Основы математического моделирования

социально-экономических процессов

Лекция 3

Тема лекции: «Модели систем массового обслуживания»

1. Модели организационных структур управления (ОСУ).

2. Системы и модели массового обслуживания. Классификация систем массового обслуживания (СМО).

3.Модели СМО. Показатели качества функционирования СМО.

1. МОДЕЛИ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СТРУКТУР УПРАВЛЕНИЯ (ОСУ).

Многие экономические задачи связаны с системами мас-сового обслуживания (СМО), т. е. с такими системами, в кото-рых, с одной стороны, возникают массовые запросы (требо-вания) на выполнение каких-либо услуг, с другой — проис-ходит удовлетворение этих запросов.

СМО включает в себя следующие элементы: источник требований, входящий поток требований, очередь, обслуживающие устройства (каналы обслуживания), выходящий поток требований. Исследованием таких систем занимается теория массового обслуживания (ТМО).

Методами теории массового обслуживания (ТМО) могут быть решены многие задачи исследования процессов, происходящих в экономике. Так, в организации торговли эти методы позволяют определить оптимальное количество торговых то- чек данного профиля, численность продавцов, частоту завоза товаров и другие параметры. Другим характерным примером систем массового обслуживания могут служить склады или базы снабженческо-сбытовых организаций. И задача тео-рии массового обслуживания в данном случае сводится к тому, чтобы установить оптимальное соотношение между числом поступающих на базу требований на обслуживание и числом обслуживающих устройств, при котором суммар-ные расходы на обслуживание и убытки от простоя транс-порта были бы минимальными. Теория массового обслужи-вания может найти применение и при расчете площади складских помещений, при этом складская площадь рас-сматривается как обслуживающее устройство, а прибытие транспортных средств под выгрузку — как требование.

Модели теории массового обслуживания применяются также при решении ряда задач организации и нормирования труда, других социально-экономических проблем. Переход к рынку требует от всех субъектов хозяйствования повышенной надежности и эффективности функционирования производств, гибкости и живучести в ответ на динамичные изменения внешней деловой среды, снижения разновидностей рисков и потерь от запоздалых и некомпетентных управленческих решений.

СИСТЕМЫ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ (СМО) ЯВЛЯЮТСЯ МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СТРУКТУР УПРАВЛЕНИЯ (ОСУ).

ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ (ОСУ) призваны оперативно отслеживать колебания рынка и принимать в зависимости от складывающихся ситуаций компетентные управленческие решения.

Поэтому становится понятным то внимание, которое уделяют субъекты рынка (транснациональные корпорации, промышленные предприятия, коммерческие банки, фирмы, организации, малые предприятия и т.п.) выбору эффективно функционирующих организационных структур управления (ОСУ).

Взамен широко распространенных в 90-х годах двадцатого столетия ОСУ предприятий (иерархических, матричных, дуальных, параллельных и др.) сегодня в мире эффективно используются АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ФОРМЫ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУР, базирующихся на принципах самоорганизации, адаптации, автономности отдельных подразделений с мягкими связями между ними .

Подобной структурой обладает множество передовых зарубежных фирм, в составе которых насчитывается множество рабочих групп с сетевыми взаимоотношениями между ними. Популярными в последнее время считаются организации, ориентированные на минимизацию потребления ресурсов, имеющие явно выраженную горизонтальную форму с координацией, осуществляемой не по иерархическому признаку, а самими рабочими группами, организованными в сеть.

Альтернативными моделями, противостоящими моделям ОСУ, созданным на базе организационной логики и жесткого регулирования, являются нечеткие структуры без иерархических уровней и структурных подразделений , основанные на координации личной ответственности и профилировании самоуправляемых групп со следующими признаками:

а) наличием относительно независимых рабочих групп с участием представителей различных подразделений, создаваемых для решения определенных проектов и проблем, при широкой свободе действий и автономии в области координации задач и принятия решений;

б) ликвидацией жестких связей между подразделениями ОСУ с введением гибких взаимосвязей.

На аналогичных принципах базируется современная концепция минимизированного по ресурсам производства: на подобных предприятиях в качестве организационных единиц используют рабочие группы с широкими полномочиями и большими возможностями самоуправления с конечной целью, заключающейся в создании разумной гибкой организации труда, опирающейся на самостоятельно действующих исполнителей, а не на синтезированные специалистами рациональные структуры; сотрудниками оцениваются возникающие проблемы, определяются возможности контактов со специалистами внутри и за пределами системы. Самоуправляемый персонал основной упор делает на самоорганизацию, заменяющую собой привнесенную извне (задаваемую сверху) жесткую упорядоченную структуру.

Крайним случаем такого подхода является создание безорганизационной, постоянно «размороженной», структуры со следующими свойствами:

Широкое творческое обсуждение любых обрабатываемых процедур и поступающих извне сигналов без учета шаблонных решений и прошлого опыта;

Автономная работа членов групп с самостоятельной организацией временных взаимосвязей и производственных соглашений между партнерами по мере необходимости для решения возникающих проблем.

Заметим, что чрезмерное увлечение одной системной функцией — гибкостью, при полном игнорировании прочих функций — интеграции, идентификации, учета и контроля, всегда опасно для устойчиво функционирующих систем, так как трудно обеспечить успешную координацию в рамках данной организации без высокой квалификации сотрудников, их способности к обучению и совершенствованию, к установлению эффективных контактов и координации.При подобной форме организации основное внимание должно уделяться созданию условий для максимального использования интеллекта человеческих ресурсов и повышения их квалификации, выделению высококвалифицированных специалистов — системщиков, увязывающих действия членов организации для достижения конечной цели. При этом в сфере системной координации существует вероятность возможных срывов, конфликтов и негативных последствий, так как ориентация на способность персонала к самоорганизации и самокоординации носит слишком общий характер. Хотя высокая компетентность, инициатива и сила воли каждого работника и влияет на жизнеспособность любой децентрализованной организации, но в целом они не могут заменить регулирующей функции целой организационной структуры.

Сегодня в мире интенсивно развивается новое направление синтеза ОСУ как обучающихся систем, характеризующихся следующими характерными особенностями:

а) привлечением высококвалифицированных экспертов-специалистов к процессам восприятия и накопления информации, а также к обучению и расширению способностей персонала;

б) постоянным изменением в процессе функционирования, расширением своих способностей взаимодействия с окружающей деловой средой и быстрой адаптацией к постоянно меняющимся внешним и внутренним условиям;

в) широким распространением открытых компьютерных сетей, охватывающих не только отдельные организации, предприятия или их конгломераты, но и целые крупные регионы и даже совокупности стран (ЕЭС, СВИФТ и др.), что обусловливает новые возможности организации и повышения эффективности работы предприятий и отраслей в масштабах всей страны и даже всего мира.

Считается, что ОСУ должна создаваться на принципах многофункциональности и многоаспектности, позволяющих эффективно контролировать сложные рынки и распределять имеющиеся ресурсы. Из анализа мирового опыта функционирования ОСУ в условиях рынка применительно к российской экономике и ее субъектам хозяйствования можно выделить следующие рекомендации:

1) иерархическую ОСУ можно сохранять и применять с минимумом риска для предприятия, если высшее руководство фирмы способно выступать в качестве координаторов проблем, а их подчиненные — в качестве «маленьких предпринимателей»; при этом предпринимательская инициатива и ответственность перемещаются с верхних в нижние эшелоны фирменной власти при исполнении иерархами действительно координаторских функций;

2) матричную ОСУ можно сохранять, если в фирме отсутствует механическое дублирование служебных инстанций и существует органичная сетевая структура с оптимальной коммуникацией;

3) дуальную ОСУ следует применять при ясности и контролируемости как ключевых связей между основными и сопутствующими структурами, так и прозрачности функций самой системы сопутствующих вторичных структур, причем они должны быть многофункциональными и многоцелевыми (типа «учебных центров»), а не специализированными, ориентированными лишь на собственные потребности;

4) параллельную ОСУ следует применять при сформированной конструктивной конкурентной культуре, сотрудничестве партнеров на базе доверия, терпимости, готовности разрешать конфликты, а в острых ситуациях иметь нейтральную «третейскую» инстанцию.

При наличии средних предприятий, состоящих из слабо интегрированных функциональных подразделений, на вторичные структуры можно возложить решение интеграционных проблем, но эффект от реализации этого механизма получится при осознании руководством подразделений создания структурной надстройки как средства поддержки их собственной позиции, а не как угрозу для их существования.

Развитие на стыке кибернетики, вычислительных сетей, менеджмента и социальной психологии направления Groupware (США), связанного с электронными информационными системами, локальными диалоговыми сетями и средствами их поддержки, обеспечивает распределенную работу больших коллективов людей в режиме прямого доступа, позволяя хранить в машинной памяти огромный объем информации (любую деловую, производственно-техническую и прочую документацию, совещания, переговоры организации и даже обычные разговоры ее сотрудников, а также всю предысторию и опыт работы), используя ее при необходимости для корректировки структуры, функций, задач, стратегии и тактики управления в деятельности конкретной организации. Такой подход по-новому раскрывает понятие обучающейся организации, обеспечивает проведение аналогий между процессами, протекающими в живых и в диалоговых компьютерных системах.

Если обучение и память обусловливают выживание живых систем, то аналогично организационное обучение и память влияют на эффективность деятельности любой организации при изменении деловой внешней среды. Обучение, как живых, так и организационных систем обязательно ведет к структурным изменениям. Организационно правильно построенная компьютерная сеть может вызывать качественный сдвиг в улучшении корпоративной деятельности. Гибкость и широта функциональных возможностей рабочих групп, реализующих управление проектами при минимуме затрат на координацию их работы, обусловливают рост и качество исполнения крупных задач, стоящих перед фирмами, необходимость оптимизации функциональных подразделений и организационных структур в целом, изменения связей между функциональными единицами в зависимости от складывающихся ситуаций.

Качество реструктуризации в живых и организационных системах определяется совокупностью унаследованного и приобретенного поведения, эффективностью обучения и памяти, организации инфраструктур, обеспечивающих совершенствование взаимосвязей и диалогов между людьми. Повышение скорости обучения и эффективности памяти организации зависит от способа управления взаимоотношениями и диалогами между людьми. Сегодня коммуникации — это координация действий, а не передача информации. Организационные инфраструктуры должны расширять возможности формирования и поддержки диалогов между людьми независимо от их традиций, культуры и др. Пример тому организация и распространение сети Internet и ей подобных.

