RUS | ENG | ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ
Магистр ДонНТУ Чернов Александр Сергеевич

Чернов Александр Сергеевич

Факультет: Вычислительной техники и информатики

Специальность: Экономическая кибернетика

Тема выпускной работы:

Марковские модели в экономических системах массового обслуживания

Руководитель: Фельдман Лев Петрович

Материалы по теме выпускной работы: Биография |Реферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание

Email: 01_12_83@mail.ru


Реферат

    Введение
  1. Марковская модель принятия решения
  2. Пример. Рекуррентный метод
  3. Модели массового обслуживания
  4. Заключение
  5. Список литературы

Введение

Основные понятия теории Марковских цепей ввел А.А. Марков в 1907г. С тех пор эту теорию развивали многие ведущие математики. В последнее время обнаружилась важная роль цепей Маркова в биологических и социологических науках. Показано, что для решения всех типов задач достаточно рассмотреть только два типа Марковских цепей. Благодаря сравнительной простоте и наглядности математического аппарата, высокой достоверности и точности получаемых решений, особое внимание Марковские процессы приобрели у специалистов, занимающихся исследованием операций и теорией принятия оптимальных решений. Практическое применение теории Марковских цепей требует знания некоторых терминов и основных положений, на которых следует остановиться перед изложением примеров. Во многих областях практической деятельности человека мы сталкиваемся с необходимостью пребывания в состоянии ожидания. Подобные ситуации возникают в очередях в билетных кассах, в крупных аэропортах, при ожидании обслуживающим персоналом самолетов разрешения на взлет или посадку, на телефонных станциях в ожидании освобождения линии абонента, в ремонтных цехах в ожидании ремонта станков и оборудования, на складах снабженческо-сбытовых организаций в ожидании разгрузки или погрузки транспортных средств. Во всех перечисленных случаях имеем дело с массовостью и обслуживанием. Изучением таких ситуаций занимается теория массового обслуживания. В теории систем массового обслуживания (в дальнейшем просто -CMО) обслуживаемый объект называют требованием. В общем случае под требованием обычно понимают запрос на удовлетворение некоторой потребности, например, разговор с абонентом, посадка самолета, покупка билета, получение материалов на складе.

1 Марковская модель принятия решения

1.1 Случайные процессы

Одним из важнейших факторов, который должен учитываться в процессе принятия оптимальных решений, является фактор случайности. Следует отметить при этом, что фактор "неопределенности" не адекватен фактору "случайности", так как при учете "случайности" необходимо, чтобы массовые случайные явления обладали свойством статической устойчивости. Это означает, что учитываемые случайные явления подчиняются определенным статическим закономерностям, требования которых не обязательны при учете неопределенности. Условие статической устойчивости позволяет использовать в процессе принятия решений эффективные математические методы теории случайных процессов и, в частности, одного из ее разделов - теории Марковских процессов. Марковские случайные процессы названы по имени выдающегося русского математика А.А.Маркова (1856-1922), впервые начавшего изучение вероятностной связи случайных величин и создавшего теорию, которую можно назвать "динамикой вероятностей". В дальнейшем основы этой теории явились исходной базой общей теории случайных процессов, а также таких важных прикладных наук, как: теория диффузионных процессов, теория надежности, теория массового обслуживания и т.д. В настоящее время теория Марковских процессов и ее приложения широко применяются в самых различных областях таких наук, как механика, физика, химия и др. Благодаря сравнительной простоте и наглядности математического аппарата, высокой достоверности и точности получаемых решений, особое внимание марковские процессы приобрели у специалистов, занимающихся исследованием операций и теорией принятия оптимальных решений. Несмотря на указанную выше простоту и наглядность, практическое применение теории марковских цепей требует знания некоторых терминов и основных положений, на которых следует остановиться перед изложением примеров. Марковские случайные процессы относятся к частным случаям случайных процессов (СП). В свою очередь, случайные процессы основаны на понятии случайной функции (СФ). Случайной функцией называется функция, значение которой при любом значении аргумента является случайной величиной (СВ). По иному, СФ можно назвать функцию, которая при каждом испытании принимает какой-либо заранее неизвестный вид. Такими примерами СФ являются: колебания напряжения в электрической цепи, скорость движения автомобиля на участке дороги с ограничением скорости, шероховатость поверхности детали на определенном участке и т.д. Как правило, считают, что если аргументом СФ является время, то такой процесс называют случайным. Существует и другое, более близкое к теории принятия решений, определение СП. При этом под случайным процессом понимают процесс случайного изменения состояний какой-либо физической или технической системы по времени или какому-либо другому аргументу. Нетрудно заметить, что если обозначить состояние Si и изобразить зависимость Si(t), то такая зависимость и будет случайной функцией. СП классифицируются по видам состояний Si и аргумента t. При этом СП могут быть с дискретными или непрерывными состояниями или временем. Например, любой выборочный контроль продукции будет относиться к СП с дискретными состояниями (S1- годная, S2 - негодная продукция) и дискретным временем (t1 , t2 - времена проверки). С другой стороны, случай отказа любой машины можно отнести к СП с дискретными состояниями, но непрерывным временем. Проверки термометра через определенное время будут относиться к СП с непрерывным состоянием и дискретным временем. В свою очередь, например, любая осцилограмма будет записью СП с непрерывными состояниями и временем. Кроме указанных выше примеров классификации СП, существует еще одно важное свойство. Это свойство описывает вероятностную связь между состояниями СП. Так, например, если в СП вероятность перехода системы в каждое последующее состояние зависит только от предыдущего состояния, то такой процесс называется процессом без последействия (1):

