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Vernetzung & Komplexität

 

Das Leitthema dieser Seite lautet “Vernetzung & Komplexität”. Durch Vernetzung steigt die Komplexität in einem System und damit ändert sich auch das Systemverhalten. Etwas, das bei unseren technischen Systemen relativ neu ist und vor allem durch die IT-Vernetzung (u. a. durch das Internet) in den vergangenen zwei Jahrzehnten massiv vorangetrieben wurde und noch weiter wird. In der Natur gibt es hingegen nur offene, komplexe Systeme. Daher macht es auch Sinn, von der Natur zu lernen und die Erkenntnisse auf unsere komplexen technischen Systeme zu übertragen. Gleichzeitig ist es auch hilfreich, zu akzeptieren, dass was komplex ist, das menschliche Gehirn überfordert, egal ob es mehr oder weniger komplex ist.

Was das konkret bedeuten kann, welche Schattenseiten dadurch entstehen, aber auch welche Lösungsansätze und Herangehensweisen es dabei geben kann, soll hier thematisiert werden. Dabei geht es auch um die Förderung von vernetztem Denken und um den Blick über den Tellerrand.

Lebenswichtige Infrastrukturen

strommastenEin sehr wichtiges und oft zu wenig beachtetes Thema stellen in diesem Zusammenhang unsere lebenswichtigen, Kritischen/Strategischen Infrastrukturen dar. Insbesondere das europäische Stromversorgungssystem und das damit verbundene Szenario eines europaweiten Strom- und Infrastrukturausfalls (“Blackout“) sollte viel stärker unsere Aufmerksamkeit erhalten. Unser gesamter Wohlstand und wohl auch weitgehend unser Überleben hängen von ihr ab, auch wenn wir das im Alltag kaum so wahrnehmen. Daher wird diesem Thema hier viel Raum gewidmet.

Unzureichender Wissenstransfer

vernetzung-orangeEs geht aber nicht nur um diesen Bereich. Viele hier dargestellten Erkenntnisse und Einsichten lassen sich auch einfach auf viele anderer Systeme übertragen. Eine wesentliche Erkenntnis aus den bisherigen Auseinandersetzungen ist etwa, dass es noch häufig an einem erforderlichen Wissenstransfer zwischen den unterschiedlichen Systemen/Domänen fehlt und daher gewisse Grunderfahrungen immer wieder aufs Neue gemacht werden müssen – besonders im Zusammenhang mit IT-/Cyber-Sicherheitsproblemen. Viele Vorfälle sind nicht etwa auf neuartige oder außergewöhnliche Ursachen zurückzuführen, sondern auf panalste, langjährig bekannte Grundfehler, die immer wieder auftreten. Etwa, indem keine Plausibilitätsprüfungen durchgeführt werden.

Organisatorische Vernetzung verbessern

organisatorische_vernetzungDaraus lässt sich ableiten, dass die zunehmend technische Vernetzung und ihre Folgen auch eine wesentlich bessere organisatorische Vernetzung erfordern, um mit den Auswirkungen erfolgreich umgehen zu können.

Hierzu wird es auch immer wieder erforderlich sein, bisherige System- und Denkgrenzen (“Silodenken”) zu verlassen und neue komplementäre Ansätze (vernetztes Denken) ins Spiel zu bringen.

Komplexität und komplexe Systeme

Komplexität ist ein häufig verwendeter Begriff, ohne das er eindeutig definiert wäre. Wir verbinden damit meist intuitiv undurchsichtige, komplizierte, vielschichtige oder unerklärlich Situationen oder Phänomene. Unsere Welt ist komplexer geworden, alles „dreht“ sich schneller. Das „Hamsterrad“ dient häufig als Metapher, immer schneller, aber ohne jemals an das Ziel gelangen zu können. Selten sind uns die dahinterliegenden Zusammenhänge bewusst.

Komplexe Systeme bestehen aus einer großen Anzahl von Elementen, die miteinander verbunden sind, die aber auch mit ihrer Umwelt interagieren und wo es laufend zu Rückkopplungen (Feedback) kommt.

