Systemdynamik Gliederung: System, Subsystem und Modularisierung 1 System, Subsystem, Modularisierung: Beispiele 2 Systemhierarchien und Modularisierung

SystemdynamikGliederung:

System, Subsystem und Modularisierung1

System, Subsystem, Modularisierung: Beispiele2

Systemhierarchien und Modularisierung3

Systemreaktion und Systemerhaltung4

Verhaltensorientierung5

Unberechenbarkeit deterministischer Systeme6

Ihre Analyse macht deutlich, dass sie aus verschiedenen, abgrenzbaren Subsystemen bestehen, d.h. das Gesamtsystem ist modular aufgebaut.

Bsp.: Flusseinzugsgebiet TeileinzugsgebieteStadt Bezirke

2

SystemdynamikSystem, Subsystem und Modularisierung

Ein komplexes System ist schwer zu verstehen, da zeitgleich alle das System betreffenden Informationen aufgenommen und verarbeitet werden müssen.

Bsp.: Flusseinzugsgebiet, Großstadt, Ökosystem

1

Die Analyse der Subsysteme (‚kopfgroße Teile‘) ist einfacher, da die Anzahl der Systemparameter geringer ist.

3

In der anschließenden Synthese kann man sich dann auf die Wirkungsstruktur, d.h. den durch Prozesse gesteuerten Energie-, Volumen- oder Informationsfluss zwischen ihnen konzentrieren.

4

A

B

C

Kasten A: Breidenbach Homburger Bröl BrölKasten B: Kleine Nister NisterKasten C: Ochsenbach (links), Geiersgrundbach (rechts)

BONN

SystemdynamikEZG der Sieg: „Nested catchment approach“

LängeForm

Expos.Gefälle

Relief

Atmosphäre

N-HöheN-Intensität

StrahlungWindTemperatur

LuftfeuchteVegetation

ArtDichte

StammausprägungBlattfläche

Rückstände

Wurzelentwicklung

BodenFeuchte

TexturC-org

Salz

EvaporationInterflow

GW-Bildg.Basisabfluß Kapillaraufstieg

Pflanzenw.InterzeptionAbfluß

InfiltrationTranspiration

SystemdynamikWasserhaushalt: Physiographische Komponenten

Wald-Klima

Indirekt

sterben

LandwirtschaftÜbernutzung

Bearbeitung

EntwässerungVersiegelung

Bewässerung

Forst

Renaturierung

SystemdynamikWasserhaushalt: Anthropogene Komponenten

Interflow Basisabfluß KapillaraufstiegAbfluß TranspirationEvaporation GW-Bildg. PflanzenwasserInterzept. Infiltration

BegradigungEindeichung

Einstau

VerunreinigungErwärmung

EinleitungenVorfluter

SystemdynamikRealität: Komplexes Komponentengefüge

EvaporationInterflow

GW-Bildg.Basisabfluß Kapillaraufstieg

Pflanzenw.InterzeptionAbfluß

InfiltrationTranspiration

LängeForm

Expos.Gefälle

Relief

Atmosphäre

N-HöheN-Intensität

StrahlungWindTemperatur

LuftfeuchteVegetation

ArtDichte

StammausprägungBlattfläche

Rückstände

Wurzelentwicklung

BodenFeuchte

TexturC-org

Salz

Interflow Basisabfluß KapillaraufstiegAbfluß TranspirationEvaporation GW-Bildg. PflanzenwasserInterzept. Infiltration

Wald-Klima

Indirekt

BegradigungEindeichung

Einstau

VerunreinigungErwärmung

EinleitungenLandwirtschaft

ÜbernutzungBearbeitung

Entwässerung

Vorfluter

Versiegelung

BewässerungRenaturierung

Forst

sterben

N

N

N

N

N

N

Wol

ken

Ko E E E

E

E + T

E + T

E

E

PwvBn

Bew

Sw

Sw

Kw

kA

Ao

AoAg

Ui

Ag A

Ai

AtmosphäreWassergehalt Sonnenenergie

Gru

ndw

asse

r

Vorfl

uter

Siedlung

Vegetation

Boden

Ozean

Ai

SystemdynamikIntegriertes Komponentenkonzept: Modularität

Bei der Entwicklung von prozessbasierten Computermodellen wird die modulare Struktur des Gesamtsystems durch entsprechende, in sich abgeschlossenen Programm-Module (früher Subroutinen) wiedergegeben.

6


Die Modularisierung bei der Systemanalyse und der Systemsynthese ist eine wichtige Voraussetzung für eine reale, d.h. systemabbildende Modellentwicklung.

