Разработка и исследование имитационной модели разветвленной СМО (системы массового обслуживания) в среде VB5

Wоч ;  Wсист

 

4. Одноканальная  СМО с произвольным потоком  заявок и произвольным распределением  времени обслуживания

Рассматривается одноканальная  СМО с неограниченной очередью, на которую поступает произвольный поток заявок с интенсивностью l и коэффициентом вариации nl, 0 < nl < 1. Время обслуживания также имеет произвольное распределение со средним значением и коэффициентом вариации nm, 0 < nm < 1. Для этого случая точных аналитических формул получить не удается; можно только приближенно оценить среднюю длину очереди, ограничить ее сверху и снизу.

 

Lоч

 

Если входящий поток  — простейший, то обе оценки —  верхняя и нижняя — совпадают, и получается формула Полячека — Хинчина. Для грубо приближенной оценки средней длины очереди М. А. Файнбергом получена формула:

 

Lоч   Lсист = Lоч + r

 

Средние времена пребывания заявки в очереди и в системе вычисляются через Lоч и Lсист по формуле Литтла делением на l

 

2.4 Математическое  описание разрабатываемой модели.

 

На вход системы из N станций поступает поток заявок с заданными (экспоненциальным или нормальным) законом распределения времени прихода, интенсивностью входного потока l и, при нормальном распределении, коэффициентом вариации nl. Каждая станция рассматривается, как одноканальная СМО с неограниченной очередью. На каждой станции задано среднее время обслуживания и, при нормальном распределении, коэффициент вариации nm. На выходе станций поток заявок может ветвиться, также может происходить отбраковка заявок. Это изменяет интенсивность входного потока на последующих станциях.

При имитационном моделировании  поэтапно имитируется (с использованием генератора случайных чисел) весь описанный процесс: моделируются входной поток и потоки обслуживаний, имитируются процессы ветвления и объединения потоков, а также процесс отбраковки заявок.

Расчетно-формульная модель такой системы может рассматриваться только в случае, когда существуют финальные вероятности. Для таких СМО финальные вероятности существуют только тогда, когда станции не перегружены, т. е для всех станций выполняется условие ( )

 

 

 Создание программы. Постановка задачи на проектирование.

 

2.1.Формулировка  задачи.

 

Построить модель СМО  и исследовать поведение характеристик  её эффективности.

Описание системы:

Имеется двухканальная  СМО с отказами, на которую поступает  два произвольных потока заявок. Поток I имеет интенсивность l₁. Поток II имеет интенсивность l₂ (будем кратко именовать заявки этих потоков: Заявки I и ЗаявкиII). Заявки I имеют пред Заявками II приоритет, состоящий в том, что если Заявка I приходит в систему, когда все каналы заняты и хотя бы один из них обслуживает Заявку II, то пришедшая Заявка I «вытесняет» (выгоняет) Заявку II, становится на её место, а та покидает систему необслуженной. Если Заявка I приходит в момент, когда оба канала обслуживают Заявки I, то она получает отказ и покидает СМО. Заявка II получает отказ, если она приходит в систему в момент, когда оба канала заняты (безразлично какими заявками).

Данные для варианта :      l₁ =3, l₂ =1, m₁ =2, m₂ =1.

 

2.2Теоретическое  представление задачи.

На двухканальную СМО поступают заявки двух  простейших потоков.

Простейшим потоком называется поток, обладающий следующими свойствами:

1.стационарность;

2.ординарность;

3.отсутствие последействия.

Поток событий называется стационарным, если вероятность попадания того или иного числа событий на участок времени длиной t зависит только от длины участка и не зависит от того, где именно на оси времени расположен этот участок.

Поток событий называется ординарным, если вероятность попадания на элементарный участок Dt двух или более событий пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью попадания одного события. Ординарность означает, что поток прореженный, т.е. между любыми двумя событиями есть временной интервал.

Поток событий называется потоком без последействия, если для любых, не перекрывающихся участков времени число событий, попадающих на один из них, не зависит от числа событий, попадающих на другие. Это означает, что заявки попадают в систему не зависимо друг от друга.

