Моделирование по схеме марковских случайных процессов. Пуассоновские потоки событий и непрерывные марковские цепи Пуассоновские потоки событий и

где - одно из возможных пространств состояний .

Вероятность перехода на m-шаге (условная вероятность):

Таким образом, для вычисления совместных вероятностей Р(Q 0 , ..,Q n) необходимо задать начальное состояние системы и указать физический механизм осуществления смены состояний, позволяющий вычислить вероятности перехода .

1. Частный (вырожденный) случай цепи Маркова. Смена всех состояний происходит независимо, то есть вероятность какого-либо состояния на m-м шаге не зависит от того, в каких состояниях находилась система в предыдущие моменты времени.

– последовательность независимых испытаний.

2. Вероятность фазового состояния параметра Q n в момент времени t n зависит лишь от того, в каком состоянии находилась система в непосредственно предшествующий ему момент времени t n-1 , и не зависит от того, в каких состояниях находилась система в более ранние моменты времени t 0 ,…,t n-2 .

3. Цепь Маркова порядка , если вероятность нового состояния зависит только от m состояний системы, непосредственно ему предшествующих:

Время пребывания системы в некотором состоянии может быть либо дискретным, либо непрерывным. В зависимости от этого различают системы с дискретным или непрерывным временем.

Простейшей вероятностной характеристикой случайного процесса служит набор вероятностей состояний P 1 (t), P 2 (t), ... P n (t), где P i (t) – вероятность перехода системы в состояние S i в момент времени t . Условие нормировки P 1 +P 2 +...+P n =1 .

Если в процессе функционирования система оказывается в состоянии S i , то вероятность перехода ее в состояние S j в общем случае зависит не только от состояния S i , но и от предыдущего состояния.

Случайный процесс, протекающий в системе, называется Марковским (процессом без последействия), если для любого момента времени t 0 вероятность состояния системы в будущем (при t>t 0 ) зависит только от состояния в настоящем (при t=t 0 ) и не зависит от того, как и каким образом, система пришла в данное состояние (т.е. не зависит от предыстории).

Потоки событий

Переход системы в некоторое состояние является событием .

Последовательность переходов системы в состояние S i представляет собой поток событий.

Поток событий называется ординарным , если событие в нем происходит по одиночке.

Интервалы времени t 1 , t 2 , ... t n ординарного потока могут быть одинаковыми или различными, дискретными или непрерывными, случайными или неслучайными.

Если интервалы времени t 1 , t 2 , ... t n – неслучайные величины, то поток называется регулярным или детерминированным, и этот поток описывается путем задания значений T 1 ,T 2 , ... T n .

Если T 1 ,T 2 , ... T n являются случайными, то поток называется случайным и он характеризуется законом распределения величин T 1 ,T 2 ,... T n .

На практике часто встречаются системы, в которых T i – непрерывная случайная величина. В этих случаях система может быть описана плотностью вероятности f(t 1 , t 2 , ... t n) , где t i – конкретное значение случайной величины T i .

Поток называется стационарным , если его вероятностные характеристики не изменяются во времени, т.е. вероятность попадания того или иного числа событий m на участок оси времени t¢+t зависит только от длины участка t и не зависит от того, где на оси времени выбран участок.

Интенсивность (плотность) потока событий (средняя величина событий в единицу времени) является постоянной.

Если интервал времени t i является равномерной случайной величиной, то такой поток называется потоком с последействием и его состояние находится в вероятностной зависимости от предыдущего состояния.

Если случайные величины t i независимые, то такой поток называется потоком с ограниченным последействием и плотность вероятности этого потока равна произведению плотностей вероятности:

f(t 1 ,t 2 , ...t n) = f 1 (t 1) f 2 (t 2) ... f n (t n) (6.5)

Поток с ограниченным последействием может быть стационарным и однородным во времени. В этом случае все интервалы между смежными событиями имеют одинаковый закон распределения:

f i (t i) = f(t i) (6.6)

Потоком без последействия называется случайный поток, если для любых непересекающихся участков времени число событий попадающих на один из них не зависит от того, сколько событий попало на другие участки.

Пуассоновский поток

Потоки случайных событий называются пуассоновскими , если число событий потока m, попадающих на любой участок t, распределен по закону Пуассона

P m = e - a , (6.7)

где а – среднее число событий, находящихся на участке t .

Пуассоновский поток является стационарным, если плотность событий l постоянна, тогда среднее число событий равно lt , иначе поток будет нестационарным.

Случайный поток событий, который обладает свойством стационарности, ординарности и не имеет последействия, называется простейшим и является стационарным пуассоновским потоком .

Просеянные потоки

Процесс переходов системы с дискретным временем функционирования может рассматриваться как воздействие дискретного потока событий, которое характеризуется тем, что в моменты времени t 1 , t 2 , ..., t n события происходят с вероятностью P i . Функция распределения такого потока:

Просеяние потока событий S 1 , S 2 , ... S n , которые наступают в определенные моменты времени с вероятностями p 1 , p 2 , ... p n , означает преобразование этих вероятностей в , , ..., . Если поток является стационарным, то эти вероятности равны: = =...=1-p.

При этом p является константой просеивания, которая определяется либо воздействием какого-либо дестабилизирующего фактора, либо определяется исключением каких-либо событий из множества состояний системы.

Примерами потоков с ограниченным последействием являются потоки Эрланга. Они образуются закономерным просеиванием простейшего потока, при этом под закономерным просеиванием понимается процедура, в результате которой происходит исключение нескольких последующих событий в исходном потоке. Если у простейшего потока исключается каждое нечетное событие, то оставшиеся события образуют поток Эрланга II порядка. Промежуток времени между соседними событиями в таком потоке представляет собой сумму независимых случайных величин и , распределенных по показательному закону ( = + ).

