книги из ГПНТБ / Большие системы и управление
..pdfie o
Кандидат технических наук Ю.П. РЫЖОВ,
доктор технических наук, профессор Х.Л. СМОЛИЦКИИ
ПРЕДСТАВИМОСТЬ ПРОЦЕССА ОБСДУЖВАНШ ВЛОЖЕННОЙ ЦЕПЬЮ МАРКОВА
I* ВВЕДЕНИЕ
Известно [ l,2 ,4 ], что процесс обслуживания заявок в одно канальной системе массового обслуживания с неограниченной оче редью в общем случае не является марковским.
Пусть W ( Т) есть плотность вероятности длины промежутка времени между смежными моментами поступления заявок на обслу живание во входном потоке [ з ] :
|
E S U - z p , |
где 6 ( e ) - |
дельта-функция; |
2 - - |
момент поступления L -й^заявки. |
Рис.33. Блок-схема одноканальной системы массового обслужива ния с очередью
Пусть Ф (0 ) - плотность вероятности длительности обслужи вания прибором одной заявки (рис.33). Выходной поток обслужен ных заявок
161
x * ( s j = £ $ ( ъ - г ь) ,
L = ~Oo
где |
Ъ-~ момент окончания обслуживания I -й заявки. Тогда чис |
ло |
заявок в любой момент £ определяется равенством |
^*(£) = |[х * (1г)-Х*('г)]о'г . |
(I) |
- оо |
|
Исследование этого немарковского процесса N%^) с |
помощью |
вложенных цепей Маркова заключается в том, что из всего фазо вого пространства процесса Q выбираются только те точки, по следовательность которых образует марковскую цепь (рис.34).
Анализ процесса (I) с помощью вложенных цепей Маркова для случая
|
оо |
|
0 = 1 |
= J @Ф(©) с/0 -= оо; W ( r )e £ 7 , |
(2) |
^ |
о |
|
где U - класс распределений, образующих простейший входной поток заявок Х*(ч)9 проведен А.Я. Хинчиным -jj]; этот анализ позволяет определить при равновозможном выборе номера I веро ятности
Гк = P { / V * U Z+0) = к ) . |
(3) |
Для ряда технических приложений весьма важными характери стиками процесса (I) являются вероятности
162
|
|
P m = p { n * W |
= k } > |
(4) |
где |
момент £ |
выбирается равновероятно |
на интервале |
(О, Т) |
при |
Т —- оо . |
|
|
|
|
Т. Саати [2] приводит принадлежащее А.Я. Хинчину доказа |
|||
тельство того, |
что для случая (2) имеет место равенство |
|
||
|
|
о - Г |
|
(5) |
означающее представимость процесса-N* ($ )вложенной цепью Мар кова, т .е . равносильность с точки зрения описания процесса
N*(z) |
в случае (2) |
равновозможных выборов номера I |
и момен |
|
та |
^ . |
|
|
|
|
Ниже рассматривается случай, обратный в некотором смысле |
|||
к |
(2), |
именно |
|
|
|
|
Т = - f |
= \ T W ( T ) d T ^ « ; Ф ( в ) £ U. |
(6) |
ЛJ
О
2 . ЕДИНСТВЕННОСТЬ РЕШЕНИЯ
Введем вероятности
Гк = p { n * { i -l- 0 ) = к }
при равновозможном выборе номера L и установим связь между вероятностями гк для вложенной цепи Маркова и вероятностными
Як<4). |
|
|
. . . ) при усло |
Сначала найдем вероятности рк ( к ~ 0 ,1 ,2 , |
|||
виях (6) . Для этого |
заметим, что вероятность |
обслуживания |
|
ровно j заявок |
за |
время между моментами поступления двух смеж |
|
ных заявок равна |
|
|
|
У |
= J |
(JT T e ~ V T W ( T ) c t T , |
<8> |
где |
О |
|
|
|
оо |
|
Ь |
* |
' ° > |
Е |
У = и |
|
|
^О |
* |
163
Определим элемент рк1 матрицы переходных вероятностей вложенной цепи Маркова как
P{N*(zi+1- 0 ) =£//У*(2 ; - 0 )=к} при Ык.+1,
Pkl '
1 |
О |
п р и 1 > К + 1 ; |
/< = 0 , 7 , 2 , 3 , . . . |
