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Module 2 · Analyse et modélisation systémiques (2J, optionnel, groupe 3)

📆 Date
Oct 22, 2021
📑 Thème
👫 Changer les cultures et les organisations
🎲 Format
🎓 Formation · Groupe pilote
📍 Lieu
📍 Présentiel
Sommaire

Introduction

🖼️

Voir la présentation .pptx pour le contenu détaillé

Objectifs
  • Après avoir explicité la notion de modèle et son usage, on évoquera les limites de la modélisation.
  • Puis nous aborderons les fonctionnalités d’un outil de modélisation (Stella Architect), à télécharger sur le site.
  • À partir de deux exercices suivants : 1) la pollution et le rapport PIB pollution 2) l’épidémie et le processus de contagion, les participants seront invités à simuler ces deux modèles. On insistera sur l’importance de la quantification, mais aussi sur la possibilité de qualifier quelques variables des modèles.
  • Enfin à partir d’une étude de cas (assez simplifiée) consacrée à l’évolution de la population, de la pollution et de l’activité économique (page 34), nous bâtirons différents scénarii évolutifs montrant l’intérêt de la dynamique des systèmes pour traiter les contradictions entre le court terme et le long terme.
  • Cette étude de cas nous permettra de dérouler le processus de développement d’un modèle et de montrer les points clés essentiels à réaliser en travail d’équipe.
Au programme

1. Ce qu'est un modèle

  • Quel est le sens du mot modèle ? Pourquoi cherche-t-on à modéliser ?
  • Processus de construction d’un modèle
  • Quelques freins à la modélisation
  • Le cycle informatique du processus décisionnel

2. Logiciels de modélisation

  • Préparation à l’utilisation du logiciel Stella Architect : les fonctions principales
  • Les fonctions essentielles (manipulation sur des exercices)
  • Étude de cas : modélisation d’un micromonde

ℹ️ Comprendre ce qu'est un modèle

📖 Modéliser quoi ?

Un système…

✈️ Compliqué (e.g. avion)

On peut comprendre ce qu'il y a derrière, le déconstruire en éléments simples.

✈️

Un avion est compliqué

🌍 Complexe (e.g. climat)

Aucune partie n'est indépendant. Chaque élément subit des répercussions des autres éléments. Et là c'est beaucoup plus difficile d'analyser les interactions.

🌍

Le climat est complexe

🌊 Dynamique des systèmes (impermanence)

Tout change, tout évolue dans le temps.

💔 Exemples de fragilité de la modélisation

⚠️ Incertitudes, simplification, imprévus
  • 🤔 Incertitudes. Les modèles ne prennent pas tout en compte. Ils comportent beaucoup de zones d'incertitude.
  • 👨‍🏫 Simplification. Tout modèle repose sur une simplification de la réalité, en retenant/excluant des variables.
  • 🗺️

    La carte n'est pas le territoire.

  • ‼️ Évènements. Les modèles peuvent s'effondrer à cause de "germes" (ou évènements) qui peuvent survenir de manière imprévue.
🦢 Attention aux cygnes noirs (N. Taleb)
👤

N. Taleb : mathématicien et ancien trader.

On exclut souvent les évènements extrêmes (les « cygnes noirs »). La pandémie de COVID peut en faire partie.

🦢 Autres cygnes noirs
  • Cargo géant bloqué sur le canal de Suez
  • Panne Internet ou attaque informatique de grande ampleur
  • Astéroïde (Bennu) qui frappe la terre
  • Crash boursier
  • Virus pathogène qui apparaît avec la fonte du permafrost
🦃 Autre exemple : l'histoire de la dinde de Thanksgiving

Elle grossit de manière linéaire et ne se doute pas que c'est pour qu'on la mange.

Il ne faut pas confondre preuve de l'impossibilité et absence de preuve de la possibilité.
Notre point de vue dépend du regard à partir duquel on observe un évènement, d'où un fort enjeu de se détacher des ses préjugés, et un intérêt à travailler à plusieurs sur un même modèle.

