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

ЛР / ЛР5 / SM_LR5

.py
Скачиваний:
9
Добавлен:
25.06.2023
Размер:
12.64 Кб
Скачать
from matplotlib import pyplot as plt
from scipy import stats as st
import numpy as np



def ploting_erlang_distribution(k, lmbda, N=10000):
    '''Построение графика плотности вероятности Эрланговского распределения'''
    # Определяем границы построения графика
    data = st.erlang.rvs(a=k, scale=1/lmbda, size=N)
    x_min, x_max = min(data), max(data)

    # Генерируем список значений x для построения графика
    x = np.linspace(0 if x_min<=1 else x_min-1, x_max+1, 100)
    # Функция плотности вероятности эрланговского распределения для заданных k и lambda
    f = lambda x : ((lmbda**k) * (x**(k-1)) * np.exp(-lmbda*x)) / np.math.factorial(k-1)

    # Построение графика
    plt.figure(figsize=(9,7))
    plt.plot(x, f(x), color='red')
    plt.title('График плотности вероятности\nЭрланговского распределения\n' + \
              'для k={}, lambda={}'.format(round(k, 4), round(lmbda, 4)), fontsize=16)
    plt.xlabel("x")
    plt.ylabel("y")
    plt.show()


def ploting_uniform_distribution(a, b):
    '''Построение графика плотности вероятности равномерного распределения'''
    # Генерируем список значений x для построения графика
    x = np.linspace(a - (b-a)/5, b + (b-a)/5, 100)
    # Функция плотности вероятности равномерного распределения для заданных a и b
    f = lambda x :  [1/(b-a) if (a<=i) and (i<=b) else 0 for i in x]

    # Построение графика
    plt.figure(figsize=(9,7))
    plt.plot(x, f(x), color='red')
    plt.title('График плотности вероятности\nравномерного распределения\n' + \
              'для a={}, b={}'.format(round(a, 4), round(b, 4)), fontsize=16)
    plt.xlabel("x")
    plt.ylabel("y")
    plt.show()


def model(shape, lambd, a, b, mu_0, buffer_size=1, is_test=False):
    '''Функция моделироваиня СМО'''
    # Лямбда ф-ция получения случайного значения распределения
    # Эрланговского для закона распределения входного потока заявок
    get_t_request = lambda : np.random.exponential(1/lambd) if is_test \
                             else st.erlang.rvs(a=shape, scale=1/(lambd*shape))
    # Равномерного для закона распределения времени обслуживания заявок
    get_t_work = lambda : np.random.exponential(1/mu_0) if is_test \
                             else np.random.uniform(a, b)

    # Количество заявок, поступивших / обслуженных / в буфере к данному моменту в СМО
    n, k, m = 0, 0, 0
    
    # Статус занятости ОУ
    is_busy = False
    
    # Системное время
    t_system = 0
    # Следующий момент поступления заявки
    t_request = get_t_request()
    # Следующий момент освобождения ОУ
    t_work = t_request

    # Список времени моментов поступления заявок
    t_request_Data = np.array([])
    # Список времени моментов освобождения ОУ
    t_work_Data = np.array([])

    q_Old = 2**32
    q_Data = np.array([])

    # Старая оценка среднего времени пребывания запроса
    t_me_Old = 2 ** 32

    # Счетчик итераций цикла
    loop_cnt = 0

    # Моделируем СМО
    while True:
        loop_cnt += 1   # Увеличиваем счетчик цикла
        # Проверяем наступило ли время освобождения ОУ
        if t_request <= t_work:
            # Записываем в системное время момент поступления заявки
            t_system = t_request
            # Сохраняем в список момент поступления заявки
            # t_request_Data = np.append(t_request_Data, t_request)
            if not is_busy or m < buffer_size:
                t_request_Data = np.append(t_request_Data, t_request)
            
            # Создаем новое значение 
            t_request_New = get_t_request()
            # Сохранение для посдчета интенсивности входного потока
            q_Data = np.append(q_Data, t_request_New)

            n += 1  # Увеличиваем счетчик поступивших заявок

            # Проверяем занято ли ОУ 
            if not is_busy:
                is_busy = True  # Устанавливаем статус ОУ в положение занято
                # Вычисляем следующий момент освобождения ОУ
                t_work = t_system + get_t_work()
            # Добавлием заявку в буфер, только если в нем есть свободное место
            elif m < buffer_size:
                m += 1
            # else: print('ОТКАЗ', not is_busy or m < buffer_size)

            # Вычисляем следующий момент поступления заявки, только если заявка попала в буфер
            t_request = t_system + t_request_New
        else:
            # Записываем в системное время момент освобождения ОУ
            t_system = t_work
            k += 1  # Увеличиваем счетчик обслуженных заявок
            # Сохраняем в список момент освобождения ОУ
            t_work_Data = np.append(t_work_Data, t_work)

