迎向永續未來:系統動力學的貢獻

作者:黃意鈞 歐盟Erasmus Mundus學程系統動力學碩士生

特約編輯: 詹詒絜 歐盟Erasmus計畫環境科學、政策與管理碩士/台灣青年氣候聯盟理事

 

 

今日人類面臨了許多重大挑戰,以台灣為例,當前我們面臨了包括產業轉型瓶頸、年金制度瀕臨崩潰、醫療崩壞、氣候變遷及永續發展等問題。這些問題有幾個共同的特色:

1. 複雜性:由多種不同因子之間的交互作用而產生,並且也和其他議題相互影響。例如,年金制度牽涉到人口議題、經濟發展;醫療崩壞牽涉到健保財務機制、醫病互動、藥價政策、醫院經營等因素;能源議題牽涉到不同發電方式的可行性、氣候變遷、產業發展等因素;而生態系經營管理涉及在地居民生活方式、生物多樣性保育、產業發展等面向。

2. 動態性:構成難解問題的因子不僅多樣,因子之間的交互作用也可能持續變化,導致問題的嚴重性會隨著時間推移而演變、發展,因此這些難解的問題不僅是複雜的,同時也是「動態的」。

3. 涉及不同的利害關係人:問題的複雜性意味者有多種不同的角色參與其中,這些不同的角色往往有不同的觀點與考量,使問題無法只靠少數的「專家」處理,而是需要納入不同利害關係人的參與。

這些特色讓我們原本想要用來解決問題的方法往往無法發揮預期的效果,或是即使有效果卻也意外地產生了負面的副作用,有時甚至產生反效果,也使得系統動力學應運而生。

 

處理動態複雜系統的哲學與方法

系統動力學(Systems Dynamics)起源自美國,由麻省理工學院史隆管理學院(Sloan School of Management)的教授Jay Forrester (1918-)所創立。他早期研究電子工程,並且參與了現代電腦的開發,後來於1950年代結合控制工程(Control Engineering,關注系統內部的回饋機制與自我調節)、控制論(Cybernetics,關注訊息在控制系統中所扮演的角色)以及組織理論(Organization Theory,關注人類組織結構與決策機制),發展出一套研究複雜系統的哲學與方法,也就是系統動力學。

經過五、六十年的發展,如今系統動力學已經被運用在社會科學、自然科學、工程科學、管理學等不同的領域,以及永續發展、氣候變遷等跨領域議題。

系統動力學的目標是「研究系統組成部分之間的交互作用如何產生系統層級的行為變化,進而找出能夠顯著影響系統行為的槓桿點來改善系統」。

在運用系統動力學的過程中,首先會針對想要處理的問題蒐集各種因子,接著把這些因子放入電腦模型中,模擬它們在真實世界裡的互動關係,藉此讓問題在電腦中「重現」。接著研究導致問題發生的結構性因素,最後嘗試設計對策以引發系統性的變革,讓系統往不同的方向發展。

Jay Wright Forrester

Jay Wright Forrester

 

系統動力學的特色

除了關注系統的動態複雜性,並且考量人的組織結構與決策機制在系統中所扮演的角色以外,系統動力學還具有以下特色:

讓思考更清晰嚴密

面對問題時,許多人會基於自身對於問題背後因果關係的理解而形成一套自己的「變革理論」,但是當系統複雜性超出一般人認知能力所能處理的程度時,人們對於因果關係的認識其實不如「自以為」的那般清楚。透過運用系統動力學,人們能夠對於整個系統性的原因有更清楚的理解,了解整個系統當中有哪些變數、不同變數之間有什麼樣的因果關係,並且意識到自己的變革理論隱含哪些前提假設。

重視模擬實驗

對於牽涉到複雜系統的問題,常因為可行性低或是成本太高,而無法透過實際的實驗來測試解決方案的效果。透過建構模型就能夠進行模擬實驗,檢視在理想的環境下,自己的變革理論是否真的能發揮預期的效果。