📈 Modélisation et simulation

❓ Les modèles sont mauvais, mais utiles (Kirikou est petit, mais vaillant)
Tous les modèles sont mauvais, mais ils sont bien utiles.
  • 💬 Carrefours d'échange. Ce sont des opportunités d'échanger entre nous : financier, ouvrier, commercial…
  • 🔭 Se projeter. Modéliser peut aussi servir à construire des mondes possibles.
  • 💭 Abstraction. Les modèles reposent sur des mécanismes d'abstraction pour raisonner à des niveaux macro et éviter la torpeur face à des décisions complexes.
6️⃣ Axiomes. Les axiomes de communication (cf. Paul Watzlawick) sont aussi un modèle.

Axiomes de communication de P. Watzlawick

  1. On ne peut pas ne pas communiquer
  2. Toute communication présente deux aspects : le contenu et la relation, tels que le second englobe le premier et est par suite une méta-communication
  3. La nature d'une relation dépend de la ponctuation des séquences de communication entre les partenaires
  4. La communication humaine utilise simultanément deux modes de communication : digital et analogique
  5. La communication est soit symétrique, soit complémentaire
📉 La simulation, un outil avant tout
  • 🛠️ Un outil. La simulation (numérique) est un outil, reposant par une imitation pas-à-pas de comportements dans le temps.
  • 🔮 Un modèle n'est pas Irma. La simulation constate, valide et projette, et n'est pas là pour répondre à : que va-t-il se passer.
Dans quelle situation serons-nous si telle hypothèse était vérifiée ?
  • 🏷 Typologie : analogique, numérique / statique, dynamique / aléa, déterminisme.
  • 📊 Données. Construire un modèle induit d'avoir des données.
👉 Penser à la fonction et l'usage
Un modèle n'existe que par sa fonction.

Un modèle est une prothèse qu'on colle sur la réalité, un miroir dans lequel on se projette.

👫 Modéliser le social : limites de la modélisation
Mieux vaut prendre du recul dès qu'on parle de société, des relations entre humains.
→ Voir le livre de Pablo Jensen

Les modèles sont souvent fascinants, mais…

La vie sociale ne s'explique pas par l'addition des effets de quelques variables importantes jouant un rôle uniforme, mais par des conjonctions spécifiques, des évènements.

Les individus ne sont pas des atomes qui auraient des propriétés prédéfinies avant de s'assembler en société.

Quatre facteurs essentiels qui rendent les simulations de la société […] plus difficiles que la matière :
  1. Hétérogénéité des humains
  2. Manque de stabilité de quoi que ce soit
  3. Nombreuses relations à prendre en compte (au niveau temporel et spatial)
  4. Réflexivité des humains (qui réagissent aux modèles)

🏗 Processus de construction d'un modèle (CORDA)

Comprendre
Définir précisément le problème
Le dématérialiser en but et fonctions

Un problème doit être dématérialisé en fonction. Par exemple, un stylo : écrire.

Le décrire verbalement (mots-clés neutres, relations)
Le délimiter (périmétrer)

À Touari (parc animalier), j'avais 3 sous-systèmes (zoologique, commercial, financier).

En modélisation, au départ, vous faites un modèle simpliste. Et vous recevez des retours, vous ajoutez des variables… attention à bien tenir votre périmètre.

Observer

Recueillir les données, trier, évaluer. Attention aux biais cognitifs

Réfléchir
  1. Conceptualiser (représenter et formuler) :
    • modèle analytique (diagramme causal)
    • modèle formel (diagramme dynamique)
  2. Analyser et évaluer
    1. Comparer avec l'historique
    2. Analyser la sensibilité
    3. Analyse les politiques (scénarii)
    4. 👤

      Le pilote de projet doit faire décider les autres, ce n'est pas à lui de prendre les décisions.

Comprendre, observer, réfléchir représente 60-70% du temps passé sur un modèle. D'où l'intérêt de se connecter à des bases existantes.

Les gens se méfient des modèles à cause du côté boîte noire. C'est important d'ouvrir le modèle à la contribution et réflexion avant de passer sur ordinateur pour éviter ces réactions.

