- •Оглавление
- •1. Модели и системы 9
- •2. Технология моделирования 20
- •3. Непрерывные детерминированные модели 36
- •4. Модели массового обслуживания 66
- •5. Дискретные модели 98
- •Предисловие
- •Модели и системы
- •Физические и математические модели
- •Моделирование: системный подход
- •Общая модель функционирования
- •Технология моделирования Построение моделей
- •Содержательное описание системы
- •Концептуальное моделирование
- •Построение математических моделей
- •Истинность моделей
- •Непрерывные детерминированные модели Непрерывные модели динамических систем
- •Задачи анализа непрерывных систем
- •Основные определения
- •Построение фазовых портретов
- •Устойчивость точек равновесия
- •Линейные системы
- •Стационарное решение
- •Общее решение
- •Двумерные канонические системы
- •Простые канонические системы
- •Фазовые портреты простых канонических систем
- •Фазовый портрет простой линейной системы
- •Качественная эквивалентность
- •Непростые канонические системы
- •Нелинейные системы Глобальные и локальные фазовые портреты
- •Линеаризация нелинейных систем
- •Предельные циклы
- •Модели массового обслуживания Основные понятия. Терминология
- •Потоки событий
- •Пуассоновский поток событий
- •Распределение событий на малом интервале времени
- •Распределение событий в пуассоновском потоке
- •Распределение интервалов между событиями
- •Законы обслуживания
- •Марковские смо
- •Марковские цепи
- •Матрица перехода для пуассоновского потока заявок
- •Одноканальная смо с ожиданием
- •Многоканальная смо с ожиданием
- •Смо с отказами
- •Многоканальные смо с взаимопомощью
- •Замкнутые системы
- •Дискретные модели Конечные автоматы
- •Вероятностные автоматы
- •Сети Петри
- •Ординарные сети Петри
- •Библиографический список
Законы обслуживания
Чаще всего в математических моделях используется экспоненциальныйзакон обслуживания. Типичный пример - совокупность операций, выполняемых в почтовом отделении: продажа марок и конвертов, прием заказных писем, прием почтовых переводов. Большинство посетителей покупают марки и конверты; эти операции требуют минимального времени. Реже встречаются заказные письма, на оформление которых требуется больше времени, и совсем редко оформляются переводы, требующие еще больших временных затрат.
П
остроим
гистограмму времени обслуживания: на
оси абсцисс отложим отрезки времени
обслуживания
,
а на оси ординат - относительное количество
требований, время обслуживания которых
равно этому интервалу,
.
Получим плотность распределения, близкую
к экспоненциальной (рис.4.3).
Возьмем пример из
области военной техники. Допустим,
производится обстрел воздушной цели
потоком снарядов. Вероятность поражения
цели одним снарядом составляет p.
Если плотность исходного потока выстрелов
равна
,
то поток успешных выстрелов будет иметь
плотность
.
Таким образом, оба потока стационарны.
Отсутствие последствия определяется
независимостью попыток, а ординарность
- тем обстоятельством, что две попытки
одновременно не делаются.
Следовательно,
если исходный поток выстрелов
принять за простейший (пуассоновский),
то поток успешных выстрелов тоже будет
простейшим. Мы
уже говорили о том, что интервалы между
событиями в пуассоновском потоке
подчиняются показательному закону
распределения. Это
означает: вероятность того, что
обслуживание закончится (цель будет
поражена) до момента
,
равна
,
а плотность распределения времени
обслуживания (самолетов)
- показательный закон распределения.
Мы показали, что если
процесс обслуживания состоит в
последовательности независимых попыток,
каждая из которых приводит к необходимому
результату с вероятностью p,
то из общего пуассоновского потока
плотности
можно выделить поток успешных попыток
обслуживания, который также будет
простейшим потоком, но с плотностью
.
При этом время обслуживания будет
подчинятьсяпоказательному закону
распределения.
И вообще, если на вход обслуживающего устройства поступает пуассоновский поток заявок, а время обслуживания подчиняется экспоненциальному закону распределения, то выходной поток заявок также будет обладать свойствами пуассоновского.
Марковские смо
Системы массового обслуживания относятся к марковским системам, если они описываются с помощью дискретных марковских цепей [6]. Эти системы занимают в теории массового обслуживания такое же место, как линейные системы в теории автоматического управления.
Марковские цепи
Пусть система может
находиться в состояниях
,
где
.
Обозначим через
- вероятность нахождения системы в
конкретном состоянии
в момент времени
.
Введем в рассмотрение стохастический
вектор
,
где
;
;
.
Предположим, что
система может менять случайным образом
свое состояние в
дискретные моменты времени
,
интервалы между которыми называются
шагами. Последовательность принимаемых
системой состояний называется случайным
процессом (цепью).
Марковский процесс- это такой процесс, будущее состояние которого определяется только настоящим состоянием и не зависит от предыдущего состояния.
Каждой паре состояний
,
можно поставить в соответствие условную
вероятность
того, что система находится в состоянии
в момент
при условии, что в момент
она находится в состоянии
.Очевидно, для вероятности
справедливо:
.
Эти
уравнения являются частным случаем
уравнений Чемпмена - Колмогоpова. Они
означают, что система может оказаться
в состоянии
путем одного из
несовместных переходов. Причем вероятность
нахождения системы в состоянии
при условии, что ранее система находилась
в состоянии
,
определяется по формуле произведения
вероятностей событий.
Уравнения Чемпмена - Колмогоpова могут быть записаны в векторной форме:
,
где
- квадратная
матрица вероятностей переходов:
;
;
,
для всех
.
Матрица
называется стохастической матрицей
переходов. Каждая строка этой матрицы
- стохастический вектор. Маpковский
процесс целиком определяется матрицей
перехода
и начальными условиями
.
Если значения коэффициентов матрицы
постоянны, то имеем однородную цепь
Маpкова, для которой можно написать
![]()
Приведем некоторые свойства стохастических матриц.
Если
стохастическая матрица, то
то же стохастическая матрица.Если все строки матрицы
одинаковы, то
,
Если
имеет вид
,
где
- квадратные подматрицы, то система,
находящаяся в состоянии
соответствующем элементам
,
никогда не сможет оказаться в состоянии
соответствующем элементам
.
Матрица
называется в этом случаеpазложимой,
а состояния
и
- замкнутыми.Если матрица имеет вид
,
то все четные степени этой матрицы
дадут матрицу типа, рассмотренного в
предыдущем пункте, а все нечетные -
матрицу исходного типа. Такая система
будет периодически переходить из
состояний
в состояния
и наоборот и называетсяпериодической.

Маpковские процессы
удобно изображать в виде графа состояний
(рис.4.4), вершины которого соответствуют
состояниям, а дуги - переходам. Около
каждой вершины записываются соответствующее
состояние
,
а около дуги - вероятность перехода
.
Сумма вероятностей для дуг, выходящих
из любой вершины графа, должна равняться
единице.
