Пусть некоторая система S может находиться в одном из состояний конечного (или счетного) множества возможных состояний S₁, S₂,…, S_n, а переход из одного состояния в другое возможен только в определенные дискретные моменты времени t₁, t₂, t₃, называемые шагами.

Если система переходит из одного состояния в другое случайно, то говорят, что имеет место случайный процесс с дискретным временем.

Случайный процесс называется марковским, если вероятность перехода из любого состояния S_i в любое состояние S_j не зависит от того, как и когда система S попала в состояние S_i (т.е. в системе S отсутствует последствие). В таком случае говорят, что функционирование системы S описывается дискретной цепью Маркова.

Переходы системы S в различные состояния удобно изображать с помощью графа состояний (рис. 1).

Рисунок 1 - Пример размеченного графа состояний

Вершины графа S₁, S₂, S₃ обозначают возможные состояния системы. Стрелка, направленная из вершины S_i в вершину S_j обозначает переход ; число, стоящее рядом со стрелкой, обозначает величину вероятности этого перехода. Стрелка, замыкающаяся на i-той вершине графа, обозначает, что система остается в состоянии S_i с вероятностью, стоящей у стрелки.

Графу системы, содержащему n вершин, можно поставить в соответствие матрицу NxN, элементами которой являются вероятности переходов p_ij между вершинами графа. Например, граф на рис. 1 описывается матрицей P:

называемой матрицей вероятностей переходов. Элементы матрицы p_ij удовлетворяют условиям:

(1)

(2)

Элементы матрицы p_ij - дают вероятности переходов в системе за один шаг. Переход

S_i - S_j за два шага можно рассматривать как происходящий на первом шаге из S_i в некоторое промежуточное состояние S_k и на втором шаге из S_k в S_i. Таким образом, для элементов матрицы вероятностей переходов из S_i в S_j за два шага получим:

В общем случае перехода за m шагов для элементов матрицы вероятностей переходов справедлива формула:

 (3)

Получим два эквивалентных выражения для :

Пусть система S описывается матрицей вероятностей переходов Р:

Если обозначить через Р(m) матрицу, элементами которой являются рi вероятности переходов из S_i в S_j за m шагов, то справедлива формула

,

где матрица Р_m получается умножением матрицы P саму на себя m раз.

Исходное состояние системы характеризуется вектором состояния системы Q(q_i) (называемым также стохастическим вектором).

где q_j - вероятность того, что исходным состоянием системы является S_j состояние. Аналогично (1) и (2) справедливы соотношения

Обозначим через

вектор состояния системы после m шагов, где q_j - вероятность того, что после m шагов система находится в S_i состоянии. Тогда справедлива формула

Если вероятности переходов P_ij остаются постоянными, то такие марковские цепи называются стационарными. В противном случае марковская цепь называется нестационарной.

2. Марковские цепи с конечным числом состояний и непрерывным временем

Если система S может переходить в другое состояние случайным образом в произвольный момент времени, то говорят о случайном процессе с непрерывным временем. В отсутствии последействия такой процесс называется непрерывной марковской цепью. При этом вероятности переходов для любых i и j в любой момент времени равны нулю (в силу непрерывности времени). По этой причине вместо вероятности перехода вводится величина - плотность вероятности перехода из состояния в состояние , определяемая как предел:

Если величины не зависят от t, то марковский процесс называется однородным. Если за время система может изменить свое состояние не более чем один раз, то говорят, что случайный процесс является ординарным. Величину называют интенсивностью перехода системы из S_i в S_j. На графе состояний системы численные значения ставят рядом со стрелками, показывающими переходы в вершины графа.

Зная интенсивности переходов можно найти величины p₁(t), p₂(t),…, p_n(t) - вероятности нахождения системы S в состояниях S₁, S₂,…, S_n соответственно. При этом выполняется условие:

Распределение вероятностей состояний системы, которое можно характеризовать вектором , называется стационарным, если оно не зависит от времени, т.е. все компоненты вектора являются константами.

Состояния S_i и Sj называются сообщающимися, если возможны переходы .

Состояние S_i называется существенным, если всякое S_j, достижимое из S_i, является сообщающимся с S_i. Состояние S_i называется несущественным, если оно не является существенным.

Если существуют предельные вероятности состояний системы:

,

не зависящие от начального состояния системы, то говорят, что при в системе устанавливается стационарный режим.