Décider
  • Choisir le scénario (faire décider)
  • Analyser les impacts et risques
Appliquer
  • Communiquer
  • Planifier les actions
💡

À noter qu'il peut y avoir des rétroactions entre les phases, e.g. Observer → Comprendre, Réfléchir → Comprendre, Décider → Réfléchir.

Corriger des représentations erronées est une tâche de persuasion logique

Attention aux fausses affirmations. Ex. : c’est grâce à l’engrais chimique que les céréales (graminées comme le blé, l'orge, le seigle) poussent !

  1. Émergence d’une contradiction (pourtant les arbres, la prairie sauvage poussent bien sans engrais !)
  2. On se base sur un objet représentatif en dégageant les fonctions et les propriétés : si l’arbre pousse, de quoi se nourrit-il ?
  3. « Top down » : on descend à la propriété essentielle : quelle est la subsistance dont l’arbre a besoin ?
  4. On construit le modèle : on recherche le ou les processus et non la cause unique. Ici deux processus :
    1. la décomposition du sol (les éléments minéraux (azote, phosphore, potassium), les oligo-éléments sont absorbés par le système racinaire ; et
    2. le processus de photosynthèse (radiation solaire).
  5. Retour à la case départ : A-t-on résolu l’antinomie ?
  6. Enfin peut-on généraliser à d’autres facteurs nutritifs concernant d’autres êtres vivants ?

🚧 Freins et biais à la modélisation

« Il est plus facile de désintégrer un atome qu’un préjugé » !

— Einstein

  • ⛰ Inertie, justification par l'existant, préjugés
  • 📊 Volonté de tout quantifier
  • ℹ️ Problèmes d'information (manque, surinformation, biais…)
  • ⚡ Dissonance cognitive et manque de volonté
  • ⚓ Ancrage et influence de la première impression
  • 🧥 Effet de mode

💻 Cycle informatique du processus décisionnel

ℹ️ Flux d'information entrants
  • Big data
  • Données
  • ERP
  • → Modélisation des processus par la dynamique des systèmes

📑 Notions associées
  • Thinking system : penser la complexité avec l'approche systémique
  • Management cockpit : pilotage prospectif par la gestion et la prise de décision collective
    • Voir par exemple la Balance Scorecard
🖥️ Logiciels pour la dynamique des systèmes

Vensim : open source, mêmes fonctions qu'Architect, sauf que l'ergonomie et l'interface sont moins sympathiques.

  • Netlogo : gratuit, avec une belle collection de modèles. (Ex : contagion)
  • Architect : 30 jours d'essai gratuit, puis payant (et cher).
  • AnyLogic : une usine à gaz.
↕️ Deux modes d'appréhension

Top-down. Partir du macro et zoomer. C'est ce qu'on va faire en dynamique des systèmes. La faiblesse, c'est qu'on peut pas descendre au niveau de l'indiivdu.

  • Bottom-up. Partir des agents (e.g. individu) et remonter

🎓 Cours de dynamique des systèmes

Vous pouvez télécharger gratuitement tous les cours de la Sloan School de MIT.

La dynamique des systèmes est aussi enseignée à Séoul, en Europe à Bergen, à la Sorbonne.

📕

Models of Doom: A Critique to the Limits to Growth du Sussex est une des critiques les plus constructives sur le modèle Limites à la croissance.

🖱 Préparation à l'utilisation d'Architect de ISEE Systems

Pas besoin d'être matheux·se.

L'histoire d'Architect

Lorsqu'il était chercheur au Massachusetts Institute of Technology dans les années 1960, Jay Wright Forrester fut le premier à développer la dynamique des systèmes complexes, qui selon lui, ne pouvait être comprise que grâce à des modèles. Il créa le langage informatique « Dynamo ».

Barry Richmond, alors professeur en sciences des systèmes au Dartmouth College, fonda la société High Performance Systems en 1984. Avec l'aide financière de Analog Devices et l'aide technique d'Apple, il a développé STELLA (sigle anglais de Structural Thinking, Experimental Learning Laboratory with Animation) pour le compte de son entreprise. Il présenta son prototype de langage graphique en 1985 lors de la conférence annuelle de la System Dynamics Society dans un article intitulé STELLA : Software for Bringing System Dynamics to the Other 98%

Le logiciel génère des équations différentielles qui décrivent le modèle, et permet de choisir la méthode d'analyse numérique à appliquer au système, que ce soit la méthode d'Euler ou diverses méthodes de Runge-Kutta (de second ou de quatrième ordre)

L’article ci-dessus est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « STELLA (programming language) ».