5

Die Modularisierung kann folgendermaßen zusammengefasst werden:

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Komplexe Systeme mit vielen Zustandsgrößen lassen sich in Teilsysteme modularisieren, aus deren Wirkungsstruktur im Gesamtsystem das Systemverständnis aufgebaut werden kann.

1

Durch die Abgrenzung von Teilsystemen erfolgt eine Komplexitätsreduktion, indem die Teilsysteme von “Spezialisten” detailliert untersucht werden können.

2


Daten-, Energie- und Informationsflüsse innerhalb und zwischen den Teilsystemen werden isoliert betrachtet und lassen sich dadurch leichter analysieren.

3

SystemdynamikSystemhierarchien und Modularisierung

Modular strukturierte Systeme haben eine Systemhierarchie, bei der zwischen über- und untergeordneten Teilsystemen unterschieden werden kann.

1

Die Geographie untersucht folgende Systemumwelten, in denen Systemhierarchien ausgeprägt sind:

2

Natürliche Umwelt (Natural Environment = NE-Systeme) in denen sich die Systemhierarchie aus dem der Gravitation folgenden Volumenfluss ergibt.

Bsp.: Wasserkreislauf, Erosion, Gletschersysteme

1

Anthropogene Systeme (Human Dimension = HD-Systeme), in denen sich die Systemhierarchie aus den Verantwortlichkeiten des Systemmanagements heraus ergibt.

Bsp.: Bewässerungssysteme, Wirtschaftsunternehmen,Verwaltungen (Unterschriftsberechtigungen)

2

Übergeordnete Teilsysteme werden nur dann aktiv, wenn das untergeordnete Niveau Aktivität anfordert, da der Verarbeitungsprozess sonst nicht fortgeführt werden kann.

Bsp.: Bewässerungssystem, Wirtschaftsunternehmen,Verwaltungen (Unterschriftsberechtigungen)Wachstum von Organismen

2


NE-HD-Systeme unserer „real world“ haben folgende Hierarchiefunktionen implementiert:

3

Teilsysteme haben eine begrenzte ‚Prozessautonomie‘, mit der ein Eintrag in einen Austrag umgewandelt wird..

1

Übergeordnete Teilsysteme üben eine Kontrollfunktion (Weisungsbefugnis) aus und können Systemänderungen “einführen”, an die sich die untergeordneten Systeme anpassen.

Bsp.: Klimaänderungen, Geotektonik, Vulkanismus

3


Ist diese Anpassung nicht möglich, wird die Systemintegrität zerstört und das System ändert seine Funktion oder verfällt.

Bsp.: Restrukturierung von Wirtschaftsunternehmen,Aussterben von Arten

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SystemdynamikSystemreaktion und Systemerhaltung

Systeme reagieren unterschiedlich auf Einwirkungen aus der Systemumwelt. Hierbei können folgende hierarchisch angeordnete Reaktionstypen unterschieden werden:

1

Bei System-Selbstorganisationen erfolgt auf Umwelteinträge ein Strukturwandel innerhalb des Systems. Dabei bleibt die Identität des Systems erhalten, verändert sich jedoch langfristig mit der Neuorganisation des Systems.

Bsp.: Vegetation passt sich an Klimawandel an

1

Bei Rückkoppelungen erfolgt die Systemreaktion über zumindest eine Zustandsgröße, wie z.B. bei Regelungsvorgängen.

Bsp.: ET = f(rel. LF)ET = f(θ)

2

Bei Systemanpassungen bleibt die Wirkungsweise des Systems erhalten, doch werden Parameteränderungen vorgenommen.

Bsp.: Wurzelwachstum bei Grundwasserabsenkung

3


Bei einer System-Selbstorganisationen erfolgt auf Umwelteinträge ein Strukturwandel innerhalb des Systems. Dabei wird die Identität des Systems erhalten, verändert sich jedoch langfristig mit der Neuorganisation des Systems .

Bsp.: Mäanderdurchbruch, FlussanzapfungVegetationswandel bei Klimaänderung

4

Tab. 1: Zeitlich differenzierte Systemreaktionen auf unterschiedlichen Systemebenen

Systemreaktion Systemebene Reaktionszeit

Ursache - Wirkung Prozess sofort

Regelung Rückkoppelung gering verzögert

Parameteränderung Anpassung mittelfristig

Strukturwandel Selbstorganisation langfristig

Identitätswandel Evolution sehr lang

Integritätserhaltung Entfaltungsleitwerte immer


Tab. 1Zeitliche Systemreaktionen auf unterschiedlichen Systemebenen

Die genannten Systemreaktionen (Tab. 1) stellen letztlich das Bemühen des Systems dar, trotz der Einträge aus der Systemumwelt seine Systemintegrität zu etablieren.

