Amsterdam: Complexe systemen

Wat hebben een zwerm spreeuwen en wiethandel met elkaar gemeen? Beide zijn het ‘complexe systemen’ oftewel netwerken waarin verschillende onderdelen samenwerken en elkaar beïnvloeden, zonder dat er een centrale coördinatie is.

Peter Sloot is hoogleraar computational science aan de Universiteit van Amsterdam en doet onderzoek naar de werking van complexe systemen. Dat is belangrijk, omdat zulke netwerken overal om ons heen zijn en ons leven, vaak zonder dat we het weten, structuur geven. Als we beter begrijpen hoe deze netwerken functioneren, wordt het ook makkelijker het gedrag van deze systemen te beïnvloeden en te voorspellen.

Peter Sloot, Universiteit van Amsterdam

entropie en orde

Complexe systemen bestaan in allerlei soorten, vormen en maten: door mensen gemaakt en in de natuur, op microniveau en juist heel groot, tastbaar en virtueel. Wat ze allemaal gemeen hebben, is dat ze bestaan uit verschillende onderdelen die op elkaar reageren. Het gedrag van de onderdelen is van elkaar afhankelijk, waardoor een kleine verstoring effect kan hebben op het hele systeem. Een behapbaar voorbeeld is het verkeer. Door regels en verwachtingen weet iedere weggebruiker hoe hij zichzelf moet gedragen en heeft hij bovendien een goed idee van wat de andere deelnemers aan het verkeer gaan doen. Wanneer je ziet dat iemand probeert in te voegen probeer je diegene ruimte te geven. Een verstoring is bijvoorbeeld een kind dat plotseling op de weg springt; als automobilist zal je dan direct moeten reageren - remmen dus. Maar alle auto’s achter jou moeten zich daar ook weer op aanpassen. 
 

Volgens Sloot moeten complexe systemen constant balanceren tussen dynamiek en stabiliteit. Hij noemt deze tegenpolen entropie en orde. Entropie betekent in deze context vervallen in chaos, een gebrek aan structuur. Toch is perfecte orde ook niet wenselijk, zeg Sloot. Dat betekent namelijk stilstand en dan kan het systeem helemaal niets doen. Het systeem moet flexibel zijn; het moet zichzelf kunnen aanpassen en vernieuwen maar tegelijk stabiel genoeg blijven om niet uit elkaar te vallen. Als in een winkelcentrum een groepje mensen staat te kletsen in het looppad, dan zou dat hinderlijk zijn maar uiteindelijk zou de stroom voetgangers zich gewoon aanpassen en er omheen lopen.  

vogelzwermen

Wat de studie van complexe systemen moeilijk maakt, is het feit dat de netwerken zo complex zijn en het gedrag zo onvoorspelbaar. Het is moeilijk en erg veel werk om alle relaties tussen de onderdelen van het systeem in kaart te brengen, laat staan om vast te stellen hoe deze onderdelen op elkaar inwerken - het systeem is immers flexibel en veranderlijk. 
 
Sloot probeert complexe systemen te doorgronden door er computersimulaties van te maken. Het doel is om die interacties te doorgronden en die vervolgens vertalen in een reeks wiskundige instructies, zogenaamde algoritmen, die in een computer geprogrammeerd kunnen worden. Wat doet speler A als speler B ‘x’ doet? Wat doet de voetganger als er plotseling een auto het voetpad op rijdt? Wat doet de voetganger naast hem wanneer hij opzij springt? In De Volmaakte Mens toont Sloot een redelijk overzichtelijk complex systeem dat hij in kaart heeft gebracht, namelijk vogelzwermen. De vogels baseren hun vlieggedrag op de vogels om hen heen, ze willen onder andere een bepaalde afstand houden tot hun buren. Dit vlieggedrag probeert Sloot te vangen in een algoritme, en uiteindelijk in een simulatie van het hele systeem. Maar Sloot wilde niet alleen weten hoe de zwerm vliegt als alles goed gaat, maar juist ook wat de vogels doen als er een verstoring optreedt. Daarom voegde hij de mogelijkheid toe een roofvogel de simulatie in te laten vliegen, bij wijze van nudge. 
 
Dit nudgen, of porren, met roofvogels levert interessante resultaten op. De zwerm als geheel blijkt redelijk bestand tegen zo’n externe inmenging. De plaats waar de roofvogel de groep in vliegt wordt tijdelijk chaotisch, maar als de vogels daarna met rust worden gelaten herstelt de orde zich vlug. Blijft de roofvogel echter langer in de buurt, dan valt het systeem uit elkaar. Sommige vogels raken dan zo lang of zo ver buiten de structuur van het systeem, dat het ze niet meer lukt om terug te keren. Je ziet dan dat er een kleine tweede zwerm ontstaat. Deze kantelpunten zijn voor Sloot speciaal van belang: welke doorbreking van de orde is zo ernstig dat de chaos te groot wordt om te herstellen? 

netwerk

Natuurlijke complexe systemen als vogelzwermen lijken op het eerste gezicht niet direct te vertalen naar door mensen gecreëerde complexe systemen zoals het verkeer, criminele netwerken of de geautomatiseerde beurshandel. Maar ook bij deze systemen kunnen we met behulp van computersimulaties kantelpunten blootleggen en leren hoe we het systeem kunnen nudgen. En met deze aanpak heeft hij al de nodige successen behaald. Sloot wist namelijk te verklaren waarom de bestaande aanpak van wiethandel niet werkte. De politie probeerde namelijk de ‘mannen aan de top’ uit te schakelen en zo het hele circuit plat te leggen. Maar die methode paste niet bij hoe de wiethandel daadwerkelijk gestructureerd is, ontdekte Sloot. De wiethandel vond niet plaats in een piramidestructuur, maar in een flexibel netwerk. Wanneer één drugsbaas werd opgepakt, nam simpelweg een andere handelaar zijn transacties over en zo reguleerde het systeem zichzelf. Het was nodig om complete aanvoerlijnen los te koppelen van het netwerk zodat het hele systeem niet meer kon functioneren. In de digitale wereld worden alsmaar slimmere computers steeds vaker in netwerken met elkaar verbonden, waardoor ze gezamenlijk een complex systeem vormen. Sloots onderzoek is belangrijk om te begrijpen hoe deze systemen werken en hoe ze te beheersen zijn.