Учет специфики моделей разновидностей СМО в практической деятельности субъектов рынка позволяет:

Провести более глубокий анализ особенностей функционирования сложных систем, оценить их качество и эффективность с получением конкретных количественных оценок;

Вскрыть имеющиеся резервы и возможности по оптимизации протекающих процессов, экономии финансовых и прочих ресурсов, снижению рисков в условиях неопределенности деловой внешней и внутренней среды.

Рассмотрим эти вопросы подробнее.

2. СИСТЕМЫ И МОДЕЛИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ (СМО).

Теория массового обслуживания опирается на теорию вероятностей и математическую статистику. Первоначальное развитие теории массового обслуживания связано с именем датского уче-ного А. К. Эрланга (1878—1929), с его трудами в области проекти-рования и эксплуатации телефонных станций.

Теория массового обслуживания - область прикладной мате-матики, занимающаяся анализом процессов в системах произ-водства, обслуживания, управления, в которых однородные события повторяются многократно, например, на предприятиях бытового обслуживания; в системах приема, переработки и пере-дачи информации; автоматических линиях производства и др.

Большой вклад в развитие этой теории внесли российские математики А. Я. Хинчин, Б. В. Гнеденко, А. Н. Колмогоров, Е. С. Вентцель и др.

Предметом теории массового обслуживания является установ-ление зависимостей между характером потока заявок, числом ка-налов обслуживания, производительностью отдельного канала и эффективным обслуживанием с целью нахождения наилучших путей управления этими процессами. Задачи теории массового обслуживания носят оптимизационный характер и в конечном итоге включают экономический аспект по определению такого варианта системы, при котором будет обеспечен минимум сум-марных затрат от ожидания обслуживания, потерь времени и ре-сурсов на обслуживание и от простоев каналов обслуживания.

Задачи организации массового обслуживания возникают практически во всех сферах человеческой деятельности, напри-мер обслуживание продавцами покупателей в магазинах, обслу-живание посетителей на предприятиях общественного питания, обслуживание клиентов на предприятиях бытового обслужива-ния, обеспечение телефонных разговоров на телефонной стан-ции, оказание медицинской помощи больным в поликлинике и т.д. Во всех приведенных примерах возникает необходимость в удовлетворении запросов большого числа потребителей.

Перечисленные задачи можно успешно решать с помощью методов и моделей специально созданной для этих целей теории массового обслуживания (ТМО). В этой теории поясняется, что обслуживать необходимо кого-либо или что-либо, что определяется понятием «заявка (требование) на обслуживание», а опера-ции обслуживания выполняются кем-либо или чем-либо, назы-ваемыми каналами (узлами) обслуживания.

Заявки в силу массовости поступления на обслуживание об-разуют потоки, которые до выполнения операций обслужива-ния называются входящими, а после возможного ожидания начала обслуживания, т.е. простоя в очереди, образуют потоки об-служивания в каналах, а затем формируется выходящий поток заявок. В целом совокупность элементов входящего потока за-явок, очереди, каналов обслуживания и выходящего потока за-явок образует простейшую систему массового обслуживания — СМО.

Одним из параметров входного потока заявок является интенсивность входящего потока заявок λ ;

К параметрам каналов обслуживания заявок относятся: интенсивность обслуживания μ , число каналов обслуживания n .

Параметрами очереди являются: максимальное число мест в очереди L max ; дисциплина очереди D («первым пришел - первым ушел» (FIFO); «последним пришел - первым ушел» (LIFO); с приоритетами; случайный выбор из очереди).

Процедура обслуживания считается завершенной, когда заяв-ка на обслуживание покидает систему. Продолжительность ин-тервала времени, требуемого для реализации процедуры обслу-живания, зависит в основном от характера запроса заявки на об-служивание, состояния самой обслуживающей системы и канала обслуживания.

Действительно, например, продолжительность пребывания покупателя в супермаркете зависит, с одной стороны, от личностных качеств покупателя, его запросов, от ассортимента товаров, который он собирается приобрести, а с другой — от формы организации об-служивания и обслуживающего персонала, что может значитель-но повлиять на время пребывания покупателя в супермаркете и интенсивность обслуживания.

Под обслуживанием заявок мы будем понимать процесс удовле-творения потребности. Обслуживание имеет различный характер по своей природе. Однако во всех примерах поступившие заявки нуждаются в обслуживании со стороны какого-либо устройства.

В некоторых случаях обслуживание производится одним челове-ком (обслуживание покупателя одним продавцом), в некоторых — группой людей (обслуживание клиента в ресторане), а в некоторых случаях — техническими устройст-вами (продажа газированной воды, бутербродов автоматами).

Совокупность средств, которые осуществляют обслуживание за-явок, называется каналом обслуживания.

Если каналы обслуживания способны удовлетворить одина-ковые заявки, то каналы обслуживания называются однородны-ми.

Совокупность однородных каналов обслуживания называет-ся обслуживающей системой.

В систему массового обслуживания поступает большое коли-чество заявок в случайные моменты времени, длительность обслу-живания которых также является случайной величиной. Последо-вательное поступление заявок в систему обслуживания называет-ся входящим потоком заявок , а последовательность заявок, покидающих систему обслуживания, — выходящим потоком .

Если максимальная длина очереди L max = 0 , то СМО является системой без очередей.

Если L max = N 0 , где N 0 >0 - некоторое положительное число, то СМО является системой с ограниченной очередью.

Если L max → ∞, то СМО является системой с бесконечной очередью.

Случайный характер распределения длительности выполне-ния операций обслуживания, наряду со случайным характером поступления требований на обслуживание, приводит к тому, что в каналах обслуживания протекает случайный процесс, который может быть назван (по аналогии с входным потоком заявок) потоком обслуживания заявок или просто потоком обслуживания .

Заметим, что заявки, поступающие в систему обслуживания, могут покинуть ее и будучи не обслуженными. Например, если покупатель не найдет в магазине нужный товар, то он покидает магазин, будучи не обслуженным. Покупатель может покинуть магазин также, если нужный товар имеется, но большая очередь, а покупатель не располагает временем.

Теория массового обслуживания занимается изучением про-цессов, связанных с массовым обслуживанием, разработкой ме-тодов решения типичных задач массового обслуживания.

При исследовании эффективности работы системы обслужи-вания важную роль играют различные способы расположения в системе каналов обслуживания.

При параллельном расположении каналов обслуживания тре-бование может быть обслужено любым свободным каналом.

Примером такой системы обслуживания является расчетный узел в магазинах самообслуживания, где число каналов обслужи-вания совпадает с числом кассиров-контролеров.

На практике часто обслуживание одной заявки осуществля-ется последовательно несколькими каналами обслуживания .

При этом очередной канал обслуживания начинает работу по обслуживанию заявки после того, как предыдущий канал закончил свою работу. В таких системах процесс обслуживания носит многофазовый характер , обслуживание заявки одним каналом называется фазой обслуживания . Например, если в магазине са-мообслуживания имеются отделы с продавцами, то покупатели сначала обслуживаются продавцами, а потом уже кассирами-контролерами.

Организация системы обслуживания зависит от воли челове-ка. Под качеством функционирования системы в теории массо-вого обслуживания понимают не то, насколько хорошо выполне-но обслуживание, а то, насколько полно загружена система об-служивания, не простаивают ли каналы обслуживания, не образуется ли очередь .

Работу системы обслуживания характеризуют такие показате-ли, как время ожидания начала обслуживания, длина очереди, возможность получения отказа в обслуживании, возможность простоя каналов обслуживания, стоимость обслуживания и в ко-нечном итоге удовлетворение качеством обслуживания.

Чтобы улучшить качество функционирования системы об-служивания, необходимо определить, каким образом распреде-лить поступающие заявки между каналами обслуживания, какое количество каналов обслуживания необходимо иметь, как распо-ложить или сгруппировать каналы обслуживания или обслужива-ющие аппараты для улучшения показателей. Для решения перечисленных задач существует эффек-тивный метод моделирования, включающий и объединяющий достижения разных наук, в том числе математики.

Потоки событий.

Переходы СМО из одного состояния в другое происходят под воздействием вполне определенных событий — поступле-ния заявок и их обслуживания. Последовательность появления событий, следующих одно за другим в случайные моменты вре-мени, формирует так называемый поток событий .

Примерами таких потоков являются потоки различной природы — потоки товаров, денег, документов; транспортные потоки; потоки клиентов, покупателей; потоки телефонных звонков, переговоров и др. По-ведение системы обычно определяется не одним, а сразу не-сколькими потоками событий. Например, обслуживание поку-пателей в магазине определяется потоком покупателей и пото-ком обслуживания; в этих потоках случайными являются моменты появления покупателей, время ожидания в очереди и время, затрачиваемое на обслуживание каждого покупателя.

При этом основной характерной чертой потоков является веро-ятностное распределение времени между соседними события-ми. Существуют различные потоки, которые отличаются свои-ми характеристиками.

Поток событий называется регулярным , если в нем события следуют одно за другим через заранее заданные и строго опреде-ленные промежутки времени. Такой поток является идеальным и очень редко встречается на практике. Чаще встречаются нерегу-лярные потоки, не обладающие свойством регулярности.

Поток событий называется стационарным, если вероятность попадания любого числа событий на промежуток времени зави-сит только от длины этого промежутка и не зависит от того, как далеко расположен этот промежуток от начала отсчета времени.

То есть стационарным называется поток , для которого математическое ожидание числа требований, поступающих в систему в единицу времени (обозначим λ), не меняется во времени. Таким образом, вероятность поступления в систему определен-ного количества требований в течение заданного промежутка времени?t зависит от его величины и не зависит от начала его отсчета на оси времени.

Стационарность потока означает независимость от времени его вероятностных характеристик; в частности, интенсивность тако-го потока есть среднее число событий в единицу времени и оста-ется величиной постоянной. На практике обычно потоки могут считаться стационарными только на некотором ограниченном промежутке времени. Обычно поток покупателей, например, в магазине существенно меняется в течение рабочего дня. Однако можно выделить определенные временные интервалы, внутри которых этот поток допустимо рассматривать как стационарный, имеющий постоянную интенсивность.

