Расчет показателей эффективности открытой одноканальной СМО с отказами. Расчет показателей эффективности открытой многоканальной СМО с отказами. Расчет показателей эффективности многоканальной СМО с ограничением на длину очереди. Расчет показателей эффективности многоканальной СМО ожиданием.
1. Потоки заявок в СМО
2. Законы обслуживания
3. Критерии качества работы СМО
4.
5. Параметры моделей очередей. При анализе систем массового
6. I. Модель А – модель одноканальной системы массового обслуживания с Пуассоновским входным потоком заявок и Экспоненциальным временем обслуживания.
7. II. Модель В – многоканальная система обслуживания.
8. III. Модель С – модель с постоянным временем обслуживания.
9. IV. Модель D – модель с ограниченной популяцией.
Потоки заявок в СМО
Потоки заявок бывают входные и выходные. Входной поток заявок - ϶ᴛᴏ временная последовательность событий на входе СМО, для которой появление события (заявки) подчиняется вероятностным (или детерминированным) законам. В случае если требования на обслуживание приходят в соответствие, с каким – либо графиком (к примеру, автомобили приезжают на АЗС каждые 3 минуты) то такой поток подчиняется детерминированным (определенным) законам. Но, как правило, поступление заявок подчиняется случайным законам. Для описания случайных законов в теории массового обслуживания вводится в рассмотрение модель потоков событий. Потоком событий принято называть последовательность событий, следующих одно за другим в случайные моменты времени . В качестве событий могут фигурировать поступление заявок на вход СМО (на вход блока очереди), появление заявок на входе прибора обслуживания (на выходе блока очереди) и появление обслуженных заявок на выходе СМО. 
Потоки событий обладают различными свойствами, которые позволяют различать различные типы потоков. Прежде всего, потоки бывают однородными инеоднородными. Однородные потоки – такие потоки, в которых поток требований обладает одинаковыми свойствами: имеют приоритет первым пришел – первым обслужен, обрабатываемые требования имеют одинаковые физические свойства. Неоднородные потоки – такие потоки, в которых требования обладают неодинаковыми свойствами: требования удовлетворяются по принципу приоритетности (пример, карта прерываний в ЭВМ), обрабатываемые требования имеют различные физические свойства. Схематично неоднородный поток событий должна быть изображен следующим образом 
Соответственно можно использовать несколько моделей СМО для обслуживания неоднородных потоков: одноканальная СМО с дисциплиной очереди, учитывающей приоритеты неоднородных заявок, и многоканальная СМО с индивидуальным каналом для каждого типа заявок. Регулярным потоком принято называть поток, в котором события следуют одно за другим через одинаковые промежутки времени. В случае если обозначить через – моменты появления событий, причем , а через интервалы между событиями, то для регулярного потока 
Рекуррентный поток соответственно определяется как поток, для которого все функции распределения интервалов между заявками совпадают, то есть Физически рекуррентный поток представляет собой такую последовательность событий, для которой все интервалы между событиями как бы "ведут себя" одинаково, ᴛ.ᴇ. подчиняются одному и тому же закону распределения. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, можно исследовать только один какой-нибудь интервал и получить статистические характеристики, которые будут справедливы для всех остальных интервалов. Для характеристики потоков очень часто вводят в рассмотрение вероятность распределения числа событий в заданном интервале времени , которая определяется следующим образом: 
где – число событий, появляющихся на интервале . Поток без последействия характеризуется тем свойством, что для двух непересекающихся интервалов времени и , где , , , вероятность появления числа событий на втором интервале не зависит от числа появления событий на первом интервале. 