Система, в которой существуют предельные (финальные) вероятности состояний системы, называется эргодической, а протекающий в ней случайный процесс эргодическим.

Теорема 1. Если S_i - несущественное состояние, то т.е. при система выходит из любого несущественного состояния.

Теорема 2. Чтобы система с конечным числом состояний имела единственное предельное распределение вероятностей состояний, необходимо и достаточно, чтобы все ее существенные состояния сообщались между собой.

Если случайный процесс, происходящий в системе с дискретными состояниями является непрерывной марковской цепью, то для вероятностей p₁(t), р₂(t),…, p_n(t) можно составить систему линейных дифференциальных уравнений, называемых уравнениями Колмогорова. При составлении уравнений удобно пользоваться графом состояний системы. В левой части каждого из них стоит производная вероятности какого-то (j-го) состояния. В правой части - сумма произведений вероятностей всех состояний, из которых возможен переход в данное состояние, на интенсивности соответствующих потоков, минус суммарная интенсивность всех потоков, выводящих систему из данного (j-го) состояния, умноженная на вероятность данного (j-го) состояния.

3 Процессы рождения и гибели

Так называется широкий класс случайных процессов, происходящих в системе, размеченный граф состояний которой изображен на рис. 3.

Рисунок 2 - Граф состояний для процессов гибели и размножения

Здесь величины , ,…, - интенсивности переходов системы из состояния в состояние слева направо, можно интерпретировать как интенсивности рождения (возникновения заявок) в системе. Аналогично, величины ,,…, - интенсивности переходов системы из состояния в состояние справа налево, можно интерпретировать как интенсивности гибели (выполнения заявок) в системе.

Поскольку все состояния являются сообщающимися и существенными, существует (в силу теоремы 2) предельное (финальное) распределение вероятностей состояний. Получим формулы для финальных вероятностей состояний системы.

В стационарных условиях для каждого состояния поток, входящий в данное состояние должен равняться потоку, исходящему из данного состояния. Таким образом, имеем:

Для состояния S₀:

Следовательно:

Для состояния S₁:

Следовательно:

С учетом того, что :

Аналогично получаем уравнения для остальных состояний системы. В результате получим систему уравнений:

Решение этой системы будет иметь вид:

(4)

, ,…, (5)

4. Основные понятия и классификация систем массового обслуживания

Заявкой (или требованием) называется спрос на удовлетворение какой-либо потребности (далее потребности предполагаются однотипными). Выполнение заявки называется обслуживанием заявки.

Системой массового обслуживания (СМО) называется любая система для выполнения заявок, поступающих в неё в случайные моменты времени.

Поступление заявки в СМО называется событием. Последовательность событий, заключающихся в поступлении заявок в СМО, называется входящим потоком заявок. Последовательность событий, заключающихся в выполнении заявок в СМО, называется выходящим потоком заявок.

Поток заявок называется простейшим, если он удовлетворяет следующим условиям:

1) отсутствие последействия, т.е. заявки поступают независимо друг от друга;

2) стационарность, т.е. вероятность поступления данного числа заявок на любом временном отрезке [t₁; t₂] зависит лишь от величины этого отрезка и не зависит от значения t₁, что позволяет говорить о среднем числе заявок за единицу времени, л, называемом интенсивностью потока заявок;

3) ординарность, т.е. в любой момент времени в СМО поступает лишь одна заявка, а поступление одновременно двух и более заявок пренебрежимо мало.

Для простейшего потока вероятность p_i(t) поступления в СМО ровно i заявок за время t вычисляется по формуле:

(6)

т.е. вероятности распределены по закону Пуассона с параметром лt. По этой причине простейший поток называется также пуассоновским потоком.

Функция распределения F(t) случайного интервала времени T между двумя последовательными заявками по определению равна . Но , где - вероятность того, что следующая после последней заявки поступит в СМО по истечении времени t, т.е. за время t в СМО не поступит ни одна заявка. Но вероятность этого события находится из (6) при i = 0. Таким образом:

(7)

Плотность вероятности f(t) случайной величины T определяется формулой:

,

Математическое ожидание, дисперсия и среднее квадратическое отклонение случайной величины T равны соответственно:

Каналом обслуживания называется устройство в СМО, обслуживающее заявку. СМО, содержащее один канал обслуживания, называется одноканальной, а содержащее более одного канала обслуживания - многоканальной.