Отсутствие последействия означает, что число требова-ний, поступивших в систему до момента t, не определяет того, сколько требований поступит в систему за промежуток вре-мени от t до t+?t.

Например, если на ткацком станке в данный момент произошел обрыв нити, и он устранен ткачихой, то это не оп-ределяет, произойдет новый обрыв на данном станке в следующий момент или нет, тем более это не влияет на веро-ятность возникновения обрыва на других станках.

Поток событий называется потоком без последствия , если число событий, попадающих на один из произвольно выбран-ных промежутков времени, не зависит от числа событий, попавших на другой, также произвольно выбранный промежуток, при условии, что эти промежутки не пересекаются между собой.

В потоке без последствия события появляются в последовательные моменты времени независимо друг от друга. Например, поток покупателей, входящих в магазин, можно считать потоком без последствия потому, что причины, обусловившие приход каждо-го из них, не связаны с аналогичными причинами для других по-купателей.

Поток событий называется ординарным , если вероятность по-падания на очень малый отрезок времени сразу двух или более событий пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью попа-дания только одного события.

Другими словами, ординарность потока означает практическую невозмож-ность одновременного поступления двух и более требований. Например, достаточно малой является вероятность того, что из группы станков, обслуживаемых бригадой ремонтников, одновременно выйдут из строя сразу несколько станков. В ординарном потоке события происходят поодиночке, а не по два (или более) сразу.

Если поток одновременно обладает свойствами стационарнос-ти, ординарности и отсутствием последствия , то такой поток назы-вается простейшим (или пуассоновским) потоком событий .

Мате-матическое описание воздействия такого потока на системы ока-зывается наиболее простым. Поэтому, в частности, простейший поток играет среди других существующих потоков особую роль.

Методы и модели, применяющиеся в теории массового обслуживания (ТМО), можно условно разделить на АНАЛИТИЧЕСКИЕ и ИМИТАЦИОННЫЕ.

Аналитические методы теории массового обслуживания позволяют получить характеристики системы как некото-рые функции параметров ее функционирования. Благодаря этому появляется возможность проводить качественный анализ влияния отдельных факторов на эффективность работы СМО.

Имитационные методы основаны на моделировании процес-сов массового обслуживания на ЭВМ и применяются, если невозможно применение аналитических моделей.

В настоящее время теоретически наиболее разработаны и удобны в практических приложениях методы решения та-ких задач массового обслуживания, в которых входящий поток требований является простейшим (пуассоновским).

Для простейшего потока частота поступления требований в систему подчиняется закону Пуассона, т.е. вероятность по-ступления за время t ровно k требований задается формулой:

Важная характеристика СМО — время обслуживания требований в системе.

Время обслуживания одного требования является, как правило, случайной величиной и, следователь-но, может быть описано законом распределения.

Наибольшее распространение в теории и особенно в практических прило-жениях получил экспоненциальный закон распределения времени обслуживания . Функция распределения для этого закона имеет вид:

F(t) = 1 - e - μ t , (2)

т.е. вероятность того, что время обслуживания не превосхо-дит некоторой величины t, определяется формулой (2), где μ — параметр экспоненциального закона распределения времени обслуживания требований в системе. То есть μ - это величина, обратная среднему времени обслуживания ? o6 . :

μ = 1/ ? o6 . (3)

Кроме понятия простейшего потока событий часто приходит-ся пользоваться понятиями потоков других типов.

Поток собы-тий называется потоком Пальма , когда в этом потоке промежутки времени между последовательными событиями T1, T2, ..., Тn являются независимыми, одинаково распределенными, слу-чайными величинами, но в отличие от простейшего потока необязательно распределенными по показательному закону.

Про-стейший поток является частным случаем потока Пальма.

Важным частным случаем потока Пальма является так назы-ваемый поток Эрланга . Этот поток получается «прореживанием» простейшего потока. Такое «прореживание» производится путем отбора по определенному правилу событий из простейшего пото-ка. Например, условившись учитывать только каждое второе со-бытие из образующих простейший поток, мы получим поток Эрланга второго порядка. Если брать только каждое третье событие, то образуется поток Эрланга третьего порядка и т.д. Можно полу-чить потоки Эрланга любого k-го порядка. Очевидно, простей-ший поток есть поток Эрланга первого порядка.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ.

Любое исследование системы массового обслуживания (СМО) начи-нается с изучения того, что необходимо обслуживать, следова-тельно, с изучения входящего потока заявок и его характеристик.

1. В зависимости от условий ожидания начала обслуживания различают:

СМО с потерями (отказами),

СМО с ожиданием.

В СМО с отказами требования, поступающие в момент, когда все каналы обслуживания заняты, получают отказ и теряются. Классическим примером системы с отказами явля-ется телефонная станция. Если вызываемый абонент занят, то требование на соединение с ним получает отказ и теряется.

В СМО с ожиданием требование, застав все обслуживаю-щие каналы занятыми, становится в очередь и ожидает, пока не освободится один из обслуживающих каналов.

СМО, допускающие очередь, но с ограниченным числом требований в ней, называются системами с ограниченной длиной очереди .

СМО, допускающие очередь , но с ограниченным сроком пребывания каждого требования в ней, называются систе-мами с ограниченным временем ожидания.

2. По числу каналов обслуживания СМО делятся на

- одноканальные ;

- многоканальные .

3. По месту нахождения источника требований

СМО делятся на:

- разомкнутые , когда источник требования находится вне системы;

- замкнутые , когда источник находится в самой системе.

Примером разомкнутой системы может служить мастерская по обслуживанию и ремонту бытовой техники. Здесь неисправные устройства — это источник требований на их обслуживание, находятся вне самой системы, число требований можно считать неограни-ченным.

К замкнутым СМО относится, например, станочный участок, в котором станки являются источником неисправностей, и, следовательно, источником требований на их обслу-живание , например, бригадой наладчиков.

Возможны и другие признаки классификации СМО, на-пример, по дисциплине обслуживания , однофазные и многофазные СМО и др.

3. МОДЕЛИ СМО. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СМО.

Рассмотрим аналитические модели наиболее распростра-ненных СМО с ожиданием, т.е. таких СМО, в которых требо-вания, поступившие в момент, когда все обслуживающие ка-налы заняты, ставятся в очередь и обслуживаются по мере освобождения каналов.

ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ СОСТОИТ В СЛЕДУЮЩЕМ.

Система имеет n обслуживающих каналов , каждый из которых может одновременно обслуживать только одно требование.

В систему поступает простейший (пуассоновский) поток требований с параметром λ .

Если в момент поступления оче-редного требования в системе на обслуживании уже находится не меньше n требований (т.е. все каналы заняты), то это требование становится в очередь и ждет начала обслуживания.

Время обслуживания каждого требования t об. — случайная величина, которая подчиняется экспоненциальному за-кону распределения с параметром μ .

СМО С ОЖИДАНИЕМ МОЖНО РАЗБИТЬ НА ДВЕ БОЛЬШИЕ ГРУППЫ: ЗАМКНУТЫЕ И РАЗОМКНУТЫЕ.

К замкнутым относятся системы, в которых поступающий поток требований возникает в самой системе и ограничен .

Например, мастер, задачей кото-рого является наладка станков в цехе, должен периодически их обслуживать. Каждый налаженный станок становится потенциальным источником требований на накладку. В по-добных системах общее число циркулирующих требования конечно и чаще всего постоянно.

Если питающий источник обладает бесконечным числом требований , то системы называются разомкнутыми.

Приме-рами подобных систем могут служить магазины, кассы вокза-лов, портов и др. Для этих систем поступающий поток требо-ваний можно считать неограниченным.

Отмеченные особенности функционирования систем этих двух видов накладывают определенные условия на исполь-зуемый математический аппарат. Расчет характеристик работы СМО различного вида может быть проведен на основе расчета вероятностей состояний СМО (так называемые фор-мулы Эрланга ).

1. 1. РАЗОМКНУТАЯ СИСТЕМА МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ С ОЖИДАНИЕМ.

Рассмотрим алгоритмы расчета показателей качества функционирования разомкнутой СМО с ожиданием.

При изучении таких систем рассчитывают различные по-казатели эффективности обслуживающей системы. В каче-стве основных показателей могут быть вероятность того, что все каналы свободны или заняты, математическое ожидание длины очереди (средняя длина очереди), коэффициенты за-нятости и простоя каналов обслуживания и др.

Введем в рассмотрение параметр α = λ/μ . Заметим, что если выполняется неравенство α / n < 1, то очередь не может расти безгранично.

Это условие имеет следующий смысл: λ — среднее число требо-ваний, поступающих за единицу времени , 1/μ — среднее время обслуживания одним каналом одного требования, тогда α = λ (1/ μ) — среднее число каналов, которое необходимо иметь, чтобы обслуживать в единицу времени все поступаю-щие требования. Тогда μ - среднее число требований, обслуживаемых одним каналом за единицу времени.

Поэтому условие: α / n < 1, означает, что чис-ло обслуживающих каналов должно быть больше среднего числа каналов, необходимых для того, чтобы за единицу времени обслужить все поступившие требования .

ВАЖНЕЙ-ШИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОТЫ СМО (для разомкнутой системы массового обслуживания с ожиданием ):

1. Вероятность P 0 того, что все обслуживающие каналы сво-бодны:

2. Вероятность P k того, что занято ровно k обслуживающих каналов при условии, что общее число требований, находя-щихся на обслуживании, не превосходит числа обслуживающих аппаратов, то есть при 1 ≤ k ≤ n :

3. Вероятность P k того, что в системе находится k требований в случае, когда их число больше числа обслуживающих каналов, то есть при k > n :

4. Вероятность Pn того, что все обслуживающие каналы заняты:

5. Среднее время ожидания требованием начала обслу-живания в системе:

6. Средняя длина очереди:

7. Среднее число свободных от обслуживания каналов:

8. Коэффициент простоя каналов:

9. Среднее число занятых обслуживанием каналов:

10. Коэффициент загрузки каналов

Фирма по обслуживанию и ремонту бытовой техники и электроники имеет филиал: мастерскую по ремонту мобильных телефонов, в которой работает n = 5 опытных мастеров. В среднем в течение рабочего дня от населения поступает в ремонт λ =10 мобильных телефонов. Общее число мобильных телефонов, находящихся в эксплуатации у населения, очень велико, и они независимо друг от друга в различное время выходят из строя. Поэтому есть основания считать, что поток заявок на ремонт ап-паратуры является случайным, пуассоновским. В свою оче-редь каждый мобильный телефон в зависимости от характера неисправ-ности также требует различного случайного времени на ре-монт. Время на проведение ремонта зависит во многом от серьезности полученного повреждения, квалификации мас-тера и множества других причин. Пусть статистика показа-ла, что время ремонта подчиняется экспоненциальному за-кону; при этом в среднем в течение рабочего дня каждый из мастеров успевает отремонтировать μ = 2,5 мобильных телефона.

