系統動態學的理論與應用

系統思考是「看見整體」的一種修練，它是一個架構，能讓我們看見互相關聯而 非單一的事件(Senge，1994)。本研究採用系統動態學的方法，來探討國小導師任教不 同年段之意願。

一、系統動態學的理論

(一)系統動態學之起源

系統動態學(System Dynamics；簡稱SD)又稱為系統動力學，它的起源來自於1950 年代，美國學者Jay W. Forrester等人運用回饋控制系統理論，在麻省理工學院(M.I.T.) Sloan管理學院發展出來的方法論與分析工具(詹秋貴，2000)。1961年Forrester出版「產 業動態學(Industrial Dynamics)」一書，為此方法論之濫觴，首先被應用在製造業。系 統 動 態 學 是 綜 合 了 系 統 理 論(system theory) 、 控 制 論 (cybernetics) 、 伺 服 機 械 學 (servo-mechanism)、資訊理論(information theory)、決策理論(decision theory)與電腦模 擬(computer simulation)所發展出來的方法論。

Forrester於1969年及1971年將系統動態學分別應用於都市層次(Urban Dynamics) 與世界層次(World Dynamics)。而1972年Meadows等人發行「成長的極限(The Limits to Growth)」鉅著，更風靡全球(Meadow, 1972)，提醒各國政府節制經濟的成長，希望世 界各國應該關注資源與環境危機的發生，此一著作造成當時廣泛的討論，讓系統動態 學受到矚目以及日後的研究應用(陶在樸，1999)。1980年Forrester在美國統計學會學 報，發表國家經濟(National Economy)模式，而有別傳統計量經濟模型(Forrester, 1980)。Sterman (1988)則將應用系統動態學建構美國電力需求的預測模型。1990年 Senge發表「第五項修練(The Fifth Discipline)」更將系統動態學推廣到組織學習領域，

造成學術界與實務界更大的矚目。

(二)系統動態學之理念

Forrester認為人類所從事的每一種活動都會涉及「變遷」，因此，若能明確的描

繪變遷之軌跡，將可增進人類對自然及社會所有事物動態現象的認知與了解(謝長 宏，1980；Coyle, 1996)。建構系統動態模式必須以研究目的為導向，確認問題重心，

在建模過程中非常強調二個基本信念(謝長宏，1987)：

1.系統的行為表現，主要受到系統結構的影響，透過結構設計的改變，可以改善系統 行為，意即「系統結構決定行為」。

2.要實際瞭解一個系統應該是從內部實體資訊的潛層流動，而不是系統的個別功能。

Roberts (1978)提出兩項系統動態學的基本理念為：

1.系統結構影響系統行為：

主張系統的行為或是其時間歷史，是由組織的結構所造成，這個結構不只是設 備、生產過程等實體面因素，更重要的是在組織中能左右決策制訂的政策和傳統，這 種結構和一個工程系統一樣，隱含著放大(amplification)、時間滯延(time delay)與資訊 回饋(information feedback)的特性。

2.以流體流動的觀點來觀察系統運作：

為了瞭解系統的運作，系統動態學將人員、金錢、材料、訂單與機器設備，視為 一種流動的流體(flow)，藉由對流體流動的觀察可使管理者以一種自然的方式跨越次 組織界線，打破視野的障礙，整合次組織間的衝突和不合於全體組織利益的各別目 標。透過了相關流路(flow path)的因果鏈(cause-and-effect chains)的分析，可以建構出 一個有意義的系統結構。

系統動態學是一個研究及管理複雜回饋系統的方法，強調對系統作一個整體且宏 觀的考量，了解系統範圍內所有元素及元素間彼此的交互作用，並藉由電腦軟體的模 擬，顯現系統的組成結構、政策、延遲的關係及如何交互地影響與整體系統的發展及 穩定的狀況(阮威堯，2003)，其最終的目的不是在預測事件的發生，而是深入思考整 體系統的運作現象及其背後的本質，此即系統整體動態運作的基本機制(Senge, 1994)。

(三)系統動態學之定義

關於系統動態學的定義，有多位學者曾就此作出一番說明，本研究引用王汝杰

(2007)的研究，將學者的定義整理如下(表5)：

表5

系統動態學的定義

研究者(年代) 系統動態學之定義

Forrester(1961) 系統動態學是研究系統內部資訊回饋之特性，並使用模式來 改善組織結構及引導政策的制定。

Coyle(1979) 系統動態學是一種將時間視為重要因素的問題分析方法，研 究系統如何對抗環境的衝擊，並從環境中取得利益，用以處 理社會的經濟問題，也可以說是管理科學的分支，用以處理 管理階層的控制能力。

Sterman(1989) 以因果回饋觀點思考政策與結構間之非線性關係，強調環 境、策略、結構與績效等變數間均會雙向影響之過程，亦即 環境動態或結構問題源自於企業過去選擇策略行動之回饋。

