Resumo capítulo 3 - Thinking in Systems

Por quê sistemas trabalham tão bem

Foi mostrado no capítulo 2 sistemas simples que tinham seu comportamento baseado em estruturas. Foi visto sistemas de termostato para manter a temperatura controlada de uma sala, um sistema de extração de petróleo (não renovável) e um sistema econômico da atividade pesqueira (renovável).

Quando sistemas trabalham bem, é possível ver um tipo de harmonia em suas funções. Considere um caso onde uma comunidade é atingida por uma tempestade. Pessoas trabalham longas horas para ajudar vítimas, surgem talentos e habilidades; uma vez que a emergência termina, a vida retorna ao “normal”.

Porquê sistemas trabalham tão bem? Considere as propriedades de um sistema altamente funcional que são familiares a você. Há boas chances que você observou uma das três características: resiliência, auto-organização ou hierarquia.

Resiliência

Resiliência tem muitas definições, dependendo do ramo da engenharia, ecologia, etc. Para o nosso propósito, considera-se o seguinte significado: “a habilidade de voltar a posição após ser pressionada ou esticada. Elasticidade. A capacidade de recuperar força, espírito, bom humor ou quaisquer outros aspectos rapidamente”. Resiliência é uma medida da capacidade de um sistema para sobreviver e persistir em um ambiente variável. O oposto de resiliência é fragilidade ou rigidez.

Resiliência surge de uma estrutura rica e com muitos loops de realimentação que podem trabalhar de diferentes formas para restaurar um sistema mesmo após grandes perturbações. Um simples loop de equilíbrio traz um sistema para um estado desejado. Resiliência é obtida por vários destes loops, operando através de diferentes mecanismos, em diferentes escalas de tempo, e com redundância.

Importante ressaltar que resiliência não é o mesmo de ser estático ou constante ao longo do tempo. Sistemas resilientes podem ser muito dinâmicos. Oscilações de curta duração ou outros eventos podem ocorrer, mas a resiliência age para restaurar.

E, inversamente, sistemas que são constantes ao longo do tempo pode ser não resilientes. Esta distinção entre estabilidade estática e resiliência é importante. Estabilidade estática é algo que você pode ver; é medido pela variação na condição de um sistema semana a semana ou ano a ano. Resiliência é algo que pode ser muito difícil de ver, ao menos que você exceda seus limites, superando e danificando os loops de equilíbrio, e a estrutura do sistema se quebra. Uma vez que a resiliência pode não ser ser óbvia sem uma visão completa do sistema, as pessoas normalmente sacrificam resiliência por estabilidade, ou por produtividade, ou por alguma outra propriedade do sistema mais reconhecida de imediato.

Auto-organização

A característica mais maravilhosa de alguns sistemas complexos é sua habilidade de aprender, diversificar e evoluir. É a capacidade de um único óvulo fertilizado de gerar, por si só, a incrível complexidade de um sapo maduro, ou uma galinha, ou uma pessoa.

Esta capacidade de um sistema de fazer sua própria estrutura mais complexa é chamada de auto-organização. Vê-se auto-organização em uma forma mais profunda sempre que uma semente brota, ou um bebê aprende a falar, ou uma vizinhança decide se reunir para se opor a um depósito de lixo tóxico.

Como a resiliência, a auto-organização é geralmente sacrificada pelo propósito de curto prazo de produtividade e estabilidade. Produtividade e estabilidade são as desculpas usuais para tornar seres humanos criativos em acessórios mecânicos para processo de produção.

Auto organização produz heterogeneidade e imprevisibilidade. É provável que surja com estruturas totalmente novas, com novas formas de fazer as coisas. Requer liberdade e experimentação, e uma certa dose de desordem. Estas condições que encorajam a auto-organização geralmente podem ser assustadoras para os indivíduos e ameaçam as estruturas de poder. Como uma consequência, sistemas educacionais podem restringir o poder criativo das crianças ao invés de estimulá-los

A ciência agora conhece que sistemas com auto-organização podem surgir de regras simples. Ciência, por si só um sistema auto-organizado, gosta de pensar que toda a complexidade do mundo deve surgir, em última análise, de regras simples. Se isto na verdade acontece, é algo que a ciência ainda não conhece.

Hierarquia

No processo de criação de novas estruturas e aumento de complexidade, uma coisa que a auto-organização de um sistema geralmente cria é hierarquia.

O mundo, ou pelo menos parte dele que os humanos pensam entender, estão organizados em subsistemas agregados em subsistemas maiores, agregados em subsistemas ainda maiores. Este arranjo de sistemas e subsistemas é chamado de hierarquia.