讀到這邊,也許有人會感到疑惑:「即使在模擬的環境下行得通,在真實世界真的能發揮作用嗎?」的確,在模擬環境下能發揮作用不等於能在真實世界解決問題;然而,如果就連在理想化的模擬環境都無法發揮作用,那我們的變革理論很可能是有誤,或者至少是不完備的。

在建構可用於模擬實驗的模型時,必須針對系統中的因果關係進行量化,並且輸入相關資料,這會促使我們對於整個系統進行更嚴密的思考,而如果在過程中發現因果關係不明或是出現資料不足的狀況,也能夠為我們指出後續的研究方向。

促進利害關係人之間的對話與合作

許多難解的問題常常同時伴隨利害關係人的衝突,在一些公共議題的場域尤其是如此,這些衝突的成因不只是事情本身,往往還有「人」的因素:「我反對你並不是因為你的意見是錯的,而是因為這個意見是你提的!」針對這樣的衝突,由於系統動力模型容易視覺化,並且所使用的元件相對直觀,因此特別適合作為不同利害關係人的對話平台。

透過運用系統動力模型呈現各方的意見,能夠幫助利害關係人把焦點從「人」轉移到模型上,讓每個意見與它的持有者「脫鉤」;此外,由於每個利害關係人很可能都只看到系統的其中一個面向,系統動力模型能夠幫助整合各個觀點,讓利害關係人不再只是關注各自的面向,而是能夠看到不同面向的關聯性,對於問題背後的結構形成共同的理解,甚至共同找出系統性的解決方案,而這種由一群利害關係人共同參與模型建構的方法,稱為「團體建模」(Group Model Building)。

 

系統動力學的應用案例

系統動力模型不僅可用於設計解決方案,也能夠作為政府對大眾溝通的工具。以下分別介紹兩個將系統動力模型用於永續發展議題的案例,第一個美國加州洛杉磯的「零廢棄物倡議」,在這個案例中,洛杉磯市政府將系統動力模型作為蒐集意見、推廣教育的工具;第二個則是美國內華達州拉斯維加斯,由當地政府不同部門的官員透過團體建模共同規劃改善土地利用、交通與空氣品質的整合性方案。

 

案例一:洛杉磯的零廢棄物倡議

2007年初,美國加州洛杉磯市政府發起了「零廢棄物倡議」(Zero Waste Initiative),預計在2030年之前,把全市的固態廢棄物掩埋比例由38%降到0%。自2007年七月至2008年五月,洛杉磯市政府舉辦多場會議、工作坊,希望能將利害關係者的意見納入他們的「固態廢棄物整合資源規劃」(Solid Waste Integrated Resource Plan),並且運用系統動力模型來讓與會者了解達到2030零廢棄物目標的可能策略選項以及蒐集意見。

整個模型是由市政府委託的建模小組所建構,涵蓋了生產、消費、廢棄處理等過程,並且設計了包含「提升產品耐用度」、「減少生產與包裝所產生的廢棄物」、「提高產品中再生資源的使用比例」、「提高產品可回收性」、「減少消費」在內的八個策略選項。為了比較不同策略選項的效果,建模小組使用了六個指標,包括「廢棄物掩埋比例」、「溫室氣體排放」以及「成本」。

模擬分析的結果指出,如果不採取任何作為,洛杉磯不可能達成2030年零廢棄物掩埋的目標,甚至還會讓掩埋比例提升;此外,零廢棄物掩埋的目標是有可能達成的,但是得付出相當的成本。再者,如果希望在減少廢棄物掩埋比例的同時,還要減少溫室氣體排放,就必須減少原料進入「生產—消費—廢棄處理」系統的量。

建模小組在一次公開會議中使用他們所建構的模型來蒐集意見。在會議一開始,建模小組首先對與會者介紹了整個「生產—消費—廢棄處理」系統以及八個策略選項,接者由與會者進行小組討論,最後針對八個策略選項的比重提出建議。特別的是,在這場會議中只有一半的與會者(約)能夠在小組討論的過程中操作系統動力模型,另一半與會者則只有專人引導討論。結果顯示,相較於其他與會者,在討論過程中有操作模型的與會者不僅對整個系統有更深入的了解,並且也提供了品質更好的建議。

