1

System Dynamics

Ir. Abdul Wahid, MT.

Departemen Teknik Gas dan Petrokimia FTUI

2

Daftar IsiPengantar Perkuliahan 3Bab 1 Pengantar Sistem Dinamik 7Bab 2 Feedback Loop

65Bab 3 Model Lebih Kompleks 163Bab 4 Modeling Exercise 180Bab 5 Building Model

188Bab 6 Exploring S-Shaped Growth 218Bab 7 Urban Dynamics

249

3

Pengantar Perkuliahan

Tujuan PembelajaranMetode Pembelajaran

Sistem Evaluasi

4

Tujuan Pembelajaran

Setelah menyelesaikan kuliah ini mahasiswa dapat:

Memahami pentingnya metodologi Sistem Dinamik dalam menyelesaikan permasalahan kompleks

Memahami langkah-langkah proses pembuatan Sistem Dinamik

Memodelkan permasalahan kompleks dan mensimulasikannya menggunakan salah satu bahasa simulasi

5

Metode Pembelajaran

Presentasi kelompokHands-onDiskusi

6

Sistem Evaluasi

Kehadiran : 10%Tugas dan Quiz : 30%UTS : 30%UAS : 30%

7

RujukanRoad Maps – A Guide to Learning System Dynamics

(System Dynamics in Education Project – MIT)Principles of Systems (J. W. Forrester)Study Notes in System Dynamics (Michael R.

Goodman) Introduction to System Dynamics Modeling (George

P. Richardson, Alexander L. Pugh III) Introduction to Computer Simulation – A System

Dynamics Modeling Approach (David Andersen, etc.)System Dynamics Home Page: http://sysdyn.mit.edu/

8

PENGANTAR SISTEM DINAMIK

?

Constant_1?

Auxiliary_2

?

Constant_2

?

Rate_1

?

Level_1 ?

Rate_2

?

Auxiliary_1

9

Perencanaan Strategi Konvensional

Strategi diolah di “kepala” para decision makerIni disebut dengan MENTAL MODEL

10

Mental Model

Konsep mental didasarkan pada pengalaman kita

Pengalaman itu disaring dan dimodifikasi oleh proses-proses persepsi dan organisasi individu untuk menghasilkan model mental kita yang menggambarkan dunia di sekitar kita

11

Pikiran Manusia

Pikiran manusia teradaptasi dengan baik untuk membangun dan menggunakan model yang menghubungkan obyek-obyek dalam ruangan

Pikiran tersebut paling unggul dalam memanipulasikan model yang menghubungkan kata-kata dan gagasan-gagasan

Tetapi pikiran manusia tanpa bantuan apapun, ketika dikonfrontasikan dengan sistem sosial dan teknologi modern, tidak cukup untuk mengkonstruksi dan menerjemahkan model dinamik yang menggambarkan perubahan dari waktu ke waktu dalam sistem kompleks

12

Kelemahan Mental Model

Model mental didefinisikan secara tidak sehat (ill-defined)

Asumsi tidak didefinisikan secara jelas dalam model mental

Model mental tidak mudah mengkomunikasikan kepada orang lain

Model mental dari sistem dinamik tidak dapat dimanipulasikan dengan efektif

13

Apa solusinya?

14

Sistem Dinamik

Sistem Dinamik digunakan untuk menghindari penggunaan model mental

Sistem Dinamik menawarkan sebuah sumber umpan-balik secara langsung dan segera kepada kita untuk menguji asumsi-asumsi yang ada dalam model mental dari sebuah realita dengan menggunakan simulasi komputer

15

Penggunaan Sistem Dinamik

Sistem Dinamik adalah sebuah disiplin ilmu yang digagas pada tahun 1956 oleh Professor MIT (Massachusetts Institute of Technology), Jay W. Forrester