Если заявка, поступающая в СМО, может получить отказ в обслуживании (в силу занятости всех каналов обслуживания) и в случае отказа вынуждена покинуть СМО, то такая СМО называется СМО с отказами.

Если в случае отказа в обслуживании заявки могут вставать в очередь, то такие СМО называются СМО с очередью (или с ожиданием). При этом различают СМО с ограниченной и неограниченной очередью. Очередь может быть ограничена как по количеству мест, так и по времени ожидания. Различают СМО открытого и замкнутого типа. В СМО открытого типа поток заявок не зависит от СМО. В СМО замкнутого типа обслуживается ограниченный круг клиентов, а число заявок может существенно зависеть от состояния СМО (например, бригада слесарей - наладчиков, обслуживающих станки на заводе).

СМО могут также различаться по дисциплине обслуживания.

Если в СМО нет приоритета, то заявки отбираются из очереди в канал по различным правилам.

· Первым пришел - первым обслужен (FCFS - First Came - First Served)

· Последним пришел - первым обслужен (LCFS - Last Came - First Served)

· Первоочередное обслуживание требований с кратчайшей длительностью обслуживания (SPT/SJE)

· Первоочередное обслуживание требований с кратчайшей длительностью дообслуживания (SRPT)

· Первоочередное обслуживание требований с кратчайшей средней длительностью обслуживания (SEPT)

· Первоочередное обслуживание требований с кратчайшей средней длительностью дообслуживания (SERPT)

Приоритеты бывают двух типов - абсолютный и относительный.

Если требование в процессе обслуживания может быть удалено из канала и возвращено в очередь (либо вовсе покидает СМО) при поступлении требования с более высоким приоритетом, то система работает с абсолютным приоритетом. Если обслуживание любого требования, находящегося в канале не может быть прервано, то СМО работает с относительным приоритетом. Существуют также приоритеты, осуществляемые с помощью конкретного правила или набора правил. Примером может служить приоритет, изменяющийся с течением времени.

СМО описываются некоторыми параметрами, которые характеризуют эффективность работы системы.

- число каналов в СМО;

- интенсивность поступления в СМО заявок;

- интенсивность обслуживания заявок;

- коэффициент загрузки СМО;

- число мест в очереди;

- вероятность отказа в обслуживании поступившей в СМО заявки;

- вероятность обслуживания поступившей в СМО заявки (относительная пропускная способность СМО);

При этом:

(8)

А - среднее число заявок, обслуживаемых в СМО в единицу времени (абсолютная пропускная способность СМО)

(9)

- среднее число заявок, находящихся в СМО

- среднее число каналов в СМО, занятых обслуживанием заявок. В тоже время это - среднее число заявок, обслуживаемых в СМО за единицу времени. Величина определяется как математическое ожидание случайного числа занятых обслуживанием n каналов.

, (10)

где - вероятность нахождения системы в S_k состоянии.

- коэффициент занятости каналов

- среднее время ожидания заявки в очереди

- интенсивность ухода заявок из очереди

- среднее число заявок в очереди. Определяется как математическое ожидание случайной величины m - числа заявок, состоящих в очереди

(11)

Здесь - вероятность нахождения в очереди i заявок;

- среднее время пребывания заявки с СМО

- среднее время пребывания заявки в очереди

Для открытых СМО справедливы соотношения:

(12)

(13)

Эти соотношения называются формулами Литтла и применяются только для стационарных потоков заявок и обслуживания.

Рассмотрим некоторые конкретные типы СМО. При этом будет предполагаться, что плотность распределения промежутка времени между двумя последовательными событиями в СМО имеет показательное распределение (7), а все потоки являются простейшими.

5. Основные типы открытых систем массового обслуживания

Пусть СМО содержит n каналов, интенсивность входящего потока заявок равна , а интенсивность обслуживания заявки каждым каналом равна . Размеченный граф состояний системы изображён на рисунке 4.

Рисунок 4 - Граф состояний многоканальной СМО с отказами

Состояние S₀ означает, что все каналы свободны, состояние S_k (k = 1, n) означает, что обслуживанием заявок заняты k каналов. Переход из одного состояния в другое соседнее правое происходит скачкообразно под воздействием входящего потока заявок интенсивностью независимо от числа работающих каналов (верхние стрелки). Для перехода системы из одного состояния в соседнее левое неважно, какой именно канал освободится. Величина характеризует интенсивность обслуживания заявок при работе в СМО k каналов (нижние стрелки).