💬 Échanges

Qu'est-ce qu'un sous-système ?

Selon moi, un sous-système émerge du fond et de la complexité d'un système car il est homogène et fonctionne presque de manière autonome, suffisamment pour qu'on puisse décrire ses interactions (même s'il est bien sûr en interaction avec les autres sous-systèmes).

image

💻 Prise en main d'Architect

💡

Version d'essai gratuite sur 30 jours avec la clé partagée. Au bout des 30 jours, il est toujours possible d'utiliser le logiciel, mais sans pouvoir sauver ses fichiers.

Attention aux pare-feux d'installation : plusieurs personnes n'ont pas pu installer l'application. Lors de l'installation, cocher l'option "biflow".

Pour ouvrir les modèles préconfigurés, aller dans Menu File › Open… puis le dossier Exercices Progression Architect.

1. 🌬 Reproduction du modèle de pollution

Attention à bien expliciter les liens entre les variables.

a) Reproduire un modèle simple

  1. Prise en main des types de cases
    1. Stock (rectangle avec ±)
    2. Biflow (flèche à double-sens avec robinet)
    3. Converter (cercle)
    4. Connector (flèche)
  2. Définition des variables et calculs
  3. Menu Model › Run
N'hésitez pas à la regarder en accélérer (en changeant la vitesse en bas à droite)qqqa

b) Voir le modèle avec évolution d'activité

Exemple de prise en compte d'autres variables : Pollution avec croissance activité.

c) Itération sur le modèle de pollution

Ajout de converters :

  • Croiss. éco
  • Décarbonation
  • Empreinte C.

Réglages dans Menu Model › Run Specs :

  • "Stop time" dans Model, par défaut mis à 400 ans.
  • DT : étapes de calcul du modèle (ici : 1/4, soit tous les 0,25)

2. 🌍 Micromonde (diagramme causal)

Cf. slides du cas et modèle .stmx associé.

Le logiciel Architect peut générer des boucles automatiquement.

💡

Astuce

Pour commencer un diagramme causal :

  1. Je commence par poser les variables d'état.
  2. Puis je pose les variables de flux.
  3. Et enfin j'ajoute les variables intermédiaires (qui jouent un rôle important dans le diagramme dynamique).

À noter que dans le diagramme dynamique on peut utiliser une terminologie moins neutre et mettre « Accroissement pollution » par exemple.

📺 Vidéos pas-à-pas

Cliquez sur ► pour voir les vidéos

Ouvrir Micromonde en mode Explore
Instructions pour ouvrir et jouer avec le modèle en plein écran
Répliquer le modèle Micromonde
Aperçu du processus de réplication du modèle
🎨

On peut mettre des couleurs pour montrer qu'on a une marge d'action ou décision sur certaines variables.

Utiliser des formules dans une équation
Créer un tableau de suivi et des graphiques
Créer des curseurs, des boutons, plusieurs pages de graphique
Passer d'un diagramme dynamique à un diagramme causal via CLD View
Faire apparaître une image, un texte ou une vidéo en fonction de seuils atteints

3. 👀 Démo de modèles de Didier Cuménal (sur ISEE Systems)

Par exemple :

  • Dynamique du développement économiqu mondial.
  • Identité de Kaya

💬 Questions-réponses et discussion

👉 Quelles applications ?

Christophe Des applications envisageables. Probablement utile dans certains domaines, en utilisant la modélisation pour penser les mix énergétiques par exemple.

Cristina Prendre un exemple. S'asseoir ensemble pour faire un modèle et le partager en ligne pour que d'autres puissent jouer.

Un enjeu de désiloter les regards. Mon souci : on a des tas d'experts, mais les expertises n'arrivent pas ça se croiser. On arrive pas à montrer que tout fait système.