Sistem Dinamik akarnya berasal dari ilmu manajemen dan teori kontrol modern (modern control theory) kemudian berkembang secara bertahap digunakan sebagai alat analisis sistem sosial, ekonomi, fisika, kimia, biologi, ekologi, sejarah dan bahkan sastra

Selanjutnya sistem dinanik juga diterapkan dalam pendidikan sebagai sebuah metode pembelajaran

16

Struktur Sistem dalam Sistem Dinamik

Dalam Sistem Dinamik, sistem didefinisikan sebagai sebuah kumpulan unsur-unsur yang secara kontinyu berinteraksi satu sama lain terhadap waktu untuk membentuk sebuah keseluruhan yang satu (unified whole)

Hubungan antar komponen-komponen dari sebuah sistem disebut struktur sistem

Istilah dinamik merujuk pada perubahan yang terjadi terhadap waktu atau dari waktu ke waktu

17

Perilaku Sistem

Sistem Dinamik adalah metodologi yang digunakan untuk memahami bagaimana sistem itu berubah terhadap waktu

Cara unsur-unsur atau variabel-variabel yang menyusun sebuah sistem berubah terhadap waktu itu menunjukkan perilaku (behavior) sistem tersebut

18

Contoh: EKOSISTEM

Struktur ekosistem didefinisikan oleh interaksi antara populasi binatang, laju kelahiran dan kematian, jumlah makanan, dan variabel-variabel khusus lainnya yang membentuk sebuah ekosistem yang tertentu

Perilakunya digambarkan oleh dinamika pertumbuhan dan penurunan populasi

Perilaku tersebut disebabkan oleh pasokan makanan, predator dan lingkungan, yang merupakan semua unsur-unsur sistem tersebut

PREDATOR

POPULASIKELAHIRAN DAN KEMATIAN

LINGKUNGANMAKANAN

POPULASI

19

Struktur dan Perilaku Sistem

Struktur sistem menentukan perilaku sistem Sistem Dinamik menghubungkan perilaku

sebuah sistem terhadap struktur yang melandasinya

Sistem Dinamik dapat juga digunakan untuk analisis bagaimana perubahan-perubahan struktur dalam satu bagian sistem bisa mempengaruhi perilaku sistem secara keseluruhan

Merujuk ke ekosistem, orang bisa menguji dampak dari musim kering terhadap ekosistem atau menganalisis dampak dari penghilangan satu jenis binatang tertentu terhadap perilaku keseluruhan ekosistem

Perilaku

Struktur

20

Contoh: Temperature Controlled Oven“Think about a temperature controlled oven. Is it the supply of power that keeps it at the right temperature? Is it the thermostat, or the switch that the thermostat controls? Or is it the goal that we established when we turned the dial to the required cooking temperature? Even with this very primitive control system, little or no insight into its mode of action or performance can come from analysis, by separating its component parts and considering each in turn, which is the essence of thinking logically in terms of cause and effect. The key to understanding systems is that, like life itself, they are always more than merely the assembly of constituent parts. They can only be considered and understood as operating systems... whereby the behavior of the system is analyzed in terms of its underlying structure.”

TC

21

Simulasi Bisnis

Memungkinkan untuk mengembangkan dan menguji strategi berbasis komputer sebelum strategi tersebut diterapkan dalam dunia nyata

Simulasi bisnis mengurangi waktu dan usaha yang diperlukan untuk investigasi resiko dan mengembalikan profil-profil dari pilihan strategi

Dapat meningkatkan kemampuan untuk memahami, memperbaiki, dan mengkomunikasikan hubungan antara struktur bisnis, stratedi dan kinerja jangka pendek dan jangka panjang

Sifat interaktif dari simulator membuat sebuah lingkungan yang menyenangkan untuk mendapatkan pengalaman dinamika bisnis pada kondisi yang bervariasi

22

SEM-BPS (Strategic Enterprise Management-Business Planning and Simulation)

