Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

MODELING OF THE DOCUMENTAL SUPPORT OF EDUCATIONAL COURSES WITH THE USE OF MARKOV PROCESS

Koval D.V. 1 Ogurtsova M.D. 1 Gonchar P.S. 1
1 Ural State University of Railway Transport
The article considers a particular case of servicing the flow of requests in an elementary subdivision of a fairly large organization. On the one hand, this task has a direct practical importance, and on the other hand it allows us to draw some general conclusions. As a mathematical apparatus, a model of a closed queuing system based on the “death-multiplication process” and Markov process with a continuous transition time is used. The primary results were subjected to a qualitative analysis, which allowed identify the key characteristics of the system and reduce the number of considered cases. Then they were processed by methods of probability theory to obtain generalizing characteristics. It is shown that, with the increase in the nominal performance of the maintenance system, not only the expected number of serviced applications increases, but also the variance of this value.
keywords: Markov process
productivity
probability forecast

Проблема исследования

За кафедрой естественнонаучных дисциплин Уральского госуниверситета путей сообщения закреплено 214 учебных курсов, которые должны быть обеспечены рабочими программами. Этот массив документов требует корректировки в связи с появлением новых требований и коррекцией учебных планов. Возникает необходимость вероятностного прогнозирования работы сотрудников кафедры, занятых этим вопросом.

Задача исследования

Подразделение обеспечивает соответствие документов текущим требованиям. Количество документов примем равным двумстам. Каждый документ в течение года (в случайном порядке) требует коррекции. Эту работу выполняют несколько (m) исполнителей с ограниченной производительностью. Задачей нашего исследования было изучение закономерности такого случайного процесса.

Техника исследования, первичный план и его коррекция

Первоначально предполагалось рассмотреть разное количество исполнителей (m равное от 1 до 4) с их разной номинальной производительностью (от 20 до 40) с помощью аппарата теории замкнутых систем массового обслуживания (СМО), описанного в [1] и [2].

Граф состояний марковского процесса гибели-размножения, соответствующего такой СМО, представлен на рисунке.

koval_1.eps

В приведенном графе:

– Номер состояния соответствует количеству документов (из 200), требующих коррекции.

– Интенсивности перехода с увеличением номера состояния определяются количеством документов, не требующих коррекции в рассматриваемом состоянии.

– Интенсивности переходов с уменьшением номера состояния пропорциональны количеству каналов, вступивших в работу, и их номинальной производительности.

При известных интенсивностях переходов вероятности состояний находятся следующим образом (с некоторым изменением использован алгоритм, приведенный в [3]). Сначала последовательно определяются вспомогательные коэффициенты ki.

koval_f1.eps

Затем появляется возможность последовательно определить значения p0 и pi.

koval_f2.eps

Причем

koval_f3.eps

Результаты вычисления вероятностей состояний, после группирования, интерпретировались как «успеваемость» кафедры, то есть вероятности того, что некоторая доля от обслуживаемых рабочих программ – в «исправном» состоянии.

В результате применения данной техники к ситуациям с разным количествам исполнителей были, в первую очередь, получены распределения вероятностей разных состояний «успеваемости». Попарно сравнивая результаты моделирования для СМО с разным количеством каналов обслуживания, но одинаковой общей номинальной производительностью всех каналов, мы заметили, что практическое значение имеет общая номинальная производительность СМО, а не её составные части. Действительно, различия в моделях этих СМО наблюдаются только в нескольких первых состояниях (причем, далеко не самых вероятных) из двухсот. Поэтому из дальнейшего исследования были исключены некоторые дубликаты ситуаций и доплнительно введены случаи с общей номинальной производительностью СМО mμ, равной 100 и 140, не реализованные в первичном плане.

Полиномы полученных распределений (для разных значений номинальной производительности СМО) и их интегральные функции представлены на двух следующих рисунках и в таблице:

koval_4.tif

koval_5.tif

koval_6.tif

Общие выводы по распределениям и статистикам

Полученные в первичном исследовании результаты были подвергнуты вторичной обработке путем определения обобщающих характеристик, что соответствует рекомендациям в [4]. По ним сделаны выводы:

– В исследованном диапазоне мода распределения практически линейно зависит от общей номинальной производительности СМО.

– Математическое ожидание номера состояния в рассмотренном диапазоне совпадает с его модой.

– Вероятность десяти состояний, близких к моде, убывает при увеличении производительности СМО.

– Дисперсия номера состояния совпадает с номинальной производительностью СМО.

Только для СМО с производительностью 160 появляется заметное отклонение от последней из указанных выше закономерностей, что привлекает внимание к таким режимам работы СМО, в которых её производительность близка к максимально возможной интенсивности поступающих заявок.

В данном случая были взяты 5 человек с производительностью 40 и общей производительностью СМО, равной 200. Обнаружились существенные отклонения от общих закономерностей. Наиболее вероятное состояние СМО – четвертое, дисперсия номера состояния становится относительно малой.

Основные выводы исследования

– Исследование показало, что в большом диапазоне значений производительности СМО (10-80% от максимальной интенсивности заявок) из-за действия «законов больших чисел» для предсказания фактической производительности СМО случайностями в потоке заявок можно пренебрегать, то есть производительность СМО определяется пропускной способностью каналов, а не этими случайностями.

– При приближении производительности СМО к максимальной интенсивности заявок явно влияют особенности потока заявок, а дисперсия состояний возрастает (однако, при дальнейшем увеличении производительности, дисперсия демонстрирует резкий спад).

– Заметно, что взятая модель не вполне отражает действительность: из исследования следует, что каналы в СМО практически не простаивают, а в действительности простои имеют место.