Требуется оценить работу филиала фирмы по ремонту -бытовой техники и электроники, рассчитав ряд основных характеристик данной СМО.

За единицу времени принимаем 1 рабочий день (7 часов).

1. Определим параметр

α = λ / μ = 10/ 2,5 = 4.

Так как α < n = 5, то можно сделать вывод: очередь не может расти безгранично.

2. Вероятность P 0 того, что все мастера свободны от ремонта аппаратуры, равна согласно (4):

P0 = (1 + 4 + 16/2 + 64/3! + 256/4! + 1024/5!(1- 4/5)) -1 = (77) -1 ≈ 0,013.

3. Вероятность P5 того, что все мастера заняты ремонтом, находим по формуле (7) (Pn при n=5):

P5 = P0 1024 /5! (1-4/5) = P0 256 /6 ≈ 0,554.

Это означает, что 55,4% времени мастера полностью за-гружены работой.

4. Среднее время обслуживания (ремонта) одного аппарата согласно формуле (3):

? o6. = 1/ μ = 7/2,5 = 2,8 ч./аппарат (важно: единица времени - 1 рабочий день, т. е. 7 часов).

5. В среднем время ожидания каждого неисправного мобильного телефона начала ремонта равно по формуле (8):

Ож. = Pn/(μ (n-α)) = 0,554 2,8/(5 - 4) =1,55 часа.

6. Очень важной характеристикой является средняя длина очереди, которая определяет необходимое место для хранения аппаратуры, требующей ремонта; находим ее по формуле (9):

Оч. = 4 P5/ (5-4) ≈ 2,2 моб. телефона.

7. Определим среднее число мастеров, свободных от ра-боты, по формуле (10):

Ñ0 = P0 (5 + 16 + 24+ 64/3 + 32/3) = P0 77 ≈ 1 мастер.

Таким образом, в среднем в течение рабочего дня ремонтом заняты четыре мастера из пяти.

1. 2. ЗАМКНУТАЯ СИСТЕМА МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ.

Перейдем к рассмотрению алгоритмов расчета характери-стик функционирования замкнутых СМО.

Поскольку система замкнутая, то к постановке задачи следует добавить условие: поток поступающих требований ограничен, т.е. в системе обслуживания одновременно не может находиться больше m требований (m — число обслуживаемых объектов).

За критерий, характеризующий качество функциониро-вания рассматриваемой системы, выберем отношение средней длины очереди к наибольшему числу требований, находя-щихся одновременно в обслуживающей системе — коэффици-ент простоя обслуживаемого объекта .

В качестве другого критерия возьмем отношение среднего числа незанятых об-служивающих каналов к их общему числу — коэффициент простоя обслуживаемого канала .

Первый из названных критериев характеризует потери времени из-за ожидания начала обслуживания ; второй по-казывает полноту загрузки обслуживающей системы .

Очевидно, что очередь может возникнуть, лишь когда число каналов обслуживания меньше наибольшего числа требований, нахо-дящихся одновременно в обслуживающей системе (n < m).

Приведем последовательность расчетов характеристик замкнутых СМО и необходимые формулы.

ПАРАМЕТРЫ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ.

1. Определим параметр α = λ / μ — показатель загрузки системы , то есть математическое ожидание числа требований, поступающих в систему за время, равное средней длитель-ности обслуживания (1/μ = ?o6.).

2. Вероятность P k того, что занято k обслуживающих каналов при условии, что число требований, находящихся в системе, не превосходит числа обслуживающих каналов системы (то есть при m ≤ n ) :

3. Вероятность P k того, что в системе находится k требований для случая, когда их число больше числа обслуживающих каналов (то есть при k > n , при этом k ≤ m ):

4. Вероятность P 0 того, что все обслуживающие каналы сво-бодны, определим, используя очевидное условие:

Тогда величина P 0 будет равна:

5. Среднее число M оч. требований, ожидающих начала обслу-живания (средняя длина очереди):

Или с учетом формулы (15)

6. Коэффициент простоя обслуживаемого требования (объекта):

7. Среднее число M требований, находящихся в обслуживаю-щей системе, обслуживаемых и ожидающих обслуживания:

где для вычислений первой и второй суммы применяются формулы (14) и (15) соответственно.

8. Среднее число свободных обслуживающих каналов

где P k вычисляется по формуле (14).

9. Коэффициент простоя обслуживающего канала

Рассмотрим пример расчета характеристик замкнутой СМО.

Рабочий обслуживает группу автоматов, состоя-щую из 3 станков. Поток поступающих требований на обслу-живание станков является пуассоновским с параметром λ = 2 ст./ч.

Обслуживание одного станка занимает у рабочего в среднем 12 минут, а время обслуживания подчинено экспоненци-альному закону.

Тогда 1/μ = 0,2 ч./ст., т.е. μ = 5 ст./ч., Параметр α = λ/μ = 0,4.

Необходимо определить среднее число автоматов, ожи-дающих обслуживания, коэффициент простоя автомата, ко-эффициент простоя рабочего.

Обслуживающим каналом здесь является рабочий; так как станки обслуживает один рабочий, то n = 1 . Общее число требований не может пре-взойти числа станков, т.е. m = 3 .

Система может находиться в четырех различных состоя-ниях: 1) все станки работают; 2) один стоит и обслуживается рабочим, а два работают; 3) два стоят, один обслуживается, один ждет обслуживания; 4) три стоят, из них один обслу-живается, а два ждут очереди.

Для ответа на поставленные вопросы можно воспользо-ваться формулами (14) и (15).

P1 = P0 6 0,4/2 = 1,2 P0;

P2 = P0 6 0,4 0,4 = 0,96 P0;

P3 = P0 6 0,4 0,4 0,4= 0,384 P0;

Сведем вычисления в таблицу (рис. 1).

		∑P k /P 0 = 3,5440		∑ (k-n)P k = 0,4875	∑k P k = 1,2053

Рис. 1. Вычисление характеристик замкнутой СМО.

В этой таблице первым вычисляется третий столбец, т.е. отношения P k /P 0 при k = 0,1,2,3.

Затем, суммируя величины по третьему столбцу и учитывая, что ∑ P k = 1, получаем 1/P 0 = 3,544. Откуда Р 0 ≈ 0,2822.

Умножая значения, стоящие в третьем столбце, на Р 0 , получаем в соответствующих строках значения четвертого столбца.

Величина Р 0 = 0,2822, рав-ная вероятности того, что все автоматы работают, может быть истолкована как вероятность того, что рабочий свобо-ден. Получается, что в рассматриваемом случае рабочий будет свободен более 1/4 всего рабочего времени. Однако это не оз-начает, что «очередь» станков, ожидающих обслуживания, всегда будет отсутствовать. Математическое ожидание числа автоматов, стоящих в очереди, равно

Суммируя значения, стоящие в пятом столбце таблицы, получим среднюю длину очереди M оч. = 0,4875. Следова-тельно, в среднем из трех станков 0,49 станка будет про-стаивать в ожидании, пока освободится рабочий.

Суммируя значения, стоящие в шестом столбце таблицы, получим математическое ожи-дание числа простаивающих станков (ремонтируемых и ожидающих ремонта): М = 1,2053. То есть в среднем 1,2 станка не будет выдавать продукцию.

Ко-эффициент простоя станка равен К пр.об. = M оч. /3 = 0,1625. То есть каждый станок простаивает примерно 0,16 часть рабо-чего времени в ожидании, пока рабочий освободится.

Коэффициент простоя рабочего в данном случае совпадает с P 0 , так как n = 1 (все обслуживающие каналы свободны), поэтому

К пр.кан. = N 0 /n = 0,2822.

Абчук В.А. Экономико-математические методы: Элементарная математика и логика. Методы исследования операций. - СПб.: Союз, 1999. - 320.

Елтаренко Е.А. Исследование операций (системы массового обслуживания, теория игр, модели управления запасами). Учебное пособие. - М.: МИФИ, 2007. - С. 157.

Фомин Г. П. Математические методы и модели в коммерческой дея-тельности: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Финан-сы и статистика, 2005. — 616 с: ил.

Шелобаев С. И. Математические методы и модели в экономике, финансах, бизнесе: Учеб. пособие для вузов. — М.: ЮНИТИ- ДАНА, 2001. - 367 с.

Экономико-математические методы и прикладные модели: Учебное пособие для вузов/ В.В. Федосеев, А.Н. Гармаш, Д.М. Дайитбегов и др.; Под ред. В.В. Федосеева. — М.: ЮНИТИ, 1999. - 391 с.

Рисунок 0 - 2 Потоки событий (а) и простейший поток (б)

10.5.2.1. Стационарность

Поток называется стационарным, если вероятность попадания того или иного числа событий на элементарный участок времени длиной τ (

Рисунок 0-2 , а) зависит только от длины участка и не зависит от того, где именно на оси t расположен этот участок.

Стационарность потока означает его однородность по времени; вероятностные характеристики такого потока не меняются в зависимости от времени. В частности, так называемая интенсивность (или «плотность») потока событий среднее число событий в единицу времени для стационарного потока должна оставаться постоянной. Это, разумеется, не значит, что фактическое число событий, появляющихся в единицу времени, постоянно, поток может иметь местные сгущения и разрежения. Важно, что для стационарного потока эти сгущения и разрежения не носят закономерного характера, а среднее число событий, попадающих на единичный участок времени, остается постоянным для всего рассматриваемого периода.