Hierarquias são invenções brilhantes dos sistemas, não somente porque elas dão estabilidade e resiliência, mas também porque elas reduzem a quantidade total de informações que qualquer parte dos sistemas precisam acompanhar.

Se um membro de um time está mais interessado em sua glória pessoal do que em uma equipe vencedora, ele ou ela pode causar a derrota do time. Se uma célula do corpo se liberta de sua função hierárquica e começa a se multiplicar descontroladamente, nós a chamamos de câncer.

Quando o objetivo de um sistema domina as custas dos objetivos totais do sistema, o comportamento resultante é chamado de sub-otimização.

Tão prejudicial como a sub-otimização, é claro, é o problema de muito controle centralizado. Se o cérebro controlasse cada célula tão fortemente que a célula não pudesse desempenhar suas funções de auto manutenção, o organismo toda poderia morrer.

Para ser um sistema altamente funcional, a hierarquia deve equilibrar o bem estar, as liberdades, e a responsabilidades dos subsistemas e do sistema total – deve haver um controle central suficiente para atingir a coordenação na direção do objetivo do sistema maior, e autonomia suficiente para manter todos os sub sistema florescendo, funcionando e auto-organizados.

 
Resiliência, auto-organização e hierarquia são três das razões que sistemas dinâmicos podem trabalhar tão bem. Promovendo e gerenciando estar propriedades de um sistema pode melhorar sua capacidade de funcionar bem a longo prazo – ser sustentável.

Resumo capítulo 2 - Thinking in Systems

Uma breve visita ao sistema Zoológico

Uma forma excelente para aprender alguma coisa nova é através de bons exemplos. Desta forma, será utilizado um exemplo simples, mas que irá ilustrar vários princípios gerais de um sistema completo.

É apresentado os mesmos pontos fortes e fracos de um zoológico. É apresentado uma ideia da enorme variedade de sistemas que existem no mundo, mas está longe de uma representação completa da variedade. Ele apresentada animais por família - macacos estão aqui, ursos lá - então você pode observar o comportamento dos macacos, em oposição aos ursos. Mas, como um zoológico, estas coleções são muito arrumadas. Assim como animais de zoológico estão mais naturalmente misturado juntos no ecosistema, então os sistemas animal descritos aqui estão normalmente conectados e interagem entre eles e com outros não ilustrados aqui.

Ecosistema vem depois. Primeiramente será observado um sistema animal por vez.

Sistemas de Estoque único

É apresentado como exemplo com dois loops concorrentes buscando equilíbrio - um termostato.

O termostato é o mecanismo que regula o aquecimento de um cômodo (ou resfriamento, se ele estiver conectado a um ar condicionado ao invés de um aquecedor. A figura a seguir ilustra a representação de um termostato.

 

 Quando a temperatura cai abaixo do ajuste do termostato, ele detecta um discrepância e envia um sinal para o sistema de aquecimento, aquecendo o cômodo. Quando a temperatura aumenta, o termostato desliga o aquecimento. Este ciclo é ilustrado do lado esquerdo da figura acima. Entretanto, este não é o único ciclo no sistema, uma vez que o calor também flui para fora do cômodo, que sempre tenta fazer a temperatura do cômodo ser igual a do lado de fora. A suposição é que o sistema isolante do cômodo não é perfeito e assim, algum calor flui para o lado de fora.

Agora, o que acontece quando estes dois sistemas operam ao mesmo tempo? Assumindo que existe isolamento suficiente e o sistema de aquecimento tem porte suficiente, o loop de aquecimento domina o loop de resfriamento. Sendo assim, o cômodo será aquecido e a temperatura atingirá o ajuste feito no termostato. A figura a seguir ilustra a situação.

 Ainda no exemplo do termostato, é importante observar o seu comportamento com a variação da temperatura externa. A figura a seguir mostra um período de 24 horas de operação normal, com a temperatura externa caindo bem abaixo de zero.

 Todo loop de realimentação que busca equilíbrio tem seu ponto de breakdown, onde outros loops puxam o estoque para longe do seu objetivo com mais força do que ele pode puxar para traze-lo de volta. Considerando o exemplo do termostato, se a potência do sistema de aquecimento, a figura a seguir mostra o que acontece considerando a mesma temperatura externa da figura anterior.

Um Estoque com Loop de Reforço e um Loop de Equilíbrio. População e Economia Industrial

O que acontece quando um loop de reforço e um loop de equilíbrio estão puxando o o mesmo estoque? Este é um dos mais comuns e importante estruturas de sistemas. Entre outras coisas, ele descreve toda população viva e toda economia.