Если в простейшем потоке сохранить только каждое третье событие, то получим поток Эрланга III порядка и т.д. В общем случае, потоком Эрланга k -порядка называется простейший поток, полученный исключением (k- 1) событий и сохранением k -го события.

Дискретные Марковские цепи

Марковский случайный процесс с дискретными состояниями и дискретным временем функционирования описывает систему S с конечным числом состояний. При этом переходы возможны в фиксированные моменты времени t 1 , t 2 , ..., t k . Процесс, происходящий в этой системе, можно представить в виде цепочки случайных событий

S 1 (0) ® S 2 (1) ® ... ® S i (n) ® ... ® S n (k).

Эта последовательность называется дискретной Марковской цепью, если для каждого шага n=1,2, ... k вероятность переходов из любого состояния (S i ®S j) не зависит от того, как система пришла в состояние S i . Каждому переходу системы соответствует условная вероятность

P . (6.9)

Для каждого номера шага n возможные переходы образуют полную группу событий .

однородной , если переходные вероятности не зависят от номера шага. Полным описанием такой цепи может служить квадратная матрица переходных вероятностей

и вектор начального распределения вероятностей для всех состояний в момент времени t=0.

= . (6.10)

Переходные вероятности, соответствующие невозможным переходам, равны 0, а вероятности, расположенные по главной диагонали, соответствуют тому факту, что система не изменила своего состояния.

Дискретная Марковская цепь называется неоднородной , если переходные вероятности меняются с изменением номера шага. Для описания таких цепей необходимо задать k матриц переходных вероятностей P ij (k – число рассматриваемых шагов). Главной задачей анализа Марковских процессов является определение вероятность всех состояний системы после любого количества шагов. При этом если известна матрица переходных вероятностей и вектор начального распределения, то вероятности состояний системы после каждого шага определяются по формуле полной вероятности:

P(A) = P(B i)*P(A/B i) (6.11)

После первого шага вероятность P i может быть определена следующим образом:

P i (1) = P j (0)P ji , (6.12)

где P j (0) – вектор начальных состояний,

P ji – строка матрицы условных вероятностей.

P i (2) = P j (1)P ji = P j (0)P ji (1) (6.13)

После k шагов:

P i (k) = P j (k-1)P ji = P j (0)P ji (k), (6.14)

где P ji (k) – вероятности переходов системы из состояния S i в S j за k шагов.

Если возможен переход из состояния S i в состояние S j за k шагов, то величина P ji (k)>0 . Если при этом возможен обратный переход за то же число шагов, то состояние S i называется возвратным . Вероятность того, что система выйдет из состояния S i и за k шагов вернется в него же, равна 1 для возвратных состояний.

Состояние S i - невозвратное , если эта вероятность отлична от 1.

Состояния S i и S j называются сообщающимися , если возможен переход S i ®S j за конечное число шагов.

Федеральное агентство по образованию РФ

ФГОУ СПО «Перевозский строительный колледж»

Курсовая работа

по дисциплине «Математические методы»

на тему «СМО с ограниченным временем ожидания. Замкнутые СМО»

Введение.......................................................................................................... 2

1. Основы теории массового обслуживания.................................................. 3

1.1 Понятие случайного процесса.................................................................. 3

1.2 Марковский случайный процесс.............................................................. 4

1.3 Потоки событий......................................................................................... 6

1.4 Уравнения Колмогорова для вероятностей состояний. Финальные вероятности состояний......................................................................................................... 9

1.5 Задачи теории массового обслуживания............................................... 13

1.6 Классификация систем массового обслуживания.................................. 15

2. Системы массового обслуживания с ожиданием..................................... 16

2.1 Одноканальная СМО с ожиданием........................................................ 16

2.2 Многоканальная СМО с ожиданием...................................................... 25

3. Замкнутые СМО........................................................................................ 37

Решение задачи............................................................................................. 45

Заключение.................................................................................................... 50

Список литературы....................................................................................... 51

В данном курсе мы будем рассматривать различные системы массового обслуживания (СМО) и сети массового обслуживания (СеМО).

Под системой массового обслуживания (СМО) понимают динамическую систему, предназначенную для эффективного обслуживания потока заявок (требований на обслуживание) при ограничениях на ресурсы системы.

Модели СМО удобны для описания отдельных подсистем современных вычислительных систем, таких как подсистема процессор - основная память, канал ввода-вывода и т. д. Вычислительная система в целом представляет собой совокупность взаимосвязанных подсистем, взаимодействие которых носит вероятностный характер. Заявка на решение некоторой задачи, поступающая в вычислительную систему, проходит последовательность этапов счета, обращения к внешним запоминающим устройствам и устройствам ввода-вывода. После выполнения некоторой последовательности таких этапов, число и продолжительность которых зависит от трудоемкости программы, заявка считается обслуженной и покидает вычислительную систему. Таким образом, вычислительную систему в целом можно представлять совокупностью СМО, каждая из которых отображает процесс функционирования отдельного устройства или группы однотипных устройств, входящих в состав системы.

Совокупность взаимосвязанных СМО называется сетью массового обслуживания (стохастической сетью).

Для начала мы рассмотрим основы теории СМО, затем перейдем к ознакомлению в подробном содержании к СМО с ожиданием и замкнутым СМО. Также в курс включена практическая часть, в которой мы подробно познакомимся с тем, как применить теорию на практике.

Теория массового обслуживания составляет один из разделов теории вероятностей. В этой теории рассматриваются вероятностные задачи и математические модели (до этого нами рассматривались детерминированные математические модели). Напомним, что:

Детерминированная математическая модель отражает поведение объекта (системы, процесса) с позиций полной определенности в настоящем и будущем.