На практике часто встречаются потоки событий, которые (по крайней мере, на ограниченном участке времени) могут рассматриваться как стационарные. Например, поток вызовов, поступающих на телефонную станцию, скажем, на интервале от 12 до 13 часов может считаться стационарным. Тот же поток в течение целых суток уже не будет стационарным (ночью интенсивность потока вызовов гораздо меньше, чем днем). Заметим, что так же обстоит дело и с большинством физических процессов, которые мы называем «стационарными» в действительности они стационарны только на ограниченном участке времени, а распространение этого участка до бесконечности лишь удобный прием, применяемый в целях упрощения.

10.5.2.2. Отсутствие последействия

Поток событий называется потоком без последействия, если для любых непересекающихся участков времени число событий, попадающих на один из них, не зависит от того, сколько событий попало на другой (или другие, если рассматривается больше двух участков).

В таких потоках события, образующие поток, появляются в последовательные моменты времени независимо друг от друга. Например, поток пассажиров, входящих на станцию метро, можно считать потоком без последействия, потому что причины, обусловившие приход отдельного пассажира именно в данный момент, а не в другой, как правило, не связаны с аналогичными причинами для других пассажиров. Если такая зависимость появляется, условие отсутствия последействия оказывается нарушенным.

Рассмотрим, например, поток грузовых поездов, идущих по железнодорожной ветке. Если по условиям безопасности они не могут следовать один за другим чаще, чем через интервал времени t 0 , то между событиями в потоке имеется зависимость, и условие отсутствия последействия нарушается. Однако, если интервал t 0 мал по сравнению со средним интервалом между поездами, то такое нарушение несущественно.

Рисунок 0 - 3 Распределение Пуассона

Рассмотрим на оси t простейший поток событий с интенсивностью λ. (Рисунок 0-2 б). Нас будет интересовать случайный интервал времени Т между соседними событиями в этом потоке; найдем его закон распределения. Сначала найдем функцию распределения:

F(t) = P(T (0-2)

т. е. вероятность того, что величина Т будет иметь значение, меньшее, чем t . Отложим от начала интервала Т (точки t 0 ) отрезок t и найдем вероятность того, что интервал Т будет меньше t . Для этого нужно, чтобы на участок длины t , примыкающий к точке t 0 , попало хотя бы одно событие потока. Вычислим вероятность этого F (t ) через вероятность противоположного события (на участок t не попадет ни одного события потока):

F (t ) = 1 - Р0

Вероятность Р 0 найдем по формуле (1), полагая m = 0:

откуда функция распределения величины Т будет:

(0-3)

Чтобы найти плотность распределения f (t ) случайной величины Т, необходимо продифференцировать выражение (0‑1) по t :

0-4)

Закон распределения с плотностью (0‑4) называется показательным (или экспоненциальным). Величина λ называется параметром показательного закона.

Рисунок 0 - 4 Экспоненциальное распределение

Найдем числовые характеристики случайной величины Т - математическое ожидание (среднее значение) M [ t ]= m t , и дисперсию D t . Имеем

( 0-5)

(интегрируя по частям) .

Дисперсия величины Т составляет:

(0-6)

Извлекая корень квадратный из дисперсии, найдем среднее квадратическое отклонение случайной величины Т.

Итак, для показательного распределения математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение равны друг другу и обратны параметру λ, где λ. интенсивность потока.

Т.о., появление m событий в заданный промежуток времени соответствует пуассоновскому распределению, а вероятность того, что временные интервалы между событиями будут меньше некоторого наперед заданного числа, соответствует экспоненциальному распределению. Все это лишь различные описания одного и того же стохастического процесса.

Пример СМО- 1 .

В качестве примера рассмотрим банковскую систему, работающую в реальном масштабе времени и обслуживающую большое число клиентов. В часы пик запросы от кассиров банка, работающих с клиентами, образуют пуассоновский поток и поступают в среднем по два в 1 с (λ = 2).Поток состоит из заявок, поступающих с интенсивностью 2 заявки в секунду.

Рассчитаем вероятность Р (m ) появления m сообщений в 1 с. Так как λ = 2, то из предыдущей формулы имеем

Подставляя m = 0, 1, 2, 3, получим следующие величины (с точностью до четырех десятичных знаков):

Рисунок 0 - 5 Пример простейшего потока

Возможно поступление и более 9 сообщений в 1 с, но вероятность этого очень мала (около 0,000046).

Полученное распределение может быть представлено в виде гистограммы (показана на рисунке).

Пример СМО- 2 .

Прибор (сервер), обрабатывающей три сообщения в 1с.

Пусть имеется оборудование, которое может обрабатывать три сообщения в 1 с (µ=3). Поступает всреднем два сообщения в 1с, причем в соответствии c распределением Пуассона. Какая часть этих сообщений будет обрабатываться сразу же после поступления?

Вероятность того, что скорость поступления будет меньше или равна 3 с, определяется выражением

Если система может обрабатывать максимум 3 сообщения в 1 с, то вероятность того, что она не будет перегружена, равна

Другими словами, 85,71% сообщений будут обслуживаться немедленно, а 14,29% с некоторой задержкой. Как видим, задержка в обработке одного сообщения на время, большее времени обработки 3 сообщений, будет встречаться редко. Время обработки 1сообщения составляет в среднем 1/3 с. Следовательно, задержка более 1с будет редким явлением, что вполне приемлемо для большинства систем.

Пример СМО- 3

· Если кассир банка занят в течение 80% своего рабочего времени, а остальное время он тратит на ожидание клиентов, то его можно рассматривать как устройство с коэффициентом использования 0,8.

· Если канал связи используется для передачи 8-битовых символов со скоростью 2400 бит/с, т. е. передается максимум 2400/8 символов в 1 с, и мы строим систему, в которой суммарный объем данных составляет 12000 символов, посылаемых от различных устройств через канал связи в минуту наибольшей нагрузки (включая синхронизацию, символы конца сообщений, управляющие и т. д.), то коэффициент использования оборудования канала связи в течение этой минуты равен

· Если механизм доступа к файлу в час наибольшей нагрузки осуществляет 9000 обращений к файлу, а время одного обращения равно в среднем 300 мс, то коэффициент использования оборудования механизма доступа в час наибольшей нагрузки составляет

Понятие коэффициента использования оборудования будет использоваться довольно часто. Чем ближе коэффициент использования оборудования к 100%, тем больше задержки и длиннее очереди.

Используя предыдущую формулу, можно составить таблицы значений функции Пуассона, по которым можно определить вероятность поступления m или более сообщений в данный отрезок времени. Например, если в среднем поступает 3,1 сообщения в секунду [т. е. λ = 3,1], то вероятность поступления 5 и более сообщений в данную секунду равна 0,2018 (для m = 5 в таблице). Или в аналитическом виде

Используя это выражение, специалист по системному анализу может рассчитать вероятность того, что система не обеспечит заданный критерий нагрузки.

Часто первоначальные расчеты могут быть проведены для значений загрузки оборудования

ρ ≤ 0,9

Эти значения можно получить с помощью таблиц Пуассона.

Пусть снова средняя скорость поступления сообщений λ = 3,1 сообщения/с. Из таблиц следует, что вероятность поступления 6 или более сообщений в 1 с равна 0,0943. Следовательно, это число можно взять в качестве критерия нагрузки для проведения начальных расчетов.

10.6.2. Задачи проектирования

При случайном характере поступления сообщений в устройство последнее затрачивает часть времени на обработку или обслуживание каждого сообщения, в результате чего образуются очереди. Очередь в банке ожидает освобождения кассира и его компьютера (терминала). Очередь сообщений во входном буфере ЭВМ ожидает обработки процессором. Очередь требований к массивам данных ждет освобождения каналов и т. д. Очереди могут образовываться во всех узких местах системы.

Чем больше коэффициент использования оборудования, тем длиннее возникающие очереди. Как будет показано ниже, можно спроектировать удовлетворительно работающую систему с коэффициентом использований ρ =0,7 но коэффициент, превышающий ρ > 0,9, может привести к ухудшению качества обслуживания. Другими словами, если канал пересылки массива данных имеет загрузку 20%, вряд ли на нем возникнет очередь. Если же загрузка; составляет 0,9, то, как правило, будут образовываться очереди, иногда очень большие.

Коэффициент использования оборудования равен отношению нагрузки на оборудование к максимальной нагрузке, которую может выдержать это оборудование, или равен отношению времени занятости оборудования к общему времени его функционирования.

При проектировании системы обычно делается оценка коэффициента использования для различных видов оборудования; соответствующие примеры будут приведены в последующих главах. Знание этих коэффициентов позволяет рассчитать очереди к соответствующему оборудованию.

· Какова длина очереди?

· Сколько времени на нее будет затрачиваться?

На вопросы подобного типа можно ответить с помощью теории очередей.

10.6.3. Системы массового обслуживания, их классы и основные характеристики

Для СМО потоки событий это потоки заявок, потоки «обслуживании» заявок и т. д. Если эти потоки не являются пуассоновскими (марковский процесс), математическое описание процессов, происходящих в СМО, становится несравненно более сложным и требует более громоздкого аппарата, доведение которого до аналитических формул удается только в простейших случаях.

Однако, аппарат «марковской» теории массового обслуживания может пригодиться и в том случае, когда процесс, протекающий в СМО, отличен от марковского с его помощью характеристики эффективности СМО могут быть оценены приближенно. Следует заметить, что чем сложнее СМО, чем больше в ней каналов обслуживания, тем точнее оказываются приближенные формулы, полученные с помощью марковской теории. Кроме того, в ряде случаев для принятия обоснованных решений по управлению работой СМО вовсе и не требуется точного знания всех ее характеристик зачастую достаточно приближенного, ориентировочного.

СМО классифицируются на системы с:

· отказами (с потерями). В таких системах заявка, поступившая в момент, когда все каналы заняты, получает «отказ», покидает СМО и в дальнейшем процессе обслуживания не участвует.

· ожиданием (с очередью). В таких системах заявка, поступившая в момент, когда все каналы заняты, становится в очередь и ожидает, пока не освободится один из каналов. Когда канал освобождается, одна из заявок, стоящих в очереди, принимается к обслуживанию.

Обслуживание (дисциплина очереди) в системе с ожиданием может быть

· упорядоченным (заявки обслуживаются в порядке поступления),

· неупорядоченным (заявки обслуживаются в случайном порядке) или

· стековым (первой из очереди выбирается последняя заявка).

· Приоритетным

o со статическим приоритетом

o с динамическим приоритетом

(в последнем случае приоритет может, например, увеличиваться с длительностью ожидания заявки).