Ein Sandhaufen hat auch viele Elemente – die aber nicht verbunden sind. Daher handelt es sich dabei um kein System. Es gibt auch technische Systeme (Maschinen) mit einer großen Anzahl von Elementen. Diese funktionieren aber nur in einer determinierten Umgebung und sie können in ihre Einzelteile zerlegt und wieder zusammengebaut (analysiert) werden. Das sind dann komplizierte Systeme, wie etwa mechanische Uhrwerke oder Druckmaschinen. Sie werden auch als tote Systeme bezeichnet.

Komplexe Systeme hingegen können nicht einfach zerlegt und analysiert und dann wieder zusammengebaut werden. Sie werden daher auch als lebendige Systeme bezeichnet. Daher führt die Vernetzung in einer nicht determinierbaren Umgebung zu komplexen Systemen, die ein völlig anderes Systemverhalten aufweisen, als unsere bisherigen einfachen bzw. komplizierten Systeme (Maschinen). Siehe hierzu auch die sehr anschauliche Beschreibung von Conny Dethloff in seinem Beitrag Methoden passen immer, … oder das Erklärungsvideo Komplex oder kompliziert – was macht den Unterschied? von Harald Lesch.

Die Entwicklung einer Software ist für sich genommen zwar kompliziert, ihre Einführung in einem Unternehmen jedoch komplex, denn hier spielen viele Faktoren mit dynamischen Veränderungen im Zeitablauf hinein. (…) Somit besteht Komplexität nicht einfach aus der Summe der komplizierten Bestandteile, sondern aus deren Interaktionen. Es genügt deshalb nicht, die komplizierten Aspekte im Griff zu haben und zu meinen, man manage damit auch Komplexität erfolgreich. Vielleicht braucht es auch ein Verständnis für Zusammenhänge, Eigendynamik und Zielkonflikte. Aus Vernetztes Denken und Handeln in der Praxis, S. 33.

Systeme existieren nur in den Köpfen von Menschen; sie sind gedankliche Konstrukte! Das Wort “System” ist daher nur ein Platzhalter für eine gedankliche Einheit. Komplexität bedeutet darüber hinaus, dass prinzipiell ein Informationsmangel herrscht. Über komplexe Verhältnisse hat man nie alles erforderliche Wissen und man kann nie alle damit verbundenen Informationen gewinnen. Entscheidend ist daher zu wissen, welche Informationen für welchen Fall relevant sind, wie diese rasch gewonnen und erfolgreich genutzt werden können. Gleichzeitig gilt, dass die Wahrscheinlichkeit von zunehmendem Chaos und von Zusammenbrüchen umso höher ist, je komplexer ein System ist und je mehr Informationsmangel herrscht. Siehe dazu auch Komplexität im Management.

Kennzeichen

Durch laufende Rückkopplungen entstehen Eigendynamiken. Einfache Ursache-Wirkungszusammenhänge gehen verloren, die Steuerbarkeit (Management) sinkt bzw. wird unmöglich. Es kommt zu langen Ursache-Wirkungsketten. Eingriffe wirken sich zeitverzögert aus und sind irreversible. Es entsteht die Gefahr einer Übersteuerung. Kleine Ursachen können zu großen Wirkungen führen und umgekehrt. Viel Aufwand mit wenig Ergebnis. Es kommt zu indirekten Wirkungen, die kaum abschätzbar sind und daher durch unsere etablierten Risikobewertungsmethoden nicht erfasst werden. Eine fehlende Reichweitenbegrenzung ermöglicht Domino- und Kaskadeneffekte, die umso verheerender ausfallen können, je größer das vernetzte System ist. Die Lösung eines Problems schafft neue Probleme (Aktionismus). Es kommt zu exponentiellen Entwicklungen und zur Erhöhung der Dynamik, mit denen wir nur sehr schlecht umgehen können.