Вероятностная математическая модель учитывает влияние случайных факторов на поведение объекта (системы, процесса) и, следовательно, оценивает будущее с позиций вероятности тех или иных событий.

Т.е. здесь как, например, в теории игр задачи рассматриваются в условиях неопределенности .

Рассмотрим сначала некоторые понятия, которые характеризуют «стохастическую неопределенность», когда неопределенные факторы, входящие в задачу, представляют собой случайные величины (или случайные функции), вероятностные характеристики которых либо известны, либо могут быть получены из опыта. Такую неопределенность называют еще «благоприятной», «доброкачественной».

Строго говоря, случайные возмущения присущи любому процессу. Проще привести примеры случайного, чем «неслучайного» процесса. Даже, например, процесс хода часов (вроде бы это строгая выверенная работа – «работает как часы») подвержен случайным изменениям (уход вперед, отставание, остановка). Но до тех пор, пока эти возмущения несущественны, мало влияют на интересующие нас параметры, мы можем ими пренебречь и рассматривать процесс как детерминированный, неслучайный.

Пусть имеется некоторая система S (техническое устройство, группа таких устройств, технологическая система – станок, участок, цех, предприятие, отрасль промышленности и т.д.). В системе S протекает случайный процесс , если она с течением времени меняет свое состояние (переходит из одного состояния в другое), причем, заранее неизвестным случайным образом.

Примеры:

1. Система S – технологическая система (участок станков). Станки время от времени выходят из строя и ремонтируются. Процесс, протекающий в этой системе, случаен.

2. Система S – самолет, совершающий рейс на заданной высоте по определенному маршруту. Возмущающие факторы – метеоусловия, ошибки экипажа и т.д., последствия – «болтанка», нарушение графика полетов и т.д.

Случайный процесс, протекающий в системе, называется Марковским , если для любого момента времени t 0 вероятностные характеристики процесса в будущем зависят только от его состояния в данный момент t 0 и не зависят от того, когда и как система пришла в это состояние.

Пусть в настоящий момент t 0 система находится в определенном состоянии S 0 . Мы знаем характеристики состояния системы в настоящем и все, что было при t <t 0 (предысторию процесса). Можем ли мы предугадать (предсказать) будущее, т.е. что будет при t >t 0 ? В точности – нет, но какие-то вероятностные характеристики процесса в будущем найти можно. Например, вероятность того, что через некоторое время система S окажется в состоянии S 1 или останется в состоянии S 0 и т.д.

Пример . Система S – группа самолетов, участвующих в воздушном бою. Пусть x – количество «красных» самолетов, y – количество «синих» самолетов. К моменту времени t 0 количество сохранившихся (не сбитых) самолетов соответственно – x 0 , y 0 . Нас интересует вероятность того, что в момент времени численный перевес будет на стороне «красных». Эта вероятность зависит от того, в каком состоянии находилась система в момент времени t 0 , а не от того, когда и в какой последовательности погибали сбитые до момента t 0 самолеты.

На практике Марковские процессы в чистом виде обычно не встречаются. Но имеются процессы, для которых влиянием «предыстории» можно пренебречь. И при изучении таких процессов можно применять Марковские модели (в теории массового обслуживания рассматриваются и не Марковские системы массового обслуживания, но математический аппарат, их описывающий, гораздо сложнее).

В исследовании операций большое значение имеют Марковские случайные процессы с дискретными состояниями и непрерывным временем.

Процесс называется процессом с дискретным состоянием , если его возможные состояния S 1 , S 2 , … можно заранее определить, и переход системы из состояния в состояние происходит «скачком», практически мгновенно.

Процесс называется процессом с непрерывным временем , если моменты возможных переходов из состояния в состояние не фиксированы заранее, а неопределенны, случайны и могут произойти в любой момент.

Пример . Технологическая система (участок) S состоит из двух станков, каждый из которых в случайный момент времени может выйти из строя (отказать), после чего мгновенно начинается ремонт узла, тоже продолжающийся заранее неизвестное, случайное время. Возможны следующие состояния системы:

S 0 - оба станка исправны;

S 1 - первый станок ремонтируется, второй исправен;

S 2 - второй станок ремонтируется, первый исправен;

S 3 - оба станка ремонтируются.

Переходы системы S из состояния в состояние происходят практически мгновенно, в случайные моменты выхода из строя того или иного станка или окончания ремонта.

При анализе случайных процессов с дискретными состояниями удобно пользоваться геометрической схемой – графом состояний . Вершины графа – состояния системы. Дуги графа – возможные переходы из состояния в состояние. Для нашего примера граф состояний приведен на рис. 1.

Рис. 1. Граф состояний системы

Примечание. Переход из состояния S 0 в S 3 на рисунке не обозначен, т.к. предполагается, что станки выходят из строя независимо друг от друга. Вероятностью одновременного выхода из строя обоих станков мы пренебрегаем.

Поток событий – последовательность однородных событий, следующих одно за другим в какие-то случайные моменты времени.

В предыдущем примере – это поток отказов и поток восстановлений. Другие примеры: поток вызовов на телефонной станции, поток покупателей в магазине и т.д.

Поток событий можно наглядно изобразить рядом точек на оси времени O t – рис. 2.

Рис. 2. Изображение потока событий на оси времени

Положение каждой точки случайно, и здесь изображена лишь какая-то одна реализация потока.

Интенсивность потока событий ( ) – это среднее число событий, приходящееся на единицу времени.

Рассмотрим некоторые свойства (виды) потоков событий.

Поток событий называется стационарным , если его вероятностные характеристики не зависят от времени.