Отсутствие последействия означает отсутствие вероятностной зависимости последующего течения процесса от предыдущего. В случае если имеется одноканальная СМО с временем обслуживания , то при потоке заявок без последействия на входе системы выходной поток будет с последействием, так как заявки на выходе СМО не появляются чаще чем интервал . В регулярном потоке, в котором события следуют друг за другом через определенные промежутки времени, имеется самое жесткое последействие. Потоком с ограниченным последействием принято называть такой поток, для которого интервалы между событиями независимы. Поток принято называть стационарным, в случае если вероятность появления какого-то числа событий на интервале времени зависит только от длины этого интервала и не зависит от его расположения на оси времени. Важно заметить, что для стационарного потока событий среднее число событий в единицу времени постоянно. Ординарным потоком принято называть такой поток, для которого вероятность попадания на данный малый отрезок времени dt двух и более требований пренебрежительно мала по сравнению с вероятностью попадания одного требования. Поток, который обладает свойствами стационарности, отсутствия последействия и ординарности называют пуассоновским (простейшим). Этот поток занимает центральное место среди всего многообразия потоков, так же как случайные величины или процессы с нормальным законом распределения в прикладной теории вероятности. Пуассоновский поток описывается следующей формулой: 
, где – вероятность появления событий за время , – интенсивность потока. Интенсивностью потока называют среднее число событий, которые появляются за единицу времени. Для пуассоновского потока интервалы времени между заявками распределены по экспоненциальному закону 
Потоком с ограниченным последействием, для которого интервалы времени между заявками распределены по нормальному закону, принято называть нормальным потоком.
Законы обслуживания
Режим обслуживания (время обслуживания), так же как и режим поступления заявок, должна быть либо постоянным, либо случайным. Во многих случаях время обслуживания подчиняется экспоненциальному распределению. Вероятность того, что обслуживание закончится до момента t, равна: 
где – плотность потока заявок Откуда плотность распределения времени обслуживания 
Дальнейшим обобщением экспоненциального закона обслуживания может служить закон распределения Эрланга, когда каждый интервал обслуживания подчиняется закону: 
где – интенсивность исходного пуассоновского потока, k – порядок потока Эрланга.
Критерии качества работы СМО
Эффективность работы СМО оценивается различными показателями исходя из цепи и типа СМО. Наибольшее распространение получили следующие:
Абсолютная пропускная способность СМО с отказами (производительность системы) – среднее число требований, которые может обработать система.
Относительная пропускная способность СМО – отношение среднего числа требований, обработанных системой, к среднему числу требований, поступивших на вход СМО.
Средняя длительность простоя системы.
Для СМО с очередью добавляются такие характеристики: Длина очереди, которая зависит от ряда факторов: от того, когда и сколько требований поступило в систему, сколько времени затрачено на обслуживание требований, которые поступили. Длина очереди является случайной величиной. От длины очереди зависит эффективность работы системы массового обслуживания.
Для СМО с ограниченным ожиданием в очереди важны все перечисленные характеристики, а для систем с неограниченным ожиданием абсолютная и относительная пропускная способности СМО теряют смысл.
На рис. 1 приведены системы обслуживания различной конфигурации.
Параметры моделей очередей. При анализе систем массового обслуживания используются технические и экономические характеристики.
Наиболее часто используются следующие Технические характеристики:
1) среднее время, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ клиент проводит в очереди;
2) средняя длина очереди;
3) среднее время, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ клиент проводит в системе обслуживания (время ожидания плюс время обслуживания);
4) среднее число клиентов в системе обслуживания;
5) вероятность того, что система обслуживания окажется незанятой;
6) вероятность определенного числа клиентов в системе.
Среди Экономических характеристик наибольший интерес представляют следующие:
1) издержки ожидания в очереди;
2) издержки ожидания в системе;
3) издержки обслуживания.
Модели систем массового обслуживания . Учитывая зависимость отсочетания приведенных выше характеристик могут рассматриваться различные модели систем массового обслуживания.
Здесь мы ознакомимся с несколькими наиболее известными моделями. Все они имеют следующие общие характеристики:
А) пуассоновское распределение вероятностей поступления заявок;
Б) стандартное поведение клиентов;
В) правило обслуживания FIFO (первым пришел - первым обслужен);
Г) единственная фаза обслуживания.
