Как читать графики поведения системы во времени

Чтобы понимать, как ведет себя система, системные мыслители используют графики изменения тех или иных параметров во времени — так можно получить больше информации, чем при анализе отдельных событий. Графики поведения во времени используются еще и для того, чтобы определить, приближается ли система к цели или пределу, и если да, то насколько быстро.

По вертикальной оси может откладываться величина, характеризующая запас или поток. Форма графика очень показательна; значение имеют также точки, в которых происходит изменение направления или формы кривой. В большинстве случаев форма несет в себе больше информации, чем конкретные значения, отложенные по осям.

Горизонтальная ось, по которой отсчитывается время, позволяет понять, что происходило раньше и что произойдет потом. В зависимости от того, какой вопрос или проблему вы изучаете, можно сосредотачиваться на том или ином временном диапазоне.

Рис. 7. Выходной поток не изменяется, входной поток появляется на пятой минуте, и в результате объем воды в ванне стабилизируется

Ванна с поступающей и вытекающей водой — это пример очень простой системы, в которой только один входной и только один выходной поток. В тот временной период, что представляет для нас интерес, испарение мы можем считать пренебрежимо малым, так что его в диаграмму включать не нужно. Все модели, мысленные ли они или математические, всегда представляют собой упрощение реального мира. Но изучив динамику на примере простой ванны, можно сделать несколько важных выводов, спра ведливых и для более сложных систем:

■ Если сумма всех входных потоков превышает сумму всех выходных потоков, уровень или объем запаса будет расти.

■ Если сумма всех выходных потоков превышает сумму всех входных потоков, уровень или объем запаса будет уменьшаться.

* Если сумма всех выходных потоков равна сумме всех входных потоков, уровень или объем запаса будет неизменным; в таких случаях устанавливается динамическое равновесие на уровне, который наблюдался в тот момент, когда потоки сравнялись.

Людям свойственно обращать внимание в первую очередь на запасы, а не на потоки. А если уж мы обращаем внимание на потоки, то в первую очередь на входящие, и лишь затем на выходящие. Именно поэтому мы порой упускаем из виду, что уровень воды в ванне можно поднять не только увеличением входного потока, но и уменьшением выходного. Все хорошо понимают, что для продления существования нефтяной экономики необходимо открывать новые месторождения нефти, но далеко не все отдают себе отчет в том, что того же можно добиться, просто сжигая меньше нефти. Резкое увеличение энергоэффективности по отношению к доступным запасам нефти эквивалентно открытию нового месторождения — хотя прибыль при этом распределяется несколько иначе.

Запасы можно увеличивать как за счет роста потоков на входе, так и за счет уменьшения потоков на выходе. Поднимать уровень воды в ванне можно разными способами...

Подобным образом компании могут поддерживать большой штат сотрудников: ттибо нанимать больше новых работников, либо принимать меры, чтобы не уходили прежние (и чтобы их не за что было увольнять). Причем стоимость этих двух стратегий может очень сильно отличаться. Благосостояние страны можно резко увеличить, вложив средства в постройку новых заводов и установку нового оборудования. А можно уменьшить скорость, с которой изнашивается и выходит из строя имеющееся оборудование, и достичь того же результата, причем зачастую меньшими средствами.

В ванне легко полностью открыть или перекрыть потоки; вытащить пробку или открутить кран — дело нескольких секунд. Гораздо сложнее быстро изменить уровень воды — величину запаса. Даже если полностью открыть слив, спуск воды займет какое-то время. И наполнить ванну во мгновение ока тоже не получится, даже если вы полностью открутите оба крана. Изменение запасов и уровней требует времени. Чтобы был эффект, потоки должны действовать некоторое время. Это ключ к пониманию поведения систем. Запасы и уровни обычно изменяются медленно, и это можно расценивать как запаздывание, отсрочку, инертность системы, своего рода буфер или фактор устойчивости. Запасы, особенно большие, откликаются на изменения (даже очень резкие) лишь постепенным увеличением или уменьшением.

Запасы обычно изменяются медленно, даже если входные и выходные потоки меняются очень резко. Это приводит к возникновению запаздываний и служит в системе своего рода буфером, смягчающим внешние воздействия.

Люди часто недооценивают момент инерции, присущий запасам. Чтобы население увеличилось (или наоборот, перестало расти), нужно очень много времени. Так же мед-ленно в лесу растут запасы древесины, в водохранилище поднимается уровень воды, а в шахтах истощаются запасы полезных ископаемых. Экономика не может за один день увеличить производящие, транспортные и энергетические мощности, даже если вложить огромные средства. Поскольку в экономике уже присутствует огромное количество автомобильных двигателей и промышленных установок на нефтяном топливе, их невозможно быстро перенастроить на другой вид топлива, даже если цена на нефть резко подскочит. Накопление в стратосфере загрязнителей, разрушающих озоновый слой, происходило десятилетиями, а теперь многие десятилетия уйдут на то, чтобы стратосфера от них избавилась.

