Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Теория случайных процессов и системы массового обслуживания. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
11.08.2026
Размер:
585 Кб
Скачать

61

При исследовании многоканальных систем в дополнение к перечисленным выше показателям эффективности используются параметры, описывающие каждый из каналов.

Пример 1. Рассмотрим систему S, представляющую собой компьютер. В каждый момент времени компьютер может находиться в одном из состояний: S1 компьютер исправен, решает задачу; S2 компьютер исправен, не решает зада- чу; S3 компьютер неисправен, факт неисправности не установлен; S4 ôàêò неисправности установлен, ведется поиск неисправности; S5 ремонтируется. Граф состояний работы компьютера представлен на рис. 11.4.

S1 S2 S3

S5 S4

Ðèñ. 11.4

На графе (рис. 11.4) показаны восемь стрелок: S1 ! S2; S1 ! S3; S2 ! S1; S2 ! S3; S3 ! S4; S4 ! S5; S5 ! S1; S5 ! S2. В какой-то момент вследствие окончания выполнения задания компьютер переходит из состояния S1 â состояние S2. Затем, когда компьютер может перейти обратно из состояния S2 â состояние S1, в случае если ему необходимо будет решить новую задачу. В слу- чае неисправности компьютера он переходит из состояний S1 èëè S2 в состояние S3. При этом сразу начинается поиск неисправности и система переходит в со- стояние S4. После определения неисправности начинается ремонт компьютера, и система переходит в состояние S5. После окончания ремонтных работ система переходит в одно из состояний S1 èëè S2.

Пример 2. Рассмотрим процесс игры в шахматы; система S группа шах-

матных фигур. Состояние системы характеризуется числом фигур противника, сохранившихся на доске в момент t0. Вероятность того, что в момент t > t0 ìà- териальный перевес будет на стороне одного из противников, зависит в первую очередь от того, в каком состоянии находится система в данный момент t0, à íå того, когда и в какой последовательности исчезли фигуры с доски до момента t0

62

Пример 3. К компьютеру поступают задания с интенсивностью = 1; 5 зада-

ний в секунду (поток заданий простейший). Найти вероятность того, что за две секунды: а) не поступит ни одного задания; б) поступит ровно одно задание; в) поступит хотя бы одно задание.

Пример 4. Найти предельные вероятности для системы S из примера 1, граф состояний которой приведен на рис. 11.5, при 12 = 3, 13 = 1; 21 = 2, 23 = 1,

34 = 1, 45 = 1; 51 = l; 52 = 1:

S1

 

21

 

 

S2

 

 

23

S3

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

 

34

 

51

 

52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S5

 

45

 

 

S4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ðèñ. 11.5

 

Система уравнений для pk; k = 1; : : : ; 5 имеет вид

 

 

 

p1 + p2 + p3 + p4 + p5 = 1;

 

 

8p1( 12 + 13) = p2 21 + p5 51;

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>p2( 21 + 23) = p1 12 + p5 52;

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>p3p1 34 = p1 13 + p2 23;

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>p4 45 = p3 34;

 

 

 

 

>

 

52 +

 

51) = p4

 

45;

 

 

>p5(

 

 

 

 

>

>

>

>

>

:

откуда

8

>p1 + p2 + p3 + p4 + p5 = 1;

>

>

>

>3p = 3p + p ;

> 2 1 5

<

p3 = p1 + p2;

>

>

>p4 = p3;

>

>

>

:2p5 = p4:

Решая полученную систему, находим p1 = 0; 166; p2 = 0; 119; p3 = 0; 286; p4 = 0; 286; p5 = 0; 143:

63

Процессы рождения-гибели

Граф состояний процесса рождения-гибели представлен на рис. 11.6.