I. Модель А - модель одноканальной системы массового обслуживания М/М/1 с Пуассоновским входным потоком заявок и Экспоненциальным временем обслуживания.
Наиболее часто встречаются задачи массового обслуживания с единственным каналом. В этом случае клиенты формируют одну очередь к единственному пункту обслуживания. Предположим, что для систем этого типа выполняются следующие условия:
1. Заявки обслуживаются по принципу ʼʼпервым пришел - первым обслуженʼʼ (FIFO), причем каждый клиент ожидает своей очереди до конца независимо от длины очереди.
2. Появления заявок являются независимыми событиями, однако среднее число заявок, поступающих в единицу времени, неизменно.
3. Процесс поступления заявок описывается пуассоновским распределением, причем заявки поступают из неограниченного множества.
4. Время обслуживания описывается экспоненциальным распределением вероятностей.
5. Темп обслуживания выше темпа поступления заявок.
Пусть λ – число заявок в единицу времени;
μ – число клиентов, обслуживаемых в единицу времени;
n – число заявок в системе.
Тогда система массового обслуживания описывается уравнениями, приведенными ниже.
Формулы для описания системы М/М/1:
Среднее время обслуживания одного клиента в системе (время ожидания плюс время обслуживания);
Среднее число клиентов в очереди;
Среднее время ожидания клиента в очереди;
Характеристика загруженности системы (доля времени, в течение которого система занята обслуживанием);
Вероятность отсутствия заявок в системе;
Вероятность того, что в системе находится более чем K заявок.
II. Модель В - многоканальная система обслуживания M/M/S. В многоканальной системе для обслуживания открыты два канала или более. Предполагается, что клиенты ожидают в общей очереди и обращаются в первый освободившийся канал обслуживания.
Пример такой многоканальной однофазовой системы можно увидеть во многих банках: из общей очереди клиенты обращаются в первое освободившееся окошко для обслуживания.
В многоканальной системе поток заявок подчиняется Пуассоновскому закону, а время обслуживания -Экспоненциальному. Приходящий первым обслуживается первым, и все каналы обслуживания работают в одинаковом темпе. Формулы, описывающие модель В, достаточно сложны для использования. Для расчета параметров многоканальной системы обслуживания удобно использовать соответствующее программное обеспечение.
Время нахождения заявки в очереди;
Время нахождения заявки в системе.
III. Модель С - модель с постоянным временем обслуживания M/D/1.
Некоторые системы имеют Постоянное, а не экспоненциально распределенное время обслуживания. В таких системах клиенты обслуживаются в течение фиксированного периода времени, как, к примеру, на автоматической мойке автомобилей. Для модели С С постоянным темпом обслуживания значения величин Lq и Wq Вдвое меньше, чем соответствующие значения в модели А, имеющей переменный темп обслуживания.
Формулы, описывающие модель С:
Средняя длина очереди;
- среднее время ожидания в очереди;
Среднее число клиентов в системе;
Среднее время ожидания в системе.
IV. Модель D - модель с ограниченной популяцией.
В случае если число потенциальных клиентов системы обслуживания Ограничено, мы имеем дело со специальной моделью. Такая задача может возникнуть, к примеру, в случае если речь идет об обслуживании оборудования фабрики, имеющей пять станков.
Особенность этой модели по сравнению с тремя рассмотренными ранее в том, что существует Взаимозависимостьмежду длиной очереди и темпом поступления заявок.
V. Модель Е - модель с ограниченной очередью. Модель отличается от предыдущих тем, что число мест в очереди Ограничено. В этом случае заявка, прибывшая в систему, когда все каналы и места в очереди заняты, покидает систему необслуженной, т. е. получает отказ.
Как частный случай модели с ограниченной очередью можно рассматривать Модель с отказами, в случае если количество мест в очереди сократить до нуля.
Основные показатели эффективности работы СМО - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Основные показатели эффективности работы СМО" 2017, 2018.
