Аналитическое исследование систем массового обслуживания (СМО) является подходом, альтернативным имитационному моделированию, и состоит в получении формул для расчета выходных параметров СМО с последующей подстановкой значений аргументов в эти формулы в каждом отдельном эксперименте.

В моделях СМО рассматривают следующие объекты:

1) заявки на обслуживание (транзакты);

2) обслуживающие аппараты (ОА), или приборы.

Практическая задача теории массового обслуживания связана с исследованием операций этими объектами и состоит из отдельных элементов, на которые влияют случайные факторы.

В качестве примера задач, рассматриваемых в теории массового обслуживания, можно привести: согласование пропускной способности источника сообщения с каналом передачи данных, анализ оптимального потока городского транспорта, расчет емкости зала ожидания для пассажиров в аэропорту и пр.

Заявка может находиться либо в состоянии обслуживания, либо в состоянии ожидания обслуживания.

Обслуживающий прибор может быть либо занят обслуживанием, либо свободен.

Состояние СМО характеризуется совокупностью состояний обслуживающих приборов и заявок. Смена состояний в СМО называется – событие.

Модели СМО используются для исследования процессов происходящие в системе, при подаче на входы потоков заявок. Эти процессы представляют собой последовательность событий.

Важнейшие выходные параметры СМО

Производительность

Пропускная способность

Вероятность отказа в обслуживании

Среднее время обслуживания;

Коэффициент загрузки оборудования (ОА).

Заявками могут быть заказы на производство изделий, задачи, решаемые в вычислительной системе, клиенты в банках, грузы, поступающие на транспортировку и др. Очевидно, что параметры заявок, поступающих в систему, являются случайными величинами и при исследовании или проектировании могут быть известны лишь их законы распределения.

В связи с этим анализ функционирования на системном уровне, как правило, носит статистический характер. В качестве математического аппарата моделирования удобно принять теорию массового обслуживания, а в качестве моделей систем на этом уровне использовать системы массового обслуживания.

Простейшие модели СМО

В простейшем случае СМО представляет собой некоторое устройство, называемое обслуживающим аппаратом (ОА), с очередями заявок на входах.

М о д е л ьо б с л у ж и в а н и я с о т к а з а м и (рис.5.1)

Рис. 5.1. Модель СМО с отказами:

0 – источник заявок;

1 – обслуживающий прибор;

а – входной поток заявок на обслуживание;

в – выходной поток обслуженных заявок;

с – выходной поток необслуженных заявок.

В этой модели отсутствует накопитель заявок на входе ОА. Если заявка приходит от источника 0 в момент времени, когда ОА занят обслуживанием предыдущей заявки, то вновь пришедшая заявка выходит из системы (так как ей отказано в обслуживании) и теряется (поток с ).

М о д е л ь о б с л у ж и в а н и я с о ж и д а н и е м (рис. 5.2)

Рис. 5.2. Модель СМО с ожиданием

(N– 1) – количество заявок, которое может поместиться в накопителе

В этой модели имеется накопитель заявок на входе ОА. Если заявка приходит от источника 0 в момент времени, когда ОА занят обслуживанием предыдущей заявки, то вновь пришедшая заявка попадает в накопитель, где неограниченно долго ожидает, пока освободится ОА.

М о д е л ь о б с л у ж и в а н и я с о г р а н и ч е н н ы м в р е м е н е м

о ж и д а н и я (рис. 5.3)

Рис. 5.4. Многоканальная модель СМО с отказами:

n – количество одинаковых обслуживающих аппаратов (приборов)

В этой модели имеется не один ОА, а несколько. Заявки, если это специально не оговорено, могут поступать к любому свободному от обслуживания ОА. Накопителя нет, поэтому данная модель включает свойства модели, показанной на рис. 5.1: отказ в обслуживании заявки означает ее безвозвратную потерю (это происходит только в том случае, если в момент прихода этой заявки все ОА заняты).