  Интенсивность поступления  заявок 1-го потока - l1. Интенсивность поступления заявок 2-го потока - l2. Простейшие потоки поступления заявок характеризуются показательным законом распределения. Тогда интервал времени поступления заявок 1-го потока представляет собой случайную величину с одним и тем же распределением вероятностей F (t). 

   , (1)  где l1>0 – постоянная.

Плотность распределения показательного закона задается формулой:

где l1>0, - интенсивность поступления заявок 1-го потока.

Аналогично, интервал времени поступления заявок 2-го потока представляет собой случайную величину с одним и тем же распределением вероятностей F(t). 

  , (1)  где l2>0 – постоянная.

Плотность распределения показательного закона задается формулой:

где l2>0, - интенсивность поступления заявок 2-го потока.

Необходимо также учесть, что моделируемая  система массового  обслуживания является СМО с отказами и с абсолютным приоритетом. Т.е. заявки 1 имеют перед заявками 2 приоритет, состоящий в том, что если заявка 1 приходит в систему, когда все каналы заняты и хотя бы один из них обслуживает заявку 2, то пришедшая заявка 1 вытесняет заявку 2, становится на ее место, а та покидает систему не обслуженной. Если заявка 1 приходит в систему в момент, когда оба канала обслуживают заявку 1, то она покидает СМО. Заявка 2 получает отказ, если она приходит в систему в момент, когда оба канала заняты, безразлично какими заявками.

Длительность обслуживания заявок 1-го и 2-го потока также представляют собой случайные величины, подчиняющиеся показательному закону распределения. Интенсивность обслуживания заявок 1-го потока - m1. Интенсивность обслуживания заявок 2-го потока - m2. Длительность обслуживания заявок 1-го потока представляет собой случайную величину с одним и тем же распределением вероятностей F (t).

, (1)  где m1>0 – постоянная.

Плотность распределения  показательного закона задается формулой:

где m1>0, - интенсивность обслуживания заявок 1-го потока.

Аналогично, длительность обслуживания заявок 2-го потока представляет собой случайную величину с одним и тем же распределением вероятностей F(t). 

  , (1)  где m2>0 – постоянная.

Плотность распределения  показательного закона задается формулой:

где m2>0, - интенсивность обслуживания заявок 2-го потока.

В рассматриваемой задаче СМО имеет 2 входа, на один из которых  поступает случайный поток Заявок I, на другой вход  -  поток Заявок II.

 

3. Решение задачи.

 

1.  Алгоритм моделирования СМО.

Начальные условия:

1. Рассматриваемая в задаче СМО представляет собой СМО с:

• Двухканальным обслуживанием;

• Двухканальным входным потоком ( имеет 2 входа, на один из которых  поступают случайный поток Заявок I, на другой вход – поток Заявок II).

2. Определение времен поступления и обслуживания заявок:

• Времена поступления и обслуживания заявок генерируются случайно с заданным показательным законом распределения;
• Интенсивности поступления и обслуживания заявок заданы;

3. Функционирование рассматриваемой СМО:

• Каждый канал обслуживает в каждый момент времени одну заявку;
• Если в момент поступления новой заявки свободен хотя бы один канал, то пришедшая заявка поступает на обслуживание;
• Если отсутствуют Заявки то система простаивает.

4. Дисциплина обслуживания:

• Приоритет Заявок I: если система занята (оба канала обслуживают заявки), причем один из каналов занят Заявкой II, Заявка I вытесняют Заявку II; Заявка II покидает систему необслуженной;
• Если к моменту поступления Заявки II оба канала заняты, Заявка II не обслуживается;
• Если к моменту поступления Заявки I оба канала обслуживают Заявки I, поступившая Заявка I покидает систему необслуженной;

 

       Задача моделирования: зная параметры входных потоков заявок промоделировать поведение системы и вычислить её основные характеристики её эффективности. Меняя величину Т от меньших значений до больших (интервал времени, в течении которого происходит случайный процесс поступления заявок    1-го и 2-го потока в СМО на обслуживание), можно найти изменения критерия эффективности функционирования и выбрать оптимальный.