Pi/i+1 = f (Si , S i-1, S i-2) (1)

Зависимость Pi/i+1 = f(Si) называют переходной вероятностью, часто говорят, что именно процесс без последействий обладает марковским свойством, однако, строго говоря, здесь есть одна неточность. Дело в том, что можно представить себе СП, в котором вероятностная связь с уществует не только с предшествующими, но и более ранними - Si-1, Si+2 ... состояниями. Такие процессы также рассматривались А.А.Марковым, который предложил называть их в отличие от первого случая (простой цепи) - сложной цепью. В настоящее время теория таких цепей разработана слабо и обычно применяют так называемый процесс укрупнения состояний путем математических преобразований, объединяя предшествующие состояния в одно. Это обстоятельство должно обязательно учитываться при составлении математических моделей принятия решений.

1.2 Цепь Маркова

Выше мы совершили незаметный терминологический переход от понятия СП к "марковской цепи". Теперь эту неясность следует устранить. Отметим, во-первых, что случайный процесс с дискретными состояниями и временем называется случайной последовательностью. Если случайная последовательность обладает марковским свойством, то она называется цепью Маркова. С другой стороны, если в случайном процессе состояния дискретны, время непрерывно и свойство последействия сохраняется, то такой случайный процесс называется марковским процессом с непрерывным временем. Марковский СП называется однородным, если переходные вероятности Pi/i+1 остаются постоянными в ходе процесса. Цепь Маркова считается заданной, если заданы два условия:

1. Имеется совокупность переходных вероятностей в виде матрицы:

Р [n]= Матрица Р(2)

Матрица (2) называется переходной матицей (матрицей перехода). Элементами матрицы являются вероятности перехода из i-го в j-е состояние за один шаг процесса. Переходная матрица (2) обладает следующими свойствами:

2. Вектор начальных вероятностей описывающий начальное состояние системы.

P(0) = < P01, P02,..,P0n > , (3) Матрица, обладающая свойством (3), называется стохастической. Кроме матричной формы модель марковской цепи может быть представлена в виде ориентированного взвешенного графа. Вершины графа обозначают состояние Si , а дуги - переходные вероятности. Множество состояний системы марковской цепи определенным образом классифицируются с учетом дальнейшего поведения системы:

- в случае невозвратного множества возможны любые переходы внутри этого множества. Система может покинуть это множество, но не может вернуться в него.

- в случае возвратного множества также возможны любые переходы внутри множества. Система может войти в это множество, но не может покинуть его.