в р е м е н е м о ж и д а н и я (рис. 5.5)

Рис. 5.6. Многоканальная модельСМО с ожиданием и восстановлением ОА:

e – обслуживающие аппараты, вышедшие из строя;

f – восстановленные обслуживающие аппараты

Данная модель обладает свойствами моделей, представленных на рис. 5.2 и 5.4, а кроме того свойствами, позволяющими учитывать возможные случайные отказы ОА, которые в этом случае поступают в ремонтный блок 2, где пребывают в течение случайных промежутков времени, затрачиваемых на их восстановление, а затем вновь возвращаются в обслуживающий блок 1.

М н о г о к а н а л ь н а я м о д е л ь СМО с о г р а н и ч е н н ы м

в р е м е н е м о ж и д а н и я и в о с с т а н о в л е н и е м ОА (рис. 5.7)

Рис. 5.7. Многоканальная модель СМО с ограниченным временем ожидания и восстановлением ОА

Данная модель является довольно сложной, поскольку одновременно учитывает свойства двух не самых простых моделей (рис. 5.5 и 5.6).

23 октября 2013 в 14:22

Squeak: Моделирование систем массового обслуживания

• Программирование ,
• ООП ,
• Параллельное программирование

На Хабре крайне мало информации о таком языке программирования как Squeak . Я попытаюсь рассказать о нем в контексте моделирования систем массового обслуживания . Покажу как написать простой класс, расскажу его структуру и использую его в программе, которая будет обслуживать заявки посредством нескольких каналов.

Пару слов о Squeak

Squeak это открытая, кросс-платформенная реализация языка программирования Smalltalk-80 c динамической типизацией и сборщиком мусора. Интерфейс довольно специфический, но вполне удобный для отладки и анализа. Squeak полностью отвечает концепции ООП. Все состоит из объектов, даже конструкции if-then-else, for, while реализованы с их помощью. Весь синтаксис сводится к посылке объекту сообщения в виде:

<объект> <сообщение>

Любой метод всегда возвращает объект и ему можно направить новое сообщение.
Squeak часто используется для моделирования процессов, но может использоваться и как средство для создания мультимедийных приложений и разнообразных образовательных платформ.

Системы массового обслуживания

Системы массового обслуживания (СМО) содержат один или несколько каналов которые обрабатывают заявки, поступающие от нескольких источников. Время на обслуживание каждой заявки может быть фиксированным или произвольным, как и интервалы между их поступлением. Это может быть телефонная станция, прачечная, кассиры в магазине, машинописное бюро и пр. Выглядит это примерно так:

СМО включает несколько источников которые поступают в общую очередь и направляются на обслуживание по мере освобождения каналов обработки. В зависимости от конкретных особенностей реальных систем модель может содержать различное число источников заявок и каналов обслуживания и иметь различные ограничения на длину очереди и связанную с ней возможность потери заявок (отказов).

При моделировании СМО обычно решаются задачи оценки средней и максимальной длины очереди, частоты отказов в обслуживании, средней загрузки каналов, определение их числа. В зависимости от задачи, в модель включаются программные блоки сбора, накопления и обработки необходимых статистических данных о поведении процессов. Наиболее часто используемыми моделями потоков событий при анализе СМО являются регулярные и пуассоновские. Регулярные характеризуются одинаковым временем между наступлениями событий, а пуассоновские - случайным.

Немного математики

Для пуассоновского потока число событий X , попадающих в интервал длины τ (тау), примыкающий к точке t , распределено по закону Пуассона:
где a (t, τ) - среднее число событий, наступающих на интервале времени τ .
Среднее число событий, наступающих в единицу времени, равно λ(t) . Следовательно, среднее число событий на интервале времени τ , примыкающему к моменту времени t , будет равно:

Время T между двумя событиями при λ(t) = const = λ распределено по закону:
Плотность распределения случайной величины T имеет вид:
Для получения псевдослучайных пуассоновских последовательностей интервалов времени t i решают уравнение:
где r i - равномерно распределенное на интервале случайное число.
В нашем случае это дает выражение:

По генерации случайных чисел можно писать целые тома. Здесь же, для генерации равномерно распределенных на интервале целых чисел используем следующий алгоритм:
где R i - очередное случайное целое число;
Р - некоторое большое простое число (например 2311);
Q - целое число - верхняя граница интервала, например, 2 21 = 2097152;
rem - операция получения остатка от деления целых чисел.