S0

10

 

 

S1

 

 

 

21

 

 

 

 

 

S2

 

32

S3

 

 

 

43

01

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

23

 

 

 

S4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34

 

 

 

 

 

 

8 01kp0

Ðèñ. 11.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 10p1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0 pk

= 1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> 12p1 = 21p2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>: : : : : :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

< k 1;kpk

 

1

= k;k

1pk;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>: :

: : : :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

1 = n;n

1pn:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> n 1;npn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решая систему, получим>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p0

=

1 + 10

+

10

21

 

+ + 10

21

: : : n;n 1

 

1

;

 

 

 

 

 

01

 

 

 

01

12

 

 

 

 

01

12

: : : n 1;n

 

 

 

 

 

p1 =

01

p0; p2

=

01 12

p0; : : : ; pn =

01 12 : : : n 1;n

p0:

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

10 21

 

 

 

 

 

 

10 21 : : : n;n 1

 

Пример 5. Три одинаковых узла образуют техническое устройство. Каждый из узлов может оказаться в состоянии неисправности. Отказавший узел сразу приступает к восстановлению. Состояния системы: S0 три узла в рабочем

состоянии; S1 один узел неисправен (состояние восстановления), два в рабочем состоянии; S2 два узла восстанавливаются, два в рабочем состоянии; S3 òðè узла в неисправленом состоянии. Граф состояний представлен на рис. 11.7.

3

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

S0

S1

 

 

1

 

S2

S3

2

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

Ðèñ. 11.7

 

 

 

p0

= (1 +

2

 

+

2 1

+

2 1 3

) 1

= 2=5 = 0; 4;

 

3

 

3 2

 

 

 

 

 

 

 

3 2 2

 

 

64

p1 =

2 2

=

4

;

p2 =

1

 

2

=

2

;

p3 =

1 2

=

1

= 0; 2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 5

15

3

5

15

2 5

5

Одноканальная СМО с отказами

Рассмотрим одноканальную СМО с отказами и показатели ее эффективности (основные характеристики ее работы, операционные характеристики). Имеется один канал, на который поступает поток заявок с интенсивностью . Поток

обслуживания имеет интенсивность . Предполагается, что все потоки событий,

переводящие СМО из состояния в состояние, будут простейшими. Найти предельные вероятности состояний системы и показатели ее эффективности.

В качестве показателей эффективности одноканальной СМО с отказами будем рассматривать: A абсолютную пропускную способность СМО; Q от-

носительную пропускную способность; Potk вероятность отказа. Размеченный граф состояний представлен на рис. 11.8.

S0 S1

Рис. 11.8. Одноканальная СМО с отказами

S0 канал обслуживания свободен; S1 канал обслуживания занят; интенсивность потока заявок; интенсивность потока обслуживания. В предельном стационарном режиме система алгебраических уравнений имеет вид:

(

p= p1;p1 = p0;

т. е. система вырождается в одно уравнение. Учитывая, что 0 + p1 = 1, найдем предельные вероятности состояний:

p0 =

 

;

p1 =

 

;

 

 

+

+

которые выражают среднее относительное время пребывания системы в состо- ÿíèè S0, когда канал свободен, и S1, когда канал занят, т. е. определяют, соответственно, относительную пропускную способность Q системы и вероятность

отказа:

 

 

 

 

 

Q =

;

Potk =

:

 

 

+

+

заняты все

65

Абсолютная пропускная способность

A = Q:

Пример 6. В парикмахерской работает один мастер. Время обслуживания распределено по показательному закону со средним 10 мин. Клиент, пришедший в парикмахерскую, когда мастер занят, не ожидает обслуживания, а покидает парикмахерскую. Поток клиентов простейший, с интенсивностью 8 клиентов/ч.

Найти показатели эффективности работы данной парикмахерской.

