Марковские процессы примеры. Основные понятия марковских процессов. Сущностные особенности не запланированного фактора

Для системы массового обслуживания характерен случайный процесс. Изучение случайного процесса, протекающего в системе, выражение его математически и является предметом теории массового обслуживания.

Математический анализ работы системы массового обслуживания значительно облегчается, если случайный процесс этой работы является марковским. Процесс, протекающий в системе, называется марковским, если в любой момент времени вероятность любого состояния системы в будущем зависит только от состояния системы в текущий момент и не зависит от того, каким образом система пришла в это состояние. При исследовании экономических систем наибольшее применение имеют марковские случайные процессы с дискретными и непрерывными состояниями.

Случайный процесс называется процессом с дискретными состояниями, если все его возможные состояния можно заранее перечислить, а сам процесс состоит в том, что время от времени система скачком переходит из одного состояния в другое.

Случайный процесс называется процессом с непрерывным состоянием, если для него характерен плавный, постепенный переход из состояния в состояние.

Также можно выделить марковские процессы с дискретным и непрерывным временем. В первом случае переходы системы из одного состояния в другое возможны только в строго определенные, заранее фиксированные моменты времени. Во втором случае переход системы из состояния в состояние возможен в любой, заранее неизвестный, случайный момент. Если вероятность перехода не зависит от времени, то марковский процесс называют однородным.

В исследовании систем массового обслуживания большое значение имеют случайные марковские процессы с дискретными состояниями и непрерывным временем.

Исследование марковских процессов сводится к изучению матриц переходных вероятностей (). Каждый элемент такой матрицы (поток событий) представляет собой вероятность перехода из заданного состояния (которому соответствует строка) к следующему состоянию (которому соответствует столбец). В этой матрице предусмотрены все возможные переходы данного множества состояний. Следовательно, процессы, которые можно описывать и моделировать с помощью матриц переходных вероятностей, должны обладать зависимостью вероятности конкретного состояния от непосредственно предшествующего состояния. Так выстраивается цепь Маркова. При этом цепью Маркова первого порядка называется процесс, для которого каждое конкретное состояние зависит только от его предшествующего состояния. Цепью Маркова второго и более высоких порядков называется процесс, в котором текущее состояние зависит от двух и более предшествующих.

Ниже представлены два примера матриц переходных вероятностей.

Матрицы переходных вероятностей можно изобразить графами переходных состояний, как показано на рисунке.

Пример

Предприятие выпускает продукт, насытивший рынок. Если предприятие от реализации продукта в текущем месяце получит прибыль (П), то с вероятностью 0,7 получит прибыль и в следующем месяце, а с вероятностью 0,3 – убыток. Если в текущем месяце предприятие получит убыток (У), то с вероятностью 0,4 в следующем месяце оно получит прибыль, а с вероятностью 0,6 – убыток (вероятностные оценки получены в результате опроса экспертов). Рассчитать вероятностную оценку получения прибыли от реализации товара через два месяца работы предприятия.

В матричной форме эта информация будет выражена следующим образом (что соответствует примеру матрицы 1):

Первая итерация – построение матрицы двухступенчатых переходов.

Если предприятие в текущем месяце получит прибыль, то вероятность того, что в следующем месяце оно снова получит прибыль, равна

Если предприятие в текущем месяце получит прибыль, то вероятность того, что в следующем месяце оно получит убыток, равна

Если предприятие в текущем месяце получит убыток, то вероятность того, что в следующем месяце оно получит прибыль, равна

Если предприятие в текущем месяце получит убыток, то вероятность того, что в следующем месяце оно вновь получит убыток, равна

В результате расчетов получаем матрицу двухступенчатых переходов:

Результат достигается перемножением матрицы т,на матрицу с такими же значениями вероятностей:

Для проведения этих процедур в среде Excel необходимо выполнить следующие действия:

1) формировать матрицу;
2) вызывать функцию МУМНОЖ;
3) указывать первый массив – матрицу;
4) указывать второй массив (эта же матрица или другая);
5) ОК;
6) выделить зону новой матрицы;
7) F2;
8) Ctrl+Shift+Enter;
9) получить новую матрицу.

Вторая итерация – построение матрицы трехступенчатых переходов. Аналогично рассчитываются вероятности получения прибыли или убытка на следующем шаге и рассчитывается матрица трехступенчатых переходов, она имеет следующий вид:

Таким образом, в ближайшие два месяца работы предприятия вероятность получения прибыли от выпуска продукта выше, по сравнению с вероятностью получения убытка. Однако следует заметить, что вероятность получения прибыли падает, поэтому предприятию необходимо осуществить разработку нового продукта для замены производимого продукта.