Начальное значение R 0 обычно задают произвольно, например, используя показания таймера:
Time totalSeconds
Для получения равномерно распределенных на интервале чисел воспользуемся оператором языка:

Класс Rand

Для получения равномерно распределенных на интервале случайных чисел создаем класс - генератор вещественных чисел:

Float variableWordSubclass: #Rand "имя класса" instanceVariableNames: "" "переменные экземпляра" classVariableNames: "R" "переменные класса" poolDictionaries: "" "общие словари" category: "Sample" "имя категории"
Методы:

"Инициализация" init R:= Time totalSeconds.next "Следующее псевдослучайное число" next R:= (R * 2311 + 1) rem: 2097152. ^(R/2097152) asFloat
Для установки начального состояния датчика посылаем сообщение Rand init .
Для получения очередного случайного числа посылаем Rand next .

Программа обработки заявок

Итак, в качестве простенького примера сделаем следующее. Пусть нам необходимо промоделировать обслуживание регулярного потока заявок от одного источника со случайным интервалом времени между заявками. Имеется два канала различной производительности, позволяющих обслуживать заявки за 2 и 7 единиц времени соответственно. Необходимо зарегистрировать число заявок, обслуженных каждым каналом на интервале 100 единиц времени.

Код на Squeak

"Объявление временных переменных" | proc1 proc2 t1 t2 s1 s2 sysPriority queue continue r | "Начальные установки переменных" Rand init. SysTime:= 0. s1:= 0. s2:= 0. t1:= -1. t2:= -1. continue:= true. sysPriority:= Processor activeProcess priority. "Текущий приоритет" queue:= Semaphore new. "Модель очереди заявок" "Создание процесса - модели канала 1" (Process forContext: [ proc1:= Processor activeProcess. whileTrue: "Цикл обслуживания" [ queue wait. "Ждать заявку" t1:= SysTime + 2. "Следующее время активизации" s1:= s1 + 1. proc1 suspend. "Приостановить процесс в ожидании окончания обслуживания" ]. proc1:= nil. "Удалить ссылку на процесс 1" ] priority: (sysPriority + 1)) resume. "Новый приоритет больше фонового" "Создание процесса - модели канала 2" (Process forContext: [ proc2:= Processor activeProcess.. whileTrue: [ queue wait. t2:= SysTime + 7. s2:= s2 + 1. proc2 suspend. ]. proc2:= nil. ] priority: (sysPriority + 1)) resume. "Продолжение описания главного процесса и модели источника" whileTrue: [ r:= (Rand next * 10) rounded. (r = 0) ifTrue: . ((SysTime rem: r) = 0) ifTrue: . "Послать заявку" "Коммутатор процессов обслуживания" (t1 = SysTime) ifTrue: . (t2 = SysTime) ifTrue: . SysTime:= SysTime + 1. "Тикает модельное время" ]. "Показать состояние счетчика заявок" PopUpMenu inform: "proc1: ",(s1 printString),", proc2: ",(s2 printString). continue:= false.

При запуске видим, что процесс 1 успел обработать 31 заявку, а процесс 2 только 11:

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.

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

Рассмотренный в предыдущей лекции марковский случайный процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем имеет место в системах массового обслуживания (СМО).

Системы массового обслуживания – это такие системы, в которые в случайные моменты времени поступают заявки на обслуживание, при этом поступившие заявки обслуживаются с помощью имеющихся в распоряжении системы каналов обслуживания.

Примерами систем массового обслуживания могут служить:

• расчетно-кассовые узлы в банках, на предприятиях;
• персональные компьютеры, обслуживающие поступающие заявки или требования на решение тех или иных задач;
• станции технического обслуживания автомобилей; АЗС;
• аудиторские фирмы;
• отделы налоговых инспекций, занимающиеся приёмкой и проверкой текущей отчетности предприятий;
• телефонные станции и т. д.