1. Введение.
1.1. Историческая справка.
Большинство систем, с которыми человек имеет дело, являются стохастическими. Попытка их математического описания с помощью детерминистических моделей приводит к огрублению истинного положения вещей. При решении задач анализа и проектирования таких систем приходится считаться с положением вещей, когда случайность является определяющей для процессов, протекающих в системах. При этом пренебрежение случайностью, попытка “втиснуть” решение перечисленных задач в детерминистические рамки приводит к искажению, к ошибкам в выводах и практических рекомендациях.
Первые задачи теории систем массового обслуживания (ТСМО) были рассмотрены сотрудником Копенгагенской телефонной компании, датским ученым А.К. Эрлангом (1878- 1929г) в период между 1908 и 1922гг. Эти задачи были вызваны к жизни стремлением упорядочить работу телефонной сети и разработать методы, позволяющие заранее повысить качество обслуживания потребителей в зависимости от числа используемых устройств. Оказалось, что ситуации, возникающие на телефонных станциях, являются типичными не только для телефонной связи. Работа аэродромов, морских и речных портов, магазинов, терминальных классов, электронных вычислительных комплексов, радиолокационных станций и т.д. может быть описана в рамках ТСМО.
1.2. Примеры систем массового обслуживания. Анализ задач ТСМО.
Пример 1. Телефонная связь времен Эрланга представляла из себя телефонную станцию, связанную с большим числом абонентов. Телефонистки станции по мере поступления вызовов соединяли телефонные номера между собой.
Задача: Какое количество телефонисток (при условии их полной занятости) должно работать на станции для того, чтобы потери требований были минимальными.
Пример 2. Система скорой помощи некоего городского района представляет собой пункт (который принимает требования на выполнение), некоторое количество автомашин скорой помощи и несколько врачебных бригад.
Задача: Определить количество врачей, вспомогательного персонала, автомашин, для того чтобы время ожидания вызова было для больных оптимальным при условии минимизации затрат на эксплуатацию системы и максимизации качества обслуживания.
Пример 3. Важной задачей является организация морских и речных перевозок грузов. При этом особое значение имеют оптимальное использование судов и портовых сооружений.
Задача: Обеспечить определенный объем перевозок при минимальных расходах. При этом сократить простои судов при погрузочно-разгрузочных работах.
Пример 4. Система обработки информации содержит мультиплексный канал и несколько ЭВМ. Сигналы от датчиков поступают на мультиплексный канал, где буферизуются и предварительно обрабатываются. Затем поступают в ту ЭВМ, где очередь минимальна.
Задача: Обеспечить ускорение обработки сигналов при заданной суммарной длине очереди.
Пример 5 . На рис 1.1. изображена структурная схема типичной системы массового обслуживания – ремонтного предприятия (например, по ремонту ПЭВМ). Порядок ее работы ясен из схемы и не требует разъяснений.
рис 1.1.
Нетрудно привести множество других примеров из самых различных областей деятельности.
Характерным для таких задач является:
- условия “двойной” случайности –
- случаен момент времени поступления заказа на обслуживание (на телефонную станцию, на пункт скорой помощи, на вход процессора, случаен момент времени прибытия морского судна под погрузку и т.д.);
- случайна длительность времени обслуживания.
2)проблема бича нашего времени – очередей: судов перед шлюзами, машин перед прилавками, задач на входе процессоров вычислительного комплекса и т.д.
А.К. Эрланг обратил внимание на то, что СМО могут быть разделены на два типа, а именно: на системы с ожиданием и системы с потерями. В первом случае – заявка, поступившая на вход системы “ждет” очереди на выполнение, во втором – она из-за занятости канала обслуживания получает отказ и теряется для СМО.