Exponentielle Entwicklungen

grün = exponentielles Wachstum rot = lineares Wachstum blau= kubisches Wachstum

grün = exponentielles Wachstum
rot = lineares Wachstum
blau= kubisches Wachstum
Quelle: Wikipedia

Ein Faktor, der häufig unterschätzt wird, sind die exponentiell ansteigenden Auswirkungen. Bei einer exponentiellen Entwicklung steigen jedoch ab einer bestimmten Größenordnung (siehe auch s-förmiges Wachstum) die Schäden bzw. die Wechselwirkungen rasant an. Damit steigt auch die Dynamik des Ereignisses. Eine „Beherrschung“ im herkömmlichen Sinne ist kaum möglich.

Zur Illustration dient folgende Legende: Der Erfinder des Schachspiels, Sissa, wünschte sich von seinem König folgende Belohnung. Für das erste Feld des Schachbrettes ein Korn, für das zweite zwei Körner, für das dritte vier Körner und bei jedem weiteren Feld doppelt so viele wie auf dem vorherigen Feld. Der König wunderte sich über die Bescheidenheit. Insgesamt wären dies jedoch mehr als 18 Trillionen Weizenkörner (oder rund 100 Milliarden LKW-Ladungen) gewesen, und sämtliche Welternten seit Beginn des Getreideanbaus hätten hierzu nicht ausgereicht. Die Legende drückt die Schwierigkeit aus, das Wachstum von Exponentialfunktionen richtig einzuschätzen. Auch bei der Zinseszinzentwicklung im Finanzsystem bzw. bei den Kreditzinsen kommt ein exponentielles Wachstum zum Tragen.

Dominoeffekt

DominoeffekteUnter einem Dominoeffekt bzw. auch als Kaskadeneffekt bzw. Kettenreaktion bezeichnet, wird eine Abfolge von Ereignissen, von denen jedes einzelne Ereignis zugleich Ursache für das nachfolgende ist, verstanden. Alle Ereignisse sind dabei auf ein und dasselbe Anfangsereignis zurückzuführen. Die Reichweite eines Ereignisses lässt sich dabei kaum einschränken bzw. vorhersagen. Auch hier spielen exponentielle Entwicklungen eine zentrale Rolle.

Kleine Ursache, große Wirkung

Dies wird auch gerne als Schmetterlings- oder Schneeballeffekt bezeichnet:

Als Schmetterlingseffekt (englisch butterfly effect) bezeichnet man den Effekt, dass in komplexen, nichtlinearen dynamischen Systemen eine große Empfindlichkeit auf kleine Abweichungen in den Anfangsbedingungen besteht. Geringfügig veränderte Anfangsbedingungen können im langfristigen Verlauf zu einer völlig anderen Entwicklung führen. Es gibt hierzu eine bildhafte Veranschaulichung dieses Effekts am Beispiel des Wetters, welche namensgebend für den Schmetterlingseffekt ist: „Kann der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien einen Tornado in Texas auslösen?“ Quelle: Wikipedia

Im Gegensatz zum Dominoeffekt ist der Schneeballeffekt mit steigender Intensität behaftet. Das bedeutet, dass der Schneeballeffekt mit fortdauernder Zeit immer größere Ausmaße annimmt. Beim Dominoeffekt dagegen handelt es sich meist um Geschehnisse gleicher oder ähnlicher Intensität, die auseinander resultieren.

Im Unterschied zum Schneeballeffekt, bei dem kleine Effekte sich über eine Kettenreaktion linear oder exponentiell selbst verstärken und somit zumindest eine grobe Verlaufsrichtung vorgeben, bezeichnet der Schmetterlingseffekt die vollständige und unvorhersehbare Veränderung eines ganzen Systems durch eine kleine Änderung der Ausgangsbedingungen. Auch hierbei spielen selbstverstärkende Effekte eine Rolle, allerdings kann sich durch die kleine Änderung die Verlaufsrichtung des Systems komplett umkehren. Quelle: Wikipedia

Praktische Beispiele

tastaturBei näherer Betrachtung finden wir unzählige Beispiele aus dem täglichen Leben, wo diese Kennzeichen zum Tragen gekommen sind. Ob das die Ohnmacht bei einer Vielzahl von anstehenden Problemen ist (Bildungs-, Gesundheits-, Pensionssystem), die zeitverzögerten negativen Auswirkungen des Internets mit den steigenden Herausforderungen aus dem Cyberspace (Cyber-Angriffe, Sicherheitsschwachstellen), ein Terroranschlag der zwei Kriege nach sich zieht (9/11), die immer wieder praktizierte Anlassgesetzgebung oder die unlösbaren Entwicklungen im Finanzsystem, immer spielt die unterschätzte Komplexität und Nicht-Steuerbarkeit eine Rolle. Im Zusammenhang mit technischen Lösungen betreten wir aber weitgehend Neuland, da die technische Vernetzung erst seit etwas mehr als einem Jahrzehnt massiv zugenommen hat.