	Узлы	Требования
Больница	Санитары	Пациенты
Производство
Аэропорт	Выходы на взлетно-посадочные полосы Пункты регистрации	Пассажиры

Рассмотрим схему работы СМО (рис. 1). Система состоит из генератора заявок, диспетчера и узла обслуживания, узла учета отказов (терминатора, уничтожителя заявок). Узел обслуживания в общем случае может иметь несколько каналов обслуживания.

Рис. 1

1. Генератор заявок – объект, порождающий заявки: улица, цех с установленными агрегатами. На вход поступает поток заявок (поток покупателей в магазин, поток сломавшихся агрегатов (машин, станков) на ремонт, поток посетителей в гардероб, поток машин на АЗС и т. д.).
2. Диспетчер – человек или устройство, которое знает, что делать с заявкой. Узел, регулирующий и направляющий заявки к каналам обслуживания. Диспетчер:

• принимает заявки;
• формирует очередь, если все каналы заняты;
• направляет их к каналам обслуживания, если есть свободные;
• дает заявкам отказ (по различным причинам);
• принимает информацию от узла обслуживания о свободных каналах;
• следит за временем работы системы.

1. Очередь – накопитель заявок. Очередь может отсутствовать.
2. Узел обслуживания состоит из конечного числа каналов обслуживания. Каждый канал имеет 3 состояния: свободен, занят, не работает. Если все каналы заняты, то можно придумать стратегию, кому передавать заявку.
3. Отказ от обслуживания наступает, если все каналы заняты (некоторые в том числе могут не работать).

Кроме этих основных элементов в СМО в некоторых источниках выделяются также следующие составляющие:

терминатор – уничтожитель трансактов;

склад – накопитель ресурсов и готовой продукции;

счет бухгалтерского учета – для выполнения операций типа «проводка»;

менеджер – распорядитель ресурсов;

Классификация СМО

Первое деление (по наличию очередей):

• СМО с отказами;
• СМО с очередью.

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

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

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

Итак, например, рассматриваются следующие СМО:

• СМО с нетерпеливыми заявками (длина очереди и время обслуживания ограничено);
• СМО с обслуживанием с приоритетом, т. е. некоторые заявки обслуживаются вне очереди и т. д.

Типы ограничения очереди могут быть комбинированными.

Другая классификация делит СМО по источнику заявок. Порождать заявки (требования) может сама система или некая внешняя среда, существующая независимо от системы.

Естественно, поток заявок, порожденный самой системой, будет зависеть от системы и ее состояния.

Кроме этого СМО делятся на открытые СМО и замкнутые СМО.

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

Пример замкнутой системы: выдача кассиром зарплаты на предприятии.

По количеству каналов СМО делятся на:

• одноканальные;
• многоканальные.

Характеристики системы массового обслуживания

Основными характеристиками системы массового обслуживания любого вида являются:

• входной поток поступающих требований или заявок на обслуживание;
• дисциплина очереди;
• механизм обслуживания.

Входной поток требований

Для описания входного потока требуется задать вероятностный закон, определяющий последовательность моментов поступления требований на обслуживание, и указать количество таких требований в каждом очередном поступлении. При этом, как правило, оперируют понятием «вероятностное распределение моментов поступления требований». Здесь могут поступать как единичные, так и групповые требования (количество таких требований в каждом очередном поступлении ). В последнем случае обычно речь идет о системе обслуживания с параллельно-групповым обслуживанием.

А i – время поступления между требованиями – независимые одинаково распределенные случайные величины;

E(A) – среднее (МО) время поступления;

λ=1/E(A) – интенсивность поступления требований;

Характеристики входного потока:

1. Вероятностный закон, определяющий последовательность моментов поступления требований на обслуживание.
2. Количество требований в каждом очередном поступлении для групповых потоков.

Дисциплина очереди

Очередь – совокупность требований, ожидающих обслуживания.

Очередь имеет имя.

Дисциплина очереди определяет принцип, в соответствии с которым поступающие на вход обслуживающей системы требования подключаются из очереди к процедуре обслуживания. Чаще всего используются дисциплины очереди, определяемые следующими правилами:

• первым пришел – первый обслуживаешься;

first in first out (FIFO)

самый распространенный тип очереди.

Какая структура данных подойдет для описания такой очереди? Массив плох (ограничен). Можно использовать структуру типа СПИСОК.