 

Uma população ter um loop de reforço causado por seu crescimento através de sua taxa de natalidade, e um loop de equilíbrio causado por mortes através da taxa de mortalidade.

 Por exemplo, a população mundial em 2007 era de 6.6 bilhões de pessoas e tinha uma taxa de natalidade de aproximadamente 21nascimentos para 1000 pessoas na população. Sua taxa de mortalidade era de 9 mortes para cada 1000 pessoas. Nascimentos era maior que mortalidade, assim o loop de reforço dominou o sistema. A figura a seguir mostra esta condição, considerando que a taxa de natalidade e mortalidade se mantém constante.

Se por algum motivo, a taxa de mortalidade fosse superior, como por exemplo, 30 mortes para cada 1000 pessoas, enquanto a taxa de natalidade se mantém em 21, então o loop de mortes dominará o sistema. Mais pessoas morreriam a cada ano que iriam nascer, e a população diminuiria gradualmente conforme a figura a seguir.

Este comportamento é um exemplo de mudança de dominância de loops de realimentação. Dominância é um conceito importante em systems thinking. Quando um loop domina um outro, ele tem um impacto maior no comportamento. Uma vez que sistemas normalmente possuem vários loops de realimentação operando simultaneamente, estes loops que dominam o sistema determinarão o comportamento.

Conforme visto, dependendo do que acontecer no futuro, o comportamento do sistema se altera totalmente. Dessa forma, há questões que você precisa fazer que ajudará a decidir o quão acurada uma representação da realidade será através de um modelo.

• é provável que o fatores dominantes de descobrem desta maneira?
• se o fizessem, o sistema reagiria desta forma?
• o que é está definindo os fatores determinantes?

Os estudos de sistemas dinâmicos normalmente não são desenhados para prever o que irá acontecer. Em vez disso, eles são projetados para exploram o que aconteceria, se um número de fatores determinantes se desdobrem em uma faixa de formas diferentes.

Um Sistema com Atrasos - Inventário de negócios

Considere um estoque de inventário em uma loja - uma concessionária de carro - com uma entrada da entrega das fábricas e uma saída de novas vendas de carros. Por si só, este estoque e carros na concessionária irá se comportar como a água na banheira.

Agora considere um sistema de realimentação regulatório projetado para manter o inventário alto o suficiente que ele pode ser cobrir pelo menos dez dias de vendas. O vendedor precisa mandar algum inventário porque as entregas e as compras não combinam perfeitamente todo dia. Clientes fazem compram que são imprevisíveis em uma base diária. O vendedor de carros também precisa providenciar ela mesmo algum inventário extra (um buffer) no caso que ocorra algum atraso por parte dos fornecedores.

A loja monitora vendas (vendas percebidas) e se, por exemplo, eles vêm aumento, ajusta-se as encomendas para a fábrica para aumentar o inventário para um novo inventário desejado que provê dez dias de cobertura para uma taxa de venda maior. Então, maior vendas significa maior vendas percebidas, que significa maior discrepância entre o inventário e o inventário desejado, que significa maiores encomendas, que irá trazer mais entregas, que aumentará o inventário e então será possível confortavelmente fornecer maiores taxas de vendas. Este sistema é uma versão do sistema do termostato.

Na figura a seguir é mostrado algo a mais neste modelo simplificado - três atrasos que são típicos do que se acontece no mundo real.

Primeiro, há uma percepção de atraso, intencional neste caso. A concessionária de carro não reage a apenas um ponto em vendas. Antes de tomas um decisão de encomendas, considera-se os cinco últimos dias para separar o que é tendência do que é algo apenas temporário.

Segundo, há um atraso na resposta. Mesmo estando claro que as encomendas precisam ser ajustadas, não se tenta fazer todo o ajuste em apenas uma encomenda. Ao contrário, ela faz ajustes parciais nos próximos três dias para se assegurar que a tendência é real.

Terceiro, há um atraso na entrega. Leva-se cinco dias para o fornecedor na fábrica receber uma ordem, processá-la e entregar a concessionária.

Embora este sistema ainda consista de ajuste de dois loops de equilíbrio, como o sistema do termostato, ele não se comporta da mesma maneira. Como mostrado na figura a seguir, um simples aumento de vendas pode causar Oscilações!