В дальнейшем мы увидим, что к классическим задачам Эрланга прибавляются новые задачи:
Реальные системы, с которыми приходится иметь дело на практике, как правило, очень сложны и включают в себя ряд этапов (стадий) обслуживания (рис 1.1.). Причем на каждом этапе может существовать вероятность отказа в выполнении или существует ситуация приоритетного обслуживания по отношению к другим требованиям. При этом отдельные звенья обслуживания могут прекратить свою работу (для ремонта, подналадки и т.д.) или могут быть подключены дополнительные средства. Могут быть такие обстоятельства, когда требования, получившие отказ, вновь возвращаются в систему (подобное может происходить в информационных системах).
1.3. Понятия, определения, терминология.
Все СМО имеют вполне определенную структуру, изображенную на рис 1.2
рис 1.2
Определения, термины
- Потоком называют последовательность событий. Поток, состоящий из требований на обслуживание, называют потоком требований.
- Поток требований, поступающих в обслуживающую систему, называют входящим потоком.
- Поток требований, которые обслужены, называют выходящим потоком.
- Совокупность очередей и приборов (каналов) обслуживания называются системой обслуживания.
- Каждые требования поступают на свой канал, где подвергается операции обслуживания.
- Каждая СМО имеет определенные правила формирования очереди и правила или дисциплину обслуживания.
1.4. Классификация СМО.
1.4.1. По характеру источника требований различают СМО с конечным и бесконечным количеством требований на входе.
В первом случае в системе циркулирует конечное, обычно постоянное количество требований, которые после завершения обслуживания возвращаются в источник.
Во втором случае источник генерирует бесконечное число требований.
Пример 1. Цех с постоянным количеством станков или определенное количество ПЭВМ в терминальном классе, требующих постоянного профилактического осмотра и ремонта.
Пример 2 . Сеть Internet с бесконечным требованием на входе, любой магазин, парикмахерская и т.д.
Первый вид СМО называют замкнутой, второй – разомкнутой.
СМО различают:
1.4.2. По дисциплине обслуживания:
- обслуживание в порядке поступления;
- обслуживание в случайном порядке (в соответствии с заданным законом распределения);
- обслуживание с приоритетом.
1.4.3. по характеру организации:
- с отказами;
- с ожиданиями;
- с ограничением ожидания.
В первом случае заявка получает отказ, когда канал занят. Во втором случае – ставится в очередь и ждет освобождения канала. В третьем случае вводится ограничения на длительность ожидания.
1.4.4. По количеству единиц обслуживания:
- одноканальные;
- двухканальные;
- многоканальные.
1.4.5. По числу этапов (фаз) обслуживания - на однофазные и многофазные. (Примером многофазных СМО может служить любая поточная линия).
1.4.6. По свойствам каналов: на однородные, когда каналы имеют одинаковую характеристику и неоднородные в противном случае.
В практике человеческой деятельности большое место занимают процессы массового обслуживания, которые возникают в системах, предназначенных для многоразового использования при решении однотипных задач. Такие системы получили название систем массового обслуживания (СМО). Примерами таких систем являются телефонные системы, вычислительные комплексы, системы автотранспортного, авиационного, ремонтного обслуживания, магазины, билетные кассы и т.п.
Каждая система состоит из определенного числа обслуживающих единиц (приборов, аппаратов, устройств" пунктов, станций), которые называются каналами обслуживания. По числу каналов СМО подразделяют на одноканальные и многоканальные. Схема одноканальной системы массового обслуживания представлена на рис. 6.2.
Заявки в систему поступают обычно не регулярно, а случайно, образуя случайный поток заявок (требований). Само обслуживание каждого требования может занимать либо определенное время, либо, что бывает чаще, неопределенное время. Случайный характер 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.
Рис. 6.2.
Целью исследования систем массового обслуживания является анализ качества их функционирования и выявление возможностей его улучшения. При этом понятие "качество функционирования" в каждом отдельном случае будет иметь свой конкретный смысл и выражаться различными количественными показателями. Например, такими количественными показателями, как величина очереди на обслуживание, среднее время обслуживания, ожидания обслуживания или нахождения требования в обслуживающей системе, время простоя обслуживающих аппаратов; уверенность, что все поступившие в систему требования будут обслужены.