            # Проверяем есть ли заявки в буфере
            if m > 0:
                m -= 1  # Берем заявку из буфера
                # Вычисляем следующий момент освобождения ОУ
                t_work = t_system + get_t_work()
            else:
                # Устанавливаем статус ОУ в положение свободно
                is_busy = False
                # Устанавливаем следующий момент освобождения ОУ
                t_work = t_request
        
        # Проводим отценку каждые 1000 итераций цикла
        if loop_cnt % 1000 == 0:
            # Высчитываем среднее время обслуживания заявки
            t_me_New = np.mean(t_work_Data - t_request_Data[:len(t_work_Data)])
            # Расчет оценки производительности системы
            q_New = (k/n) / np.mean(q_Data)
            # Проверка достаточности условия выхода
            if np.abs((t_me_New - t_me_Old)/t_me_Old) < 0.01 \
                or np.abs((q_New - q_Old)/q_Old) < 0.001: return t_me_New, q_New
            q_Old = q_New
            t_me_Old = t_me_New # Перезаписываем среднее время обслуживания заявки


def modeling_experimental_dependence(shape, mu_0, buffer_size = 10000, is_test = False):
    '''Функция построения графиков для модели СМО'''
    # Генерация списка значений интенсивности входного потока
    lambd = np.linspace(0.1,1,10) * mu_0
    # Расчет границ для равномерного распределения
    a = 1 / mu_0 - 0.05 * mu_0
    b = a + 0.1 * mu_0

    # Список среднего времени пребывания запроса
    t_empirical = np.array([])
    # Список оценки производительности системы
    q_empirical = np.array([])

    # Заполнение списка значений среднего времени пребывания запроса
    for l in lambd:
        t_empirical_val, q_empirical_val = model(shape, l, a, b, mu_0, buffer_size, is_test)
        t_empirical = np.append(t_empirical, t_empirical_val)
        q_empirical = np.append(q_empirical, q_empirical_val)
        # print('---------------------------------------------------------------')    # TEST PRINT TEST
    print('t_empirical', t_empirical, '\nq_empirical', q_empirical, end='\n\n')     # TEST PRINT TEST

    if not is_test:
        # Построение графика эрланговского распределения
        # для закона распределения входного потока заявок
        ploting_erlang_distribution(k=shape, lmbda=1/(np.mean(lambd)*shape), N=10000)

        # Построение графика равномерного распределения
        # для закона распределения времени обслуживания заявок
        ploting_uniform_distribution(a=a, b=b)

    # Создаем объекты графиков
    fig, axis = plt.subplots(1, 2, figsize=(15, 7))
    fig.suptitle('Статистика для ЭСМО c буффером размера {}'.format(buffer_size), fontsize=16)

    # Построение графика
    if is_test:
        lambd = lambd[lambd != mu_0]
        #Теор.знач. коэф загрузки системы
        Rho = lambd / mu_0
        # Расчет теор. значения среднего времени пребывания запроса в системе
        t_theor = [ 1/lambd[j] * sum( (i * (1-Rho[j]) * Rho[j]**i) / (1 - Rho[j]**(buffer_size+1)) for i in range(buffer_size+2) ) for j in range(len(lambd))]
        #Теор.знач. вероятности потери запроса
        p_Fail = ((1-Rho) * Rho**buffer_size) / (1-Rho**(buffer_size+1))
         #Теор.знач. производительности ситсемы
        q_theor = lambd * (1-p_Fail)

        # Построение графика георитически расчитанного значения
        axis[0].plot(lambd[:len(q_theor)], q_theor, label='Теоретическое значение', color='red')
        # Построение графика теоритически расчитанного значения
        axis[1].plot(lambd[:len(t_theor)], t_theor, label='Теоретическое значение', color='red')
        
    # Построение графика экспериментально полученного значения
    axis[0].plot(lambd[:9], q_empirical[:9],  label='Экспериментальное значение', color='black')
    axis[0].set_title("График зависимости производительность системы\nот интенсивности входного потока")
    axis[0].set_ylabel('Производительность системы')

    # Построение графика экспериментально полученного значения
    axis[1].plot(lambd[:9], t_empirical[:9],  label='Экспериментальное значение', color='black')
    axis[1].set_title("График зависимости среднего времени пребывания запроса\nот интенсивности входного потока")
    axis[1].set_ylabel('Ср. t в системе')

    for ax in axis.flat:
        ax.set_xlabel('Инт. входного потока')
        ax.grid()
        ax.legend()
    plt.show()
    return t_empirical


def main():
    # Вариант 10
    shape, mu_0, N = 6, 5, 3

    # Моделирование работы СМО
    modeling_experimental_dependence(shape, mu_0, buffer_size=N, is_test=True)
    modeling_experimental_dependence(shape, mu_0, buffer_size=N, is_test=False)
    return 0

if __name__ == "__main__":
	main()
Соседние файлы в папке ЛР5