В частности, интенсивность стационарного потока постоянна. Поток событий неизбежно имеет сгущения или разрежения, но они не носят закономерного характера, и среднее число событий, приходящееся на единицу времени, постоянно и от времени не зависит.

Поток событий называется потоком без последствий , если для любых двух непересекающихся участков времени и (см. рис. 2) число событий, попадающих на один из них, не зависит от того, сколько событий попало на другой. Другими словами, это означает, что события, образующие поток, появляются в те или иные моменты времени независимо друг от друга и вызваны каждое своими собственными причинами.

Поток событий называется ординарным , если события в нем появляются поодиночке, а не группами по нескольку сразу.

Поток событий называется простейшим (или стационарным пуассоновским), если он обладает сразу тремя свойствами:

1) стационарен;

2) ординарен;

3) не имеет последствий.

Простейший поток имеет наиболее простое математическое описание. Он играет среди потоков такую же особую роль, как и закон нормального распределения среди других законов распределения. А именно, при наложении достаточно большого числа независимых, стационарных и ординарных потоков (сравнимых между собой по интенсивности) получается поток, близкий к простейшему.

Для простейшего потока с интенсивностью интервал T между соседними событиями имеет так называемое показательное (экспоненциальное) распределение с плотностью:

где - параметр показательного закона.

Для случайной величины T , имеющей показательное распределение, математическое ожидание есть величина, обратная параметру, а среднее квадратичное отклонение равно математическому ожиданию:

Рассматривая Марковские процессы с дискретными состояниями и непрерывным временем, подразумевается, что все переходы системы S из состояния в состояние происходят под действием простейших потоков событий (потоков вызовов, потоков отказов, потоков восстановлений и т.д.). Если все потоки событий, переводящие систему S из состояния в состояние простейшие, то процесс, протекающий в системе, будет Марковским.

Итак, на систему, находящуюся в состоянии , действует простейший поток событий. Как только появится первое событие этого потока, происходит «перескок» системы из состояния в состояние (на графе состояний по стрелке ).

Для наглядности на графе состояний системы у каждой дуги проставляют интенсивности того потока событий, который переводит систему по данной дуге (стрелке). - интенсивность потока событий, переводящий систему из состояния в . Такой граф называется размеченным . Для нашего примера размеченный граф приведен на рис. 3.

Рис. 3. Размеченный граф состояний системы

На этом рисунке - интенсивности потока отказов; - интенсивности потока восстановлений.

Предполагаем, что среднее время ремонта станка не зависит от того, ремонтируется ли один станок или оба сразу. Т.е. ремонтом каждого станка занят отдельный специалист.

Пусть система находится в состоянии S 0 . В состояние S 1 ее переводит поток отказов первого станка. Его интенсивность равна:

где - среднее время безотказной работы первого станка.

Из состояния S 1 в S 0 систему переводит поток «окончаний ремонтов» первого станка. Его интенсивность равна:

где - среднее время ремонта первого станка.

Аналогично вычисляются интенсивности потоков событий, переводящих систему по всем дугам графа. Имея в своем распоряжении размеченный граф состояний системы, строится математическая модель данного процесса.

Пусть рассматриваемая система S имеет -возможных состояний . Вероятность -го состояния - это вероятность того, что в момент времени , система будет находиться в состоянии . Очевидно, что для любого момента времени сумма всех вероятностей состояний равна единице:

Для нахождения всех вероятностей состояний как функций времени составляются и решаются уравнения Колмогорова – особого вида уравнения, в которых неизвестными функциями являются вероятности состояний. Правило составления этих уравнений приведем здесь без доказательств. Но прежде, чем его приводить, объясним понятие финальной вероятности состояния .

Что будет происходить с вероятностями состояний при ? Будут ли стремиться к каким-либо пределам? Если эти пределы существуют и не зависят от начального состояния системы, то они называются финальными вероятностями состояний .

где - конечное число состояний системы.

Финальные вероятности состояний – это уже не переменные величины (функции времени), а постоянные числа. Очевидно, что:

Финальная вероятность состояния – это по–существу среднее относительное время пребывания системы в этом состоянии.

Например, система S имеет три состояния S 1 , S 2 и S 3 . Их финальные вероятности равны соответственно 0,2; 0,3 и 0,5. Это значит, что система в предельном стационарном состоянии в среднем 2/10 времени проводит в состоянии S 1 , 3/10 – в состоянии S 2 и 5/10 – в состоянии S 3 .

Правило составления системы уравнений Колмогорова : в каждом уравнении системы в левой его части стоит финальная вероятность данного состояния , умноженная на суммарную интенсивность всех потоков, ведущих из данного состояния , а в правой его части – сумма произведений интенсивностей всех потоков, входящих в -е состояние , на вероятности тех состояний, из которых эти потоки исходят.

Пользуясь этим правилом, напишем систему уравнений для нашего примера :

.

Эту систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными , казалось бы, можно вполне решить. Но эти уравнения однородны (не имеют свободного члена), и, значит, определяют неизвестные только с точностью до произвольного множителя. Однако можно воспользоваться нормировочным условием: и с его помощью решить систему. При этом одно (любое) из уравнений можно отбросить (оно вытекает как следствие из остальных).

Продолжение примера . Пусть значения интенсивностей потоков равны: .

Четвертое уравнение отбрасываем, добавляя вместо него нормировочное условие:

.

Т.е. в предельном, стационарном режиме система S в среднем 40% времени будет проводить в состоянии S 0 (оба станка исправны), 20% - в состоянии S 1 (первый станок ремонтируется, второй работает), 27% - в состоянии S 2 (второй станок ремонтируется, первый работает), 13% - в состоянии S 3 (оба станка ремонтируются). Знание этих финальных вероятностей может помочь оценить среднюю эффективность работы системы и загрузку ремонтных органов.