Таким образом, под качеством функционирования системы массового обслуживания понимают не собственно качество выполнения той или иной работы, запрос на которую поступил, а степень удовлетворения потребности в обслуживании.
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.
Классификация систем массового обслуживания
Первым признаком, позволяющим классифицировать задачи массового обслуживания, является поведение требований, поступивших в обслуживающую систему в тот момент, когда все аппараты заняты.
В некоторых случаях требование, попавшее в систему в тот момент, когда все аппараты заняты, не может ждать освобождения их и покидает систему не обслуженным, т.е. требование теряется для данной обслуживающей системы. Такие обслуживающие системы называются системами с потерями, а сформулированные по ним задачи - задачами обслуживания для систем с потерями.
Если же требование, попав в систему, становится в очередь и ждет освобождения аппарата, то такие системы называются системами с ожиданием, а соответствующие задачи называются задачами обслуживания в системах с ожиданием. СМО с ожиданием подразделяется на разные виды в зависимости от того, как организована очередь: с ограниченной или неограниченной длиной очереди, с ограниченным временем ожидания и т.п.
СМО различаются и по числу требований, которые одновременно могут находиться в обслуживающей системе. Выделяют:
- 1) системы с ограниченным потоком требований;
- 2) системы с неограниченным потоком требований.
В зависимости от форм внутренней организации обслуживания в системе выделяют:
- 1) системы с упорядоченным обслуживанием;
- 2) системы с неупорядоченным обслуживанием.
Важным этапом исследования СМО является выбор критериев, характеризующих изучаемый процесс. Выбор зависит от типа исследуемых задач, от цели, которая преследуется решением.
Наиболее часто на практике встречаются системы, в которых поток требований близок к простейшему, а время обслуживания подчиняется показательному закону распределения. Эти системы наиболее полно разработаны в теории массового обслуживания.
В условиях предприятия типичными являются задачи с ожиданием, с конечным числом обслуживающих аппаратов, с ограниченным потоком требований и с неупорядоченным обслуживанием.
Во многих областях экономики, финансов, производства и быта важную роль играют системы массо-вого обслуживания (СМО), т.е. такие системы, в которых, с одной стороны, возникают массовые запросы (требования) на выполнение каких-либо услуг, а с другой стороны, происходит удовлетворение этих запросов.
В качествепримеров СМО в финансово-экономи-ческой сфере можно привести системы, представляющие собой: банки различных типов, страховые организа-ции, налоговые инспекции, ау-диторские службы, различные системы связи (в том числе те-лефонные станции), погрузочно-разгрузочные комплексы (товарные станции), автозаправочные станции, различные предприятия и организации сферы обслуживания (магазины, предприятия массового питания, справочные бюро, парикмахерские, билетные кассы, пункты по обмену валюты, ремонтные мастерские, больницы).
Такие сис-темы как компьютерные сети, системы сбора, хранения и обра-ботки информации, транспортные системы, автоматизирован-ные производственные участки, поточные линии также могут рассматриваться как своеобразные СМО.
В торговле выполняется множество операций в процессе движе-ния товарной массы из сферы производства в сферу потребления. Такими операциями являются: погрузка и выгрузка товаров, пере-возка, упаковка, фасовка, хранение, выкладка, продажа и т. д. Для торговой деятельности характерны массовое поступление товаров, денег, массовое обслу-живание покупателей и т. п., а также выполнение соответствующих операций, которые носят случайный характер. Все это создает не-равномерность в работе торговых организаций и предприятий, порождает недогрузки, простои и перегрузки. Много времени отни-мают очереди, например, у покупателей в магазинах, водителей ав-томашин на товарных базах, ожидающих разгрузки или погрузки.
