El Enfoque de Sistemas aplicado a la Agricultura Gustavo Ferreira

Temario Introducción ¿En que consiste el Enfoque de Sistemas? ¿ Que se entiende por Sistema ? La Investigación en Base al Enfoque de Sistemas Los Modelos Modelos de Simulación Consideraciones en torno al Estudio de los Sistemas Agrícolas

“Nada en biología puede ser explicado si no se lo analiza en el contexto de su evolución”

Introducción La investigación agrícola clásicamente se ha basado en un enfoque analítico dejando de lado la interacción y dinámica de todo el sistema bajo estudio. Especialización creciente por disciplinas tales como: suelos, botánica, fisiología animal y vegetal, genética, etc. Estos métodos tradicionales no han sido totalmente satisfactorios para afrontar la complejidad inherente a los sistemas agropecuarios.

Algunas consideraciones sobre el desarrollo del método científico El método científico aplicado a las ciencias naturales se desarrolló basado principalmente en un enfoque analítico, que busca aislar las partes o componentes y estudiarlos en forma individual sin tener en cuenta las relaciones existentes entre las partes Reduce fenómenos complejos en sus componentes básicos dejando de lado las posibles interacciones que puedan existir

Corrientes predominantes antes de 1950 Reduccionismo, tiende a reducir los fenómenos a sus partes constitutivas, desglosando lo compuesto en sus elementos, los efectos en sus causas, las consecuencias en sus fundamentos Mecanicismo, entiende que los fenómenos pueden ser explicados en términos de relaciones causa efecto mecánicas

Algunas consecuencias Predominancia de estas corrientes llevó a la separación de los problemas en clases menores y a un nivel creciente de especialización Falta de integración de masas críticas en la resolución de problemas

Estos enfoques demostraron ser inadecuados para la resolución de problemas complejos donde intervienen e interactúan un gran número de variables y componentes.

En oposición a estas ideas surge la Teoría General de los Sistemas (Ludwig von Bertalanffy; 1940) como una manera diferente y más eficiente para analizar los problemas complejos

¿Como surge la teoría de sistemas? Basado fundamentalmente en la observación de sistemas biológicos, enfatizo que los sistemas reales son abiertos, adptativos e interaccionan con su ambiente resultando en una evolución continua

El enfoque sistémico alienta a examinar como las cosas están interaccionadas, interconectadas, interrelacionadas o de alguna forma se controlan entre si, de forma que no se puede comprender o descubrir un solo componente a menos que se lo ubique en el contexto en el cual opera.

“el todo es más que la suma de las partes” Aristóteles

¿ En que consiste el enfoque de sistemas ? Podemos comenzar por decir que es simplemente una manera de pensar acerca de los sistemas que trata de definir y comprender el funcionamiento del todo en primera instancia y recién luego el de sus componentes. El todo emerge como como algo diferente de la simple suma de sus componentes.

El Enfoque de Sistemas es: Una manera de pensar acerca de la totalidad y sus componentes, haciendo énfasis en el todo y en el objetivo común de las partes Un enfoque integrador, que implica que no es posible comprender el funcionamiento de los componentes si no se los ubica en el contexto en el cual operan

El enfoque de sistemas consiste pues, en una metodología aplicada a la solución o comprensión de problemas, que contempla el todo en primera instancia y recién luego, la estructura de las partes constitutivas del sistema.

¿Que se entiende por sistema?

¿Que se entiende por sistema? No existe una única definición de sistemas. Conjunto de partes coordinadas para lograr un conjunto de metas u objetivos (Churchman 1968).