Ini harus menggunakan software POWERSIM STUDIO 2001 ENTERPRISE

Di dalam kuliah ini akan dibahas bagian model bisnis saja

23

Model Bisnis

Sistem Dinamik menawarkan sebuah sumber umpan-balik secara langsung dan sesegera mungkin kepada kita untuk menguji asumsi-asumsi yang ada dalam model mental dari sebuah realita dengan menggunakan simulasi komputer

Simulasi komputer adalah tiruan dari perilaku sistem melalui perhitungan numerik yang dilakukan oleh komputer pada sebuah model sistem dinamik (termasuk model bisnis)

Sebuah model sistem dinamik adalah represantasi dari struktur sebuah sistem

24

Motto Simulasi Komputer

Tell me and I will forget.Show me and I may remember.Involve me and I will understand.

25

Perangkat Lunak

DYNAMO (DYNAmic MOdels)STELLA (System Thinking Educational Learning

Laboratory with Animation)IthinkPowersim

StudioExpertExecutiveEnterprise

SolverVensim (Ventana Simulation)

26

Proses pembuatan sistem dinamik

Tahap 1

Gambar Sistemnya

Tahap 2

Ubah gambaran ke persamaan level

dan rate

Tahap 3

Simulasikan Modelnya

Tahap 4

Disain Kebijakan dan Struktur

Alternatif

Tahap 5

Didik dan Debatlah

Tahap 6

Implementasikan Perubahan dalam

Kebijakan dan Struktur

27

Tahap 1: Gambarkan Sistemnya

Gambaran sistem yang baik lahir dari pemahaman yang baik terhadap sistem tersebut

Prosedur yang bisa dipakai:Studi kasusSoft ORSystems thinkingSystem dinamics, fase konseptualisasi

28

Tahap 2: Ubah Gambaran Sistem ke Persamaan Level (Stock) dan Rate (Flow)

Tahap 2 sudah mulai memformulasikan sebuah model simulasi

Dari gambaran sistem kita harus dapat mengelompokkan, mana variabel-variabel yang dikatakan level (stock) dan mana yang rate (flow)

Kedudukan level-rate dalam sistem dinamik dapat dipahami dengan mengetahui hirarki struktur sistem

29

Hirarki Struktur Sistem dalam Sistem DinamikI. Batasan sistem (system boundary)

menggambarkan sifat-sifat yang diciptakan di dalam keadaan batas tanpa tergantung faktor luar

A. Feedback loop sebagai element dasar dari sistem yang dibangun

1. Level sebagai variabel dasar dalam feedback loop2. Rate sebagai variabel dasar lainnya dalam feedback loop

a. Tujuan sebagai komponen dari rateb. Membandingkan kondisi nyata dengan tujuan c. Ketidaksesuuaian antara tujuan dan kondisi nyatad. Aksi yang timbul sebagai akibat ketidaksesuaian antara tujuan dan

kondisi nyata

30

Batasan Sistem

Feedback system merupakan sistem tertutup

Sifat dinamisnya muncul dalam struktur internalnya

Setiap interaksi yang mempengaruhi harus berada di dalam batasan sistem

Boundary

31

Feedback Loop – Elemen Struktur Sistem

Dalam batasan sistem, blok bangunan dasarnya adalah feedback loop (lup berumpan-balik)

Feedback loop adalah sebuah lintasan yang menggabungkan keputusan, aksi, level (atau kondisi) dari sistem, dan informasi, dengan lintasan yang kembali lagi ke titik keputusan

32

Keputusan

Setiap keputusan diambil di dalam feedback loop.

Keputusan ini mengontrol aksi yang mengubah level sistem yang kemudian mempengaruhi lagi keputusan tersebut

Proses membuat keputusan mungkin saja merupakan bagian dari lebih dari satu feedback loop.

