Akzeptanz“ der Bevölkerung ein weiterer positiver „Treiber“ für die „Überlebensfähigkeit“.

Die Faktoren 7 und 10 „Telekommunikation“ und „Wasserversorgung“ sind (in abgeschwächter Form) längerfristig wichtig für die Aufrechterhaltung der „Überlebensfähigkeit“ .

Faktor 8 „Transport/Verkehr“ wirkt sich längerfristig eher negativ auf die „Überlebensfähigkeit“ aus.

Die Faktoren 4 und 5 „Regulierungsbehörde für Strom“ und „Standards“ bringen aufgrund der gewählten Modellstruktur längerfristig keine positiven Beiträge für die „Überlebensfähigkeit“.


Consideo Modeler – Erkenntnismatrix (2)

Man kann an der Einflussmatrix eines Faktors A ablesen welche Faktoren kurz- oder langfristig und welche Faktoren verstärkend oder hemmend auf Faktor A wirken. A ist hier der Faktor 12: „Überlebensfähigkeit“Die X-Achse drückt aus, wie groß die Wirkung auf den Faktor A ist. Die Y-Achse drückt aus wie groß die Langfristigkeit des Einwirkens auf Faktor A ist.


Consideo Modeler – ErkenntnismatrixUnterschiede bei Philosophie: Consideo vs. Vester (1)

Die Visualisierungs-Software GAMMA verwendet die Ideen von Prof. Vester !


Consideo Modeler – ErkenntnismatrixUnterschiede bei Philosophie: Consideo vs. Vester (2)

Die Visualisierungs-Software GAMMA verwendet die Ideen von Prof. Vester !


Consideo Modeler – Quantitatives Modellieren und Simulation (1)

Alternativ zur schnellen qualitativen Modellierung bietet der CONSIDEO MODELER mit der quantitativen Modellierung die Möglichkeit, Simulations-Modelle zu erstellen.Faktoren und deren Ursache- und Wirkungs-beziehungen werden definiert, modelliert und mit konkreten Daten und mathematischen Formeln ergänzt. Verschiedene Szenarien können durchgerechnet und simuliert werden.Wenn Daten vorhanden sind und sich der Aufwand lohnt, können so die Wirkungen von Maßnahmen oder Risiken noch wesentlich besser als bei qualitativen Modellen abgeschätzt werden



Quantitative Modellierung Schritt für Schritt

Sie beschreiben die zu lösende Problematik und definieren das Ziel der ModellierungSie beschreiben das System und seine SystemgrenzenSie definieren und beschreiben die relevanten Faktoren im SystemSie definieren und beschreiben die Wirkungsbeziehungen der Faktoren untereinanderSie definieren den Typ der Faktoren und unterscheiden zwischen Bestands- und Nichtbestands-Faktoren im SystemSie ergänzen die Faktoren mit Daten und FormelnSie definieren die Zeiteinheit und den Zeitraum für die Simulation sowie die Wirkungszeit

Wie die qualitativen Modelle können auch quantitative Modelle in Submodelle unterteilt werden.



Simulation und Analyse

Für jedes Modell können beliebig viele Simulations-Cockpits eingerichtet werden. In den Cockpits können Parameter variiert und das Verhalten frei wählbarer Faktoren graphisch und tabellarisch auf der Zeitachse dargestellt werden.

Dokumentieren

Alle Informationen der Modelle können zusammenhängend oder partiell in Formate wie HTML, PDF oder JPG exportiert werden. So führen Modelle und die daraus gewonnenen Erkenntnisse zu leicht verständlichen, Tool unabhängigen Dokumentationen. Die berechneten Simulations-Daten können in Excel-Tabellen oder CSV-Dateien exportiert werden.


Consideo Modeler – Simulation (1)


Consideo Modeler – Simulation (2)


Consideo Modeler – Monte-Carlo-Simulationen

Bei der Monte Carlo Simulation werden quantitative Modelle um den Aspekt der Wahrscheinlichkeit erweitert und simuliert.

Der CONSIDEO MODELER errechnet durch mehrmalige Simulation des Modells die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Ereignisses (z.B. eines Risikos) und zeigt die mögliche Bandbreite der Auswirkungen des Ereignisses für das ganze System auf.

Besonders interessant wird die Monte Carlo Simulation, wenn mehrere Faktoren eines Modells in bestimmten Bereichen zufällige Werte annehmen können. In dynamischen Systemen führen solche Konstellationen oft zu enormen Ausschlägen oder sie dämpfen Einzelwirkungen in unerwarteter Weise.

Auch hier besteht die Möglichkeit, unzählige Simulations-Cockpits zu erstellen um die Monte Carlo Simulation zu steuern und die Ergebnisse graphisch und tabellarisch aufzubereiten.


Consideo Modeler – Monte-Carlo-Cockpit (1)


Consideo Modeler – Monte-Carlo-Cockpit (2)


Consideo Modeler – Würdigung

Das Verhalten komplexer, dynamischer Systeme zu erforschen ist eine ständige Herausforderung:

Kopfmodelle sind zwar die schnellsten, aber ohne Papier und Computer keinesfalls die besten.

Reine Visualisierungen ermöglichen leider keine Analyse der Modellzusammen-hänge.

Qualitative Modelle können nicht nur Zusammenhänge visualisieren, sondern die Beziehungen zwischen Faktoren eines Modells auch gewichten. Diese Gewichtung, zusammen mit so genannten Rückkopplungsschleifen, erlaubt dann erste, und im Vergleich zur quantitativen Analyse vor allem auch schnelle, Rückschlüsse auf das Systemverhalten und entsprechend Hebel und Risiken in dem Modell. Quantitative Modelle können Zeitaufwand bedeuten, die Werkzeuge zur Handhabung sind gewöhnungsbedürftig, Simulationen ermöglichen aber auch, kostengünstig verschiedene Szenarien zu prüfen und ggf. (je nach Datenlage) zu validieren.

Es spricht also einiges dafür ein einfach zu bedienendes und intuitives Entscheidungsunterstützungssystem zu nutzen, den CONSIDEO MODELER.

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