Пусть система S в состоянии S 0 (полностью исправна) приносит в единицу времени доход 8 условных единиц, в состоянии S 1 – доход 3 условные единицы, в состоянии S 2 – доход 5 условных единиц, в состоянии S 3 – не приносит дохода. Тогда в предельном, стационарном режиме средний доход в единицу времени будет равен: условных единиц.

Станок 1 ремонтируется долю времени, равную: . Станок 2 ремонтируется долю времени, равную: . Возникает задача оптимизации . Пусть мы можем уменьшить среднее время ремонта первого или второго станка (или обоих), но это нам обойдется в определенную сумму. Спрашивается, окупит ли увеличение дохода, связанное с ускорением ремонта, повышенные расходы на ремонт? Нужно будет решить систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными.

Примеры систем массового обслуживания (СМО): телефонные станции, ремонтные мастерские, билетные кассы, справочные бюро, станочные и другие технологические системы, системы управления гибких производственных систем и т.д.

Каждая СМО состоит из какого–то количества обслуживающих единиц, которые называются каналами обслуживания (это станки, транспортные тележки, роботы, линии связи, кассиры, продавцы и т.д.). Всякая СМО предназначена для обслуживания какого–то потока заявок (требований), поступающих в какие-то случайные моменты времени.

Обслуживание заявки продолжается какое–то, вообще говоря, случайное время, после чего канал освобождается и готов к приему следующей заявки. Случайный характер потока заявок и времени обслуживания приводит к тому, что в какие–то периоды времени на входе СМО скапливается излишне большое количество заявок (они либо становятся в очередь, либо покидают СМО не обслуженными). В другие же периоды СМО будет работать с недогрузкой или вообще простаивать.

Процесс работы СМО – случайный процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем. Состояние СМО меняется скачком в моменты появления каких-то событий (прихода новой заявки, окончания обслуживания, момента, когда заявка, которой надоело ждать, покидает очередь).

Предмет теории массового обслуживания – построение математических моделей, связывающих заданные условия работы СМО (число каналов, их производительность, правила работы, характер потока заявок) с интересующими нас характеристиками – показателями эффективности СМО. Эти показатели описывают способность СМО справляться с потоком заявок. Ими могут быть: среднее число заявок, обслуживаемых СМО в единицу времени; среднее число занятых каналов; среднее число заявок в очереди; среднее время ожидания обслуживания и т.д.

Математический анализ работы СМО очень облегчается, если процесс этой работы Марковский, т.е. потоки событий, переводящие систему из состояния в состояние – простейшие. Иначе математическое описание процесса очень усложняется и его редко удается довести до конкретных аналитических зависимостей. На практике не Марковские процессы с приближением приводятся к Марковским. Приведенный далее математический аппарат описывает Марковские процессы.

Первое деление (по наличию очередей):

1. СМО с отказами;

2. СМО с очередью.

В СМО с отказами заявка, поступившая в момент, когда все каналы заняты, получает отказ, покидает СМО и в дальнейшем не обслуживается.

В СМО с очередью заявка, пришедшая в момент, когда все каналы заняты, не уходит, а становится в очередь и ожидает возможности быть обслуженной.

СМО с очередями подразделяются на разные виды в зависимости от того, как организована очередь – ограничена или не ограничена . Ограничения могут касаться как длины очереди, так и времени ожидания, «дисциплины обслуживания».

Итак, например, рассматриваются следующие СМО:

· СМО с нетерпеливыми заявками (длина очереди и время обслуживания ограничено);

· СМО с обслуживанием с приоритетом, т.е. некоторые заявки обслуживаются вне очереди и т.д.

Кроме этого СМО делятся на открытые СМО и замкнутые СМО.

В открытой СМО характеристики потока заявок не зависят от того, в каком состоянии сама СМО (сколько каналов занято). В замкнутой СМО – зависят. Например, если один рабочий обслуживает группу станков, время от времени требующих наладки, то интенсивность потока «требований» со стороны станков зависит от того, сколько их уже исправно и ждет наладки.

Классификация СМО далеко не ограничивается приведенными разновидностями, но этого достаточно.

Рассмотрим простейшую СМО с ожиданием - одноканальную систему (n - 1), в которую поступает поток заявок с интенсивностью ; интенсивность обслуживания (т.е. в среднем непрерывно занятый канал будет выдавать обслуженных заявок в единицу (времени). Заявка, поступившая в момент, когда канал занят, становится в очередь и ожидает обслуживания.

Система с ограниченной длиной очереди. Предположим сначала, что количество мест в очереди ограничено числом m, т.е. если заявка пришла в момент, когда в очереди уже стоят m-заявок, она покидает систему не обслуженной. В дальнейшем, устремив m к бесконечности, мы получим характеристики одноканальной СМО без ограничений длины очереди.

Будем нумеровать состояния СМО по числу заявок, находящихся в системе (как обслуживаемых, так и ожидающих обслуживания):

Канал свободен;

Канал занят, очереди нет;

Канал занят, одна заявка стоит в очереди;

Канал занят, k-1 заявок стоят в очереди;

Канал занят, т-заявок стоят в очереди.

ГСП показан на рис. 4. Все интенсивности потоков событий, переводящих в систему по стрелкам слева направо, равны , а справа налево - . Действительно, по стрелкам слева направо систему переводит поток заявок (как только придет заявка, система переходит в следующее состояние), справа же налево - поток «освобождений» занятого канала, имеющий интенсивность (как только будет обслужена очередная заявка, канал либо освободится, либо уменьшится число заявок в очереди).