Wolstenholme(1990) 系統動態學是藉由對一個複雜問題的質性描述、及其運作流 程、資訊傳遞與組織邊界的定義，來建立量化模型，以進行 組織結構及功能的設計。

Senge(1994) 針對動態複雜的問題謀求解決之道，藉由高階複雜、非線性、

多環及延遲等重要特性，顛覆以往傳統的管理科學，提供決 策者一足以因應外在環境詭譎多變的策略工具。

資料來源：「國小教師人力資源與教育經費供需系統之研究：系統動態學觀點」，王 汝杰，2007，未出版之碩士論文，亞洲大學資訊工程研究所，台中市。

系統動態學是研究系統內部資訊回饋之特性，並使用模式來改善組織結構及引導 政策的制定(Forrester,1961)；是一種將時間視為重要因素的問題分析方法，研究系統 如何對抗環境的衝擊，並從環境中取得利益，用以處理社會的經濟問題，也可以說是 管理科學的分支，用以處理管理階層的控制能力(Coyle,1979)；是藉由對一個複雜問 題的質性描述、及其運作流程、資訊傳遞與組織邊界的定義，來建立量化模型，以進 行組織結構及功能的設計(Wolstenholme,1990)。

(四)系統動態學之特性

系統動態學主要應用在解決企業、社會、生物組織中具有動態複雜性問題，在於 探討結構與行為之關係，主要特性在於系統動態學具有處理非線性問題、資訊回饋、

時間滯延、動態性複雜的能力。我們必須瞭解系統動態學解釋系統行為的觀點：

1.資訊回饋環路：

資訊回饋環路是系統動態模式的基塊，從系統性的觀點，互動的回饋環路是各種 系統動態的本質，這種封閉的環路是基於資訊的傳遞與處理，它反映了人類基本的行 為特性。在環路的行為特性上又區分為會不斷自我增強的正性回饋環路與目標追尋的 負向回饋環路。

2.時間滯延：

在現實世界中滯延無所不在，並且是造成非線性動態現象的原因之ㄧ，因此，在 系統動態學中時間滯延的表示非常重要。系統動態學將時間滯延區分為兩種型態，一 是發生在實體物質傳遞所需的時間滯延，例如貨物運輸時間；一是發生在人的認知過 程，人類對於資訊的處理能力等特性，例如資訊發生的大小、快慢及有限理性、處理 能力的限制等因素而造成資訊認知上的滯延。

3.動態性複雜：

現今許多企業面對複雜、動態的環境所進行之深奧的預測與分析工作，常常無法 在企業經營上有真正的突破性貢獻，歸咎其原因在於這些方法只能用於處理「細節性 複雜」，而無法處理「動態性複雜」。系統動態學正是以一宏觀的角度去看待動態系 統之分析工具。目前已有許多的系統動態學模擬軟體相繼被開發出來，如Vensim、

Stella、Powersim、Ithink等。

黃鈺珊(2001)指出系統動態學與其他社會科學研究方法(如投入產出分析法、計量 經濟模型)有所區別，也各有其優缺點，有其適合研究的問題，沒有一種方法可以取 代另一種方法。系統動態學具備以下五大特色，可特別加以重視。

1.擅長處理週期性問題：

對於經濟系統中的經常出現的週期性波動，短如四年、長如四十年至八十年，已 有不少系統動態學模型對上述各種週期形成之機制作出解釋。

2.擅長處理長期性問題：

系統動態學模型是一種因果機制的模型，強調系統行為主要是由系統內部機制所

決定的，因此可透過較長的模擬時間來觀察系統行為的變化。

3.在數據缺乏的條件下仍可進行研究：

數據不足及某些參數或關係難以量化是研究社會經濟系統經常遭遇的棘手問 題。但系統動態學在這種條件下仍可進行研究，因其模型以回饋為基礎，因多重迴圈 的存在，使系統行為在模式上對大多數參數較不敏感，只要估計參數在寬容度之內，

系統行為就能顯示出相同的變化型態。

4.擅長處理高階、非線性具時間變化的問題：

複雜系統所具備的高階、非線性具時間變化特性，利用一般數學方法非常難以應 付。系統動態學利用電腦模擬處理大量資料，對於複雜問題的處理有相當大的幫助。

5.對預測的態度強調條件：

凡社會經濟模型大多強調「未來」，因此含有預測的性質存在。但系統動態學模 型對未來的預測是強調產生結果的「條件」，也就是有條件的預測，在不同的條件下 會產生不同的預測結果，其預測方法更接近人類真實行為。

(五)系統動態學之理論應用基礎

關於系統動態學主要是奠基於下列四種理論的整合(謝長宏，1980)：

1.系統設計概念：

首先確立目標，確定組成份子間的關係，其次，再決定內部控制的基礎，透過系 統運作的程序，詳細檢查系統間的交互作用，然後建立系統模式，並藉由模式規劃設 計的功能，尋求系統上可能錯誤及忽略之處。