 

 

Решение. Имеем

 

= 8

(клиентов/ч), среднее время обслуживания

 

=

 

 

tob

=12(min) = 0; 2(ч). Следовательно, интенсивность потока обслуживании =

=tob1 = 5(1/ч). По приведенным выше формулам получаем, что относительная пропускная способность Q = 0; 38, т. е. в среднем 38% поступающих клиентов

будут обслужены. Соответственно вероятность отказа в обслуживании составит Potk = 0; 62 (т. е. 62 %). Абсолютная пропускная способность СМО A = 8 0; 38 =

= 3; 04, т. е. в среднем в час будут обслужены 3 клиента.

Многоканальная СМО с отказами

Рассмотрим классическую задачу Эрланга. Имеется n каналов, на которые поступает поток заявок с интенсивностью . Поток обслуживании каждого канала имеет интенсивность . Найти предельные вероятности состояний системы

и показатели ее эффективности.

В качестве показателей эффективности многоканальной СМО с отказами будем рассматривать: A абсолютную пропускную способность СМО; Q от-

носительную пропускную способность; Potk вероятность отказа; k среднее число занятых каналов. Размеченный граф состояний представлен на рис. 11.9.

S0

10

21

32

43

S1

S2

S3

34

 

01

12

23

 

Рис. 11.9. Многоканальная СМО с отказами

 

S0 все каналы свободны,

k = 0; S1

занят только один канал,

S2 заняты только два канала, k = 2; Sk заняты k каналов; Sn n каналов. Задача Эрланга: система имеет n = 8 состояний.

S4

.....

k = 1;

66

Граф имеет следующий вид.

 

21

 

32

43

 

 

54

 

1

 

2

 

3

 

4

 

5 ....

 

 

 

 

 

 

 

 

Ðèñ. 11.10

 

 

 

 

Поток заявок последовательно переводит систему из любого левого состояния в соседнее правое с одной и той же интенсивностью . Интенсивность

же потока обслуживания, переводящего систему из любого правого состояния в соседнее левое состояние, постоянно меняется в зависимости от состояния. Действительно, если СМО находится в состоянии 2 (два канала заняты), то

она может перейти в состояние 1 (один канал занят), когда закончит обслу-

живание либо первый, либо второй канал, т. е. суммарная интенсивность их потоков обслуживания будет 21 = 2 . Аналогично суммарный поток обслуживания, переводящий СМО из состояния 3 (три канала заняты) в 2, будет иметь

интенсивность 32 = 3 , т. е. может освободиться любой из трех каналов и т. д. Предельная вероятность состояния S0 для схемы гибели и размножения име-

åò âèä

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p0 = 1 +

 

 

 

2

+ +

n

 

 

1

 

 

+

 

 

 

 

:

 

2! 2

n! n

Èëè ïðè =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p0 = 1 + +

2

 

n

 

1

 

 

 

+ +

 

 

 

;

 

2!

n!

 

 

n p1 = p0; : : : ; pn = n! p0:

Вероятности p0; p1; : : : ; pm+1 вычисляются по следующим формулам Эрланга:

(

 

1

p0 =

1 m+2

 

1

 

 

m+2

6= 1

pk = kp0; k = 1; 2; : : : ; m + 1:

= 1

 

Поскольку заявка получает отказ, если СМО занята, а в очереди находятся n заявок, то Potk = pn.

Приведенная интенсивность потока заявок вычисляется, как и выше, по формуле = . Далее получаем для относительной пропускной способности q

n

q = Pserv = 1 Potk = 1 pn = 1 n! p0

 

 

 

 

 

 

 

67

 

 

 

 

n

 

го, справедлива формула

n

A =

q =

(1

 

p0):

Кроме то-

n!

и для абсолютной пропускной способности

 

 

 

 

 

P

k = k=0 kpk: Однако среднее число занятых каналов можно найти проще, если учесть, что абсолютная пропускная способность

системы A есть не что иное, как интенсивность потока обслуженных систе-

мой заявок (в единицу времени). Так как каждый занятый канал обслуживает в среднем заявок (в единицу времени), то среднее число занятых каналов

 

A

 

 

 

n

 

Формулы для

 

 

 

 

k =

 

=

1

n! p0

:

расчетов

Приведенная интенсивность потока заявок вычисляется по формуле = . Вероятности p0; p1; :::; pn вычисляются по формулам Эрланга:

8p0

= k

k=0 k!