Contoh keputusan:Control valve atau aktuator pada chemical plant

33

Level dan Rate (1)

Dalam konsep system dynamics, keran mewakili rate atau flow sedangkan bak penampung (reservoir) mewakili level atau stock yang dilambangkan dengan kotak

Aliran (yang lambangnya mirip keran), baik yang masuk maupun keluar, akan besar pengaruhnya terhadap akumulasi fluida yang ada di dalam bak

Level(Stock)

Rate(Flow)

34

Level dan Rate (2)

Dalam persamaan model, aliran masuk akan memiliki tanda “+” (positif) yang menyebabkan bertambahnya akumulasi, sementara aliran keluar akan bertanda “-“ (negatif) yang menyebabkan akumulasi berkurang.

Jadi, akumulasi (level/rate) hanya ditentukan oleh besarnya aliran (rate/flow).

35

Variabel dan SimbolnyaLevel (Stock) atau akumulasi: Level

mengintegrasikan (atau mengakumulasi) hasil dari aksi dalam sebuah sistem. Variabel level tidak dapat berubah dengan cepat begitu saja. Level menghasilkan ke-kontinuan sistem dari waktu ke waktu

Rate (Flow): menceritakan seberapa cepat level itu berubah

Auxiliary: persamaan tambahan di rate

Constant: parameter yang ditetapkan di dalam model

Level

?

Rate

?

Auxiliary

?

Constant

36

Bagaimana Menentukan Level-Rate?

Depok population births deaths

dumping plastics in landfills

harvesting fir trees planting

brownies in stomach eating digesting

consumption energy resources

completing assigning homework

returning borrowing library books checked out

37

Bagaimana Menentukan Level-Rate? (2)

velocity distance

velocity acceleration

sand castles demolishing constructingshrinking Pinocchio’s nose lengtheningcavities developing fillingexpenses income money in bank

accountbuilding nuclear weapons disarming

38

Pengelompokan Level-Rate

Depok population

births deaths

Bagaimana dengan contoh lainnya?

39

Tahap 3: Simulasikan Modelnya

Semua variabel sudah didefinisikan Tidak ada satu pun variabel yang didefinisikan

lebih dari satu kali Tidak ada persamaan yang simultan Konsistensi satuan dari besaran-besaran yang

ada

(Perangkat lunak sistem dinamik menyediakan pencekan logika yang demikian)

40

Sifat Simulasi

Simulasi pada saat pertama dijalankan mungkin perilakunya tidak realistis

Perlu perbaikan dengan cara dikembalikan lagi ke tahap sebelumnya:Apakah gambaran permasalahannya sudah

tepat?Apakah penentuan level-rate dari variabel-

variabel yang terlibat sudah tepat?

41

Pemodelan dengan Powersim

POPULASI DEPOKSkenario: Tiga ratus ribu penduduk tinggal di

Depok. Setiap tahun ada 2500 bayi dilahirkan dan 1500 orang meninggal.

Soal: Berapa populasi di Depok setelah 100 tahun?

42

Tampilan dari Powersim

43

Langkah Pemodelan Populasi Depok

Buka PowersimTempatkan sebuah level ( ) di tengah layar

dan namai dengan “Populasi Depok”Tempatkan sebuah rate ( ) di sisi kiri level

“Populasi Depok” dan tarik hingga menyentuh level. Namai dengan “Kelahiran”

Tempatkan sebuah rate ( ) di dalam level “Populasi Depok” dan tarik ke kanan hingga keluar dari level. Namai dengan “Kematian”

44

Diagram (Model) Populasi Depok

Tanda tanya menunjukkan bahwa variabel tersebut belum didefinisikan

?

Populasi_Depok?

Kelahiran

?