2.回饋控制理論：

如果系統所依存的環境有所變化將導致系統決策之改變，因而使系統產生新的行 動，從而改變系統與環境的關係，進而在影響系統未來的決策，具有此特性的系統便 是資訊回饋系統。

3.決策理論：

決策理論的發展始於二次世界大戰後，主要是源自於軍事上的需要，一開始乃是

研究指揮官在做最佳決策時分析及考慮的過程，進而逐漸發展成一種理論，至今則普 遍應用在其他層次的各項決策問題上。

4.模擬：

模擬方法部不僅可以用來表現一個系統實際操作過程，也可以用來分析各種政 策、措施對系統的影響，進而使決策者瞭解系統的行為特性，幫助決策者研擬及分析 有關的決策。由於電腦大量、快速、正確及重複資料的特性，因此模擬的方法廣泛的 被運用在企業、工程及科學上。更重要的是，由於現代社會、組織龐大而複雜，決策 一旦錯誤，則代價高昂，因此電腦可以減低決策施行失敗後的風險。

二、系統動態學的應用

(一)國外文獻

本研究參考周美均(2010)之研究，加以彙整有關國外系統動態學應用的文獻回 顧，整理如下(表6-表8)：

表6

國外系統動態學相關研究之一：全球、國際或國家層次 研究者(年代) 相關研究與應用

Forrester(1971) 以系統動態學研究經濟的循環，提出了經濟的長波理論，研究經 濟的成長問題，認為經營者不能一味的追求成長，必須考量整體 社會與經濟環境。

Colye(1981) 建構系統動態學模式，模擬第三次世界大戰可能的結果。

Ehance and

Akshmanan(1988) 將系統動態學用於研究印度經濟問題。

Lane et al.

(1994) 以系統動態學來模擬全球複雜環境問題的發展。

Dangerfield(1999) 建構系統動態模式模擬歐洲AIDS擴散情形及醫療政策的制定。

Khanna(2000) 針對印度第二大城德里建構系統動態學模式，並透過模擬比較各 交通政策對都市道路擁擠、空氣汙染與交通燃料消費的變化量。

Raux(2003) 透過系統動態學與經濟原理建構關於交通問題與經濟財政模 式，並模擬交通運輸政策在中短期對於都市交通水準的影響。

Jorge(2009) 透過建構系統動態學模式建構莫斯科的永續都市發展，並藉由模 式的模擬瞭解都市發展與預期政策對於都市長期發展的影響。

資料來源：「以系統動態學探討高速公路尖離峰定價問題」，周美均，2010，未出版

之碩士論文，國立東華大學全球運籌管理研究所，花蓮縣。

表7

國外系統動態學相關研究之二：組織學習 研究者(年代) 相關研究與應用

Stata(1989) 將系統動態學的觀念應用於組織學習，說明公司管理的瓶頸常 在於管理的創新，新的方法是運用系統動態學的思考方式來增 加組織學習。

Senge(1990) 第五項修煉的作者，系統的基本結構決定系統行為，應用在組 織學習上，認為管理者最重要的學習便是系統思考，而管理者 的新角色是系統結構的設計師。

Merten (1991) 以系統動態學應用在決策支援系統，提出新的決策方式結合回 饋迴路與螺旋迴路。

Senge and Fulmer

(1993) 將系統動態學的系統思考及學習，利用電腦模擬真實世界，管 理者可以透過系統動態學的模擬增加組織的學習效果。

Peter and Martin

(2008) 以動態角度探討線上社群網絡之社會性特點和發展。

資料來源：「以系統動態學探討高速公路尖離峰定價問題」，周美均，2010，未出版 之碩士論文，國立東華大學全球運籌管理研究所，花蓮縣。

表8

國外系統動態學相關研究之三：產業層級 研究者(年代) 相關研究與應用 Doyle and

Saunders (1985) 用系統動態學建立模型，來瞭解促銷費用的利潤以及衡量推廣 銷售方式的真正利潤。

Gupta (1990) 以系統動態學來衡量角色變動對管理資訊系統運作的衝擊，如 工作滿意度、組織承諾、管理政策和結果之間的模擬。

Merten(1991) 以系統動態學應用在決策支援系統，提出新的決策方式結合回 饋迴路與螺旋迴路。

Doyle and

Saunders(1985) 用系統動態學建立模型，來瞭解促銷費用的利潤以及衡量推廣 銷售方式的真正利潤。

Gupta(1990) 以系統動態學來衡量角色變動對管理資訊系統運作的衝擊，如 工作滿意度、組織承諾、管理政策和結果之間的模擬。

Merten(1991) 以系統動態學應用在決策支援系統，提出新的決策方式結合回 饋迴路與螺旋迴路。

Andrew(1996) 將美國電能產業分成三個階段，成功的利用系統動態學之因果 回饋環路詮釋美國電能產業不同階段之歷史性的發展。

Ford and Sterman

(1998) 以系統動態學模式模擬產品的生命週期。

Lyneis(1999) 將系統動態學應用在電力、通訊、航空及服務產業的策略分析。