 

 

1

;

 

 

n

 

k

 

 

 

 

<pk

= k!P0

; k

= 1 2

; : : : ; n:

:

 

 

p

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку заявка получает отказ, если все каналы обслуживания заняты, то

n

Potk = pn = n! p0:

Кроме того,

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

q = 1 Potk = 1

 

p0;

A = q =

1

 

p0

;

n!

n!

 

 

 

 

A

 

 

 

n

 

Pserv = 1 Potk = q;

k =

 

 

 

1

 

 

p0 :

 

 

n!

 

Пример 7. Рассматривается работа автозаправочной станции (АЗС) с тремя заправочными колонками. Если заняты все три колонки, то машина не встает в очередь, а покидает АЗС. Среднее время заправки автомобиля 3 мин. Интенсивность потока автомобилей 0,25 ед/мин. Найти предельные вероятности состояний и показатели эффективности работы АЗС.

Решение. В принятых обозначениях условия примера можно записать в виде

= 0; 25

(åä/ìèí),

= 3

мин. Тогда интенсивность потока обслуживания

 

tob

 

 

 

=

1

=

1

(1/мин). Интенсивность нагрузки канала =

 

= 0; 75, ò. å. â

 

3

 

 

tob

 

 

 

 

среднем за время заправки одного автомобиля, равного 3 минутам, поступит 0,75 новой заявки. Найдем предельные вероятности состояний СМО:

p0 = (1 + 0; 75 + 0;2!752 + 0;3!753 ) 1 = 0; 476;

68

 

 

 

 

0; 752

p1 = 0; 75 0; 476 = 0; 357; p2 =

 

0; 476 = 0; 134;

2!

 

0; 753

 

 

p3 =

 

 

0; 476 = 0; 033:

3!

Таким образом, в предельном стационарном режиме 47,6% времени АЗС не работает из-за отсутствия заявок. 35,7% времени занята только одна колонка. 13,4% времени занято две колонки, 3,3% времени занято три колонки. Вероятность отказа в ремонте Potk = p3 = 0; 033, т. е. в среднем 3,3% поступающих заявок (автомобилей) не будут обслужены. Относительная пропускная способность (вероятность обслуживания): Q = 1 Potk = 1 0; 033 = 0; 967, т. е. в среднем 96,7% поступающих заявок (автомобилей) будут обслужены. Абсолютная пропускная способность СМО, т. е. среднее число заявок (автомобилей), обслуживаемых в единицу времени: A = Q = 0; 25 0; 967 = 0; 242. Среднее

число занятых каналов:

 

A

 

0; 242

 

k =

 

 

=

 

= 0; 725;

 

1=3

т. е. в трехканальной СМО среднее число занятых каналов меньше одного.

Расчет показателей эффективности одноканальной СМО с отказами

 

 

Таблица 2

 

Список терминов и обозначений

 

 

 

 

 

 

 

Термин

Обозначение

 

 

 

 

 

1

Интенсивность входящего потока заявок

 

 

 

 

 

 

2

Интенсивность выходящего потока обслуженных заявок

 

 

 

 

 

 

3

Приведенная интенсивность потока заявок

 

 

 

 

 

 

4

Среднее время обслуживания заявки

tserv

 

5

Относительная пропускная способность СМО

q

 

 

 

 

 

6

Абсолютная пропускная способность СМО

A

 

 

 

 

 

7

Вероятность того, что заявка будет обслужена

Pserv

 

8

Вероятность того, что заявка получит отказ

Potk

 

Расчет показателей эффективности одноканальной СМО с отказами

Задано: n = 1, . Система имеет два состояния: S0 канал свободен и S1 канал занят. В стационарном режиме система уравнений для вероятностей