Сравнивая графы на рис. 3 и на рис. 5 легко увидеть, что многоканальная СМО с отказами является частным случаем системы рождения и гибели, если в последней принять и

 (16)

При этом для нахождения финальных вероятностей можно воспользоваться формулами (4) и (5). С учётом (16) получим из них:

(17)

(18)

Формулы (17) и (18) называются формулами Эрланга - основателя теории массового обслуживания.

Вероятность отказа в обслуживании заявки р_отк равна вероятности того, что все каналы заняты, т.е. система находится в состоянии S_n. Таким образом,

(19)

Относительную пропускную способность СМО найдём из (8) и (19):

(20)

Абсолютную пропускную способность найдём из (9) и (20):

Среднее число занятых обслуживанием каналов можно найти по формуле (10), однако сделаем это проще. Так как каждый занятый канал в единицу времени обслуживает в среднем заявок, то можно найти по формуле:

5.3 Одноканальная система массового обслуживания с ограниченной длиной очереди

В СМО с ограниченной очередью число мест m в очереди ограничено. Следовательно, заявка, поступившая в момент времени, когда все места в очереди заняты, отклоняется и покидает СМО. Граф такой СМО представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Граф состояний одноканальной СМО с ограниченной очередью

Состояния СМО представляются следующим образом:

S₀ - канал обслуживания свободен,

S₁ - канал обслуживания занят, но очереди нет,

S₂ - канал обслуживания занят, в очереди одна заявка,

S_k+1 - канал обслуживания занят, в очереди k заявок,

S_m+1 - канал обслуживания занят, все m мест в очереди заняты.

Для получения необходимых формул можно воспользоваться тем обстоятельством, что СМО на рисунок 5 является частным случаем системы рождения и гибели, представленной на рисунке 2, если в последней принять и

 (21)

(22)

(23)

Выражения для финальных вероятностей состояний рассматриваемой СМО можно найти из (4) и (5) с учётом (21). В результате получим:

При р = 1 формулы (22), (23) принимают вид

При m = 0 (очереди нет) формулы (22), (23) переходят в формулы (14) и (15) для одноканальной СМО с отказами.

Поступившая в СМО заявка получает отказ в обслуживании, если СМО находится в состоянии S_m+1, т.е. вероятность отказа в обслуживании заявки равна:

Относительная пропускная способность СМО равна:

Абсолютная пропускная способность равна:

Среднее число заявок, стоящих в очереди L_оч, находится по формуле

и может быть записано в виде:

(24)

При формула (24) принимает вид:

- среднее число заявок, находящихся в СМО, находится по формуле(10)

и может быть записано в виде:

(25)

При , из (25) получим:

Среднее время пребывания заявки в СМО и в очереди находится по формулам (12) и (13) соответственно.

5.4 Одноканальная система массового обслуживания с неограниченной очередью

Примером такой СМО может служить директор предприятия, вынужденный рано или поздно решать вопросы, относящиеся к его компетенции, или, например, очередь в булочной с одним кассиром. Граф такой СМО изображён на рисунке 6.

Рисунок 6 - Граф состояний одноканальной СМО с неограниченной очередью

Все характеристики такой СМО можно получить из формул предыдущего раздела, полагая в них . При этом необходимо различать два существенно разных случая: а) ; б) . В первом случае, как это видно из формул (22), (23), р₀ = 0 и p_k = 0 (при всех конечных значениях k). Это означает, что при очередь неограниченно возрастает, т.е. этот случай практического интереса не представляет.

Рассмотрим случай, когда . Формулы (22) и (23) при этом запишутся в виде:

Поскольку в СМО отсутствует ограничение на длину очереди, то любая заявка может быть обслужена, т.е. относительная пропускная способность равна:

Абсолютная пропускная способность равна:

Среднее число заявок в очереди получим из формулы (24) при :

Среднее число обслуживаемых заявок есть:

Среднее число заявок, находящихся в СМО:

Среднее время пребывания заявки в СМО и в очереди определяются формулами (12) и (13).

5.5 Многоканальная система массового обслуживания с ограниченной очередью