- в случае эргодического множества возможны любые переходы внутри множества, но исключены переходы из множества и в него.

- при попадании системы в поглощающее множество процесс заканчивается.

Кроме описанной выше классификации множеств различают состояния системы:

а) существенное состояние - возможны переходы из Si в Sj и обратно

б) несущественное состояние - возможен переход из Si в Sj, но невозможен обратный.

В некоторых случаях, несмотря на случайность процесса, имеется возможность до определенной степени управлять законами распределения или параметрами переходных вероятностей. Такие марковские цепи называются управляемыми. Очевидно, что с помощью управляемых цепей Маркова (УЦМ) особенно эффективным становится процесс принятия решений. Как указывалось выше, основным признаком ДМЦ является детерминированность временных интервалов между отдельными шагами (этапами) процесса. Однако, часто в реальных процессах это свойство не соблюдается и интервалы оказываются случайными с каким-либо законом распределения, хотя марковость процесса сохраняется. Такие случайные последовательности называются полумарковскими. Кроме того, с учетом наличия и отсутствия тех или иных, упомянутых выше, множеств состояний, марковские цепи могут быть поглощающими, если имеется хотя бы одно поглощающее состояние, или эргодическими, если переходные вероятности образуют эргодическое множество. В свою очередь, эргодические цепи могут быть регулярными или циклическими. Циклические цепи отличаются от регулярных тем, что в процессе переходов через определенное количество шагов (цикл) происходит возврат в какое-либо состояние. Регулярные цепи этим свойством не обладают.

2 Пример. Рекуррентный метод

Мебельная фабрика выпускает новый вид продукции - комплект мебели. После выпуска пробной партии предприятие может оказаться в двух состояниях: S1 - продукция оказалась удачной и пользуется спросом; S2 - продукция оказалась неудачной. Допустим, что предполагается выпускать данный вид продукции в течение года. При этом, очевидно, руководство фабрики должно реагировать на то или иное состояние путем выбора определенной стратегии, которую по условиям производства можно менять не чаще и не реже, чем один раз в квартал. Очевидно, вид той или иной стратегии зависит от состояния, в котором оказалась фабрика в начале текущего квартала. Предположим, что в распоряжении руководства имеется следующий набор мероприятий (стратегий):

- использование рекламы - стратегия 1;

- проведение дополнительных исследований требований потребителя и своих возможностей - стратегия 2.

Предположим также, что при попадании в то или иное состояние возможно объединение этих стратегий, то есть:

- в состоянии S1 - реклама не используется и исследования не проводятся (стратегия 1);

- в состоянии S2 - используются и реклама и дополнительные исследования (стратегия 2).

Очевидно, что переходы из состояния в состояние образуют случайную последовательность, обладающую свойством последействия. Кроме того, здесь нет поглощающих состояний и возможны любые переходы, то есть ДМЦ - обладает свойством эргодичности. Допустим также, что в результате предварительного опыта известны переходные вероятности такой цепи, а также значения доходов (расходов), связанные с применением той или иной стратегии, а также вероятностями успешного или неуспешного выпуска продукции. Все сведения представлены в таблице 2.

Таблица данных

В табл. 2 обозначены: Рkij - вероятность перехода из i-того состояния в j-е состояние при стратегии К ; ukij - доходы (расходы) при переходе из i -ого в j -е состояние при стратегии К ( в условных единицах). Требуется найти совокупность стратегий (вектор), который обеспечит максимум суммы среднего годового дохода с учетом всех возможных вариантов случайных событий, которые могут произойти в течение года. При этом следует учесть, что поскольку в самом начале мы можем оказаться в одном из двух состояний, то этому будут соответствовать и два значения суммы среднего дохода, которые обозначим как v1(n) и v2(n), где n - количество шагов (этапов) до окончания процесса. В нашем случае n = 4. Как указывалось выше , vi(n) будет равно: vi(n) = qi + vi (n-1), i = 1, 2,... (28)

где qi - непосредственно ожидаемый доход; vi (n-1) - полный средний ожидаемый доход в течение остав- шихся n-1- этапов процесса. Для стратегии 1 (к = 1):

q(1)1 = 0,5 Ч 8 + 0,5 Ч 2 = 5; q(1)2 = 0,3 Ч 3 + 0,7 Ч (-5) = - 2,6.