Donner à voir les effets. Donner à l'exécutif la capacité d'arbitrer sur des modèles de développement et donner à voir leurs effets concrets (ex : quels impacts d'un modèle low tech ?).

Prendre un modèle simple et macro. Idée que ce soit un carrefour d'échanges sur le périmètre IDF (énergie, alimentation, mobilité…).

Matthieu À voir dans les applications pour moi. Je suis dans une structure de 25 salariés, assez petite. Je sais pas comment l'utiliser directement, sauf peut-être le CORDA.

Imaginer un cas commun IDF. Je rejoins complètement Cristina. On s'est dit ça dans le groupe : faire un modèle avec des indicateurs.

  • Didier Soit un mode pousse, soit un mode tire : soit le groupe crée, soit l'ADEME tire.
  • Thibaut Oui, avec des curseurs, sur le modèle de ce qu'a fait le MIT.

Philip Un langage commun et support d'aide à la décision/stratégie. Je le vois comme un langage commun pour échanger sur des priorités et réflexions stratégiques, en mettant en relief des hypothèses, des scénarios… par exemple du côté des entrepreneurs sociaux (où la question d'impact est prédominante, avec des hypothèses de valeur), ou dans des réflexions stratégiques.

Mieux identifier les hypothèses. En utilisant l'outil comme support de discussion autour des hypothèses des uns et des autres, voire de projection rapide chiffrée sur des scénarios.

  • Christophe Oui, on pourrait facilement inclure des données dans les réflexions de cette façon.

Sylvie Données humaines. M'interroge sur la manière de rentrées des données humaines dans le modèle.

Modéliser les désirs des gens. Me donne plutôt envie de faire l'inverse de ce qui se fait souvent, i.e. construire un modèle et tester l'acceptabilité. Et donc plutôt de bâtir un modèle sur la base des désirs des gens.

  • Par exemple, vient de sortir le rapport Habiter la France de demain, avec un a priori que ce que veulent les gens est coûteux. Alors qu'on ne repense pas la manière d'aborder les politiques depuis des dizaines d'années. Donc potentiellement voir comment regarder ces enjeux autrement, avec d'autres échelles de densité, mode de vie, etc.

Marie-Aimée Outil pédagogique. Je me dis que ça pourrait être intéressant comme outil de sensibilisation, avec une compréhension des variables en IDF.

Peer coaching. Autre façon de l'utiliser : comme un outil de peer coaching. Une personne viendrait avec une problématique, et on l'aiderait à modéliser son sujet. Par exemple, je pourrais le faire sur l'artificialisation des sols en IDF (pour prendre un de mes enjeux RSE du moment).

🔭 Perspectives

Thibaut Zoom sur une thématique. On avait tiré une feuille de route avec Myriam suite au dernier module, en se concentrant sur une thématique (e.g. résilience alimentaire). Mais je note qu'il y a d'autres idées qui pourraient émerger après le programme.

Reproduire World 3 à échelle IDF. Cela me fait arriver à une des conclusions de mardi soir : essayer de réunir les compétences pour reproduire World 2 ou 3 à l'échelle de l'IDF, en partant de l'architecture et en critiquant ou développant certains aspects spécifiques à l'IDF (ex : la pression foncière). Ce serait une autre possibilité à explorer après le programme.

Présenter cet outil dans vos organisations. Vous pouvez présenter cet outil dans vos équipes et voir comment les transposer.

Cristina J'aime bien l'idée de Sylvie aussi de projeter un récit.

Sylvie Faire un modèle IDF tel que souhaité. L'IDF, on sait qu'1 habitant sur 2 veut en partir. Si on suit les projections de 14 millions d'habitants, la pression foncière n'est plus un sujet. Elle l'est car on structure la venue des gens en IDF. Je parle pas pour moi, mais entend ce désir de partir. Mais il n'est pas entendu.

Cristina On pourrait imaginer et intégrer de nouvelles variables dans le modèle.

Thibaut C'est ce que Meadows avait fait, dans un des douze scénarios, avec tout un tas de politiques et actions à envisager pour éviter l'effondrement.