2


Diese Verhaltenorientierung lässt sich auf der oberen Systemebene mit den Begriffen Existenzsicherheit, Handlungsfreiheit, Wirksamkeit oder Wandlungsfähigkeit charakterisieren.

3

Für die Systemanalyse und die darauf basierende Systemprognose ist hierbei zwischen folgenden System-einträgen aus der Systemumwelt zu unterscheiden:

4

Die Wirkungsstruktur des System wird nicht verändert, sondern durch Parameteränderungen nur angepaßt.

Bsp.: Niederschlag füllt den Bodenwasser- und Grundwasserspeicher auf und erhöht dadurch den Basisabfluss.

1


Für die Systemanalyse ist es von großer Bedeutung, dass untersucht wird, ob durch den Umwelteintrag die Wirkungsstruktur des Systems geändert wird oder nicht.

4

Die Wirkungsstruktur des Systems wird grundlegend verändert, wobei auch bestehende, bisher inaktive Strukturverbindungen aktiviert und in ihrer Bedeutung für die Systemdynamik verändert werden können.

Bsp.: Erzeugung von Oberflächenabfluss auf überweideten Flächen mit Rückkopplungseffekten durch erhöhte Flächen- und Tiefenerosion.

Bsp.: Konfliktaufbau zwischen Nachbarstaaten

2

Wirkungsstruktur ist unverändert: Das Verhaltensrepertoire des Systems bleibt qualitativ erhalten.

1

Wirkungsstruktur wird verändert: Das Verhaltenspotential des Systems wird grundlegend, eventuell destruktiv verändert.

2

SystemdynamikVerhaltensorientierung

Systeme können auch als Akteure in ihrer Umwelt auftreten, und diese durch ihre Systemreaktion beeinflussen.

Bsp.: KonsumentenorganisationenStaaten und politische Verbundsysteme

1

In diesem Fall lassen sich “Leitwerte” der “Akteure” definieren, anhand derer ihre Systemreaktion prognostiziert, d.h. vorhergesagt werden kann.

2

Da die Systemumwelt auch andere, benachbarte Systeme beinhaltet, folgt daraus die Interaktion selbständiger Systeme, die wiederum einer Gesamtbetrachtung unterliegt.

Bsp.: Resourcenerneuerer - Resourcennutzer Räuber - Beute - Systeme Integrated Water Resources Mangement (IWRM)Globalisierung - Weltwirtschaftssystem

3

Dies gilt für die Mehrzahl der Systeme. Man weis jedoch, dass extreme Zustandsänderungen von Systemen bei

gleichen Anfangsbedingungen zu einem exponentiellen “auseinanderlaufen” und

sich die Systeme auf unterschiedliche Zustandspfade begeben können.

3

SystemdynamikUnberechenbarkeit deterministischer Systeme

Deterministische Systeme werden als nicht vom Zufall, sondern vom jeweiligen Systemzustand beeinflusst definiert. Bsp.: Abflussbildung durch Gebietsniederschlag

1

Daraus folgt: Bei kleinen Zustandsänderungen konvertiert das System immer auf den gleichen Zustandspfad.

2


Die als Basis des Determinismus angesehene Vorhersehbarkeit des neuen Systemzustands ist nicht mehr möglich und wird durch die Angabe von Attraktionsbereichen, in denen sich der Systemzustand wahrscheinlich befinden wird ersetzt.

1

Diese “Chaotischen Systeme” haben hohe praktische Bedeutung und sind als mögliche Systemzustände auch bei “ganz normalen Systemen” denkbar.

Bsp.: Entwicklung von InsektenpopulationenHochwässer neue SystemintegritätenKriege Systemzerstörungen und neuen Systemen

2

Deterministisch lassen sich drei verschiedene Möglichkeiten der Unbestimmbarkeit des zukünftigen Verhaltens aufführen:

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Chaos als Folge katastrophaler Systemeinträge, wie z.B. Umweltkatastrophen (Vulkanausbrüche, Klimawandel, etc.).

1


In jedem Fall ist die Systemreaktion jedoch nicht “unvorher-sehbar”, sondern aufgrund von Resourcenbeschränkungen (Energie, Verhaltenbereiche von Nachbarsystemen) abgrenz-bar.

4

Chaos als Folge von willkürlichem Verstoßen der “Akteure”, z.B. Organisationen oder Personen gegen “rationale” Handlungs-kriterien.

Bsp.: Kriminelle Politiker oder Wirtschaftsmanager

3

Chaos als Folge von “unkontrolliertem”, d.h. nicht konver-gierendem Verhalten der Systemzustände (Insektenpopu-lationen).

Bsp.: Hochwasser, Vulkanausbruch, Krieg

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Es wird kein Systemzustand, sondern wahrscheinliche Zustandsbereiche (Attraktoren) des Systems angegeben.

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