При подсчете величины vi (n - 1) удобнее начинать с конца процесса, так как при снятии продукции vi(0) = v2(0) = 0. Тогда за один квартал (шаг) до конца процесса

v(1)1(1) = q(1)1 = 5; v2(1) = q(1)2 = -2,6.

Для определения полного ожидаемого дохода за два квартала (шага) до смены продукции надо учесть, что система может оказаться в одном из двух состояний. При этом величины ожидаемых доходов vi (n - 1) определяются с учетом переходных вероятностей:

v(1)1(2) = 0,5 Ч 5 + 0,5 Ч (-2,6) = 1,2 v(1)2(2) = 0,3 Ч 5 + 0,7 Ч (-2,6) = -0,32

Тогда полный суммарный доход за два квартала при первой стратегии будет равен:

v(1)1S (2) = 5 + 1,2 = 6,2; v(1)2S (2) = -2,6 - 0,32 = -2,92.

Соответственно, доход за три квартала подсчитывается аналогично:

v(1)1(3) = 0,5 Ч 6,2 + 0,5 Ч (-2,92) = 1,64 v(1)1(3) = 0,3 Ч 6,2 + 0,7 Ч (-2,92) = -0,184

Полный доход будет равен:

v(1)1S (3) = 5 + 1,64 = 6,64; v(1)1S (3) = -2,6 +(-0,184) = -2,784.

Окончательный доход при первой стратегии будет равен:

v(1)1(4) = 0,5Ч 6,64 + 0,5 Ч (-2,784) = 1,928. v(1)2(4) = 0,3 Ч 6,64 + 0,7 Ч (-2,784) = -0,044.

Тогда полный окончательный доход будет равен:

v(1)1S (4) = 5 + 1,928 = 6,928; v(1)2S (4) = -2,6 + (-0,044) = -2,644.

Аналогичные расчеты должны быть теперь проделаны при второй стратегии. Можно сделать следующие выводы:

- оптимальная стратегия на каждом шаге должна выбираться по максимальному значению помимо дохода. Оптимальность стратегии на всем многошаговом процессе обеспечивается применением принципа оптимальности Беллмана, согласно которому оптимальное управление в многошаговом процессе должно быть оптимальным на каждом шаге с учетом пред истории процесса; - в данном случае на основании расчетов при начале процесса из состояния S1 , вектор оптимальных стратегий будет иметь вид: f1 = < 2, 2, 2, 1> , а если начальным было состояние S2 , то f2 = < 2, 2, 1, 1> .

Это означает, что, если фабрика начала выпускать сразу удачную модель, то первые три квартала выгодно применять вторую стратегию (реклама и исследование). За один квартал до перехода на новую модель целесообразно прекратить и рекламу и исследования. Если же начальным было состояние S1 , то рекламу и исследования следует применить лишь два первых квартала, затем следует освободившиеся средства употребить на подготовку производства новой модели. Таким образом, и при удачной и неудачной моделях оказывается все же выгодным начинать производство, обеспеченное как рекламой, так и исследованиями. Заметим, что в данном случае не был ясным вопрос о том, с какой вероятностью наступят состояния S1 и S2 . Для этого следовало бы ввести вектор начальных вероятностей, что несколько усложнило бы вычисление. Описанный выше метод, как указывалось выше, обладает сравнительной простотой, но при малом числе этапов. Кроме того, в этом методе несколько затруднен процесс автоматизации расчетов на ЭВМ.

3. Модели массового обслуживания.