Kematian

45

Pendefinisian Variabel Model

Klik dua kali pada level “Populasi Depok” dan ketiklah angka 300000 (catatan: tanda tanya setelah pendefinisian)

Klik dua kali pada rate “Kelahiran” dan ketiklah angka 2500

Klik dua kali pada rate “Kematian” dan ketiklah angka 1500

Perubahan bentuk pada rate setelah didefinisikan terjadi karena rate didefinisikan berisi konstanta

Populasi_DepokKelahiran Kematian

46

Persamaan Model

Persamaan model “Populasi Depok” dapat dilihat dengan meng-klik menu “view”, lalu pilih “equation”

47

Menampilkan Running Model

Klik ikon grafik ( ), lalu letakkan pada layar yang kosong

Klik dua kali grafik-nya, maka akan muncul boks dialog “Define Time Graph”

Klik dua kali variabel yang ingin ditampilkan hasilnya

TimeP

opul

asi_

Dep

ok0 20 40 60 80 100

300,000

320,000

340,000

360,000

380,000

400,000

48

LATIHAN PEMBUATAN MODEL DINAMIK

49

1. Landfills

Scenario: The city of Boise, Idaho is building a new landfill. The city council wants to know how large the landfill will be in twenty years so that it can plan ahead and allocate enough space for all of the trash that will be dumped into the landfill. The trash in the landfill can be separated into two categories: the trash that will quickly decompose, like yard leaves, and the trash that will take a long time to decompose, like plastics. The city council predicts that, over the next twenty years, the citizens of Boise will be dumping approximately five thousand gallons of plastics into the landfill every day.

Question: How many gallons of plastics will the Boise landfill contain in twenty years time?

50

2. Fir TreesScenario: Today, approximately five million fir

trees stand tall in Hardwood Forest. A lumber company has been cutting down, harvesting, approximately one hundred thousand trees every year. An environmental group, worried that the forest will be entirely destroyed, has been working hard to plant as many new fir trees as possible. They have been able to plant approximately five thousand trees every year.

Question: How many fir trees will there be in Hardwood Forest in thirty years?

51

3. BrowniesScenario: It’s Saturday and Mathilda is working alone at

home on a group project. Mathilda’s best friend feels guilty that she’s not contributing to the team effort, so she bakes Mathilda an enormous plate of brownies that she brings over with many words of encouragement. Mathilda nibbles on the brownies as she works. She eats a brownie every hour. As Mathilda works on the group project, her stomach works on digesting the brownies. Mathilda digests a brownie every two hours.

Question: Eight hours later, when Mathilda finishes her work on the group project, how many brownies does she have in her stomach?

52

4. Energy ResourcesScenario: In 1972 the world’s known reserves of

chromium were about 775 million metric tons, of which about 1.85 million metric tons are milled annually at present.1 Make the temporary assumption that the world population is not growing and industrializing, increasing the demand for chromium exponentially, but instead is at some (unrealistic) equilibrium so that the demand for chromium is constant.

Question: At the current rate of consumption, approximately how long will the known reserves last? (Hint: Try running the model several times, increasing or decreasing the time scale, until you find the numbers of years after which the chromium reserves drop to zero.)

53

5. HomeworkScenario: Mathilda, the ever-studious student,

diligently does her homework. Corky, on the other hand, is a slacker. He lets his work build up. Every week he receives seven new assignments. Over the course of the week he completes one or two of the assignments. (On average, he completes one and a half). The semester is twelve weeks long.

Question: How many assignments does Corky have to do at the end of the semester, right before his final exams?

54

6. Library Books

Scenario: Laughton has a pile of five library books on the floor next to his desk. He loves to read. Every week Laughton returns four of the books that he has read. He also checks out four new books.

Question: How large is Laughton’s pile of library books after eight weeks?

55

7. Sand CastlesScenario: A beach club in St. Tropez is organized a

sand castle contest. At 10 AM, eighty children gathered on the beach to make their sand castles. Unfortunately, at that time the tide was on the rise. Each child was able to build a new sand castle every hour. The incoming tide and the advancing waves demolished fifty sand castles every hour.

Question: How many sand castles were left on the beach at 6 PM? (Hint: you can either run your simulation from 10:00 to 18:00 or from 0 to 8 hours after the beginning of the

56

8. DistanceScenario: Randy is training to run in the Boston

Marathon. If he paces himself, he can run eight minute miles. Randy likes to run in the morning, before breakfast. He wakes up at 7 AM, and eats breakfast at 8 AM.