Изменения запасов определяют, насколько динамичной будет система. Индустриализация не может идти быстрее, чем строятся заводы и создается новое оборудование, и быстрее, чем обучается персонал для работы на них и для технического обслуживания. Леса не вырастают за одну ночь. Если загрязнители проникли в грунтовые воды, то очищение произойдет не раньше, чем пройдет полное обновление подземных вод — а это займет десятки и даже сотни лет.

Запаздывания, вызываемые в системах медленным изменением запасов, могут приводить к проблемам, но могут и способствовать стабильности системы. Плодородные почвы, накопленные за столетия, не могут подвергнуться моментальной эрозии. Население, обученное многим профессиям и имеющее разнообразные навыки, не может разом все позабыть. Можно выкачивать грунтовые воды быстрее, чем они возобновляются, но истощение водоносного горизонта произойдет не за один день. Запаздывания, объясняемые медленным изменением запасов, оставляют нам достаточно времени для маневра, чтобы мы могли найти решение и сменить стратегию на более действенную.

Если вы имеете представление о скорости изменения запасов, то не будете ожидать быстрых подвижек там, где они в принципе не могут быть быстрыми. И не станете

раньше времени бросать начатое. Момент инерции в поведении системы можно использовать для достижения поставленной цели точно так же, как мастера восточных единоборств используют момент движения противника, чтобы победить его.

Запасы выполняют еще одну очень важную функцию в системе, и она приведет нас прямиком к понятию обратной связи. Наличие запасов позволяет входным и выходным потокам существовать независимо. Какое-то время система может позволить этим потокам не уравновешивать друг друга.

Нефтяной компанией было бы практически невозможно управлять, если бы производить бензин на нефтеперегонных заводах надо было точно с той скоростью, с которой автомобили его расходуют. Сложно себе представить лесозаготовки, которые ведутся с абсолютно такой же скоростью, с которой растет лес. Бензин в хранилищах и древесина в лесу — это запасы, позволяющие идти всему своим чередом, обеспечивающие размеренную жизнь даже в том случае, если какие-то потоки на какое-то время меняются.

Запасы позволяют входным и выходным потокам не зависеть друг от друга и не уравновешиваться в течение какого-то времени.

Люди придумали огромное количество способов поддерживать самые разные запасы, чтобы сделать входные и выходные потоки не зависимыми друг от друга и тем обеспечить стабильность. Водохранилища позволяют местным жителям и фермерам, живущим ниже по течению, жить без оглядки на капризы реки, не опасаясь очередной засухи или наводнения. Банковские накопления позволяют вам какое-то время тратить деньги не с той же скоростью, с которой вы их зарабатываете. Запасы продукции на складах позволяют работать без перебоев цепочке от дистри-

бьютора к оптовику, а затем к розничному торговцу, даже если спрос на продукцию постоянно меняется. Заказы клиентов успешно выполняются, несмотря на то, что скорость производства продукции может не совпадать со скоростью ее потребления.

Большинство решений, принимаемых частными или должностными лицами, сводится к тому, чтобы регулировать уровень запасов. Если склады ломятся от товаров, то приходится снижать цены или увеличивать затраты на рекламу, чтобы поднять продажи и избавиться от затоваривания. Если ваш холодильник пустеет, вы отправляетесь в магазин за покупками. В зависимости от того, что происходит с посевами зерновых, фермеры решают, прибегнуть ли к искусственному орошению и применить ли пестициды; зерновые компании определяют, сколько зерна они будут закупать в этом году; перекупщики прикидывают цены на будущий урожай; животноводы увеличивают или уменьшают поголовье скота. За уровнем воды в водохранилище всегда следят и не дают ему подняться слишком высоко или опуститься слишком низко. Нефтяные компании точно так же отслеживают балансовые запасы нефти в хранилищах. Бумажные производства регулируют запасы сырья для изготовления бумаги. Вы сами поступаете точно так же, когда проверяете, достаточно ли денег в кошельке, и по тому же принципу контролируется концентрация загрязнителей в водоемах.

Величину запасов отслеживают постоянно, и на основе этих данных принимают решения и меры по увеличению или уменьшению запасов или по поддержанию их в определенных пределах. Эти решения принимаются в соответствии с приходами и расходами, успехами и провалами, и так происходит во всех системах. Специалисты по динамике систем представляют себе мир как совокупность запасов с механизмами, которые регулируют их уровень за счет управления потоками.