|||
Можно показать [2] , что |
|
|
|
|||
|
ЧкУ |
-1 + i1 |
при |
к+ 7 г |
г =- |
|
|
п |
|
|
|
||
Рк1 = \ |
оо |
при |
1 |
= 0 ; |
(9) |
|
£ |
Ц: |
|||||
|
Е |
9 ; |
|
7 |
; |
|
|
= K+ f |
при |
|
|
|
|
|
0 |
|
1> К+1 • |
|||
|
|
( к = о, 1, 2 , 3 , . . . |
Тогда для стационарного режима обслуживания получаем сле дующую бесконечную систему однородных линейных уравнений для определения гк :
СЮ |
СО |
|
О о |
|
Х |
|
|
|
|
Г0 = Е Г- Е |
= Е г . ( / - Е сц), |
|
|
|
|||||
<) = 0 |
а l=j+1 |
^=0 |
в |
1=0 |
|
|
( Ю ) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оа |
|
^ |
•, ( к = 1 , 2 , 3 , . . . ) , |
|
|
||||
Гк = Е |
Г- |
|
|
||||||
У'-к 4 |
4 , |
|
|
|
|
|
|
||
которую необходимо решать при нормирующем условии |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
оо |
|
|
|
(II) |
|
|
|
гк а |
О •, |
Е |
р( = 1. |
|
|
|
Докажем, что задача (10), при условии (II) может иметь не |
|||||||||
более одного решения* Действительно, из (II ) |
следует, |
что |
ве |
||||||
ли решение задачи |
существует, |
то |
среди чисел |
г0 , г г , . |
. |
vK1... |
имеются положительные, а тогда из первого уравнения (10) сле
дует, что г > 0 . Поэтому |
величины г |
к |
= |
— |
( к = /,2 ,3 7...)удов- |
О |
|
|
Го |
V |
|
летворяют следующей системе уравнений: |
|
|
|
||
П -- |
+ 9 / ГГ + ? 2 Р2 + |
|
(12)
Чо? , + Я ^ г + ’ - ”
9о »1+ - ••
164
причем
о о
г к г 0 ; Е г к «= «» •
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
|
К=7 |
Л |
|
|
|
|
Если бы существовало два различных решения системы уравне |
|||||||||||||
ний |
(10) |
и |
( I I ) , |
то |
имелось бы два различных решения системы |
|||||||||
(12) |
v " |
и |
г ”. Их разность |
х ^ г ^ - |
г " |
удовлетворяла бы |
||||||||
системе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
х ;= 4 j x i + Я г х г + ' " ' |
|
||||||||
|
|
|
|
|
Х2 ~ ЧоХ1+ |
4l |
|
|
? * |
|||||
|
|
|
|
|
^ 3 = |
|
|
|
QoX 2+ * ** |
|||||
и обладала бы свойством |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
£ |
|
X , |
£ |
|
|
|
|
+ Г■к|) = Е |
Г + |
|||
|
|
К-] |
|
К - 1 ( | i |
|
|
|
|
к - 1 |
к-1 |
||||
|
Из системы (13) |
следует, |
что |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
К | - Я , Ы + Яг Ы + >’ ' ’ |
|||||||||
|
|
|
|
|
\х г\- |
Яо\*,\+ |
Я, | * г | + |
•• * ’ |
||||||
|
|
|
|
|
\*з\~ |
|
|
|
|
Яо\х г\+' -- |
||||
|
Суммируя последние |
неравенства, приходим к неравенству |
||||||||||||
N |
( ?- Я |
о |
- 9г) + Ы |
( |
j |
- |
Я |
о - |
Я?г)г + - |
+ | я-«1,- . З Д +'"*°-<14) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
<1 |
|
В силу |
К |
q - > |
0 |
из неравенства |
(14) следует, что |
||||||||
|
1- Е |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
о v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т .е . |
|
|
|
= |
|
к = /, 2 , 3 , . . . ?т , е • г к —г*^ . |
|||
В силу |
( II ) |
следует, |
что |
г |
(/+ |
Е |
г . ) = 1, |
и, таким образом, |
||||||
г ' |
= |
" . |
Отсюда следует |
О v |
j=1 J 7 |
|
|
|||||||
единственность решения задачи. |
|
|
|
|
165 |
|
|
|
|
|
3 . СУЩЕСТВОВАНИЕ РЕШЕНИЯ |
|
||||
Нетрудно |
видеть, |
что |
системе |
(12) |
удовлетворяют величина |
||
гк = о/*( |
к = |