Ein Beispiel für “Kleine Ursache, große Wirkung”: Ein Primärschaden in der Höhe von 2.000 Euro bei einem Computer in einer Nebenanlage einer komplexen Produktionsanlage löst in Folge einen Dominoeffekt aus, der zu einer 10-tägigen Betriebsunterbrechung mit einem Schaden von über 50 Millionen Euro führt.

Trivialisierung ist kontraproduktiv

Unterschied zwischen Steuerung und Regelung

Unterschied zwischen Steuerung und Regelung – die Rückkopplung ist entscheidend

Dies führt dazu, dass unsere bisher sehr erfolgreichen Steuerungsmechanismen und Managementansätze immer häufiger versagen, da sie für übersichtliche und stabile Rahmenbedingungen konzipiert wurden. Albert Einstein meinte dazu: “Probleme kann man niemals mit derselben Denkweise lösen, durch die sie entstanden sind.” Bisherige Ansätze, Komplexität zumindest in der Betrachtung zu reduzieren, führen zur gefährlichen Trivialisierungen, wie sich etwa bei der Energiewende zeigt (siehe auch “Wenn betriebswirtschaftliche Optimierungen systemgefährdend werden“).

Grafik: Frederic Vester

Aber auch viele Großprojekte scheitern an derartigen Trivialisierungen und durch die Zerstückelung in scheinbar handhabbare Teileabschnitte. Ein System ist mehr als die Summe der Einzelteile. Meist werden die scheinbar “unsichtbaren Fäden“, welche durch die Vernetzung entstehen bzw. Teil des Systems sind, vernachlässigt und damit die damit verbundenen Wechselwirkungen. Daher ist es notwendig, dass diese “Fäden” sichtbar gemacht und betrachtet werden. Zusätzlich erfordert die Regelung von komplexen Systemen neue Herangehensweisen, wie etwa dezentrale Strukturen und Regelkreise ohne zentraler Steuerung, um die nicht vorhersehbaren und planbaren Wechselwirkungen auszugleichen (Fehlerfreundlichkeit).

Umgang mit Komplexität

Nun stellt sich natürlich die Frage, wie man mit Komplexität umgehen kann? Eine wesentliche Voraussetzung ist “vernetztes Denken“. Dies bedeutet jedoch nicht, dass das bisherige linare, monokausale Denken völlig obsolet ist. Ganz im Gegenteil. Es kommt auf den Kontext an. Situationen, wo diese Denkweise auch bisher erfolgreich war, werden auch weiterhin damit zu lösen sein. Komplexe Herausforderungen hingegen sollten neu gedacht und bearbeitet werden. Daher geht es nicht um ein “entweder-oder” sondern um ein “sowohl-als-auch”-Denken. Darüber hinaus sollte man wissen, dass “Komplexe Systeme nur dann autonom lebensfähig sind, wenn sie lernfähig sind, sich rasch genug an die Veränderungen in ihrer Umgebung anpassen und sich weiterentwickeln können, ohne ihre Identität dabei zu verlieren.” (Kybernetikerin Maria Pruckner)