Системные мыслители рассматривают мир как совокупность обратных связей.

Как система влияет сама на себя: механизм обратной связи

Системы, контролируемые информационной обратной связью, лежат в основе всех человеческих действий

и самого существования человечества, начиная с медленных эволюционных изменений и заканчивая запуском спутников в космическое пространство...

Что бы ни делали отдельные люди, промышленные предприятия или общество в целом — все так или иначе связано с системами, имеющими информационную обратную связь.

Джей Форрестер [11]

Рис. 8. Как читать потоковые диаграммы с обратными связями.

На каждой диаграмме такого типа присутствуют: запас; поток, изменяющий величину запаса; информационная связь (показана дугообразной стрелкой), управляющая действием. Она либо усиливает действие, либо изменяет его за счет регулирования потоков

сительно простые последовательности запасов и потоков, не образующие замкнутый контур. На такую последовательность могут влиять внешние факторы, однако величины запасов никак не влияют на относящиеся к ним потоки. А вот системы, содержащие циклы обратной связи, встречаются достаточно часто. Они могут иметь интересную структуру и, как мы увидим дальше, порой демонстрируют довольно неожиданное поведение.

Цикл (петля) обратной связи представляет собой цепочку причинно-следственных связей, исходящую из запаса и возвращающуюся к нему же. Связи реализуются через набор решений, правил, физических законов или действий, зависящих от величины самого запаса. Изменение запаса вызывает изменение потока, в свою очередь, вызывающее дальнейшее изменение запаса, и т. д.

Стабилизирующие петли: балансирующий цикл обратной связи

Один из широко распространенных типов обратных связей стабилизирует величину запаса на определенном уровне — так, как это было в примере с текущим банковским счетом. Уровень запаса может поддерживаться не совсем неизменным, а просто оставаться в каких-то границах. Приведенные дальше другие примеры стабилизирующих циклов обратной связи наверняка вам знакомы. На них мы сможем изучить отдельные составляющие петель обратной связи.

Если вы часто пьете кофе, то вам знакомо такое поведение: когда человек ощущает упадок сил, он наливает себе чашечку крепкого черного кофе, чтобы взбодриться. Любитель кофе ориентируется на желаемое количество энергии для работы — это желаемая величина запаса. Задача такой системы доставки/потребления кофеина — поддерживать текущий запас энергии на желаемом уровне или близко к нему. Разность между текущим и желаемым

Рис. 9. Запасы энергии в организме любителя кофе

уровнем энергии и заставляет вас действовать, чтобы принять очередную порции кофеина. (Кроме того, у вас могут быть и другие причины, чтобы пить кофе: может, вам просто нравится его вкус или доставляет удовольствие выпить кофейку в хорошей компании.)

Обратите внимание: все подписи на рис. 9, как и на других потоковых диаграммах в этой книге, не содержат в себе оценки «больше/меньше». «Запас энергии в организме» — это именно сама величина запаса, а не утверждение, что «энергии слишком мало». «Принятие кофе» не означает «выпить больше кофе». Подписи сформулированы именно так потому, что многие циклы обратной связи способны работать в обоих направлениях. В нашем примере с любителем кофе петля обратной связи может скорректировать как недостаточное потребление кофеина, так и избыточное. Если вы выпьете слишком много кофе, то ощутите переизбыток сил, они будут так и распирать вас, поэтому прием кофеина захочется на некоторое время прекратить. Избыток энергии тоже создает разницу между текущим и желаемым запасом энергии (ощущение «перебора»), поэтому вы воздержитесь от употребления кофе до тех пор, пока уровень энергии не уменьшится. Диаграмма показывает, что петля обратной связи может изменять уровень энергии в любую сторону — как увеличения, так и уменьшения.

Можно было бы показать входной поток энергии проистекающим из символа «облака», но вместо этого лучше чуть-чуть усложнить диаграмму. Помните, все системные диаграммы — это упрощенные представления реального мира. Мы сами выбираем масштабы этого упрощения. В данном случае лучше указать еще один запас — то количество энергии, что запасено в организме и может быть активировано с помощью кофеина. Это нужно для того, чтобы показать, что система — это не только петля обратной связи. Как известно всем любителям кофе, действие кофеина непродолжительно. Образно говоря, кофе может заставить мотор крутиться быстрее, но при этом запас топлива в баке не увеличивается. Довольно быстро стимулирующее действие кофе ослабевает, и организм в результате испытывает еще больший дефицит энергии, чем до принятия кофеина. Появившаяся вновь разница между желаемым и имеющимся уровнем энергии заставит вас опять отправиться за кофейником. (Можете также посмотреть на систему, описывающую наркотическую зависимость, — она приводится дальше в этой книге.) Будет гораздо лучше, если вместо очередной чашки кофе вы прибегнете к какому-нибудь другому способу обрести энергию, более действенному и полезному для здоровья: пойдете поесть, отправитесь прогуляться, как следует выспитесь...