Теория массового обслуживания составляет один из разделов теории вероятностей. В этой теории рассматриваются вероятностные задачи и математические модели (до этого нами рассматривались детерминированные математические модели). Напомним, что:

Детерминированная математическая модель отражает поведение объекта (системы, процесса) с позицийполной определенности в настоящем и будущем.

Вероятностная математическая модель учитывает влияние случайных факторов на поведение объекта (системы, процесса) и, следовательно, оценивает будущее с позиций вероятности тех или иных событий.

Т.е. здесь как, например, в теории игр задачи рассматриваются в условиях неопределенности .

Рассмотрим сначала некоторые понятия, которые характеризуют «стохастическую неопределенность», когда неопределенные факторы, входящие в задачу, представляют собой случайные величины (или случайные функции), вероятностные характеристики которых либо известны, либо могут быть получены из опыта. Такую неопределенность называют еще «благоприятной», «доброкачественной».

Понятие случайного процесса

Строго говоря, случайные возмущения присущи любому процессу. Проще привести примеры случайного, чем «неслучайного» процесса. Даже, например, процесс хода часов (вроде бы это строгая выверенная работа – «работает как часы») подвержен случайным изменениям (уход вперед, отставание, остановка). Но до тех пор, пока эти возмущения несущественны, мало влияют на интересующие нас параметры, мы можем ими пренебречь и рассматривать процесс как детерминированный, неслучайный.

Пусть имеется некоторая система S (техническое устройство, группа таких устройств, технологическая система – станок, участок, цех, предприятие, отрасль промышленности и т.д.). В системеS протекаетслучайный процесс , если она с течением времени меняет свое состояние (переходит из одного состояния в другое), причем, заранее неизвестным случайным образом.

Примеры: 1. СистемаS – технологическая система (участок станков). Станки время от времени выходят из строя и ремонтируются. Процесс, протекающий в этой системе, случаен.

2. Система S – самолет, совершающий рейс на заданной высоте по определенному маршруту. Возмущающие факторы – метеоусловия, ошибки экипажа и т.д., последствия – «болтанка», нарушение графика полетов и т.д.

Марковский случайный процесс

Случайный процесс, протекающий в системе, называется Марковским , если для любого момента времениt 0 вероятностные характеристики процесса в будущем зависят только от его состояния в данный моментt 0 и не зависят от того, когда и как система пришла в это состояние.

Пусть в настоящий момент t 0 система находится в определенном состоянииS 0 . Мы знаем характеристики состояния системы в настоящеми все, что было приt <t 0 (предысторию процесса). Можем ли мы предугадать (предсказать) будущее, т.е. что будет приt >t 0 ? В точности – нет, но какие-то вероятностные характеристики процесса в будущем найти можно. Например, вероятность того, что через некоторое времясистемаS окажется в состоянииS 1 или останется в состоянииS 0 и т.д.

Пример . СистемаS – группа самолетов, участвующих в воздушном бою. Пустьx – количество «красных» самолетов,y – количество «синих» самолетов. К моменту времениt 0 количество сохранившихся (не сбитых) самолетов соответственно –x 0 ,y 0 . Нас интересует вероятность того, что в момент временичисленный перевес будет на стороне «красных». Эта вероятность зависит от того, в каком состоянии находилась система в момент времениt 0 , а не от того, когда и в какой последовательности погибали сбитые до моментаt 0 самолеты.

На практике Марковские процессы в чистом виде обычно не встречаются. Но имеются процессы, для которых влиянием «предистории» можно пренебречь. И при изучении таких процессов можно применять Марковские модели (в теории массового обслуживания рассматриваются и не Марковские системы массового обслуживания, но математический аппарат, их описывающий, гораздо сложнее).

В исследовании операций большое значение имеют Марковские случайные процессы с дискретными состояниями и непрерывным временем.

Процесс называется процессом с дискретным состоянием , если его возможные состоянияS 1 ,S 2 , … можно заранее определить, и переход системы из состояния в состояние происходит «скачком», практически мгновенно.

Процесс называется процессом с непрерывным временем , если моменты возможных переходов из состояния в состояние не фиксированы заранее, а неопределенны, случайны и могут произойти в любой момент.

Пример . Технологическая система (участок)S состоит из двух станков, каждый из которых в случайный момент времени может выйти из строя (отказать), после чего мгновенно начинается ремонт узла, тоже продолжающийся заранее неизвестное, случайное время. Возможны следующие состояния системы:

S 0 - оба станка исправны;

S 1 - первый станок ремонтируется, второй исправен;

S 2 - второй станок ремонтируется, первый исправен;

S 3 - оба станка ремонтируются.