В связи с этим возникают задачи анализа работы, например тор-гового отдела, торгового предприятия или секции, для оценки их деятельности, выявления недостатков, резервов и принятия в конеч-ном итоге мер, направленных на увеличение ее эффективности. Кроме того, возникают задачи, связанные с созданием и внедре-нием более экономичных способов выполнения операций в пределах секции, отдела, торгового предприятия, овощной базы, управления торговли и т. п. Следовательно, в организа-ции торговли методы теории массового обслуживания позволяют определить оптимальное количество торговых точек данного профиля, численность про-давцов, частоту завоза товаров и другие параметры.
Другим ха-рактерным примером систем массового обслуживания могут служить склады или базы снабженческо-сбытовых организа-ций, и задача теории массового обслуживания сводится к тому, чтобы установить оптимальное соотношение между числом по-ступающих на базу требований на обслуживание и числом об-служивающих устройств, при котором суммарные расходы на обслуживание и убытки от простоя транспорта были бы мини-мальными. Теория массового обслуживания может найти при-менение и при расчете площади складских помещений, при этом складская площадь рассматривается как обслуживающее устройство, а прибытие транспортных средств под выгрузку - как требование.
Основные характеристики СМО
СМО включаетследующие элементы : источник требований, входящий поток требований, очередь, обслуживающее устройство (канал обслуживания), выходящий поток требований (обслуженных заявок).
Каждая СМО предназначена для обслуживания (выполнения) некоторого потока заявок (требований), поступающих на вход системы, в основном, не регулярно, а в случайные моменты времени. Обслуживание заявок также длится не постоянное, заранее известное время, а случайное время, которое зависит от многих случайных причин. После обслуживания заявки канал освобожден и готов к приему следующей заявки.
Случайный характер потока заявок и времени их обслуживания приводит к не-равномерной загруженности СМО: в некоторые промежутки времени на входе СМО могут скапливаться необслуженные заявки, что приводит к перегрузке СМО, в некоторые же дру-гие интервалы времени при свободных каналах на входе CMО заявок не будет, что приводит к недогрузке СМО, т.е. к про-стаиванию ее каналов. Заявки, скапливающиеся на входе СМО, либо "становятся" в очередь, либо по какой-то причине невоз-можности дальнейшего пребывания в очереди покидают СМО необслуженными.
Схема СМО изображена на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 - Схема системы массового обслуживания
Каждая СМО включает в свою структуру некоторое число обслуживающих устройств, которые называют каналами обслуживания . Роль каналов могут играть различные приборы, лица, выполняющие те или иные операции (кассиры, операторы, продавцы), линии связи, автомашины и т.д.
Каждая СМО в зависимости от своих параметров: характера потока заявок, числа каналов обслуживания и их производи-тельности, а также от правил организации работы обладает определенной эффективностью функционирования (пропускной способностью), позволяющей ей более или менее успешно справляться с потоком заявок.
СМО явля-ется предметом изучения теории массового обслуживания .
Цель теории массового обслуживания — выработка рекомен-даций по рациональному построению СМО, рациональной ор-ганизации их работы и регулированию потока заявок для обес-печения высокой эффективности функционирования СМО.
Для достижения этой цели ставятся задачи теории массового обслуживания, состоящие в установлении зависимостей эффек-тивности функционирования СМО от ее организации (пара-метров).
В качестве характеристик эффективности функционирова-ния СМО можно выбрать три основные группы (обычно средних) показателей:
1. Показатели эффективности использования СМО:
1.1. Абсолютная пропускная способность СМО - среднее число заявок, которое сможет обслужить СМО в единицу времени.
1.2. Относительная пропускная способность СМО - от-ношение среднего числа заявок, обслуживаемых СМО в единицу времени, к среднему числу посту-пивших заявок за это же время.
1.3. Средняя продолжительность периода занятости СМО.
1.4. Коэффициент использования СМО — средняя доля времени, в течение которого СМО занята обслужи-ванием заявок.
2. Показатели качества обслуживания заявок :
2.1. Среднее время ожидания заявки в очереди.
2.2. Среднее время пребывания заявки в СМО.