69

состояний имеет вид

(

p0 = p1;p1 = p0;

т. е. система вырождается в одно уравнение. С учетом нормировки p0 + p1 = 1

p0 =

 

;

p1 =

 

:

 

 

+

+

При этом относительная пропускная способность q и вероятность отказа Potk равны:

q =

 

;

Potk =

 

;

 

 

+

+

а абсолютная пропускная способность A = + :

Постановка задачи

Параметры

 

è

 

известны. Требуется найти

 

 

tserv; ; q; A; Pserv; Potk.

Формулы для расчетов

Показатели эффективности одноканальной СМО с отказами вычисляются по следующим формулам:

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

tserv

=

 

 

; =

 

;

q =

+ 1

;

A = q;

 

Pserv = q;

 

 

Potk = 1 Pserv:

Пример 8. Заявки на телефонные переговоры в телестудию поступают с интенсивностью равной 90 заявок в час, средняя продолжительность разговора по телефону 2 мин. Определить показатели эффективности работы СМО при

наличии одного телефонного номера.

 

 

Решение.

= 90

заявок в час,

= 2

мин. Интенсивность обслуживания

 

 

 

 

 

tserv

 

1

 

 

 

 

 

 

 

=

 

= 0; 5 заявок/мин или 30 заявок в час. Относительная пропускная

 

 

tserv

 

 

30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

способность СМО q

=

 

= 0; 25, т. е. в среднем только 25% поступающих

90+30

заявок осуществят переговоры по телефону. Соответственно, вероятность отказа в обслуживании составит Potk = 0; 75. Абсолютная пропускная способность A = 90 0; 25 = 22; 5, т. е. в среднем в час будут обслужены 22,5 заявки на

переговоры. Плохое качество системы.

70

Расчет показателей эффективности многоканальной СМО с отказами

 

 

Таблица 3

 

Список используемых терминов и обозначений

 

 

 

 

 

Термин

Обозначение

 

 

 

 

 

1

Число каналов обслуживания

n(n > 1)

 

2

Интенсивность входящего потока заявок

 

 

 

 

 

 

3

Интенсивность исходящего потока заявок

 

 

 

 

 

 

4

Приведенная интенсивность потока заявок

 

 

 

 

 

 

5

Вероятность того, что занято 0, 1, . . . , n каналов,

 

 

 

соответственно

p0; p1; :::; pn

 

6

Относительная пропускная способность СМО

q

 

 

 

 

 

7

Абсолютная пропускная способность СМО

A

 

8

Вероятность того, что заявка будет обслужена

Pserv

 

9

Вероятность того, что заявка получит отказ

Potk

 

10

Среднее число занятых каналов

k

 

 

 

 

 

Постановка задачи

Параметры n; и известны.

Требуется найти ; p0; p1; :::; pn; Potk; q; A; Pserv; k. Задача Эрланга: система имеет n = 5 состояний. Граф имеет следующий вид.

 

21

 

32

 

43

 

 

54

 

1

 

2

 

 

3

 

4

 

5

 

 

 

 

 

Ðèñ. 11.11

Поток заявок последовательно переводит систему из любого левого состояния в соседнее правое с одной и той же интенсивностью . Интенсивность

же потока обслуживания, переводящего систему из любого правого состояния в соседнее левое состояние, постоянно меняется в зависимости от состояния. Действительно, если СМО находится в состоянии 2 (два канала заняты), то

она может перейти в состояние 1 (один канал занят), когда закончит обслу-

живание либо первый, либо второй канал, т. е. суммарная интенсивность их потоков обслуживания будет 21 = 2 . Аналогично суммарный поток обслуживания, переводящий СМО из состояния 3 (три канала заняты) в 2, будет иметь

интенсивность 32 = 3 , т. е. может освободиться любой из трех каналов и т. д.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]