Рис. 4. Одноканальная СМО с ожиданием

Изображенная на рис. 4 схема представляет собой схему размножения и гибели. Напишем выражения для предельных вероятностей состояний:

(5)

или с использованием: :

(6)

Последняя строка в (6) содержит геометрическую прогрессию с первым членом 1 и знаменателем р, откуда получаем:

(7)

в связи с чем предельные вероятности принимают вид:

(8).

Выражение (7) справедливо только при < 1 (при = 1 она дает неопределенность вида 0/0). Сумма геометрической прогрессии со знаменателем = 1 равна m+2, и в этом случае:

Определим характеристики СМО: вероятность отказа , относительную пропускную способность q, абсолютную пропускную способность А, среднюю длину очереди , среднее число заявок, связанных с системой , среднее время ожидания в очереди , среднее время пребывания заявки в СМО .

Вероятность отказа. Очевидно, заявка получает отказ только в случае, когда канал занят и все т-мест в очереди тоже:

(9).

Относительная пропускная способность:

(10).

Средняя длина очереди. Найдем среднее число -заявок, находящихся в очереди, как математическое ожидание дискретной случайной величины R-числа заявок, находящихся в очереди:

С вероятностьюв очереди стоит одна заявка, с вероятностью- две заявки, вообще с вероятностьюв очереди стоят k-1 заявок, и т.д., откуда:

(11).

Поскольку , сумму в (11) можно трактовать как производную по от суммы геометрической прогрессии:

Подставляя данное выражение в (11) и используя из (8), окончательно получаем:

(12).

Среднее число заявок, находящихся в системе. Получим далее формулу для среднего числа -заявок, связанных с системой (как стоящих в очереди, так и находящихся на обслуживании). Поскольку , где - среднее число заявок, находящихся под обслуживанием, а k известно, то остается определить . Поскольку канал один, число обслуживаемых заявок может равняться 0 (с вероятностью ) или 1 (с вероятностью 1 - ), откуда:

.

и среднее число заявок, связанных с СМО, равно:

(13).

Среднее время ожидания заявки в очереди. Обозначим его ; если заявка приходит в систему в какой-то момент времени, то с вероятностью канал обслуживания не будет занят, и ей не придется стоять в очереди (время ожидания равно нулю). С вероятностью она придет в систему во время обслуживания какой-то заявки, но перед ней не будет очереди, и заявка будет ждать начала своего обслуживания в течение времени (среднее время обслуживания одной заявки). С вероятностью в очереди перед рассматриваемой заявкой будет стоять еще одна, и время ожидания в среднем будет равно , и т.д.

Если же k=m+1, т.е. когда вновь приходящая заявка застает канал обслуживания занятым и m-заявок в очереди (вероятность этого ), то в этом случае заявка не становится в очередь (и не обслуживается), поэтому время ожидания равно нулю. Среднее время ожидания будет равно:

если подставить сюда выражения для вероятностей (8), получим:

(14).

Здесь использованы соотношения (11), (12) (производная геометрической прогрессии), а также из (8). Сравнивая это выражение с (12), замечаем, что иначе говоря, среднее время ожидания равно среднему числу заявок в очереди, деленному на интенсивность потока заявок.

(15).

Среднее время пребывания заявки в системе. Обозначим - матожидание случайной величины - время пребывания заявки в СМО, которое складывается из среднего времени ожидания в очереди и среднего времени обслуживания . Если загрузка системы составляет 100%, очевидно, , в противном же случае:

.

Пример 1. Автозаправочная станция (АЗС) представляет собой СМО с одним каналом обслуживания (одной колонкой).

Площадка при станции допускает пребывание в очереди на заправку не более трех машин одновременно (m = 3). Если в очереди уже находятся три машины, очередная машина, прибывшая к станции, в очередь не становится. Поток машин, прибывающих для заправки, имеет интенсивность =1 (машина в минуту). Процесс заправки продолжается в среднем 1,25 мин.

Определить:

вероятность отказа;

относительную и абсолютную пропускную способности АЗС;

среднее число машин, ожидающих заправки;

среднее число машин, находящихся на АЗС (включая обслуживаемую);

среднее время ожидания машины в очереди;

среднее время пребывания машины на АЗС (включая обслуживание).

Иначе говоря, среднее время ожидания равно среднему числу заявок в очереди, деленному на интенсивность потока заявок.

Находим вначале приведенную интенсивность потока заявок: =1/1,25=0,8; =1/0,8=1,25.

По формулам (8):

Вероятность отказа 0,297.

Относительная пропускная способность СМО: q=1-=0,703.

Абсолютная пропускная способность СМО: A==0,703 машины в мин.

Среднее число машин в очереди находим по формуле (12):

т.е. среднее число машин, ожидающих в очереди на заправку, равно 1,56.

Прибавляя к этой величине среднее число машин, находящихся под обслуживанием:

получаем среднее число машин, связанных с АЗС.

Среднее время ожидания машины в очереди по формуле (15):

Прибавляя к этой величине , получим среднее время, которое машина проводит на АЗС:

Системы с неограниченным ожиданием. В таких системах значение т не ограничено и, следовательно, основные характеристики могут быть получены путем предельного перехода в ранее полученных выражениях (5), (6) и т.п.

Заметим, что при этом знаменатель в последней формуле (6) представляет собой сумму бесконечного числа членов геометрической прогрессии. Эта сумма сходится, когда прогрессия бесконечно убывающая, т.е. при <1.

Может быть доказано, что <1 есть условие, при котором в СМО с ожиданием существует предельный установившийся режим, иначе такого режима не существует, и очередь при будет неограниченно возрастать. Поэтому в дальнейшем здесь предполагается, что <1.

Если, то соотношения (8) принимают вид:

(16).