Список имеет начало и конец. Список состоит из записей. Запись – это ячейка списка. Заявка поступает в конец списка, а выбирается на обслуживание из начала списка. Запись состоит из характеристики заявки и ссылки (указатель, за кем стоит). Кроме этого, если очередь с ограничением на время ожидания, то еще должно быть указано предельное время ожидания.

Вы как программисты должны уметь делать списки двусторонние, односторонние.

Действия со списком:

• вставить в хвост;
• взять из начала;
• удалить из списка по истечении времени ожидания.
• пришел последним - обслуживаешься первым LIFO (обойма для патронов, тупик на железнодорожной станции, зашел в набитый вагон).

Структура, известная как СТЕК. Может быть описан структурой массив или список;

• случайный отбор заявок;
• отбор заявок по критерию приоритетности.

Каждая заявка характеризуется помимо прочего уровнем приоритета и при поступлении помещается не в хвост очереди, а в конец своей приоритетной группы. Диспетчер осуществляет сортировку по приоритету.

Характеристики очереди

• ограничение времени ожидания момента наступления обслуживания (имеет место очередь с ограниченным временем ожидания обслуживания, что ассоциируется с понятием «допустимая длина очереди»);
• длина очереди.

Механизм обслуживания

Механизм обслуживания определяется характеристиками самой процедуры обслуживания и структурой обслуживающей системы. К характеристикам процедуры обслуживания относятся:

• количество каналов обслуживания (N );
• продолжительность процедуры обслуживания (вероятностное распределение времени обслуживания требований);
• количество требований, удовлетворяемых в результате выполнения каждой такой процедуры (для групповых заявок);
• вероятность выхода из строя обслуживающего канала;
• структура обслуживающей системы.

Для аналитического описания характеристик процедуры обслуживания оперируют понятием «вероятностное распределение времени обслуживания требований».

S i – время обслуживания i -го требования;

E(S) – среднее время обслуживания;

μ=1/E(S) – скорость обслуживания требований.

Следует отметить, что время обслуживания заявки зависит от характера самой заявки или требований клиента и от состояния и возможностей обслуживающей системы. В ряде случаев приходится также учитывать вероятность выхода из строя обслуживающего канала по истечении некоторого ограниченного интервала времени. Эту характеристику можно моделировать как поток отказов, поступающий в СМО и имеющий приоритет перед всеми другими заявками.

Коэффициент использования СМО

N ·μ – скорость обслуживания в системе, когда заняты все устройства обслуживания.

ρ=λ/(N μ) – называется коэффициентом использования СМО , показывает, насколько задействованы ресурсы системы.

Структура обслуживающей системы

Структура обслуживающей системы определяется количеством и взаимным расположением каналов обслуживания (механизмов, приборов и т. п.). Прежде всего следует подчеркнуть, что система обслуживания может иметь не один канал обслуживания, а несколько; система такого рода способна обслуживать одновременно несколько требований. В этом случае все каналы обслуживания предлагают одни и те же услуги, и, следовательно, можно утверждать, что имеет место параллельное обслуживани .

Пример. Кассы в магазине.

Система обслуживания может состоять из нескольких разнотипных каналов обслуживания, через которые должно пройти каждое обслуживаемое требование, т. е. в обслуживающей системе процедуры обслуживания требований реализуются последовательно . Механизм обслуживания определяет характеристики выходящего (обслуженного) потока требований.

Пример. Медицинская комиссия.

Комбинированное обслуживание – обслуживание вкладов в сберкассе: сначала контролер, потом кассир. Как правило, 2 контролера на одного кассира.

Итак, функциональные возможности любой системы массового обслуживания определяются следующими основными факторами :

• вероятностным распределением моментов поступлений заявок на обслуживание (единичных или групповых);
• мощностью источника требований;
• вероятностным распределением времени продолжительности обслуживания;
• конфигурацией обслуживающей системы (параллельное, последовательное или параллельно-последовательное обслуживание);
• количеством и производительностью обслуживающих каналов;
• дисциплиной очереди.