 

案例二:拉斯維加斯的土地使用、交通與空氣品質

在經濟發展的過程中,拉斯維加斯的房價也隨之飆漲,使有關當局開始討論改變土地利用的型式,提高城市中心的土地使用密度的可行性,而一個由內華達南部地方首長所組成區域規劃聯盟也委託一個建模小組協助建構系統動力模型,來整合土地利用、交通運輸與空氣品質的經營管理。

整個計劃為期兩年,除了原本的建模小組,另外還有20位政府官員也參與了模型的建構過程,一起定義問題、發展模型、量化變數之間的關係、提供數據,並且在建模小組把相關的參數與數據都輸入模型之後進行確認。

在模型完成後,建模小組與官員一同運用模型進行模擬實驗,探討不同的政策對於拉斯維加斯土地利用、交通運輸與空氣品質的影響。模擬結果指出,如果不採取任何作為,拉斯維加斯交通壅塞與空氣污染的程度將顯著惡化;如果只提高土地使用密度而沒有其他政策配合,結果甚至會比什麼都不做還糟。此外,如果要改善交通、空氣與生活品質,最有效的方法是調整土地使用以及交通基礎設施,以減少民眾通勤的次數與時間。

在整個計畫執行期間,官員們的心智模式也逐漸轉遍。原本一開始大家只關注各自負責的領域,後來逐漸能看到各個領域之間的關聯以及整個系統。在模型完成後,官員們對於系統動力模型的評論包括:

「它指出你不能只做一件事情……,你必須同時做好幾件事情。」

「這個模型的價值在於量化政策的構想與結果,並且讓我們嘗試使用不同的參數……,它告訴你如何綜合不同的變數來達到目標。」

 

系統動力學的限制與挑戰

儘管有相當的實用性,系統動力學卻不是萬靈丹。由於它的強項是在於研究長期趨勢的變化,並且模擬在未來不同情境下各策略選項可能帶來的後果,如果是要做短期內的精準預測,例如預測明年的經濟成長率,則使用計量經濟學可能會更適合。而雖然系統動力學重視模擬實驗,卻也深知「系統動力模型不等於真實世界」。事實上,模型之所以為模型,就是因為它是真實世界的簡化版本,所以在系統動力學的領域有這麼一句話:

「所有的模型都是錯的,但是當中有些模型是有用的。」
(All models are wrong, but some are useful.)

系統動力學也給它的使用者帶來若干挑戰。首先,由於系統動力模型比起其他模擬方法算是相對容易操作,可能讓使用者只忙著輸入不同的參數進行不同的模擬實驗,而輕忽了「定義問題」、「提出假設」、「設計實驗」等科學方法的過程。

此外,為了彙整不同利害關係人所擁有的資訊、讓心智模式浮現,系統動力學的使用者也需要熟悉團體動態,並具備一定的團體技巧來處理團體中的防衛機制,以促進團體成員間的溝通對話、共同增進對於動態複雜系統的認識。

 

最後,系統動力學的使用者也必須把模型做為探索與學習的工具,主動揭露模型當中的假設與限制,歡迎質疑並且邀請回饋,藉此不斷增進對於動態複雜世界的認識,而不是隱瞞模型的潛在缺陷、把模型作為展示「自己有多厲害」的「黑盒子」。若談到系統動力學在各方面的永續經營上有什麼貢獻,那便是在系統動力學的協助下,大多議題的問題癥結點皆可被持續整理出,而了解問題便是邁向永續的第一步。

 

系統動力學的學習管道

經過以上的介紹,如果對於系統動力學有興趣,麻省理工學院開放式課程網當中有系統動力學課程可供自修,此外目前市面上也有相關的翻譯著作,其中包括Peter Senge的【第五項修煉】(The Fifth Discipline)以及Donella Meadows的【系統思考】(Thinking in Systems)都相當適合作為系統動力學的入門讀物。此外,雖然目前國內大學還沒有以系統動力學為主題的學位學程,部分大學目前已經有開設系統動力學的相關課程。

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