1 ,2 ,3 , |
. . . ) |
при условии, |
что <ы0 удовлетворяет |
||
уравнению |
[4] |
|
|
|
|
|
|
oi = ц (а) = £jo+ qr;oi + ц 2<ы. + • • • + |
q K clK+--- = J e |
w(rjd7;(15) |
|||||
|
|
|
|
|
|
О |
|
Для выполнения условий г > 0> £ г „< оо необходимо и до-
кк=г д
статочно, |
чтобы выполнялись неравенства |
0 - |
/ |
. |
На плоско |
|||||||||||
сти с прямоугольными координатами(ы, у ) |
график функции у = <${<*) |
|||||||||||||||
выпуклый |
книзу в |
силу |
|
>Qg |
проходит через |
точки- ( 0 , ^ ) , |
||||||||||
(1 ,1 ). |
Поэтому этот график пересекает |
прямую |
у - а |
на |
отрезке |
|||||||||||
Л |
|
1 |
в том и только в |
том случае, |
когда |
ItfcrCoO |
> ; . |
|
||||||||
О *= ol с |
- JLV..jL |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I Ofс / оы* |
01 = 1 |
|
||
Это означает, что уравнение |
(15) |
имеет решение ос0 |
(о - |
^ 0 ^ |
О |
|||||||||||
в |
том и только в том случае, |
когда |
выполнено условие |
dip(op |
= у->/ |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ddi |
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р = у - / . |
|
|
|
|
|
<16> |
|||||
|
При выполнении условия |
(16) |
инеем |
|
= сх * |
и, |
следо |
|
||||||||
вательно, |
г„ (/ + £ |
с** ) = |
1 |
. г .е . |
г. = / - о! 0 . Отсюда еле- |
|||||||||||
дует, что |
при выполнении условия |
(16) |
задача имеет единствен |
|||||||||||||
ное решение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
гк = |
( / - о(0 )°*0 |
( К = |
0, 1 , 2 , 3 , . . . ) , |
(17) |
||||||||
а |
при невыполнении условия |
(16) решений не имеет. |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
4. |
СВЯЗЬ МЕВДУ ВЕРОЯТНОСТЯМИ г^И |
рк |
|
|
||||||||
|
Известно |
[ I , з } 9 что плотность |
вероятности длины промежут |
|||||||||||||
ка |
времени |
от |
произвольного момента |
^ |
до момента поступления |
|||||||||||
ближайшей заявки определяется выражением |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
оо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X ( Т ) |
= Л | W ( х ) |
dec. |
|
|
|
|
|
т
166
Тогда |
вероятность |
hK того, |
что за |
время ( г L,- у б у д ет |
обслу |
||||
жено ровно |
к |
заявок, |
равно |
|
|
|
|
||
|
|
|
h K = 1 |
|
e~v T % { Т ) |
d T . |
(18) |
||
|
|
|
|
Jо |
К • |
|
|
|
|
Перебирая все возможные способы образования в момент £ ров |
|||||||||
но к |
заявок |
( к = |
0 ,1 ,2 ,3 , |
. . . ) , приходим к следующим форму |
|||||
лам, |
определяющим |
р н через |
г к |
: |
|
|
|||
|
|
|
|
ОО |
CKJ |
h: , |
|
|
|
|
|
|
Po = ^ |
n ^ Lн |
|
|
|||
|
|
|
® |
|
|
|
|||
|
|
|
|
1=0 |
L |
|
|
|
(19) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рк ~ Е ^* + к - , Л; |
( к = /, 2 , 3 . . . ) , |
|
||||
Подставляя значения |
из |
(17) в формулы (19) для |
к ^ J |
||||||
найдем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J |
i=0 |
о |
|
Учитывая (18) и (15), найдем, что интеграл в последнем ра |
||||||
венстве |
равен |
р |
, |
и поэтому |
|
|
|
|
|
Рк |
р о - о О о ' о ! = |
||
Из равенства |
ро = 7 - |
5Z |
р к легко находим |
|||
|
|
|
|
Р о = |
/ - р ' |
|
На основании вышеизложенного следует: |
||||||
Iv При замене немарковского процесса вложенной цепы> Мар |