Переходы системы S из состояния в состояние происходят практически мгновенно, в случайные моменты выхода из строя того или иного станка или окончания ремонта.

При анализе случайных процессов с дискретными состояниями удобно пользоваться геометрической схемой – графом состояний . Вершины графа – состояния системы. Дуги графа – возможные переходы из состояния в

Рис.1. Граф состояний системы

состояние. Для нашего примера граф состояний приведен на рис.1.

Примечание. Переход из состояния S 0 вS 3 на рисунке не обозначен, т.к. предполагается, что станки выходят из строя независимо друг от друга. Вероятностью одновременного выхода из строя обоих станков мы пренебрегаем.

Допущения о пуассоновском характере потока заявок и о показательном распределении времени обслуживания ценны тем, что позволяют применить в теории массового обслуживания аппарат так называемых марковских случайных процессов.

Процесс, протекающий в физической системе, называется марковским (или процессом без последействия), если для каждого момента времени вероятность любого состояния системы в будущем зависит только от состояния системы в настоящий момент и не зависит от того, каким образом система пришла в это состояние.

Рассмотрим элементарный пример марковского случайного процесса. По оси абсцисс случайным образом перемещается точка . В момент времени точка находится в начале координат и остается там в течение одной секунды. Через секунду бросается монета; если выпал герб - точка перемещается на одну единицу длины вправо, если цифра - влево. Через секунду снова бросается монета и производится такое же случайное перемещение, и т. д. Процесс изменения положения точки (или, как говорят, «блуждания») представляет собой случайный процесс с дискретным временем и счетным множеством состояний

Схема возможных переходов для этого процесса показана на рис. 19.7.1.

Покажем, что этот процесс - марковский. Действительно, представим себе, что в какой-то момент времени система находится, например, в состоянии - на одну единицу правее начала координат. Возможные положения точки через единицу времени будут и с вероятностями 1/2 и 1/2; через две единицы - , , с вероятностями 1/4, ½, 1/4 и так далее. Очевидно, все эти вероятности зависят только от того, где находится точка в данный момент , и совершенно не зависят от того, как она пришла туда.

Рассмотрим другой пример. Имеется техническое устройство , состоящее из элементов (деталей) типов и , обладающих разной долговечностью. Эти элементы в случайные моменты времени и независимо друг от друга могут выходить из строя. Исправная работа каждого элемента безусловно необходима для работы устройства в целом. Время безотказной работы элемента - случайная величина, распределенная по показательному закону; для элементов типа и параметры этого закона различны и равны соответственно и . В случае отказа устройства немедленно принимаются меры для выявления причин и обнаруженный неисправный элемент немедленно заменяется новым. Время, потребное для восстановления (ремонта) устройства, распределено по показательному закону с параметром (если вышел из строя элемент типа ) и (если вышел из строя элемент типа ).

В данном примере случайный процесс, протекающий в системе, есть марковский процесс с непрерывным временем и конечным множеством состояний:

Все элементы исправны, система работает,

Неисправен элемент типа , система ремонтируется,

Неисправен элемент типа , система ремонтируется.

Схема возможных переходов дана на рис. 19.7.2.

Действительно, процесс обладает марковским свойством. Пусть например, в момент система находится в состоянии (исправна). Так как время безотказной работы каждого элемента - показательное, то момент отказа каждого элемента в будущем не зависит от того, сколько времени он уже работал (когда поставлен). Поэтому вероятность того, что в будущем система останется в состоянии или уйдет из него, не зависит от «предыстории» процесса. Предположим теперь, что в момент система находится в состоянии (неисправен элемент типа ). Так как время ремонта тоже показательное, вероятность окончания ремонта в любое время после не зависит от того, когда начался ремонт и когда были поставлены остальные (исправные) элементы. Таким образом, процесс является марковским.

Заметим, что показательное распределение времени работы элемента и показательное распределение времени ремонта - существенные условия, без которых процесс не был бы марковским. Действительно, предположим, что время исправной работы элемента распределено не по показательному закону, а по какому-нибудь другому - например, по закону равномерной плотности на участке . Это значит, что каждый элемент с гарантией работает время , а на участке от до может выйти из строя в любой момент с одинаковой плотностью вероятности. Предположим, что в какой-то момент времени элемент работает исправно. Очевидно, вероятность того, что элемент выйдет из строя на каком-то участке времени в будущем, зависит от того, насколько давно поставлен элемент, т. е. зависит от предыстории, и процесс не будет марковским.