При отсутствии ограничений по длине очереди каждая заявка, пришедшая в систему, будет обслужена, поэтому q=1, .

Среднее число заявок в очереди получим из (12) при :

Среднее число заявок в системе по формуле (13) при :

.

Среднее время ожиданияполучим из формулы (14) при:

.

Наконец, среднее время пребывания заявки в СМО есть:

Система с ограниченной длиной очереди. Рассмотрим канальную СМО с ожиданием, на которую поступает поток заявок с интенсивностью ; интенсивность обслуживания (для одного канала) ; число мест в очереди .

Состояния системы нумеруются по числу заявок, связанных системой:

нет очереди:

Все каналы свободны;

Занят один канал, остальные свободны;

Заняты -каналов, остальные нет;

Заняты все -каналов, свободных нет;

есть очередь:

Заняты все n-каналов; одна заявка стоит в очереди;

Заняты все n-каналов, r-заявок в очереди;

Заняты все n-каналов, r-заявок в очереди.

ГСП приведен на рис. 17. У каждой стрелки проставлены соответствующие интенсивности потоков событий. По стрелкам слева направо систему переводит всегда один и тот же поток заявок с интенсивностью , по стрелкам справа налево систему переводит поток обслуживании, интенсивность которого равна , умноженному на число занятых каналов.

Рис. 17. Многоканальная СМО с ожиданием

Граф типичен для процессов размножения и гибели, для которой решение ранее получено. Напишем выражения для предельных вероятностей состояний, используя обозначение : (здесь используется выражение для суммы геометрической прогрессии со знаменателем ).

Таким образом, все вероятности состояний найдены.

Определим характеристики эффективности системы.

Вероятность отказа. Поступившая заявка получает отказ, если заняты все n-каналов и все m-мест в очереди:

(18)

Относительная пропускная способность дополняет вероятность отказа до единицы:

Абсолютная пропускная способность СМО:

(19)

Среднее число занятых каналов. Для СМО с отказами оно совпадало со средним числом заявок, находящихся в системе. Для СМО с очередью среднее число занятых каналов не совпадает со средним числом заявок, находящихся в системе: последняя величина отличается от первой на среднее число заявок, находящихся в очереди.

Обозначим среднее число занятых каналов . Каждый занятый канал обслуживает в среднем -заявок в единицу времени, а СМО в целом обслуживает в среднем А-заявок в единицу времени. Разделив одно на другое, получим:

Среднее число заявок в очереди можно вычислить непосредственно как математическое ожидание дискретной случайной величины:

(20)

Здесь опять (выражение в скобках) встречается производная суммы геометрической прогрессии (см. выше (11), (12) - (14)), используя соотношение для нее, получаем:

Среднее число заявок в системе:

Среднее время ожидания заявки в очереди. Рассмотрим ряд ситуаций, различающихся тем, в каком состоянии застанет систему вновь пришедшая заявка и сколько времени ей придется ждать обслуживания.

Если заявка застанет не все каналы занятыми, ей вообще не придется ждать (соответствующие члены в математическом ожидании равны нулю). Если заявка придет в момент, когда заняты все n-каналов, а очереди нет, ей придется ждать в среднем время, равное (потому что «поток освобождений» -каналов имеет интенсивность ). Если заявка застанет все каналы занятыми и одну заявку перед собой в очереди, ей придется в среднем ждать в течение времени (по на каждую впереди стоящую заявку) и т. д. Если заявка застанет в очереди -заявок, ей придется ждать в среднем в течение времени . Если вновь пришедшая заявка застанет в очереди уже m-заявок, то она вообще не будет ждать (но и не будет обслужена). Среднее время ожидания найдем, умножая каждое из этих значений на соответствующие вероятности:

(21)

Так же, как и в случае одноканальной СМО с ожиданием, отметим, что это выражение отличается от выражения для средней длины очереди (20) только множителем , т. е.

.

Среднее время пребывания заявки в системе, так же, как и для одноканальной СМО, отличается от среднего времени ожидания на среднее время обслуживания, умноженное на относительную пропускную способность:

.

Системы с неограниченной длиной очереди. Мы рассмотрели канальную СМО с ожиданием, когда в очереди одновременно могут находиться не более m-заявок.

Так же, как и ранее, при анализе систем без ограничений необходимо рассмотреть полученные соотношения при .

Вероятности состояний получим из формул предельным переходом (при ). Заметим, что сумма соответствующей геометрической прогрессии сходится при и расходится при >1. Допустив, что <1 и устремив в формулах величину m к бесконечности, получим выражения для предельных вероятностей состояний:

(22)

Вероятность отказа, относительная и абсолютная пропускная способность. Так как каждая заявка рано или поздно будет обслужена, то характеристики пропускной способности СМО составят:

Среднее число заявок в очереди получим при из (20):

,

а среднее время ожидания - из (21):

.

Среднее число занятых каналов , как и ранее, определяется через абсолютную пропускную способность:

.

Среднее число заявок, связанных с СМО, определяется как среднее число заявок в очереди плюс среднее число заявок, находящихся под обслуживанием (среднее число занятых каналов):

Пример 2. Автозаправочная станция с двумя колонками (n = 2) обслуживает поток машин с интенсивностью =0,8 (машин в минуту). Среднее время обслуживания одной машины:

В данном районе нет другой АЗС, так что очередь машин перед АЗС может расти практически неограниченно. Найти характеристики СМО.

Поскольку<1, очередь не растет безгранично и имеет смысл говорить о предельном стационарном режиме работы СМО. По формулам (22) находим вероятности состояний:

и т. д.