||||||
кова в ряде случаев целесообразно дополнительно исследовать |
||||||
вопрос о том, в какой степени |
вложенная цепь позволяет опреде |
|||||
лить вероятности |
р к соответствующих состояний процесса для |
|||||
произвольного момента времени. |
||||||
2 . |
При условии (6) |
относительное время загрузки прибор |
||||
одноканальной |
системы массового обслуживания с неограниченной |
167
очередью р0 не зависит от вида плотности вероятностей време ни между смежными заявками во входном потоке, а определяется только его математическим ожиданием при постоянном среднем вре мени обслуживания*
3. В частном случае
Ф ( 0 ) е и * W ( T ) e U
получаем о/0=р , откуда следует, что при этом условии выбор произвольного номера I поступающей заявки равносилен равнове роятному выбору момента времени ^ на интервале (О, Т ) при 7“—
Рис*35* Зависимость вероятностей рн от коэффициента загрузки Р Данные статистической модели показаны звездочками
Статистическое моделирование процесса УУ*(^) на ЭВМ М-20 для случая (6) при условии
W(т) = б(т-т)
сдостаточной степенью точности согласуются с аналитическим ре шением (рис.35).
168
ЛИТЕРАТУРА
1. X и н ч и н А.Я., Математическая теория массового обслу живания, Труда Математического института им. Стеклова, т.49, 1955.
2. С а а т и Т .. Элементы теории массового обслуживания, "Советское радио", 1965.
3 . С е д я к и н Н.М., Элементы теории случайных импульс ных потоков, "Советское радио", 1965.
4 . К л и м о в Г.П ., Стохастические системы обслуживания, Физматгиз, 1966.
/
169
Р А З Д Е Л 1У
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИЙ АВТОМТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Кандидат физико-матем. наук А.А. ПОТАПЕНКО
О ВОЗМОЖНОСТИ АВТОНОМНОГО ДЕМПФИРОВАНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
В настоящей работе показывается возможность получения демп фированной инерциальной системы с произвольным периодом» инва риантной по отношению к маневрированию объекта без использова ния внешней информации.
Будем считать Землю шаром» центр которого неподвижен отно сительно абсолютного пространства. Предположим, что относитель но Земли движется некоторый объект, на котором установлена сво бодная в азлщте гироплатформа, причем точка ее подвеса во все время движения находится на постоянном удалении от центра Зем ли, а плоскость гироплатформы в начальный момент перпендикуляр на к вертикали места*). Свяжем с платформой правую ортогональ ную декартову систему координат Оху г , начало которой помеще
но |
в точку |
подвеса платформы, ось 0 г |
направлена по вертикали мес |
та |
вверх, |
а оси Ох и Оу представляют |
собой горизонтальные оси |
свободной в азимуте системы координат. Последнее обстоятельст во позволяет свести рассмотрение движения всей платформы к рас смотрению каждого канала в отдельности [I] ♦ Поэтому в нижесле дующем изложении будет подразумеваться одномерная инерциальная система, основанная на использовании гироскопической модели
маятника |
М. |
Шулера. |
*) Здесь |
предполагается, что вертикаль места точки подвеса |
|
и ускорение |
силы тяжести а в этой точке лежат на прямой, соеди |
|
няющей эту |
точку с центром Земли. |