Question: How many miles can Randy run before breakfast? (Hint: you can run the simulation from 7 to 8 hours or for 60 minutes. It does not matter which units you choose, but you must be consistent and use either minutes or hours throughout.)

57

9. Velocity

Scenario: A Ferrari is paused at a red light. The light turns green. The driver slams down the accelerator and the sports car springs forward. He keeps his foot tight on the accelerator. The car accelerates at five miles per hour per second.

Question: How fast will the Ferrari be cruising sixteen seconds later?

58

10. Pinocchio

Scenario: When Pinocchio lies his nose lengthens by one centimeter. Each time he does a good dead, his nose shrinks five centimeters. Every day, Pinocchio tells an average of 8 lies and performs, on average, one good deed.

Question: If Monday morning Pinocchio’s nose is 4 centimeters long, how long will his nose be on Saturday night?

59

11. Cavities

Scenario: I develop a full-blown cavity every two years. I do not go to see my dentist very often; I get a cavity filled every three years. Because I wait so long the process is often quite painful.

Question: I currently don’t have any cavities. How many will I have in 15 years?

60

12. A Bank Account

Scenario: Stephanie has $678.53 in her bank account. Every week she earns $120. Each week $23.70 are deducted from her paycheck for social security, Medicare, local, state, and federal taxes. She spends $7.75 every week to go out for a movie and approximately $60 every three weeks on clothes.

Question: How much money will Stephanie have in her bank account in four months (sixteen weeks from now)?

61

13. Nuclear WeaponsScenario: In 1990 the fictional country of Euromerica

had an arsenal of approximately ten thousand nuclear weapons. Every year, scientists and engineers design and manufacture five hundred new nuclear weapons. Because of an international pressure in favor of disarmament, Euromerica disarms approximately six hundred of its older nuclear weapons each year.

Question: If Euromerica continues at its current rates of building and disarming, how many nuclear weapons will the nuclear arsenal contain in the year 2010?

62

Tahap 4: Disain Kebijakan dan Struktur Alternatif

Tahap 4 mengidentifikasi alternatif-alternatif kebijakan untuk diuji

Tes-tes simulasi menentukan yang mana kebijakan-kebijakan yang paling menjanjikan

Alternatif-alternatif tersebut mungkin berasal dari: Pengetahuan intuisi yang dihasilkan selama melakukan ketiga

tahapan sebelumnya Pengalaman para analis Usulan-usulan yang diajukan oleh orang-orang yang ada di

sistem operasi Dengan melakukan pengujian otomatis yang mendalam dari

perubahan-perubahan parameterSebagai tambahan, perilaku alternatif yang terbaik

sering berasal dari perubahan struktur sistem

63

Tahap 5: Didik dan Debatlah

Tahap 5 bekerja ke arah sebuah konsensus implementasi

Tantangan paling besar ada pada kemampuan kepemimpinan dan koordinasi

Mungkin masih ada ketidaksenangan (resistensi) terhadap prospek perubahan kegiatan yang sudah mentradisi

Solusi: membutuhkan durasi dan intensitas yang cukup dari pendidikan dan perdebatan terhadap kebalikan dari praktek yang sudah jadi tradisi

64

Tahap 6: Implementasikan Perubahan-perubahan dalam Kebijakan dan Struktur

Tahap 6 mengimplementasikan kebijakan-kebijakan baru

Apabila model yang dihasilkan relevan dan persuasif, dan apabila edukasi pada Tahap 5 cukup sukses, maka Tahap 6 akan berlalu dengan mulus

Meskipun demikian, implementasi mungkin akan berlangsung lama. Kebijakan lama harus dicabut. Kebijakan baru akan membutuhkan pembuatan sumber informasi baru dan pelatihan