Аналогично обстоит дело и с временем ремонта ; если оно не показательное и элемент в момент ремонтируется, то оставшееся время ремонта зависит от того, когда он начался; процесс снова не будет марковским.

Вообще показательное распределение играет особую роль в теории марковских случайных процессов с непрерывным временем. Легко убедиться, что в стационарном марковском процессе время, в течение которого система остается в каком-либо состоянии, распределено всегда по показательному закону (с параметром, зависящим, вообще говоря, от этого состояния). Действительно, предположим, что в момент система находится в состоянии и до этого уже находилась в нем какое-то время. Согласно определению марковского процесса, вероятность любого события в будущем не зависит от предыстории; в частности, вероятность того, что система уйдет из состояния в течение времени , не должна зависеть от того, сколько времени система уже провела в этом состоянии. Следовательно, время пребывания системы в состоянии должно быть распределено по показательному закону.

В случае, когда процесс, протекающий в физической системе со счетным множеством состояний и непрерывным временем, является марковским, можно описать этот процесс с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений, в которых неизвестными функциями являются вероятности состояний . Составление и решение таких уравнений мы продемонстрируем в следующем на примере простейшей системы массового обслуживания.

Т.е. здесь как, например, в теории игр задачи рассматриваются в условиях неопределенности .

Понятие случайного процесса

Марковский случайный процесс

S 0 - оба станка исправны;

S 1 - первый станок ремонтируется, второй исправен;

S 2 - второй станок ремонтируется, первый исправен;

S 3 - оба станка ремонтируются.

Рис.1. Граф состояний системы

состояние. Для нашего примера граф состояний приведен на рис.1.

Многие операции, которые приходится анализировать при выборе оптимального решения, развиваются как случайные процессы, зависящие от ряда случайных факторов.

Для математического описания многих операций, развивающихся в форме случайного процесса, может быть с успехом применен математический аппарат, разработанный в теории вероятностей для так называемых марковских случайных процессов.

Поясним понятие марковского случайного процесса.

Пусть имеется некоторая система S, состояние которой меняется с течением времени (под системой S может пониматься все что угодно: промышленное предприятие, техническое устройство, ремонтная мастерская и т. д.). Если состояние системы S меняется во времени случайным, заранее непредсказуемым образом, говорят, что в системе S протекает случайный процесс.

Примеры случайных процессов:

флуктуации цен на фондовом рынке;

обслуживание клиентов в парикмахерской или ремонтной мастерской;

выполнение плана снабжения группы предприятий и т. д.

Конкретное протекание каждого из этих процессов зависит от ряда случайных, заранее непредсказуемых факторов, таких как:

поступление на фондовый рынок непредсказуемых известий о политических изменениях;

случайный характер потока заявок (требований), поступающих со стороны клиентов;

случайные перебои в выполнении плана снабжения и т. д.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Случайный процесс, протекающий в системе, называется марковским (или процессом без последствия ), если он обладает следующим свойством: для каждого момента времени t 0 вероятность любого состояния системы в будущем (при t > t 0) зависит только от ее состояния в настоящем (при t = t 0) и не зависит от того, когда и каким образом система пришла в это состояние (т. е. как развивался процесс в прошлом).

Другими словами, в марковском случайном процессе будущее развитие его зависит только от настоящего состояния и не зависит от “предыстории” процесса.

Рассмотрим пример. Пусть система S представляет собой фондовый рынок, который уже существует какое-то время. Нас интересует, как будет работать система в будущем. Ясно, по крайней мере в первом приближении, что характеристики работы в будущем (вероятности падения цен конкретных акций через неделю) зависят от состояния системы в настоящий момент (здесь могут вмешаться самые различные факторы типа решений правительства или результатов выборов) и не зависят от того, когда и как система достигла своего настоящего состояния (не зависят от характера движения цен на эти акции в прошлом).

На практике часто встречаются случайные процессы, которые, с той или другой степенью приближения можно считать марковскими.

Теория марковских случайных процессов имеет широкий спектр различных приложений. Нас будет интересовать главным образом применение теории марковских случайных процессов к построению математических моделей операций, ход и исход которых существенно зависит от случайных факторов.

Марковские случайные процессы подразделяются на классы в зависимости от того, как и в какие моменты времени система S" может менять свои состояния.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Случайный процесс называется процессом с дискретными состояниями, если возможные состояния системы s x , s 2 , s v ... можно перечислить (пронумеровать) одно за другим, а сам процесс состоит в том, что время от времени система S скачком (мгновенно) перескакивает из одного состояния в другое.