Los sistemas pueden ser descriptos en términos de un número básico de características comunes: INTERNAS Cosas, componentes del sistema. Atributos, cualidades o propiedades que caracterizan a las cosas. Relaciones, enlaces que unen o ponen en comunicación las cosas Objeto, indica que el sistema tiene un fin determinado o propósito Límite EXTERNAS Medio ambiente Joandet, 1976

Una definición posible: Sistema es la parte del Universo Objeto de nuestro estudio e implica un complejo de factores que están interrelacionados, implica interacción entre esos factores e implica que un límite conceptual se puede definir alrededor del complejo como un limite a su anatomía orgánica En base a: Dent y Anderson, 1974; Mahan, 1968

Teoría de Sistemas Implica estudios trans-disciplinarios de la organización abstracta de los fenómenos, independientemente de su sustancia, tipo, escala temporal o espacial o existencia. Investiga los principios de las entidades complejas y los modelos que se pueden utilizar para describirlos.

El concepto de sistemas incluye: El Sistema Límites y medio ambiente Entradas y salidas Procesos Estados Jerarquías Orientación a los objetivos Información

Límites del Sistema Todo sistema debe ser limitado para su estudio ya que en la realidad estos no existen por si mismos. La fijación de los límites del sistema debe ser coherente con el objetivo planteado

Criterios para delimitar límites; Que los lazos entre el sistema y el medio ambiente sean tan débiles como sea posible Que todos los factores que puedan ser utilizados por quien toma decisiones sean incluidos Se debe profundizar el nivel del sistema en términos conceptuales hasta donde se pueda, mientras sea operativo y manejable

Controlables de entrada/salida A través del límite del sistema hay dos diferentes conjuntos de variables, Controlables de entrada/salida No controlables entrada/salida del sistema

Sistema Entradas Salidas Factores Productos Controlables Deseables No controlables Indeseables Entradas Salidas

El proceso dentro del sistema conduce a condiciones nuevas, resultantes de las condiciones anteriores y las entradas. Las salidas, por lo tanto, son una función de las entradas y del proceso que tiene lugar dentro del sistema.

Tipos de relaciones en el sistema Relaciones simples tipo insumo/producto o entrada/salida donde la entrada de un componente es una función de salida para uno o muchos componentes. Relaciones de tiempo. Son dependientes del tiempo y comprenden el tiempo en forma de atrasos o retrasos. Relaciones que proveen mecanismos de retro-alimentación y son típicos de los sistemas adaptativos. Relaciones sujetas a control externo a través de las cuales el sistema puede ser manejado o controlado (ej. control remoto)

Cibernética y enfoque de sistemas La diferencia entre estos se produce en el dominio académico y es más bien difusa. El enfoque de sistemas plantea que por complejo o diverso que pueda ser el objeto de estudio, siempre se encontraran diferentes tipos de organización dentro de él, y esa organización puede ser descripta por principios que dependen del dominio especifico al cual estamos mirando.

Cibernética Cibernética del Griego (Kybernëtikos), bueno al dirigir, haciendo referencia a quien timonea una embarcación. Concepto introducido por Robert Wiener (1948), como la ciencia de la comunicación y control entre hombres y máquinas. Teoría del control aplicada a sistemas complejos

Cibernética La cibernética estudia la organización, comunicación y control de sistemas complejos, concentrandose en los mecanismos circulares de retroalimentación (feedback), que les permiten mantenerse, adaptarse y auto-organizarse

Ciencia Tradicional Newtoniana Cibernética Todo proceso es determinado aisladamente por sus causas, esto es eventos pasados. Modelos lineales, mecanisticos Cibernética Procesos son resultado de la interacción de los componentes y el ambiente, esto es orientados a eventos futuros que aún no existen Modelos no lineales, mecanismos circulares donde las causas (pasado) igualan a los efectos(futuro).

Cibernética Se asocia con la modelación de sistemas en los cuales un controlador compara que sucede en el tiempo t, t con algún estándar de lo que debería suceder en t, t. La diferencia o error entre t= t - t suministra información al controlador para ejecutar la acción y, la cual puede ser tomada solamente después de un tiempo, t+k

Cibernética La ecuación yt+k=(t)=  (t - t) , por los tanto expresa los elementos de un modelo de control pero no describe los procedimientos de control. Solo cuando la función (t) es explicada puede comprenderse el control del sistema

Elementos básicos de un sistema cibernético Retro-alimentación Proceso Control Homeostasis

Retroalimentación Entradas Salidas Entradas Salidas Sistema Sistema Tiempo Después Antes Retroalimentación Entradas Sistema Salidas La información sobre el resultado de las transformaciones ocurridas retroalimenta las entradas del sistema

Retroalimentación positiva Explosión No hay situaciones intermedias Bloqueo Tiempo Situación al comienzo Ocurre cuando los nuevos datos aceleran la transformación en la misma dirección que los resultados precedentes. Los efectos son acumulativos. La retro-alimentación positiva lleva a un comportamiento divergente: expansión indefinida o bloqueo total de las actividades

Ejemplos de retro-alimentación positiva Inflación Capital a interés compuesto Aumento Poblacional Costo de Vida Tasa de interés Tasa de Natalidad + Nacimientos anuales Interés + Capital Precios Salarios + Población Costo de Producción

Retro-alimentación negativa Situación inicial Equilibrio Objetivo Situación inicial Tiempo Mantenimiento del equilibrio y convergencia Control de la retroalimentación positiva. La retroalimentación negativa lleva a un comportamiento adaptativo o de establecimiento de metas u objetivos

Retro-alimentación Negativa Objetivo auto-determinado y preservado en la evolución. El sistema tiene su propio propósito. Ej. Ecosistemas naturales, concentración de la glucosa en sangre, mantenimiento de la temperatura del cuerpo, etc. Objetivo externamente determinado por el hombre. Ej. Servo-mecanismos, robots, predios agropecuarios,etc. Termostatos, válvulas, etc.

Ejemplo de un sistema de suministro de agua con retroalimentación negativa Lluvia Tanque de reserva Tanque con émbolo Pileta

Control Controlador Controlado Percepción Acción Sistema de Control C Control es el modo de operación de un sistema de control que incluye dos subsistemas C controlador y S controlado. Fuente: Turchin, Heylighen, Joslyn & Bollen 1996

Control Controlado Controlador Percepción Acción Sistema de Control Representación Agente Información Fuente: Turchin, Heylighen, Joslyn & Bollen 1996

Control Sistema de Control Controlador Agente Percepción Acción Meta, Objetivo Sistema de Control Controlador Agente Representación Información Percepción Acción Controlado Variables Afectadas Variables observadas Dinámica Disturbios incontrolables Fuente: Turchin, Heylighen, Joslyn & Bollen 1996

Cibernética Control es el concepto clave en cibernética Cibernética de primer orden (1940): Enfoque de ingeniería. Esta interesada en la estabilidad de los sistemas y en procesos de retro-alimentación en máquinas y robots Cibernética de segundo orden (1970):Basada en descubrimientos biológicos. Esta más interesada en las relaciones e interacciones entre el observador (controlador) y el observado (controlado) que en el observado per-se. Fuente: Turchin, Heylighen, Joslyn & Bollen 1996

Procesos Un proceso es una acción vista como una secuencia de las sub-acciones o etapas que lo constituyen. Los estados o procesos son abstraciones limitadas en el espacio Todo proceso tiene un estado inicial y final Fuente: Turchin, Heylighen, Joslyn & Bollen 1996

Homeostasis Resistencia al cambio Es una de las propiedades más típicas de los sistemas complejos y abiertos Un sistema homeostático es un sistema abierto que mantiene sus funciones y estructura a través de una multiplicidad de equilibrios dinámicos rigurosamente controlados por la regulación de mecanismos inter-dependientes Fuente: Turchin, Heylighen, Joslyn & Bollen 1996

Homeostasis El sistema reacciona ante cambios en el ambiente o ante cambios imprevistos, a través de un serie de modificaciones de igual magnitud en la dirección opuesta a aquellos que generaron el cambio. El objetivo de esas modificaciones es mantener los equilibrios internos. Los sistemas Ecológicos, biológicos y sociales son sistemas homeostáticos.

Naturaleza de los sistemas cibernéticos Complejidad: Los sistemas cibernéticos son estructuras complejas, heterogéneas y con muchos componentes interactuando. Mutualidad: Estos componentes interactúan en paralelo y en tiempo real. Complementariedad: Estas interacciones simultáneas donde participan múltiples procesos requieren de complementariedad múltiple. Evolucionismo: Los sistemas cibernéticos evolucionan y crecen no estando planificados de forma óptima. Constructividad: En la medida que aumentan el tamaño y la complejidad se limitan a estados previos y simultáneamente desarrollan nuevos. Reflexibidad: Los sistemas cibernéticos son ricos en retroalimentaciones internas y externas, tanto positivas como negativas. Fuente: Turchin, Heylighen, Joslyn & Bollen 1996

El lenguaje de la cibernética Aprendizaje Regulación Auto-organización Percepción Memoria

Cibernética y Teoría de Sistemas La cibernética y la teoría de sistemas estudian esencialmente el mismo problema. La teoría de sistemas con más énfasis en la estructura de los sistemas y los modelos La cibernética con más énfasis en como funcionan los sistemas, esto es como controlan sus acciones, como se comunican con otros sistemas o con sus propios componentes. Fuente: Turchin, Heylighen, Joslyn & Bollen 1996

Ya que la estructura y las funciones del sistema no pueden comprenderse separadamente, es claro que cibernética y enfoque de sistemas deben ser concebidos como las dos caras de un mismo enfoque

Clasificación de los sistemas Abstractos y conceptuales Cerrados y abiertos Naturales y artificiales Adaptativos y no adaptativos

Clasificación de acuerdo a su capacidad de reaccionar con el ambiente Pasivos, incapaces de reaccionar con su medio ambiente Reactivos, pueden presentar un tipo de comportamiento diferente en ambientes diferentes De alcance de metas, pueden reaccionar de diferentes formas en cualquier ambiente. Meta externamente establecida De establecimiento de metas, pueden cambiar de meta en condiciones ambientales constantes o seguir la misma meta en ambientes diferentes.

Aspectos a considerar sobre el sistema a analizar: Objetivo del sistema total y medidas de comportamiento del sistema Medio ambiente del sistema y principales restricciones impuestas por el mismo Recursos disponibles y controlables por el sistema Componentes del sistema, con sus relaciones funcionales, actividades objetivos y medidas de performance Manejo y control del Sistema

El Enfoque Sistémico se basa en las siguientes premisas: HOLISMO, significa que el mundo puede ser visto como constituido por todos estructurados o sistemas, que mantienen su identidad bajo determinadas condiciones y que exhiben ciertas propiedades generales que son emergentes de la totalidad. TRANSFORMACIONES, en el sentido de que los sistemas continuamente se transforman a si mismos. CONTROL, dado que los sistemas incluyen mecanismos de regulación y control tales como la retro-alimentación (feedback) y auto-control para el mantenimiento de un equilibrio.

COMUNICACIÓN, que se refiere a la habilidad del sistema de comunicar información para controlar los mecanismos internos en relación a las fuerzas externas. JERARQUÍA, significa que se puede concebir una jerarquía de sistemas en el sentido de que sistemas más pequeños pueden ser agrupados en sistemas más grandes y viceversa. El sistema esta siempre embebido en otro más grande. PROPIEDADES EMERGENTES, que surgen de la jerarquía de sistemas y que significa que la suma de las partes es diferente del todo que componen.

Ordenamiento Jerárquico de Sistemas: Sistemas regionales Empresas Agropecuarias Análisis de Sistemas Sistema Planta/Animal Pastura Síntesis de Sistemas Planta Hoja

Diferencias entre la Investigación Clásica y El Enfoque de Sistemas Análisis Análisis Realidad Problemas Resultados Circuito Cerrado Fuente: Gastal, 1980

Investigación Integrada Situación Actual Difusión Nuevas posibilidades Análisis Análisis Análisis Realidad Problemas Resultados Síntesis Sistema Fuente: Gastal, 1980

El Enfoque de sistemas no es sustitutivo de la metodología clásica, sino complementario

El enfoque de sistemas integra los métodos analítico y sintético