Основные критерии эффективности функционирования СМО

В качестве основных критериев эффективности функционирования систем массового обслуживания в зависимости от характера решаемой задачи могут выступать:

• вероятность немедленного обслуживания поступившей заявки (Р обсл =К обс /К пост);
• вероятность отказа в обслуживании поступившей заявки (P отк =К отк /К пост);

Очевидно, что Р обсл + P отк =1.

Потоки, задержки, обслуживание. Формула Поллачека–Хинчина

Задержка – один из критериев обслуживания СМО, время проведенное заявкой в ожидании обслуживания.

D i – задержка в очереди требования i ;

W i =D i +S i – время нахождения в системе требования i .

(с вероятностью 1) – установившаяся средняя задержка требования в очереди;

(с вероятностью 1) – установившееся среднее время нахождения требования в СМО (waiting).

Q(t) – число требований в очереди в момент времени t;

L(t) – число требований в системе в момент времени t (Q(t) плюс число требований, которые находятся на обслуживании в момент времени t.

Тогда показатели (если существуют)

(с вероятностью 1) – установившееся среднее по времени число требований в очереди;

(с вероятностью 1) – установившееся среднее по времени число требований в системе.

Заметим, что ρ<1 – обязательное условие существования d, w, Q и L в системе массового обслуживания.

Если вспомнить, что ρ= λ/(N μ), то видно, что если интенсивность поступления заявок больше, чем N μ, то ρ>1 и естественно, что система не сможет справиться с таким потоком заявок, а следовательно, нельзя говорить о величинах d, w, Q и L.

К наиболее общим и нужным результатам для систем массового обслуживания относятся уравнения сохранения

Следует обратить внимание, что упомянутые выше критерии оценки работы системы могут быть аналитически вычислены для систем массового обслуживания M/M/N (N >1), т. е. систем с Марковскими потоками заявок и обслуживания. Для М/G/ l при любом распределении G и для некоторых других систем. Вообще распределение времени между поступлениями, распределение времени обслуживания или обеих этих величин должно быть экспоненциальным (или разновидностью экспоненциального распределения Эрланга k-го порядка), чтобы аналитическое решение стало возможным.

Кроме этого можно также говорить о таких характеристиках, как:

• абсолютная пропускная способность системы – А=Р обсл *λ;
• относительная пропускная способность системы –

Еще один интересный (и наглядный) пример аналитического решения – вычисление установившейся средней задержки в очереди для системы массового обслуживания M/G/ 1 по формуле:

.

В России эта формула известна как формула Поллачека– Хинчина, за рубежом эта формула связывается с именем Росса (Ross).

Таким образом, если E(S) имеет большее значение, тогда перегрузка (в данном случае измеряемая как d ) будет большей; чего и следовало ожидать. По формуле можно обнаружить и менее очевидный факт: перегрузка также увеличивается, когда изменчивость распределения времени обслуживания возрастает, даже если среднее время обслуживания остается прежним. Интуитивно это можно объяснить так: дисперсия случайной величины времени обслуживания может принять большое значение (поскольку она должна быть положительной), т. е. единственное устройство обслуживания будет занято длительное время, что приведет к увеличению очереди.

Предметом теории массового обслуживания является установление зависимости между факторами, определяющими функциональные возможности системы массового обслуживания, и эффективностью ее функционирования. В большинстве случаев все параметры, описывающие системы массового обслуживания, являются случайными величинами или функциями, поэтому эти системы относятся к стохастическим системам.

Случайный характер потока заявок (требований), а также, в общем случае, и длительности обслуживания приводит к тому, что в системе массового обслуживания происходит случайный процесс. По характеру случайного процесса , происходящего в системе массового обслуживания (СМО), различают системы марковские и немарковские . В марковских системах входящий поток требований и выходящий поток обслуженных требований (заявок) являются пуассоновскими. Пуассоновские потоки позволяют легко описать и построить математическую модель системы массового обслуживания. Данные модели имеют достаточно простые решения, поэтому большинство известных приложений теории массового обслуживания используют марковскую схему. В случае немарковских процессов задачи исследования систем массового обслуживания значительно усложняются и требуют применения статистического моделирования, численных методов с использованием ЭВМ.