System Dynamics

1. System Dynamics Ir. Abdul Wahid, MT. Departemen Teknik Gas dan Petrokimia FTUI

2. Daftar Isi • PengantarPerkuliahan 3 • Bab 1 PengantarSistemDinamik 7 • Bab 2 Feedback Loop 65 • Bab 3 Model LebihKompleks163 • Bab 4 Modeling Exercise 180 • Bab 5 Building Model 188 • Bab 6 Exploring S-Shaped Growth 218 • Bab 7 Urban Dynamics 249

3. Pengantar Perkuliahan Tujuan Pembelajaran Metode 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 kelompok • Hands-on • Diskusi

6. Sistem Evaluasi • Kehadiran : 10% • Tugas dan Quiz : 30% • UTS : 30% • UAS : 30%

7. Rujukan • Road 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

9. Perencanaan Strategi Konvensional • Strategi diolah di “kepala” para decision maker • Ini 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. PREDATOR 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 POPULASI POPULASI KELAHIRAN DAN KEMATIAN MAKANAN LINGKUNGAN

19. Perilaku Struktur 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

20. TC 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.”

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) • Ithink • Powersim • Studio • Expert • Executive • Enterprise • Solver • Vensim (Ventana Simulation)

26. Tahap 2 Ubah gambaran ke persamaan level dan rate Tahap 6 Implementasikan Perubahan dalam Kebijakan dan Struktur Tahap 1 Gambar Sistemnya Tahap 3 Simulasikan Modelnya Tahap 4 Disain Kebijakan dan Struktur Alternatif Tahap 5 Didik dan Debatlah Proses pembuatan sistem dinamik

27. Tahap 1: Gambarkan Sistemnya • Gambaran sistem yang baik lahir dari pemahaman yang baik terhadap sistem tersebut • Prosedur yang bisa dipakai: • Studi kasus • Soft OR • Systems thinking • System 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 Dinamik • Batasan sistem (system boundary) menggambarkan sifat-sifat yang diciptakan di dalam keadaan batas tanpa tergantung faktor luar • Feedback loop sebagai element dasar dari sistem yang dibangun • Level sebagai variabel dasar dalam feedback loop • Rate sebagai variabel dasar lainnya dalam feedback loop • Tujuan sebagai komponen dari rate • Membandingkan kondisi nyata dengan tujuan • Ketidaksesuuaian antara tujuan dan kondisi nyata • Aksi yang timbul sebagai akibat ketidaksesuaian antara tujuan dan kondisi nyata

30. Boundary Batasan Sistem • Feedback system merupakan sistem tertutup • Sifat dinamisnya muncul dalam struktur internalnya • Setiap interaksi yang mempengaruhi harus berada di dalam batasan sistem

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 Rate (Flow) Level (Stock)

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 Simbolnya • Level (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

36. Bagaimana Menentukan Level-Rate?

37. Bagaimana Menentukan Level-Rate? (2)

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 DEPOK • Skenario: 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 Powersim • Tempatkan 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

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

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

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 Trees • Scenario: 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?