Например, разработку проекта S осуществляют совместно два отдела, каждый из которых может совершить ошибку. Возможны следующие состояния системы:

5, - оба отдела работают нормально;

s 2 - первый отдел совершил ошибку, второй работает нормально;

s 3 - второй отдел совершил ошибку, первый работает нормально;

s 4 - оба отдела совершили ошибку.

Процесс, протекающий в системе, состоит в том, что она случайным образом в какие-то моменты времени переходит («перескакивает») из состояния в состояние. Всего у системы четыре возможных состояния. Перед нами - процесс с дискретными состояниями.

Кроме процессов с дискретными состояниями существуют случайные процессы с непрерывными состояниями : для этих процессов характерен постепенный, плавный переход из состояния в состояние. Например, процесс изменения напряжения в осветительной сети представляет собой случайный процесс с непрерывными состояниями.

Мы будем рассматривать только случайные процессы с дискретными состояниями.

При анализе случайных процессов с дискретными состояниями очень удобно пользоваться геометрической схемой - так называемым графом состояний. Граф состояний геометрически изображает возможные состояния системы и ее возможные переходы из состояния в состояние.

Пусть имеется система S с дискретными состояниями:

Каждое состояние будем изображать прямоугольником, а возможные переходы (“перескоки”) из состояния в состояние - стрелками, соединяющими эти прямоугольники. Пример графа состояния приведен на рис. 4.1.

Заметим, что стрелками отмечаются только непосредственные переходы из состояния в состояние; если система может перейти из состояния s 2 в 5 3 только через s y то стрелками отмечаются только переходы s 2 -> и л, 1 -> 5 3 , но не s 2 -» s y Рассмотрим несколько примеров:

1. Система S - фирма, которая может находиться в одном из пяти возможных состояний: s ] - работает с прибылью;

s 2 - утратила перспективу развития и перестала приносить прибыль;

5 3 - стала объектом для потенциального поглощения;

s 4 - находится под внешним управлением;

s 5 - имущество ликвидируемой фирмы продается на торгах.

Граф состояний фирмы показан на рис. 4.2.

Рис. 4.2

2. Система S - банк, имеющий два отделения. Возможны следующие состояния системы:
5, - оба отделения работают с прибылью;

s 2 - первое отделение работает без прибыли, второе работает с прибылью;

5 3 - второе отделение работает без прибыли, первое работает с прибылью;

s 4 - оба отделения работают без прибыли.

Предполагается, что улучшение состояния не происходит.

Граф состояний представлен на рис. 4.3. Отметим, что на графе не показан возможный переход из состояния s ] непосредственно в s 4 , который осуществится, если банк сразу будет работать в убыток. Возможностью такого события можно пренебречь, что и подтверждает практика.

Рис. 4.3

3. Система S - инвестиционная компания, состоящая из двух трейдеров (отделов): I и II; каждый из них может в какой-то момент времени начать работать в убыток. Если это происходит, то руководство компании немедленно принимает меры для восстановления прибыльной работы отдела.

Возможные состояния системы: s - деятельность обоих отделов прибыльна; s 2 - первый отдел восстанавливается, второй работает с прибылью;

s 3 - первый отдел работает с прибылью, второй восстанавливается;

s 4 - оба отдела восстанавливаются.

Граф состояний системы показан на рис. 4.4.

4. В условиях предыдущего примера деятельность каждого трейдера перед тем, как он начнет восстанавливать прибыльную работу отдела, подвергается изучению руководством фирмы в целях принятия мер по ее улучшению.

Состояния системы будем для удобства нумеровать не одним, а двумя индексами; первый будет означать состояния первого трейдера (1 - работает с прибылью, 2 - его деятельность изучается руководством, 3 - восстанавливает прибыльную деятельность отдела); второй - те же состояния для второго трейдера. Например, s 23 будет означать: деятельность первого трейдера изучается, второй - восстанавливает прибыльную работу.

Возможные состояния системы S:

s u - деятельность обоих трейдеров приносит прибыль;

s l2 - первый трейдер работает с прибылью, деятельность второго изучается руководством компании;

5 13 - первый трейдер работает с прибылью, второй восстанавливает прибыльную деятельность отдела;

s 2l - деятельность первого трейдера изучается руководством, второй работает с прибылью;

s 22 - деятельность обоих трейдеров изучается руководством;

5 23 - работа первого трейдера изучается, второй трейдер восстанавливает прибыльную деятельность отдела;
5 31 - первый трейдер восстанавливает прибыльную деятельность отдела, второй работает с прибылью;
5 32 - прибыльная деятельность отдела восстанавливается первым трейдером, работа второго трейдера изучается;
5 33 - оба трейдера восстанавливают прибыльную работу своего отдела.

Всего девять состояний. Граф состояний показан на рис. 4.5.