Петли обратной связи, стабилизирующие запас на ка-ком-то уровне, позволяющие его регулировать и достигать желаемого значения, называются балансирующими циклами обратной связи. Внутри такого цикла на диаграмме ставится буква «Б». Балансирующие циклы стремятся к достижению какого-то значения, к стабилизации. Каждый такой цикл старается удержать запас на каком-то уровне или в каких-то пределах. Балансирующий цикл противодействует любому внешнему воздействию на систему. Если запас слишком велик, балансирующий цикл постарается уменьшить его. Если запас слишком мал, балансирующий цикл будет стремиться увеличить его.

А вот еще один пример, в котором присутствует кофе, — только на этот раз речь пойдет не о принятии решения человеком, а о действии законов физики. Горячая кружка кофе постепенно остывает до комнатной температуры. Скорость остывания зависит от разности между температурой кофе и комнатной температурой. Чем больше разность, тем выше скорость остывания. Петля обратной связи работает и в другом направлении: если вы приготовите кофе со льдом в жаркий день, он будет нагреваться, пока его температура не сравняется с комнатной. Цель этой системы — привести к нулю разность между температурой кофе и температурой в помещении, и неважно, какой знак имеет эта разность.

Рис. 10. Остывание (слева) и нагревание (справа) кружки с кофе

На рис. 11 показано, как меняется температура во времени, если кофе той или иной температуры приготовили, налили в кружку, но не стали пить. В примере рассматривается и горячий (даже почти кипящий) кофе, и кофе со льдом. Видно, как все кривые стремятся к одной и той же итоговой температуре — это и есть результат работы балансирующего цикла. Каким бы ни было начальное значение запаса в системе (в данном случае температура кофе), больше ли оно желаемого или меньше (выше или ниже температура, чем комнатная), балансирующий цикл обратной

Рис. 11. Приближение температуры кофе к комнатной температуре

связи приведет его к желаемому уровню. Скорость изменений в начале процесса выше, и она становится тем меньше, чем меньше разность между текущим и желаемым значением запаса.

Балансирующие циклы обратной связи служат выравнивающими структурами в системе, позволяют достичь желаемого значения, выполняют функции одновременно источника стабильности и противодействия изменениям.

Такой тип поведения — постепенное приближение к цели, определенной системой, — демонстрируется и во многих других случаях: радиоактивный распад, самонаведение ракет и снарядов, обесценивание активов, регулирование уровня воды в водохранилище, колебания уровня сахара в крови, торможение машины на запрещающий сигнал светофора... Вы сами можете придумать массу примеров. В мире присутствует огромное количество систем с балансирующими циклами обратной связи, которые стремятся достичь каких-то конкретных значений.

Присутствие в системе механизма обратной связи совсем не обязательно означает, что это механизм работает эффективно. Механизмы обратных связей могут быть недостаточно сильны для того, чтобы привести запас к желаемому уровню. Обратные связи — взаимные влияния, информационные составляющие системы — могут давать сбой по самым разным причинам. Информация может поступать слишком поздно или не туда, куда нужно. Она может быть неверно понята, может оказаться неполной, ее могут интерпретировать неправильно. Меры, принимаемые на основе этой информации, могут оказаться недостаточными и запоздалыми. Они могут ограничиваться имеющимися ресурсами или просто быть неэффективными. Вполне может статься, что цель цикла обратной связи — конкретное значение запаса — вообще никогда не будет

достигнута. Но в том, что касается кружки с кофе, можете быть уверены: сс температура в кииде концов сравняется с комнатной.

Петли, приводящие к выходу за пределы: усиливающий цикл обратной связи

Мне бы нужно отдохнуть, чтобы восстановить ясность мышления; но чтобы отдохнуть, нужно путешествовать, а чтобы путешествовать, надо иметь деньги, а чтобы иметь деньги, надо работать... Я попал в порочный круг... и вырваться из него невозможно.

Оноре де Бальзак [12]

Здесь мы сталкиваемся с очень важным явлением. Рассуждения словно замкнулись в круг: прибыли упали, потому что уменьшились капиталовложения, а капиталовложения уменьшились, потому что упали прибыли.

