Моделирования непрерывно-стохастических систем (Q-схемы).

Q-схемы моделирования

При непрерывно-стохастическом подходе в качестве типовых математических схем применяется система массового обслуживания (англ.queueing system), которые будем называть Q-схемами. Системы массового обслуживания представляют собой класс математических схем, разработанных в теории массового обслуживания и различных приложениях для формализации процессов функционирования систем, которые по своей сути являются процессами обслуживания.

В качестве процесса обслуживания могут быть представлены различные по своей физической природе процессы функционирования экономических, производственных, технических и других систем, например потоки поставок продукции некоторому предприятию, потоки деталей и комплектующих изделий на сборочном конвейере цеха, заявки на обработку информации ЭВМ от удаленных терминалов и т. д.

При этом характерным для работы таких объектов является случайное появление заявок (требований) на обслуживание и завершение обслуживания в случайные моменты времени, т. е. стохастический характер процесса их функционирования. Остановимся на основных понятиях массового обслуживания, необходимых для использования Q-схем, как прианалитическом, так и при имитационном.

Среди характеристик потока можно выделить такие параметры как однородность и стационарность. При этом поток событий называют однородным, если он характеризуется только моментами наступления этих событий и задается последовательностью t_n моментов времени наступления n-го события. Неоднородным поток событий называют, если он кроме моментов наступления событий характеризуется некоторым набором признаков события f_n и соответственно задается последовательностью пар

Поэтому при описании таких систем применяют непрерывно-стохастические модели, называемые также системами массового обслуживания (в зарубежной литературе чаще говорят о системах очередей) или Q-схемами (от англ. queue).

Одной из распространенных математических схем, моделирующей работу непрерывно-стохастических систем вообще и систем массового обслуживания в частности является рассмотренная ранее Q-схема.

Для таких систем характерными являются случайные моменты времени поступления заявок, образующих входящий поток, и окончания их обслуживания, формирующего соответственно выходящий поток.

Формализация реальной системы массового обслуживания в виде Q-схемы означает ее описание как структуры, включающей в себя элементы трех типов: И – источники; Н – накопители; К – каналы обслуживания.

Рис. 2 — Пример Q-схемы общего вида

Моделирующие алгоритмы

Детерминированные

Стохастические

Асинхронные

Синхронные

Циклические

Спорадические

Рис. 3 — Классификация способов построения моделирующих

алгоритмов Q-схем

Кроме рассмотренного детерминированного алгоритма, построенного по «принципу ∆ t », возможно описание работы Q-схемы посредством стохастических алгоритмов, основанных на поиске особых состояний, т. е. на «принципе δ z».

Наконец, в алгоритмах, моделирующих Q-схемы может учитываться и ограничение на время пребывания заявок в системе или имитироваться случаи отказа и восстановления элементов.

Таким образом, в зависимости от постановки задачи и располагаемых машинных ресурсов тот или иной рассмотренный алгоритм вполне может служить основой для моделирования реальных непрерывно-стохастических систем.

В любом элементарном акте обслуживания можно выделить две основные составляющие:

1. ожидание обслуживания заявки;

2. собственно обслуживание заявки.

Это можно изобразить в виде некоторого i-гo прибора обслуживания Пi (рис. 2.), состоящего из накопителя заявок Нi, в котором может одновременно находиться заявок, где —емкость i-го накопителя, и канала обслуживания заявок (или просто канала) Ki

Рис. 2.

На каждый элемент прибора обслуживания Пi, поступают потоки событий: в накопитель Hi — поток заявок wi на канал Ki — поток обслуживания ui.

Потоком событий называется последовательность событий, происходящих одно за другим в какие-то случайные моменты времени. Различают потоки однородных и неоднородных событий.

Поток событий называется однородным, если он характеризуется только моментами поступления этих событий (вызывающими моментами) и задается последовательностью , где tn — момент наступления n-го события — неотрицательное вещественное число.

Потоком неоднородных событий называется последовательность , где tn — вызывающие моменты; fn — набор признаков события. Например, применительно к процессу обслуживания для неоднородного потока заявок могут быть заданы принадлежность к тому или иному источнику заявок, наличие приоритета, возможность обслуживания тем или иным типом канала и т. п. для задания Q-схемы необходимо использовать оператор сопряжения R, отражающий взаимосвязь элементов структуры (каналов и накопителей) между собой. Связи между элементами Q-схемы изображают в виде стрелок (линий потока, отражающих направление движения заявок). Различают разомкнутые и замкнутые Q-схемы.

В разомкнутой Q-схеме выходной поток обслуженных заявок не может снова поступить на какой-либо элемент, т. е. обратная связь отсутствует.

В замкнутых Q-схемах имеются обратные связи, по которым заявки двигаются в направлении, обратном движению вход-выход.

Для задания Q-схемы также необходимо описать алгоритмы ее функционирования, которые определяют набор правил поведения заявок в системе в различных неоднозначных ситуациях.