Da unser Gehirn nicht dafür ausgelegt ist, komplexe Zusammenhänge bzw. die Wechselwirkungen von mehr 3-4 Faktore zu erfassen, sind Hilfsmittel zur Visualisierung erforderlich, damit alle relevanten Zusammenhänge gleichzeitig beachtet werden können. Das kann man grundsätzlich auf Papier oder mit einer Softwareunterstützung durchführen. Es gibt verschiedene Software- und Lösungsansätze, die “vernetztes Denken” unterstützen können. Die Betonung liegt auf “können”. Man sollte sich dabei von der Vorstellung lösen, dass man einfach ein paar Daten eingibt und dann eine fertige Lösung bekommt. Diese Erwartungshaltung wird auch gerne im Zusammenhang mit Big Data geäußert. Wobei hier auch sowohl-als-auch gilt. Natürlich gibt es hervorragende Anwendungsfelder dafür, jedoch nicht für jede Fragestellung. Und gerade im Umgang mit Komplexität stellt sich immer mehr heraus, dass es vor allem um Kommunikation und weniger um Technikeinsatz geht! Bei komplexen Systemen/Problemen kann man sich nur annähern, aber keine genaue Berechnung durchführen (Unterschied Kompliziert/Komplexität), noch gibt es eine universell gültige Lösung.

Modell "Vernetzung & Komplexität"; (Klicken Sie auf das Bild, um das Modell zu öffnen)

Modell “Vernetzung & Komplexität”; (Klicken Sie auf das Bild, um das Modell zu öffnen)

Sollten Sie generell an der Thematik “Komplexität” tiefer interessiert sein, dann empfehle ich den Blog “Reise des Verstehens” von Conny Dethloff. Er hat ein sehr umfangreiches Tagebuch zu seiner Reise des Verstehens geschaffen.

Lebensfähiges Systemdesign

In der Natur haben sich in der Evolution drei wesentliche Systemdesignmerkmale für lebensfähige Systeme herauskristalisiert bzw. waren diese jeweils für evolutionäre Weiterentwicklungen ausschlaggebend. Durch die Berücksichtigung dieser Merkmale können auch robustere technische Systeme aber auch resilientere gesellschaftliche Strukturen geschaffen werden.

Energie-, Ressourcenbedarfssenkung, Einfachheit

long-arrow-down-right-300pxJedes System, das durch eine Weiterentwicklung/im Betrieb weniger Energie-/Ressourcen benötigt, ist weniger abhängig und damit auch lebensfähiger und robuster.

So kann etwa die Energiewende nicht ohne Verhaltensänderung/Kulturwandel gelingen. Denn die Energiemengen, die wir heute verbrauchen, lassen sich nicht speichern, wie die Grafik den Energiebedarf und die Speicherkapazitäten in Deutschland zeigen (siehe auch Mythos „Speicher“ – eine Energiebevorratung ist aber unverzichtbar). Das muss jedoch nicht zwangsläufig einen sofort befürchteten Komfortverlust bedeuten. Hier ist Intelligenz gefragt und eine Abkehr von unserem bisherigen “immer mehr, immer größer” Denken gefragt,Jahresverbrauch - Vergleich - Speicher 2

Dezentralität, Autonimität

zellenKomplexe Systeme lassen sich nicht zentral steuern! Daher ist gerade in diesem Bereich ein Umdenken erforderlich. In der Industriegesellschaft waren hierarchische, zentralisierte Strukturen wichtig und erfolgreich. Sie stoßen in der Netzwerkgesellschaft aber zunehmend an Grenzen, bzw. sind nicht mehr dazu geeignet, auch die neuen Herausforderungen zu lösen (siehe etwa Menschheit steht vor dem grössten Umbruch seit der industriellen Revolution).

Dezentralisierung bedeutet nicht ein Insel-/Autarkie-/nationalistisches Denken, sondern das es autonome Strukturen gibt, die durchaus miteinander und auch größer vernetzt sein können. Sie sind aber auch in der Lage, die Ausbreitung von Störungen zu begrenzen bzw. eine Rückfallebene im Falle einer Störung einzunehmen. Siehe dazu etwa auch das Konzept der Energiezellen.

Dezentralität bedeutet auch Vielfalt/Diversität statt Monokultur und Einfalt. Und es geht um die Nutzung von Synergien auf lokaler/regionaler Ebene.