Для систем массового обслуживания характерно наличие очереди и потока объектов (однородных требований). Есть объекты, требующие однородного обслуживания. Это требования или клиенты. Требования образуют входящий поток. Объекты, которые обслуживают, называются обслуживающим аппаратом. Задачи теории массового обслуживания: налаживание оптимальным образом очереди, оптимальная организация системы массового обслуживания. Второй тип задач – прогнозирования поведения системы массового обслуживания в различных изменяющихся условиях. Системы массового обслуживания могут быть однолинейные и многолинейные. В нашем примере система однолинейная, так как работает всего один аппарат. Системы бывают однофазные и многофазные. Наша система – однофазная. Графически однолинейная однофазная модель массового обслуживания изображается так:

Система массового обслуживания

Всякий входящий поток требований характеризуется средней плотностью поступления в единицу времени. [требований/ед.времени], [чел/мин]. Поток требований может быть детерминированным, требования поступают в строго определенные промежутки времени и случайным, который характеризуется вероятностью поступления числа требований в единицу времени , или вероятностью продолжительности промежутка между поступлениями двух соседних требований: . Поток требований является внешним воздействием на систему массового обслуживания. Обслуживающий аппарат мажет обслуживать каждое требование или одновременно группу требований (обслуживание индивидуальное или групповое). Время обслуживания может быть детерминированным (постоянное) и случайным (встречается наиболее часто). Вероятность обслуживания чаще всего подчиняется показательному закону распределения вероятностей.

- среднее время обслуживания требований.

- скорость обслуживания.

,где t - время, в течении которого обслуживается требование. Вероятность появления n требований за t времени для потока требований, образующих простейший Пуассоновский поток, определяется по формуле: . Порядок поведения требований в очереди называется дисциплиной очереди. Входящий поток и время обслуживания.

- вероятность отсутствия требований за t времени.

- вероятность появления 1-го требования.

- вероятность обслуживания одного требования за времени.

- вероятность того, что за времени требование не будет обслужено.

Существует однолинейная однофазная модель массового обслуживания, где л - средняя плотность потока требований; М – параметр обслуживания одного требования; N – очередь (максимально возможна). Рассмотрим время t. Как меняется система от t до t+ . Е0 – событие в системе отсутствуют требования в момент времени t+ . Вероятность событий : в момент времени t – требование отсутствует полная группа событий в момент времени t – одно требование. Полная вероятность отсутствий. , где Е1 – в системе находится одно требование в течение t времени. Еn – в системе находится n требование в течение t времени. Стационарная вероятность – такая вероятность, которая не зависит от времени. Следовательно, при этом Pn(t)=const, a P’n(t)=0. Принимая условия стационарности, определим коэффициент загрузки

Операционные характеристики – это те характеристики, которые влияют на выбор той или иной системы массового обслуживания (максимальная длина очереди, средняя длина очереди, максимальное и среднее время нахождения в системе).

Среднее число требования в системе:

Дисперсия или квадрат отклонения среднего числа требований:

Средняя длина очереди:

Среднее время ожидания обслуживания:

Максимальная длина очереди:

Заключение

Возникает вопрос, всегда ли можно удовлетворить нашим моделям экономики равновесия. Разумеется, нас интересуют лишь такие экономические системы, которые могут реально существовать. Это значит, что рассматриваемые товары (вход) должны быть товарами, которые как-то производятся и которые не могут быть произведены из ничего. Следовательно, в каждом процессе должен затрачиваться по меньшей мере один процесс, производящий этот товар. Рассмотренные примеры можно существенно улучшить, если рассчитать данные с учетом реальных условий.

Список литературы

1. Дж. Кемени и Дж. Снелл «Конечные цепи Маркова», Наука, М-1970г., 273с

2. И.Х. Баширов, Е.В. Винда, Г.А. Гришин «Математики в маркетинге», Реком, Д-1996г., 104с

3. А. Хэмди и Таха «Введение в исследование операций», Вильямс, К-2001, 913с

4. Дж. Кемени и Дж. Снелл «Введение в конечную математику», Наука, М-1974г., 652с

5. URL - «Марковские процессы принятия решений»>

6. URL - «Основная модель Маркова»>


При написании данного автореферата, магистерская работа еще не завершена. Окончательный срок завершения: январь 2007 года. Полный текст работы и все материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя – после указанной даты!!!


ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ> Биография |Реферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание