Het bestaan van een kritiek punt bepaalt het gevolg van (een beetje) oponthoud
Hoe kan het dat een kleine storing op het spoor soms leidt tot een landelijke opstopping? Deze vraag werd in januari 2021 beantwoord door Mark Dekker, destijds promovendus bij Deb Panja, onderzoeker van complexe systemen en eerste auteur van de nieuwe publicatie in Nature Physics. Samen ontwikkelden Dekker en Panja destijds een model dat het sneeuwbaleffect blootlegde dat ten grondslag ligt aan de verspreiding van vertragingen in het Nederlandse spoornetwerk. In het artikel suggereerden ze dat hetzelfde mechanisme ook van toepassing zou kunnen zijn op andere systemen waar tijd een rol speelt, zoals toeleveringsketens. Kort daarna, in het voorjaar van 2021, blokkeerde het schip Ever Given zes dagen het Suezkanaal. Dit veroorzaakte een immense opeenhoping van vertragingen, die volgens de Deense scheepvaartgigant Maersk maandenlang voelbaar bleef.
In de nieuwe studie tonen Panja, zijn huidige promovendus Matthijs Romeijnders, en collega’s van andere instituten inderdaad aan dat er een universeel mechanisme bestaat dat de basis vormt van opeenhopingen van vertragingen in alle op schema’s gebaseerde systemen. Ze noemen dit het mechanisme van timeliness, of tijdigheid.
De buffer kan een vertraging uiteindelijk absorberen, maar alleen tot het kritieke punt
Deb Panja, eerste auteur
Strakke tijdsschema’s
Het mechanisme van tijdigheid heeft er alles mee te maken dat de elementen die onderdeel vormen van het systeem op het juiste moment op de juiste plek aanwezig zijn. Deze elementen kunnen goederen zijn, maar ook diensten of personen. Neem bijvoorbeeld een product dat bestaat uit verschillende componenten die op hun beurt worden vervaardigd uit bepaalde grondstoffen. Als de levering van de grondstof om welke reden dan ook vertraagd is, kan het geplande onderdeel niet op tijd worden geproduceerd, wat weer leidt tot verdere vertragingen in het productieproces.Beheerders van dergelijke processen werken met steeds strakkere tijdsschema’s. Ze staan vaak onder druk van concurrentie en willen steeds sneller en goedkoper produceren. In het uiterste geval is er geen enkele ruimte meer voor vertragingen - er is geen buffer.
Kritiek punt
Het nieuwe model onthult het bestaan van een kritiek punt in systemen die met tijdschema’s werken. De auteurs laten zien dat vertragingen door de buffer worden opgevangen, zolang de grootte van de buffer boven dit kritieke punt blijft. Onder die kritieke omvang stapelen vertragingen zich grenzeloos op in het systeem. "De buffer kan een vertraging uiteindelijk absorberen, maar alleen tot het kritieke punt," aldus Panja samenvattend. De onderzoekers ontdekten ook dat vertragingen groter worden en langer duren, naarmate het systeem dichter bij het kritieke punt komt. De auteurs noemen dit ’delay avalanches’ (vertragingslawines).Systeembeheerders zouden, naast efficiëntie, ook prioriteit moeten geven aan veerkracht
Deb Panja, eerste auteur
Echte wereld
De onderzoekers tonen het bestaan van het kritieke punt aan met een gestileerd model. Zo’n model is een vereenvoudigde weergave van een systeem, waarin alleen de belangrijkste elementen van het systeem en de relaties daartussen worden meegenomen. Om de kloof tussen het model en de echte wereld te overbruggen, keken de onderzoekers ook naar twee voorbeelden uit de echte wereld. Ze toonden aan dat ook hier sprake is van een kritiek punt.Prioriteit geven aan veerkracht
In hun studie stellen de onderzoekers dat tijdigheid een belangrijke kwaliteitsnorm is, maar toch vaak wordt onderschat. "Mensen hebben de neiging om zich volledig te richten op het besparen van tijd of geld op de korte termijn", stelt Panja. "De lage bufferniveaus als gevolg hiervan, leiden tot spanningen in het systeem, wat vervolgens de kans vergroot dat elke vorm van ruis een grootschalige verstoring veroorzaakt." Voor betere resultaten op de lange termijn, raden de onderzoekers systeembeheerders aan, om naast efficiëntie, ook veerkracht prioriteit te geven.Complexe systemen zijn systemen die bestaan uit allerlei elementen of actoren die met elkaar in verbinding staan. Deze systemen vertonen gedrag en hebben eigenschappen die onverklaarbaar zijn vanuit de individuele elementen. De wetenschap van complexe systemen is een interdisciplinair vakgebied dat deze systemen bestudeert met behulp van concepten en methoden uit verschillende disciplines, waaronder wiskunde, natuurkunde en informatica. Onderzoekers proberen patronen, principes en mechanismen te identificeren die ten grondslag liggen aan de dynamiek van complexe systemen. Daarnaast ontwikkelen ze modellen, theorieën en gereedschappen om het gedrag te voorspellen en te controleren. Voorbeelden van complexe systemen zijn ecosystemen, klimaatsystemen, financiële markten en het menselijk brein.
Aan de Universiteit Utrecht benaderen onderzoekers van het Centre for Complex Systems Studies (CCSS) maatschappelijk relevante vraagstukken vanuit het perspectief van de wetenschap van complexe systemen.