Системы с очередью делятся на системы

· с неограниченным ожиданием и

· с ограниченным ожиданием.

В системах с неограниченным ожиданием каждая заявка, поступившая в момент, когда нет свободных каналов, становится в очередь и «терпеливо» ждет освобождения канала, который примет ее к обслуживанию. Любая заявка, поступившая в СМО, рано или поздно будет обслужена.

В системах с ограниченным ожиданием на пребывание заявки в очереди накладываются те или другие ограничения. Эти ограничения могут касаться

· длины очереди (числа заявок, одновременно находящихся в очереди система с ограниченной длиной очереди),

· времени пребывания заявки в очереди (после какого-то срока пребывания в очереди заявка покидает очередь и уходит система с ограниченным временем ожидания),

· общего времени пребывания заявки в СМО

и т. д.

В зависимости от типа СМО при оценке ее эффективности могут применяться те или другие величины (показатели эффективности). Например, для СМО с отказами одной из важнейших характеристик ее продуктивности является так называемая абсолютная пропускная способность среднее число заявок, которое может обслужить система за единицу времени.

Наряду с абсолютной часто рассматривается относительная пропускная способность СМО средняя доля поступивших заявок, обслуживаемая системой (отношение среднего числа заявок, обслуживаемых системой в единицу времени, к среднему числу поступающих за это время заявок).

Помимо абсолютной и относительной пропускной способностей при анализе СМО с отказами нас могут, в зависимости от задачи исследования, интересовать и другие характеристики, например:

· среднее число занятых каналов;

· среднее относительное время простоя системы в целом и отдельного канала

и т. д.

СМО с ожиданием имеют несколько другие характеристики. Очевидно, для СМО с неограниченным ожиданием как абсолютная, так и относительная пропускная способность теряют смысл, так как каждая поступившая заявка рано или поздно будет обслужена. Для такой СМО важными характеристиками являются:

· среднее число заявок в очереди;

· среднее число заявок в системе (в очереди и под обслуживанием);

· среднее время ожидания заявки в очереди;

· среднее время пребывания заявки в системе (в очереди и под обслуживанием);

а также и другие характеристики ожидания.

Для СМО с ограниченным ожиданием интерес представляют обе группы характеристик: как абсолютная и относительная пропускная способности, так и характеристики ожидания.

Для анализа процесса, протекающего в СМО, существенно знать основные параметры системы: число каналов п, интенсивность потока заявок λ , производительность каждого канала (среднее число заявок μ, обслуживаемое каналом в единицу времени), условия образования очереди (ограничения, если они есть).

В зависимости от значений этих параметров выражаются характеристики эффективности работы СМО.

10.6.4. Формулы расчета характеристик СМО для случая обслуживания с одним прибором

Рисунок 0 - 6 Модель системы массового обслуживания с очередью

Такие очереди могут создаваться сообщениями на входе процессора, ожидающими начала обработки. Они могут возникать при работе абонентских пунктов, подключенных к многопунктовому каналу связи. Аналогично образуются очереди из автомобилей на заправочных станциях. Однако при наличии более одного входа на обслуживание мы имеем очередь со многими приборами и анализ усложняется.

Рассмотрим случай простейшего потока заявок на обслуживание.

Назначение излагаемой теории очередей состоит в приближенном определении среднего размера очереди, а также среднего времени, затрачиваемого сообщениями на ожидание в очередях. Желательно также оценить, насколько часто очередь превышает определенную длину. Эти сведения позволят нам вычислить, например, необходимый объем буферной памяти для хранения очередей сообщений и соответствующих программ, необходимое количество линий связи, необходимые размеры буферов для концентраторов и т. д. Появится возможность оценивать времена ответа.

Каждая из характеристик меняется в зависимости от используемых средств.

Рассмотрим очередь с одним прибором обслуживания. При проектировании вычислительной системы большинство очередей подобного типа рассчитывается по приведенным формулам. коэффициент вариации времени обслуживания

Формула Хинчина-Полачека используется для вычисления длин очередей при проектировании информационных систем. Она применяется в случае экспоненциального распределения времени поступления при любом распределении времени обслуживания и любой дисциплине управления, лишь бы выбор очередного сообщения для обслуживания не зависел от времени обслуживания.

При проектировании систем встречаются такие ситуации возникновения очередей, когда дисциплина управления несомненно зависит от времени обслуживания. Например, в некоторых случаях мы можем выбрать для первоочередного обслуживания более короткие сообщения, чтобы получить меньшее среднее время обслуживания. При управлении линией связи можно присвоить входным сообщениям более высокий приоритет, чем выходным, ибо первые короче. В таких случаях уже необходимо использовать не уравнение Хинчина

Большинство значений времени обслуживания в информационных системах лежит где-то между этими двумя случаями. Времена обслуживания, равные постоянной величине, встречаются редко. Даже время доступа к твердому диску непостоянно из-за различного положения массивов с данными на поверхности. Одним из примеров, иллюстрирующих случай постоянного времени обслуживания может служить занятие линии связи для передачи сообщений фиксированной длины.

С другой стороны, разброс времени обслуживания не так велик, как в случае произвольного или экспоненциального его распределения, т.е., σ s редко достигает значений t s . Этот случай иногда считают "наихудшим и потому пользуются формулами, относящимися к экспоненциальному распределению времен обслуживания. Такой расчет может дать несколько завышенные размеры очередей и времен ожидания в них, но эта ошибка, по крайней мере, не опасна.

Экспоненциальное распределение времен обслуживания, конечно, не наихудший случай, с которым приходится иметь дело в действительности. Однако, если времена обслуживания, полученные при расчете очередей, оказываются распределенными хуже, чем времена с экспоненциальным распределением, это часто является предостерегающим сигналом для разработчика. Если стандартное отклонение больше среднего значения, то обычно возникает необходимость в коррекции расчетов.

Рассмотрим следующий пример. Имеется шесть типов сообщений с временами обслуживания 15, 20, 25, 30, 35 и 300. Число сообщений каждого типа одинаково. Стандартное отклонение указанных времен несколько выше их среднего. Значение последнего времени обслуживания намного больше других. Это приведет к тому, что сообщения будут находиться в очереди значительно дольше, чем, если бы времена обслуживания были одного порядка. В таком случае при проектировании целесообразно принять меры для уменьшения длины очереди. Например, если указанные цифры связаны с длинами сообщений, то, возможно, очень длинные сообщения стоит разделить на части.

10.6.6. Пример расчета

При проектировании банковской системы желательно знать число клиентов, которым придется ожидать в очереди к одному кассиру в часы пик.

Время ответа системы и его стандартное отклонение рассчитаны с учетом времени ввода данных с АРМа, печатания и оформления документа.

Действия кассира были прохронометрированы. Время обслуживания ts равно общему времени, затрачиваемому кассиром на клиента. Коэффициент использования кассира ρ пропорционален времени его занятости. Если λ число клиентов в часы пик, то ρ для кассира равно

Предположим, что в часы пик приходит 30 клиентов в час. В среднем кассир тратит 1,5 мин на клиента. Тогда

ρ =(1,5 * 30) / 60 = 0,75

т. е. кассир используется на 75%.

Число людей в очереди можно быстро оценить с помощью графиков. Из них следует, что если ρ = 0,75, то среднее число nq людей в очереди у кассы лежит между 1,88 и 3,0 в зависимости от стандартного отклонения для t s .

Предположим, что измерение стандартного отклонения для t s дало величину 0,5 мин. Тогда

σ s = 0,33 t s

Из графика на первом рисунке находим, что nq = 2,0, т. е. в среднем у кассы буду ожидать два клиента.

Общее время, в течение которого клиент стоит у кассы, может быть найдено как

t ∑ = t q + t s = 2,5 мин + 1,5 мин=4мин

где t s вычисляется с помощью формулы Хинчина-Полачека.

10.6.7. Фактор усиления

Анализируя кривые, изображенные на рисунках, мы видим, что, когда оборудование, обслуживающее очередь, используется более чем на 80%, кривые начинают расти с угрожающей быстротой. Этот факт очень важен при проектировании систем передачи данных. Если мы проектируем систему, в которой оборудование используется более чем на 80%, то незначительное увеличение трафика может привести к резкому спаду производительности системы или даже заставить ее работать в аварийном режиме.

Увеличение входного трафика на небольшое число х%. приводит к увеличению размеров очереди приблизительно на

Если коэффициент использования оборудования равен 50%, то это увеличение равно 4ts % для экспоненциального закона распределения времени обслуживания. Но если коэффициент использования оборудования равен 90%, то увеличение размера очереди равно 100ts %, что в 25 раз больше. Незначительное увеличение нагрузки при 90%-ном использовании оборудования приводит к 25-кратному увеличению размеров очереди по сравнению со случаем 50%-ного использования оборудования.

Аналогично время пребывания в очереди увеличивается на

При экспоненциально распределенном времени обслуживания эта величина имеет значение 4 t s 2 для коэффициента использования оборудования, равного 50%, и 100 t s 2 для коэффициента 90%, т. е. снова в 25 раз хуже.

Кроме того, для малых коэффициентов использования оборудования влияние изменений σs на размер очереди незначительно. Однако для больших коэффициентов изменение σ s сильно сказывается на размере очереди. Поэтому при проектировании систем с высоким коэффициентом использования оборудования желательно получить точные сведения о параметре σ s . Неточность предположения относительно экспоненциальности распределения t s наиболее ощутима при больших значениях ρ. Более того, если вдруг время обслуживания возрастет, что возможно в каналах связи при передаче длинных сообщений, то в случае большого ρ образуется значительная очередь.

Московский государственный технический университет

имени Н.Э. Баумана (Калужский филиал)

Кафедра высшей математики

Курсовая работа

по курсу «Исследование операций»

Имитационное моделирование системы массового обслуживания

Задание на работу: Составить имитационную модель и рассчитать показатели эффективности системы массового обслуживания (СМО) со следующими характеристиками:

Число каналов обслуживания n; максимальная длина очереди т;

Поток поступающих в систему заявок простейший со средней интенсивностью λ и показательным законом распределения времени между поступлением заявок;

Поток обслуживаемых в системе заявок простейший со средней интенсивностью µ и показательным законом распределения времени обслуживания.