Среднее число занятых каналов найдем, разделив абсолютную пропускную способность СМО А==0,8 на интенсивность обслуживания =0,5:

Вероятность отсутствия очереди у АЗС будет:

Среднее число машин в очереди:

Среднее число машин на АЗС:

Среднее время ожидания в очереди:

Среднее время пребывания машины на АЗС:

СМО с ограниченным временем ожидания. Ранее рассматривались системы с ожиданием, ограниченным только длиной очереди (числом m-заявок, одновременно находящихся в очереди). В такой СМО заявка, разраставшая в очередь, не покидает ее, пока не дождется обслуживания. На практике встречаются СМО другого типа, в которых заявка, подождав некоторое время, может уйти из очереди (так называемые «нетерпеливые» заявки).

Рассмотрим СМО подобного типа, предполагая, что ограничение времени ожидания является случайной величиной.

Предположим, что имеется n-канальная СМО с ожиданием, в которой число мест в очереди не ограничено, но время пребывания заявки в очереди является некоторой случайной величиной со средним значением, таким образом, на каждую заявку, стоящую в очереди, действует своего рода пуассоновский «поток уходов» с интенсивностью:

Если этот поток пуассоновский, то процесс, протекающий в СМО, будет марковским. Найдем для него вероятности состояний. Нумерация состояний системы связывается с числом заявок в системе - как обслуживаемых, так и стоящих в очереди:

нет очереди:

Все каналы свободны;

Занят один канал;

Заняты два канала;

Заняты все n-каналов;

есть очередь:

Заняты все n-каналов, одна заявка стоит в очереди;

Заняты все n-каналов, r-заявок стоят в очереди и т. д.

Граф состояний и переходов системы показан на рис. 23.

Рис. 23. СМО с ограниченным временем ожидания

Разметим этот граф, как и раньше; у всех стрелок, ведущих слева направо, будет стоять интенсивность потока заявок . Для состояний без очереди у стрелок, ведущих из них справа налево, будет, как и раньше, стоять суммарная интенсивность потока обслуживании всех занятых каналов. Что касается состояний с очередью, то у стрелок, ведущих из них справа налево, будет стоять суммарная интенсивность потока обслуживания всех n-каналов плюс соответствующая интенсивность потока уходов из очереди. Если в очереди стоят r-заявок, то суммарная интенсивность потока уходов будет равна .

Как видно из графа, имеет место схема размножения и гибели; применяя общие выражения для предельных вероятностей состояний в этой схеме (используя сокращенные обозначения , запишем:

(24)

Отметим некоторые особенности СМО с ограниченным ожиданием сравнительно с ранее рассмотренными СМО с «терпеливыми» заявками.

Если длина очереди не ограничена и заявки «терпеливы» (не уходят из очереди), то стационарный предельный режим существует только в случае (при соответствующая бесконечная геометрическая прогрессия расходится, что физически соответствует неограниченному росту очереди при ).

Напротив, в СМО с «нетерпеливыми» заявками, уходящими рано или поздно из очереди, установившийся режим обслуживания при достигается всегда, независимо от приведенной интенсивности потока заявок . Это следует из того, что ряд для в знаменателе формулы (24) сходится при любых положительных значениях и .

Для СМО с «нетерпеливыми» заявками понятие «вероятность отказа» не имеет смысла - каждая заявка становится в очередь, но может и не дождаться обслуживания, уйдя раньше времени.

Относительная пропускная способность, среднее число заявок в очереди. Относительную пропускную способность q такой СМО можно подсчитать следующим образом. Очевидно, обслужены будут все заявки, кроме тех, которые уйдут из очереди досрочно. Подсчитаем, какое в среднем число заявок покидает очередь досрочно. Для этого вычислим среднее число заявок в очереди:

На каждую из этих заявок действует «поток уходов» с интенсивностью . Значит, из среднего числа -заявок в очереди в среднем будет уходить, не дождавшись обслуживания, -заявок в единицу времени и всего в единицу времени в среднем будет обслуживаться -заявок. Относительная пропускная способность СМО будет составлять:

Среднее число занятых каналов по-прежнему получаем, деля абсолютную пропускную способность А на :

(26)

Среднее число заявок в очереди. Соотношение (26) позволяет вычислить среднее число заявок в очереди , не суммируя бесконечного ряда (25). Из (26) получаем:

а входящее в эту формулу среднее число занятых каналов можно найти как математическое ожидание случайной величины Z, принимающей значения 0, 1, 2,..., n с вероятностями ,:

В заключение заметим, что если в формулах (24) перейти к пределу при (или, что то же, при ), то при получатся формулы (22), т. е. «нетерпеливые» заявки станут «терпеливыми».

До сих пор мы рассматривали системы, в которых входящий поток никак не связан с выходящим. Такие системы называются разомкнутыми. В некоторых же случаях обслуженные требования после задержки опять поступают на вход. Такие СМО называются замкнутыми. Поликлиника, обслуживающая данную территорию, бригада рабочих, закрепленная за группой станков, являются примерами замкнутых систем.

В замкнутой СМО циркулирует одно и то же конечное число потенциальных требований. Пока потенциальное требование не реализовалось в качестве требования на обслуживание, считается, что оно находится в блоке задержки. В момент реализации оно поступает в саму систему. Например, рабочие обслуживают группу станков. Каждый станок является потенциальным требованием, превращаясь в реальное в момент своей поломки. Пока станок работает, он находится в блоке задержки, а с момента поломки до момента окончания ремонта - в самой системе. Каждый рабочий является каналом обслуживания.

Пусть n - число каналов обслуживания, s - число потенциальных заявок, n <s , - интенсивность потока заявок каждого потенциального требования, μ - интенсивность обслуживания:

Вероятность простоя системы определяется формулой

Р 0 = .

Финальные вероятности состояний системы:

P k = при k = при .