Isto aconteceu porque a concessionária aguardou certo tempo para se assegurar sobre a nova taxa de vendas. Assim, iniciou-se as encomendas por mais carros para cobri a nova taxa de vendas e aumentar o inventário. Mas leva tempo para as encomendas chegarem. Durante este tempo o inventário cai ainda mais, então as encomendas aumenta ainda mais para trazer o inventário novamente para dez dias de cobertura. Eventualmente o grande volume de encomendas começam a chegar para recuperar o inventário - e mais do que recuperar, porque devido ao tempo de incerteza sobre a tendência real, o proprietário encomendou em excesso. Agora foi visto o erro, e corta novamente, mas ainda há encomendas chegando, então ela encomenda ainda menos. Inventário cai novamente. E assim por diante, através de uma série de oscilações em torno do nível de estoque desejado.

Parte do problema aqui é não é que a concessionária reagiu muito lentamente, mas sim e forma muito rápida. Dada uma configuração do sistema, ela teve uma sobre reação. As coisas seriam melhor se, ao invés de reduzir o atraso da resposta, ela aumentasse o atraso para seis, como ilustrado na figura a seguir.

Sistema de Dois Estoques

Uma restrição de estoque renovável por um estoque não renovável - uma economia de petróleo

Os sistemas mostrados até o momento não consideram nenhuma restrição. Os sistemas operaram conforme suas dinâmicas internas sem restrições, assim, pudemos ver suas dinâmicas.

Mas em qualquer entidade física real, estas restrições existem. Por exemplo, uma corporação precisa de fornecimento constante de energia, materiais, trabalhadores, gerentes e clientes.

Portanto, qualquer sistema físico e crescente está seguindo para atingir algum tipo de restrição, mais cedo ou mais tarde. Esta restrição levará a uma mudança de dominância do loop de reforço determinando o comportamento de crescimento, seja pelo aumento do outflow (saída) ou pelo enfraquecimento do inflow (entrada).

Para exemplo, vamos considerar um sistema de capital the faz seu dinheiro extraindo um recurso não renovável - é dizer uma companhia  de petróleo the acabou de descobrir uma nova grande reserva de petróleo. Ver figura a seguir.

Veja o loop de reforço: mais capital permite mais recurso para extração, gerando mais lucro que pode ser reinvestido. Assumi-se que a companhia tem um objetivo de crescimento anual de 5% em seu capital de business. Se o lucro não é suficiente para o crescimento de 5%, a empresa investe todo lucro que puder.

Lucro é receito menos custo. Receita nesta representação simples é apenas o preço do petróleo multiplicado pelo total de petróleo extraído pela empresa. Custo é igual ao capital vezes o custo da operação (energia, mão-de-obra, materiais, etc.) por unidade de capital. Por agora, será considerado a simplificação que ambos preço e custo de operação por unidade de capital são constantes.

O que não se assume ser constante é o rendimento do recurso por unidade de capital. Como o petróleo é um recurso não renovável, o estoque alimentando a fluxo de extração não tem um input. Conforme o recurso é extraído, o próximo barril se torna mais difícil para ser obtido.

Aqui está um novo loop de realimentação de equilíbrio que em último irá controlar o crescimento do capital: mais capital, maior a taxa de extração. Maior taxa de extração, menor o estoque de recurso. Menor o estoque de recurso, menor o rendimento do recurso por unidade do capital, então menor o lucro (com o preço assumido como constante) e menor a taxa de investimento - portanto, menor a taxa de crescimento do capital.

Restrição de estoque renovável por um estoque renovável - uma economia pesqueira

Considerando o mesmo sistema anterior, exceto que agora há uma entrada de recurso no estoque, fazendo-o renovável. O recurso renovável neste sistema poderá ser peixe e o estoque de capital pode ser barcos de pesca. Recursos renováveis vivos tais como peixe pode se regenerar a partir de si mesmo com um loop de realimentação de reforço. Recursos renováveis não-vivos como a luz solas, o vento, a água em um rio são regenerado não através de loops de reforço, mas através de entradas constantes que provem alimentação do recurso de estoque não importando o que o estado corrente que o estoque deve ter.

Agora, é utilizado o exemplo de uma pescaria. Mais um vez, assume-se que o ciclo de vida do capital é 20 anos e a indústria crescerá 5% por ano. Como recurso não-renovável, assume-se que, conforme o recurso se torna escasso seu custo aumento. São necessários barcos maiores que podem ir longas distâncias e são equipados com sonar. Sistemas de refrigeração a bordo são necessário para trazer os peixes de longas distâncias. Tudo isto custo mais capital.

Um modelo simplificado se uma economia pesqueira é afetado por três relações não-lineraes: preço, taxa de regeneração e rendimento por unidade de capital.

Este sistema pode produzir muitos diferentes conjuntos de comportamento.