Ян Тинберген [13], экономист

Второй тип циклов обратной связи — это петли, усиливающие сами себя, раскручивающие систему все сильнее, подобно тому, как растет снежный ком. Это порочный или добродетельный круг, который в итоге может либо вызвать разрушение системы, либо обеспечить здоровый рост. Такие петли называют усиливающими циклами обратной связи, и внутри диаграмм, описывающих такие системы,

ставится буква «У». Такие циклы создают тем больший входной поток, чем больше величина запаса (и тем меньший поток, чем меньше запас). Усиливающий цикл обратной связи придает системе дополнительное движение в том же направлении, что и внешнее воздействие — то есть усиливает его.

Например:

■ Всем знакома ситуация, когда дерутся дети: один толкнул другого, тот толкнул в ответ сильнее, поэтому первый толкнул еще сильнее, и т. д.

■ Чем выше цены, тем больше должна быть зарплата для поддержания прежнего уровня жизни. Чем больше зарплата, тем больше увеличиваются цены, чтобы обеспечить прибыльность, необходимую для выплаты зарплат. Раз цены опять выросли, приходится снова поднимать зарплаты, что приводит к дальнейшему росту цен.

■ Чем больше кроликов на ферме, тем больше родится крольчат. Чем больше крольчат, тем больше из них вырастет кроликов, которые произведут на свет еще больше крольчат.

■ Чем больше почва подвергается эрозии, тем меньше растений произрастает на ней и тем меньше становится корней, закрепляющих почву, поэтому почва разрушается еще сильнее, и на ней остается еще меньше растений.

■ Чем больше часов я упражняюсь за роялем, тем большее наслаждение мне доставляют звуки, поэтому я еще больше времени посвящаю занятиям музыкой, и тем лучше играю.

Усиливающие циклы появляются в системах всякий раз, когда встречается какой-либо элемент, способный воспроизводить сам себя или какую-то свою часть. В число та-

Рис. 12. Начисление процентов по накопительному вкладу в банке

ких элементов входят численность населения и величина капитала в экономике. Вспомните пример с накопительным вкладом в банке. Чем больше денег у вас на счете, тем больше денег вам начисляется в виде процентов. Они приплюсовываются к сумме на счете, и в следующий раз доходы будут еще выше.

На рис. 13 показано, как растет сумма на счете в результате работы усиливающего цикла обратной связи. Начальная сумма — 100 долларов, срок вклада — 12 лет, дополни-

Рис. 13. Рост суммы на счете в зависимости от величины процентной ставки

тельные взносы не производятся, начисляемые проценты приплюсовываются к сумме вклада (капитализируются). Пять кривых соответствуют пяти различным процентным ставкам по вкладу: от 2 до 10% годовых.

Это не простой линейный рост. Величина прироста не постоянна, а изменяется с течением времени. График увеличения суммы на счете может показаться прямой линией, если процентная ставка мала, но только в первые несколько лет. С годами рост будет идти все быстрее и быстрее — чем больше на счете, тем больше добавится. Такой тип роста называется экспоненциальным. Вреден он или полезен — зависит от того, что именно увеличивается: накопления в банке, количество больных СПИДом или носителей ВИЧ, популяция саранчи в поле, благосостояние населения или количество оружия в результате гонки вооружений.

На рис. 14 описано поведение тяжелой промышленности: чем больше у вас оборудования и заводов (вместе называемых «промышленным капиталом»), тем больше продукции и услуг вы можете произвести (объем производства за год). Чем больше объем производства, тем больше можно инвестировать в производство нового оборудования и заводов. Чем больше вы производите, тем больше можете вложить, чтобы произвести еще больше. Усиливающий цикл обратной связи — основная движущая сила, отвечающая за рост экономики.

Усиливающие циклы обратной связи раскручивают сами себя, приводя к экспоненциальному росту или даже выходу системы за пределы. Они встречаются в системах всякий раз, когда какой-либо запас обладает способностью воспроизводить себя или какую-то свою часть.

Теперь вы уже можете себе представить, какое значение имеют балансирующие и усиливающие циклы обратной

Рис. 14. Реинвестирование капитала

связи, ответственные за поведение систем. Иногда я предлагаю своим студентам вообразить, как люди принимали бы решения, не будь обратных связей. Какими были бы эти решения, если они вообще никак не соотносились с величиной запаса? Задумайтесь над этим. Чем больше вы будете размышлять на эту тему, тем больше циклов обратной связи вы обнаружите — они повсюду.

В качестве примера решений, не основанных на обратной связи, студенты чаще всего приводят влюбленность и попытки самоубийства. Предоставлю вам самим решить, действительно ли подобные решения принимаются без влияния обратных связей.