Сравнить найденные значения показателей с результатами. полученными путем численного решения уравнении Колмогорова для вероятностей состояний системы. Значения параметров СМО приведены в таблице.

Введение

Глава 1. Основные характеристики CМО и показатели их эффективности

1.1 Понятие марковского случайного процесса

1.2 Потоки событий

1.3 Уравнения Колмогорова

1.4 Финальные вероятности и граф состояний СМО

1.5 Показатели эффективности СМО

1.6 Основные понятия имитационного моделирования

1.7 Построение имитационных моделей

Глава 2. Аналитическое моделирование СМО

2.1 Граф состояний системы и уравнения Колмогорова

2.2 Расчет показатели эффективности системы по финальным вероятностям

Глава 3. Имитационное моделирование СМО

3.1 Алгоритм метода имитационного моделирования СМО (пошаговый подход)

3.2 Блок-схема программы

3.3 Расчет показателей эффективности СМО на основе результатов ее имитационного моделирования

3.4 Статистическая обработка результатов и их сравнение с результатами аналитического моделирования

Заключение

Литература

Приложение 1

При исследовании операций часто приходится сталкиваться с системами, предназначенными для многоразового использования при решении однотипных задач. Возникающие при этом процессы получили название процессов обслуживания, а системы – систем массового обслуживания (СМО).

Каждая СМО состоит из определенного числа обслуживающих единиц (приборов, устройств, пунктов, станций), которые называются каналами обслуживания. Каналами могут быть линии связи, рабочие точки, вычислительные машины, продавцы и др. По числу каналов СМО подразделяют на одноканальные и многоканальные.

Заявки поступают в СМО обычно не регулярно, а случайно, образуя так называемый случайный поток заявок (требований). Обслуживание заявок также продолжается какое-то случайное время. Случайный характер потока заявок и времени обслуживания приводит к тому, что СМО оказывается загруженной неравномерно: в какие-то периоды времени скапливается очень большое количество заявок (они либо становятся в очередь, либо покидают СМО не обслуженными), в другие же периоды СМО работает с недогрузкой или простаивает.

Предметом теории массового обслуживания является построение математических моделей, связывающих заданные условия работы СМО (число каналов, их производительность, характер потока заявок и т.п.) с показателями эффективности СМО, описывающими ее способность справляться с потоком заявок.

В качестве показателей эффективности СМО используются:

Абсолютная пропускная способность системы (А), т.е. среднее число заявок, обслуживаемых в единицу времени;

Относительная пропускная способность (Q), т.е. средняя доля поступивших заявок, обслуживаемых системой;

Вероятность отказа обслуживания заявки (

);

Среднее число занятых каналов (k);

Среднее число заявок в СМО (

);

Среднее время пребывания заявки в системе (

);

Среднее число заявок в очереди (

);

Среднее время пребывания заявки в очереди (

);

Среднее число заявок, обслуживаемых в единицу времени;

Среднее время ожидания обслуживания;

Вероятность того, что число заявок в очереди превысит определенное значение и т.п.

СМО делят на 2 основных типа: СМО с отказами и СМО с ожиданием (очередью). В СМО с отказами заявка, поступившая в момент, когда все каналы заняты, получает отказ, покидает СМО и в дальнейшем процессе обслуживания не участвует (например, заявка на телефонный разговор в момент, когда все каналы заняты, получает отказ и покидает СМО не обслуженной). В СМО с ожиданием заявка, пришедшая в момент, когда все каналы заняты, не уходит, а становится в очередь на обслуживание.

Одним из методов расчета показателей эффективности СМО является метод имитационного моделирования. Практическое использование компьютерного имитационного моделирования предполагает построение соответствующей математической модели, учитывающей факторы неопределенности, динамические характеристики и весь комплекс взаимосвязей между элементами изучаемой системы. Имитационное моделирование работы системы начинается с некоторого конкретного начального состояния. Вследствие реализации различных событий случайного характера, модель системы переходит в последующие моменты времени в другие свои возможные состояния. Этот эволюционный процесс продолжается до конечного момента планового периода, т.е. до конечного момента моделирования.

Пусть имеется некоторая система, которая с течением времени изменяет свое состояние случайным образом. В этом случае говорят, что в системе протекает случайный процесс.

Процесс называется процессом с дискретными состояниями, если его состояния

можно заранее перечислить и переход системы из одного состояния в другое происходит скачком. Процесс называется процессом с непрерывным временем, если переходы системы из состояния в состояние происходят мгновенно.

Процесс работы СМО – это случайный процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем.

Случайный процесс называют марковским или случайным процессом без последействия, если для любого момента времени

вероятностные характеристики процесса в будущем зависят только от его состояния в данный момент и не зависят от того, когда и как система пришла в это состояние.

1.2 Потоки событий

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

Поток характеризуется интенсивностью λ – частотой появления событий или средним числом событий, поступающих в СМО в единицу времени.

Поток событий называется регулярным, если события следуют одно за другим через определенные равные промежутки времени.

Поток событий называется стационарным, если его вероятностные характеристики не зависят от времени. В частности, интенсивность стационарного потока есть величина постоянная:

.

Поток событий называется ординарным, если вероятность попадания на малый участок времени

двух и более событий мала по сравнению с вероятностью попадания одного события, т.е., если события появляются в нем поодиночке, а не группами.

Поток событий называется потоком без последействия, если для любых двух непересекающихся участков времени

Во многих областях экономики, финансов, производства и быта важную роль играют системы, реализующие многократное выполнение однотипных задач. Такие системы называются системами массового обслуживания (СМО). Примерами СМО являются: банки различных типов, страховые организации, налоговые инспекции, аудиторские службы, различные системы связи, погрузочно-разгрузочные комплексы, автозаправочные станции, различные предприятия и организации сферы обслуживания.

3.1.1 Общие сведения о системах массового обслуживания

Каждая СМО предназначена для обслуживания (выполнения) некоторого потока заявок (требований), поступающих на вход системы большей частью не регулярно, а в случайные моменты времени. Обслуживание заявок также длится не постоянное, заранее известное время, а случайное, которое зависит от многих случайных, порой неизвестных нам, причин. После обслуживания заявки канал освобождается и готов к приёму следующей заявки. Случайный характер потока заявок и времени их обслуживания приводит к неравномерной загруженности СМО. В некоторые промежутки времени на входе СМО могут скапливаться заявки, что приводит к перегрузке СМО, в некоторые же другие интервалы времени при свободных каналах (устройствах обслуживания) на входе СМО заявок не будет, что приводит к недогрузке СМО, т.е. к простаиванию её каналов. Заявки, скапливающиеся на входе СМО, либо «становятся» в очередь, либо по какой-то причине невозможности дальнейшего пребывания в очереди покидают СМО необслуженными.

На рис 3.1 изображена схема СМО.

Основными элементами (признаками) систем массового обслуживания являются:

Обслуживающий узел (блок),

Поток заявок,

Очередь в ожидании обслуживания (дисциплина очереди).

Обслуживающий блок предназначен для осуществления действий согласно требованиям поступающих в систему заявок.

Рис. 3.1 Схема системы массового обслуживания

Вторая составляющая систем массового обслуживания - входной поток заявок. Заявки поступают в систему случайным образом. Обычно предполагают, что входной поток подчиняется некоторому вероятностному закону для длительности интервалов между двумя последовательно поступающими заявками, причем закон распределения считается не изменяющимся в течение некоторого достаточно продолжительного времени. Источник заявок - неограничен.

Третья составляющая - дисциплина очереди . Эта характеристика описывает порядок обслуживания заявок, поступающих на вход системы. Поскольку обслуживающий блок, как правило, имеет ограниченную пропускную способность, а заявки поступают нерегулярно, то периодически создается очередь заявок в ожидании обслуживания, а иногда обслуживающая система простаивает в ожидании заявок.

Главная особенность процессов массового обслуживания – случайность. При этом имеются две взаимодействующие стороны: обслуживаемая и обслуживающая. Случайное поведение хотя бы одной из сторон приводит к случайному характеру протекания процесса обслуживания в целом. Источниками случайности взаимодействия этих двух сторон являются случайные события двух типов.

1. Появление заявки (требования) на обслуживание. Причиной случайности данного события часто является массовый характер потребности в обслуживании.

2. Окончание обслуживания очередной заявки. Причинами случайности этого события является как случайность начала обслуживания, так и случайная продолжительность самого обслуживания.

Указанные случайные события составляют систему двух потоков в СМО: входного потока заявок на обслуживание и выходного потока обслуженных заявок.

Результатом взаимодействия указанных потоков случайных событий является число находящихся в СМО заявок в данный момент, которое принято называть состоянием системы.

Каждая СМО в зависимости от своих параметров ­ характера потока заявок, числа каналов обслуживания и их производительности, от правил организации работы, ­ обладает определенной эффективностью функционирования (пропускной способностью), позволяющей ей успешно справляться с потоком заявок.

Специальная область прикладной математики ­ теория массового обслуживания (ТМО) – занимается анализом процессов в системах массового обслуживания. Предметом изучения теории массового обслуживания является СМО.

Цель теории массового обслуживания ­ выработка рекомендаций по рациональному построению СМО, рациональной организации их работы и регулированию потока заявок для обеспечения высокой эффективности функционирования СМО. Для достижения этой цели ставятся задачи теории массового обслуживания, состоящие в установлении зависимостей эффективности функционирования СМО от её организации.

Задачи теории массового обслуживания носят оптимизационный характер и в конечном счете направлены на определение такого варианта системы, при котором будет обеспечен минимум суммарных затрат от ожидания обслуживания, потерь времени и ресурсов на обслуживание и от простоя обслуживающего блока. Знание таких характеристик дает менеджеру информацию для выработки направленного воздействия на эти характеристики для управления эффективностью процессов массового обслуживания.

В качестве характеристик эффективности функционирования СМО обычно выбираются три следующие основные группы (обычно средних) показателей:

Показатели эффективности использования СМО:

Абсолютная пропускная способность СМО - среднее число заявок, которое сможет обслужить СМО в единицу времени.

Относительная пропускная способность СМО - отношение среднего числа заявок, обслуживаемых СМО в единицу времени, к среднему числу заявок поступивших за это же время.

Средняя продолжительность периода занятости СМО.

Коэффициент использования СМО - средняя доля времени, в течении которого СМО занята обслуживанием заявок, и т.п.