2.3. Вероятность отказа заявке в обслуживании без ожи-дания.
2.4. Вероятность того, что поступившая заявка немедлен-но будет принята к обслуживанию.
2.5. Закон распределения времени ожидания заявки в очереди.
2.6. Закон распределения времени пребывания заявки в СМО.
2.7. Среднее число заявок, находящихся в очереди.
2.8. Среднее число заявок, находящихся в СМО, и т.п.
3. Показатели эффективности функционирования пары "СМО — потребитель" , где под "потребителем" понимают всю совокупность заявок или некий их источник (например, средний доход, при-носимый СМО в единицу времени, и т.п.).
Случайный характер потока заявок и длительности их об-служивания порождает в СМО случайный процесс . Поскольку моменты времени T i и интервалы времени поступле-ния заявок T , продолжительность операций обслуживания Т обс , про-стоя в очереди T оч , длина очереди l оч — случайные величины, то характеристики состояния систем массового обслуживания носят вероятностный характер. Поэтому для решения задач теории массового обслужива-ния необходимо этот случайный процесс изучить, т.е. постро-ить и проанализировать его математическую модель.
Математическое изучение функционирования СМО значи-тельно упрощается, если протекающий в ней случайный про-цесс является марковским . Чтобы случайный процесс был марковским, необходимо и достаточно, чтобы все потоки событий, под воз-действием которых происходят переходы системы из состояния в состояние, были (простейшими) пуассоновскими .
Простейший поток обладает тремя основными свойствами : ординарности, стационарности и отсутствия последействия.
Ординарность потока означает практическую невозмож-ность одновременного поступления 2-х и более требований. На-пример, достаточно малой является вероятность того, что в магазине самообслуживания одно-временно выйдут из строя несколько кассовых аппаратов.
Стационарным называется поток, для которого математиче-ское ожидание числа требований, поступающих в систему в едини-цу времени (обозначим λ ), не меняется во времени. Таким образом, вероятность поступления в систему определенного количества тре-бований в течение заданного промежутка времени ?T зависит от его величины и не зависит от начала его отсчета на оси времени.
Отсутствие последействия означает, что число требова-ний, поступивших в систему до момента T , не определяет того, сколько требований поступит в систему за время (T + ?T) . Например, если в кассовом аппарате в данный момент произо-шел обрыв кассовой ленты и он устранен кассиром, то это не влияет на воз-можность нового обрыва на данной кассе в следующий момент и тем более на вероятность возникновения обрыва на других кассовых аппаратах.
Для простейшего потока частота поступления требований в систему подчиняется закону Пуассона , т. е. вероятность по-ступления за время T ровно k требований задается формулой
, (5.1)
где λ — интенсивность потока заявок , т. е. среднее число заявок, поступающих в СМО в единицу времени,
, (5.2)
где τ — среднее значение интервала времени между двумя со-седними заявками.
Для такого потока заявок время между двумя соседними заяв-ками распределено экспоненциально с плотностью вероятности
Случайное время ожидания в очереди начала обслуживания то-же можно считать распределенным экспоненциально:
, (5.4)
где ν — интенсивность движения очереди , т. е. среднее число зая-вок, приходящих на обслуживание в единицу времени,
где Т оч - среднее значение времени ожидания в очереди.
Выходной поток заявок связан с потоком обслуживания в кана-ле, где длительность обслуживания Т обс является случайной величи-ной и подчиняется во многих случаях показательному закону рас-пределения с плотностью
, (5.6)
где μ — интенсивность потока обслуживания , т. е. среднее число заявок, обслуживаемых в единицу времени,
. (5.7)
Важной характеристикой СМО, объединяющей показатели λ и μ , является интенсивность нагрузки, которая показывает степень согласования указанных потоков зая-вок:
Перечисленные показатели k, τ, λ, l оч, Т оч, ν, Т обс, μ, ρ, Р k являются наиболее общими для СМО.
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.
- 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. 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.
- 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.