Fehlerfreundlichkeit, Fehlertoleranz, Diversität

grabstein_baumEin wesentlicher Faktor ist dabei, dass Störungen nicht ausgeschalten sondern in den Verlauf eingebunden werden. Gerade im technischen Bereich wird jedoch häufig das Gegenteil versucht. Etwa indem man versucht, die Menschen an die Technik statt umgekehrt anzupassen. Dabei spielen verschiedene Aspekte eine Rolle:

  • Freiräume und Puffer
  • Redundanz/Kontinuität
  • Variation/Vielfalt/Diversität
  • Barrieren/Grenzen
  • Flexibilität
  • Energieautonomie
  • Wandlungs- und Anpassungsfähigkeit
  • Akzeptanz des Faktor Mensch – soziotechnische Aspekte

Die Fehlerfreundlichkeit ist eine wesentliche Voraussetzung für eine Risikobereitschaft, welche gerade im Umgang mit Neuem besonders gefragt ist. Auch Innovationen können nur entstehen, wenn Scheitern möglich ist.

 

Weiter zu vernetztem Denken

 

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  7. […] Unterschied ist, dass, sollte ein solcher Angriff erfolgreich sein, die Folgewirkungen durch Dominoeffekte erheblich schlimmer sein können. Erst zu Weihnachten wurde auf der Krim wahrscheinlich durch […]

  8. […] Technik, sondern an der Fähigkeit, diese richtig in Beziehung zu setzen und im Sinne der Systemsicherheit zu nutzen. Allzu oft hören wir, dass sich etwas nicht rechnet oder etwas nicht geht, weil […]

  9. […] Man sollte diese aber nicht nur einzeln (linear) betrachten, sondern vernetzt, da es dadurch zu exponentiellen Auswirkungen in der Beherrschung kommt, was meist unterschätzt […]

  10. […] einem solchen Ereignis zu einer frühzeitigen emotionalen Aufschauckelung – es kommt zu positiven Rückkopplungen (Kybernetik). Hinzu kommt, dass anscheinend Spaßvögel mit Falschmeldungen zusätzlich zur Dynamik […]

  11. […] Kleine Ursache, große Auswirkungen – auch wenn man die Ursache in diesem Fall noch nicht kennt oder wahrscheinlich auch nie völlig restlos aufklären wird können, denn das ist in komplexen (vernetzten) Systemen nicht möglich. Die Vorfälle mit weitreichenden Systemausfällen nehmen jedoch zu. So lange nicht ganze Infrastruktursektoren betroffen sind, ist auch noch alles „halb so schlimm“. Aber es ist wohl auch dort nur eine Frage der Zeit, bis derartige Ereignisse eintreten werden.  Zahlreiche Rufer in der Wüster weisen ja bereits darauf hin. Dabei geht es wiederum um die Frage, ob wir darauf vorbereitet wären, was wir nicht sind, da wir weiterhin davon ausgehen, dass das nicht passieren wird. Ein fataler Irrtum oder besser gesagt, eine Truthahn-Illusion. […]

  12. […] werden, dass ein Blackout nicht an Ländergrenzen halt macht, ganz im Gegenteil, durch Dominoeffekte können weite Teile Europas binnen Sekunden […]

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  14. […] Kleine Ursache, große Wirkung, die unterschätzte Komplexität in unseren Liefer-, Logistik- und Versorgungsketten. Dieses Beispiel ist ja kein Einzelfall, nur in den anderen Bereichen wurden sie noch nicht schlagend. Es bestärkt leider auch die eigenen Einschätzungen, dass es in Folge eines realistischen Blackouts zu enormen wirtschaftlichen Folgeschäden kommen wird, wenn einzelne Kettenglieder ausfallen und damit weitreichende Störungen ausgelöst werden. […]

  15. […] nach wie vor am Beginn einer sehr turbulenten Phase stehen. Der Artikel beschreibt sehr gut ein komplexes System, das ins Straucheln gerät. Derzeit wackeln die Dominosteine noch innerhalb der […]

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  17. […] X ein wichtiger Netzbetreiber irgendwo in Europa im Fall des Falles ein Problem hat, um einen Dominoeffekt auszulösen. Auch ein weitreichender Internetausfall/Einschränkung der Datenversorgung […]

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  23. […] Dienstleisters soll irrtümlich den Strom im Datencenter abgedreht und damit eine fatale Kettenreaktion ausgelöst […]

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