Показатели качества обслуживания заявок:

Среднее время ожидания заявки в очереди.

Среднее время пребывания заявки в СМО.

Вероятность отказа заявке в обслуживании без ожидания.

Вероятность того, что поступившая заявка немедленно будет принята к обслуживанию.

Закон распределения времени пребывания заявки в очереди.

Закон распределения времени пребывания заявки в СМО.

Среднее число заявок, пребывающих в очереди.

Среднее число заявок, находящихся в СМО, и т.п.

Показатели эффективности функционирования пары «СМО − потребитель», где под «потребителем» понимают всю совокупность заявок или некий их

Четвериков С. Ю. , Попов М.А.

Россия, Институт экономики и предпринимательства (г. Москва)

Теория систем массового обслуживания представляет собой прикладную математическую дисциплину, исследующую числовые характеристики явлений, протекающих в экономике. К ним можно отнести функционирование телефонного узла, центров бытового обслуживания, кассовых аппаратов в супермаркете и т.д.

Математическими моделями таких объектов служат системы массового обслуживания (СМО), описываемые следующим образом: в систему поступают требования (заявки на обслуживание), каждое из которых обслуживается некоторое время и затем покидает систему. Однако в силу ограничений на ресурсы (число обслуживающих кассовых аппаратов, скорости обслуживания и т.п.) система способна обслуживать одновременно только определенное число требований. Математические модели в этом случае призваны решать задачи вычисления числовых показателей качества функционирования СМО.

При построении моделей СМО принципиально выделяют две системы: детерминированную и стохастическую, которые собственно определяют тип математической модели.

Рассмотрим простейшую детерминированную систему, состоящую из п одинаковых приборов, в которую требования поступают через детерминированные (постоянные) промежутки времени, а время, обслуживания каждого требования также постоянно. Очевидно, что если требования поступают через промежутки

а время обслуживания каждого требования павно

то необходимое и достаточное условие нормального функционирования системы заключается в выполнении неравенства

В противном случае с течением времени требования будут накапливаться в системе.

Параметры X и ц имеют простой физический смысл:

X - среднее число поступающих за единицу времени требований или интенсивность входящего потока;

ц - среднее число требований, которое способен обслужить за единицу времени каждый прибор, или интенсивность обслуживания требований одним прибором;

/7ц - среднее число требований, которое способны обслужить п приборов, или интенсивность обслуживания требовании всей системой.

Таким образом, условие (1) означает, что интенсивность входящего потока не должна превышать интенсивности обслуживания требований всей системой. Рассмотрим величину

Так называемую загрузку системы.

Тогда неравенство (1) можно переписать в виде:

В этом случае загрузку можно интерпретировать как среднюю долю времени, в течение которого приборы заняты обслуживанием требований, а величину 1 - р - как среднюю долю времени, в течение которого приборы простаивают.

Наконец, еще одно замечание к функционированию системы с детерминированными характеристиками:

если в начальный момент времени система свободна и выполнено условие (2), то каждое поступающее в систему требование сразу же становится на обслуживающий прибор;

в случае р

наконец, если р > 1, то за единицу времени очередь в среднем увеличивается на Мр-1).

В реальных системах массового обслуживания существенную роль играют элементы случайности:

во-первых, времена между поступлениями требований не являются детерминированными;

во-вторых, не являются детерминированными времена обслуживания требований.

Кроме того, элементы случайности могут появляться из-за других причин, например, отказов элементов систем массового обслуживания.

Оказывается, элементы случайности существенно влияют на качество функционировании систем обслуживания. Так, если загрузка р = 1, то, в отличие от детерминированных систем, в стохастических системах очередь с течением времени в среднем стремится к бесконечности. Очереди в стохастических системах образуются даже в случае р

Рассмотрим формализованное описание СМО. Основными параметрами СМО являются:

входящий поток требований;

структура системы;

временные характеристики обслуживания требований;

дисциплина обслуживания.

Рассмотрим эти параметры.

Входящий поток характеризуется случайными моментами поступления требований в простую систему, а для сложных систем - и типами поступающих в эти моменты требований.

При задании случайного потока обычно предполагается, что входящий поток является рекуррентным и, наиболее часто пуассоновским.

Сделаем несколько замечаний о корректности описания поступающих в реальные системы потоков требований пуассоновским и рекуррентным. Очевидно, что уже свойство отсутствия последействия в реальных системах выполняется крайне редко, поскольку у обладающего таким свойством потока за любой сколь угодно малый промежуток времени может поступить сколь угодно большое число требований с отличной от нуля (хотя и чрезвычайно малой) вероятностью. Однако практика показывает, что описание входящего потока пуассоновским в большинстве случаев с достаточной степенью точности правомерно. Дополнительным математическим подтверждением этого факта служит теорема Хинчина, которая говорит, что объединение большого числа "редких" потоков при весьма слабых ограничениях дает пуассоновский поток.

Второе свойство пуассоновского потока - стационарность - также не выдергивает критики. В самом деле, интенсивность входящего потока, как правило, зависит от времени суток, года и т.п. Если сохранить свойства отсутствия последействия и ординарности, то получается нестационарный пуассоновский поток. В ряде случаев удается разработать математические модели расчета экономических систем с таким входящим потоком, однако получаемые при этом формулы очень громоздки и трудны для практического применения. По этой причине в расчетах ограничиваются некоторым временным интервалом, на котором интенсивность входящего потока мало меняется.

Если отказаться только от свойства ординарности, то получается неординарный пуассоновский поток, у которого моменты поступления требований образуют обычный пуассоновский поток, но в каждый такой момент приходит случайное число требований. Большинство результатов, справедливых для систем с пуассоновским потоком, практически без изменений переносится на системы с неординарным пуассоновским потоком.

Для задания структуры СМО необходимо перечислить все элементы, имеющиеся в системе, и указать, требования каких типов или даже на каких фазах обслуживания может обслуживать каждый элемент. При этом отдельный элемент может обслуживать требования нескольких типов и, наоборот, требования одного типа могут обслуживаться на нескольких элемента. В дальнейшем будем предполагать, что в СМО имеется один или несколько одинаковых элементов и каждое требование может обслуживаться на любом из них. Системы такого типа называются однолинейными (один элемент) или многолинейными (несколько элементов).

В системах обслуживания могут быть элементы для ожидания требованиями начала обслуживания. Если таких элементов бесконечно много, то говорят о системах с ожиданием, если их число конечно - о системах с конечным числом мест ожидания, если же они вообще отсутствуют (требование, заставшее в момент поступления в систему все элементы занятыми, теряется; пример - обычные телефонные системы) - о системах с потерями.

Временные характеристики обслуживания требований также представляют собой сложный объект для формализованного описания. Обычно предполагается, что времена обслуживания всех требований независимые между собой и являются одинаково распределенными случайными величинами. Если в СМО поступают требования нескольких типов, распределение времени обслуживания может зависеть от типа требования.

Дисциплина обслуживания заключается в правиле постановки требований в очередь и порядке выбора их из очереди на обслуживание, распределении элементов между требованиями, а в многофазных системах - и между фазами обслуживания. Будем предполагать, что в системе реализована простейшая дисциплина - обслуживание требование в порядке поступления (FIFO). В многолинейных системах образуется общая очередь ко всем элементам, и находящийся первый в очереди требование поступает на любой освободившийся элемент.

Тем не менее, в СМО используются и более сложные дисциплины обслуживания. Простейшими примерами таких дисциплин являются инверсионный (обратный) порядок обслуживания (LIFO), при котором обслуживается требование, поступившее в систему последним.

Дисциплина равномерного разделения элементов системы, при которой каждое из п находящихся в системе требований обслуживается с одинаковой скоростью 1/п. Иногда в момент поступления требования в систему становится известно время его обслуживания (работа, которую предстоит совершить). Тогда можно использовать дисциплины, зависящие от остаточных времен обслуживания требований. В частности, дисциплина обслуживания первым требования с минимальным остаточным временем обслуживания позволяет получить минимальную длину очереди в любой момент времени. Применение сложных дисциплин обслуживания очень часто позволяет без каких- либо дополнительных затрат существенно улучшить качество функционирования СМО.

Особый класс СМО представляют собой приоритетные системы, в которые поступают потоки требований нескольких приоритетов, и требования более высоких приоритетов имеют преимущество перед требованиями более низких приоритетов, т.е. обслуживаются раньше. Приоритеты могут быть относительными, когда требования более высокого приоритета не прерывают обслуживания находящихся на элементах требований более низких приоритетов, и абсолютные, когда такое прерывание происходит.

В случае абсолютных приоритетов также возможны различные модификации: недообслуженные требования с прерванным обслуживанием покидают системы (системы с выбыванием), продолжают обслуживаться после того, как все требования более высоких приоритетов покинут систему (системы с дообслуживанием), обслуживаются заново.

К дисциплинам обслуживания следует отнести и такие факторы, как подготовительный этап перед началом обслуживания очередного требования или после того, как в свободную систему поступило требование, этап переключения элемента на обслуживание требований другого типа, обслуживание требований ненадежными элементами системы и т.п. Наконец, может быть ограничено время пребывания требования в системе или время ожидания начала обслуживания.

Опишем теперь те характеристики СМО, которые представляют интерес для пользователя. Иногда на практике их называют вероятностно-временными характеристиками. Наиболее важными из них являются длина очереди (т.е. число ожидающих начала обслуживания требований) и время ожидания начала обслуживания требования. Поскольку и длина очереди, и время ожидания начала обслуживания - случайные величины, то, естественно, они описываются своими распределениями. Кроме того, распределения длины очереди и времени ожидания зависят от текущего момента времени.

В системах с потерями или конечным числом мест ожидания к важнейшим характеристикам относится также вероятность потери требования. Иногда наряду с длиной очереди рассматривают общее число требований в системе, а наряду с временем ожидания начала обслуживания - время пребывания требования в системе.

В системах с потерями или конечным числом мест ожидания, а также в системах с ожиданием и загрузкой р

Нахождению стационарных характеристик посвящено большинство работ по теории массового обслуживания, хотя и нестационарные характеристики исследованы достаточно подробно.

Литература

• 1. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Физматгиз, 1961.
• 2. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения.T.I. М.: Мир,
• 1984.
• 3. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука, 1966.
• 4. Саати Т.Л. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Сов. радио, 1965.