Post on 06-Apr-2016
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
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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
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Die Analyse der Subsysteme (‚kopfgroße Teile‘) ist einfacher, da die Anzahl der Systemparameter geringer ist.
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In der anschließenden Synthese kann man sich dann auf die Wirkungsstruktur, d.h. den durch Prozesse gesteuerten Energie-, Volumen- oder Informationsfluss zwischen ihnen konzentrieren.
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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
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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.
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SystemdynamikSystem, Subsystem und Modularisierung
Die Modularisierung bei der Systemanalyse und der Systemsynthese ist eine wichtige Voraussetzung für eine reale, d.h. systemabbildende Modellentwicklung.
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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.
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Durch die Abgrenzung von Teilsystemen erfolgt eine Komplexitätsreduktion, indem die Teilsysteme von “Spezialisten” detailliert untersucht werden können.
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SystemdynamikSystem, Subsystem und Modularisierung
Daten-, Energie- und Informationsflüsse innerhalb und zwischen den Teilsystemen werden isoliert betrachtet und lassen sich dadurch leichter analysieren.
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SystemdynamikSystemhierarchien und Modularisierung
Modular strukturierte Systeme haben eine Systemhierarchie, bei der zwischen über- und untergeordneten Teilsystemen unterschieden werden kann.
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Die Geographie untersucht folgende Systemumwelten, in denen Systemhierarchien ausgeprägt sind:
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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)
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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
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SystemdynamikSystemhierarchien und Modularisierung
NE-HD-Systeme unserer „real world“ haben folgende Hierarchiefunktionen implementiert:
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Teilsysteme haben eine begrenzte ‚Prozessautonomie‘, mit der ein Eintrag in einen Austrag umgewandelt wird..
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Übergeordnete Teilsysteme üben eine Kontrollfunktion (Weisungsbefugnis) aus und können Systemänderungen “einführen”, an die sich die untergeordneten Systeme anpassen.
Bsp.: Klimaänderungen, Geotektonik, Vulkanismus
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SystemdynamikSystemhierarchien und Modularisierung
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:
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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
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Bei Rückkoppelungen erfolgt die Systemreaktion über zumindest eine Zustandsgröße, wie z.B. bei Regelungsvorgängen.
Bsp.: ET = f(rel. LF)ET = f(θ)
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Bei Systemanpassungen bleibt die Wirkungsweise des Systems erhalten, doch werden Parameteränderungen vorgenommen.
Bsp.: Wurzelwachstum bei Grundwasserabsenkung
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SystemdynamikSystemreaktion und Systemerhaltung
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
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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
SystemdynamikSystemreaktion und Systemerhaltung
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.
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SystemdynamikSystemreaktion und Systemerhaltung
Diese Verhaltenorientierung lässt sich auf der oberen Systemebene mit den Begriffen Existenzsicherheit, Handlungsfreiheit, Wirksamkeit oder Wandlungsfähigkeit charakterisieren.
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Für die Systemanalyse und die darauf basierende Systemprognose ist hierbei zwischen folgenden System-einträgen aus der Systemumwelt zu unterscheiden:
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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.
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SystemdynamikSystemreaktion und Systemerhaltung
Für die Systemanalyse ist es von großer Bedeutung, dass untersucht wird, ob durch den Umwelteintrag die Wirkungsstruktur des Systems geändert wird oder nicht.
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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
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Wirkungsstruktur ist unverändert: Das Verhaltensrepertoire des Systems bleibt qualitativ erhalten.
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Wirkungsstruktur wird verändert: Das Verhaltenspotential des Systems wird grundlegend, eventuell destruktiv verändert.
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SystemdynamikVerhaltensorientierung
Systeme können auch als Akteure in ihrer Umwelt auftreten, und diese durch ihre Systemreaktion beeinflussen.
Bsp.: KonsumentenorganisationenStaaten und politische Verbundsysteme
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In diesem Fall lassen sich “Leitwerte” der “Akteure” definieren, anhand derer ihre Systemreaktion prognostiziert, d.h. vorhergesagt werden kann.
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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
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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.
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SystemdynamikUnberechenbarkeit deterministischer Systeme
Deterministische Systeme werden als nicht vom Zufall, sondern vom jeweiligen Systemzustand beeinflusst definiert. Bsp.: Abflussbildung durch Gebietsniederschlag
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Daraus folgt: Bei kleinen Zustandsänderungen konvertiert das System immer auf den gleichen Zustandspfad.
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SystemdynamikUnberechenbarkeit deterministischer Systeme
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.
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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
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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.).
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SystemdynamikUnberechenbarkeit deterministischer Systeme
In jedem Fall ist die Systemreaktion jedoch nicht “unvorher-sehbar”, sondern aufgrund von Resourcenbeschränkungen (Energie, Verhaltenbereiche von Nachbarsystemen) abgrenz-bar.
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Chaos als Folge von willkürlichem Verstoßen der “Akteure”, z.B. Organisationen oder Personen gegen “rationale” Handlungs-kriterien.
Bsp.: Kriminelle Politiker oder Wirtschaftsmanager
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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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