      Критерии эффективности функционирования СМО:

• Вероятность отказа;
• Относительная пропускная способность;
• Абсолютная пропускная способность;

Принцип моделирования:

• Вводим начальные условия: общее время работы системы, значения интенсивностей потоков заявок; число реализаций работы системы;
• Генерируем моменты времени, в которые прибывают заявки, последовательность прихода Заявок I Заявок II, время обслуживания каждой пришедшей заявки;
• Считаем сколько заявок было обслужено, а сколько получило отказ;
• Рассчитываем критерий эффективности СМО:

 

4. Программная реализация.

 

         Программа была разработана   в среде программирования Turbo Pascal. Алгоритм функционирования программы заключается в следующем: после считывания введенных пользователем параметров, производится генерация моментов появления Заявок. Затем выполняется процедура, реализующая СМО, представляющая собой цикл с условием выхода по истечению времени функционирования СМО. Значения интенсивностей появления заявок в системе и обслуживания заявок заданы в программе в виде констант.

         Отсчёт внутреннего  времени   СМО  выполняется  с  помощью приращения  переменной. В текущий момент времени производится  проверка  моментов появления заявки. Если заявка появилась, когда один из каналов был свободен, заявка поступает на обслуживание в свободный канал. В противном случае при появлении заявки II, она получает отказ (соответственно увеличивается число необслуженных заявок). При появлении Заявки I, она не обслуживается в случае занятости обоих каналов заявками I. При занятости хотя бы одного канала Заявкой II, Заявка I становится на место Заявки II, (Заявка II покидает систему необслуженной, увеличивается количество необслуженных заявок).

Описание интерфейса:

При каждом новом запуске программы  сначала вводится число реализаций работы системы, затем при каждой новой реализации вводится время функционирования СМО –Т. При поступлении новой заявки программа выводит сообщение (Поступила заявка 1, Поступила Заявка 2).Программа выводит сообщения об обслуживании/необслуживании вновь поступившей заявки. Затем, по окончании времени функционирования системы выводится сколько заявок поступило и сколько из них было обслужено, а сколько получило отказ. Далее программой производится расчет и вывод основных выбранных характеристик СМО.

Листинг программы представлен  в приложении 6.

Работа программы и  получение данных для анализа работы СМО.

Чтобы исследовать поведение  смоделированной СМО при различных  значениях времени функционирования, зададим число реализаций программы  равным 18. Причем, при каждой новой реализации, будем задавать больший интервал времени функционирования системы.

Интересно также пронаблюдать поведение СМО при изменяющихся значениях интенсивностей появления заявок в системе. Поэтому изменим значения этих констант в программе и пронаблюдаем поведение СМО. Значения интенсивностей поступления заявок1 уменьшим на 1, а заявок 2- увеличим на 1.

Новые значения интенсивностей::      l₁ =2, l₂ =2, m₁ =2, m₂ =1.

Т.о. исследуем работу системы при следующих вариантах:

	l1	l2	m1	m2
Вариант 1	2	2	2	1
Вариант 2	3	1	2	1

Результаты работы системы  представлены в приложении 1.

 На основе собранных  данных строятся графики зависимостей  значений параметров, характеризующих работу СМО от времени функционирования системы, а также от значений интенсивностей поступления и обслуживания заявок.

Для каждого варианта были построены графики зависимостей: 
- относительной пропускной способности системы от времени работы; 
- абсолютной пропускной способности от времени работы; 
- вероятности отказа системы от времени;

- количества обслуженных  и поступивших заявок от времени.

Графики представлены в  приложениях 2-4.

 

5 Экономическая часть

 

1. Характеристика разрабатываемого программного

обеспечения

 

Разрабатываемое ПО предназначено  для моделирования и исследования разветвленных систем массового  обслуживания. Программа может либо имитировать процесс обработки заявок системой с заданными пользователем параметрами и рассчитать некоторые показатели либо, когда это возможно, рассчитать ряд средних параметров по формулам. С помощью данной программы можно смоделировать структуру автоматической линии, гибкой производственной системы или структуру системы обслуживания какого-либо предприятия (или производственного участка) и исследовать эту структуру. Проведя анализ, можно выявить «слабые» места в системе или осознать необходимость введения в нее каких-либо дополнительных элементов. Далее можно, меняя различные параметры в программе, достигать оптимального соотношения простоев и очередей.