Определение Пуассоновского потока. Свойства

Этот поток занимает центральное место среди всего многообразия потоков, так же как случайные величины с нормальным законом распределения в прикладной теории вероятностей. Такое положение объясняется тем обстоятельством, что в теории потоков, так же как и в теории случайных величин, имеется предельная теорема , согласно которой сумма большого числа независимых потоков с любым законом распределения приближается к простейшему потоку с ростом числа слагаемых потоков.

Стационарным пуассоновским (простейшим) называется поток, обладающий тремя свойствами:ординарностью ,отсутствием последействия истационарностью .

Распределение событий на малом интервале времени

По определению, интенсивностью потока называется предел
, так как простейший поток стационарен, то для него
.

Стационарность потока и отсутствие последействия исключают зависимость вероятности появления событий на интервале
как от расположения этого интервала на оси времени, так и от событий ему предшествующих. Поэтому
.

Для любого промежутка времени имеем . При устремлении
всеми членами правой части этой формулы, за исключением первого, можно пренебречь, т.к. в силу ординарности потока событий эти величины пренебрежимо малы по сравнению с
:

С учетом изложенного преобразуем исходное выражение для интенсивности потока:

Отсюда имеем равенство
, т.е. вероятность появления одного события на малом интервале времени пропорциональна этому интервалу с коэффициентом.

Очевидно, что
. Следовательно,
, откуда имеем
- вероятность непоявления ни одного события на малом интервале времени
.

Распределение событий в пуассоновском потоке

Найдем выражение
, где
- вероятность того, что на интервале
произойдетсобытий. Это событие произойдет в одном из двух взаимоисключающих случаях:

По теореме сложения вероятностей несовместных событий имеем вероятность наступления ситуации 1 или 2:

Откуда . Устремив
, получим
.

Определим аналогичное соотношение для
. Чтобы событие на интервале
не наступило ни одного раза, необходимо и достаточно, чтобы оно наступило0 раз в интервалеи0 раз - в
. Вероятность этого события равна. Откуда аналогично получим
.

Таким образом, пуассоновский поток событий описывается системой линейных дифференциальных уравнений

с очевидными начальными условиями .

Из первого уравнения получаем
, из начальных условий имеем
, откудас = 1 . Окончательно
.

Таким образом, для пуассоновского потока вероятность
отсутствия событий на любом интервале длинойопределяется экспоненциальной зависимостью. Для решения полной системы уравнений используем преобразование Лапласа. Имеем,

откуда
;
и далее
;
; ...
.

Взяв обратное преобразование Лапласа, с помощью таблиц получим
, т.е. распределение Пуассона.

Таким образом, простейший поток подчиняется закону распределения Пуассона, для которого математическое ожидание и дисперсия соответственно равны
.

Распределение интервалов между событиями

Найдем закон распределения интервалов времени между событиями для простейшего потока. Рассмотрим случайную величину - промежуток времени между двумя произвольными соседними событиями в простейшем потоке. Требуется найти функцию распределения
.

Рассмотрим противоположное событие
. Это вероятность того, что, начиная с некоторого момента появления события, за времяне появится больше ни одного события. Так как поток без последействия, то тот факт, что событие появилось в момент , не должен оказать никакого влияния на поведение потока в дальнейшем. Поэтому вероятность
, откуда
и плотность распределения вероятности
.

Такой закон распределения называется показательным (экспоненциальным) с параметром. Найдем математическое ожидание и дисперсиюэтого процесса:

;

Показательный закон обладает замечательным свойством: если промежуток времени, распределенный по показательному закону, уже длился некоторое время , то это никак не влияет на закон распределения оставшейся части промежутка
(он будет таким же, как закон распределения промежутка).

Докажем это свойство. Пусть
- вероятность того, что обслуживание, продолжавшееся(с), еще продлится не менее(с): т.е. на интервале времениa + t не произойдет ни одного события. При показательном законе распределения времени обслуживания
.

По теореме о произведении вероятностей событий . При показательном законе;
и, следовательно,
, т.е. при показательном законе времени обслуживания закон распределения оставшейся части времени обслуживания не зависит от того, сколько времени уже длилось обслуживание. Можно доказать, что показательный закон единственный , для которого справедливо это свойство.

Рассмотренное свойство , по существу, представляет другую формулировку свойстваотсутствия последействия .

Эффективность работы АЗС в значительной мере определяется степенью исправности топливораздаточных колонок (ТРК). Предположим, что на ТРК действует пуассоновский поток

Рассмотрим особенности построения каждого из уровней. Практически наиболее часто входящие потоки требований предполагаются пуассоновскими /47, 70, 74, 80/. Пуассоновские потоки характеризуются стационарностью, ординарностью и отсутствием последействия. Рассмотрим эти свойства.

В рассматриваемой макромодели входящие потоки требований в общем обладают свойствами стационарности, ординарности и отсутствия последействия. Пуассоновский поток полностью описывается одним параметром - интенсивностью потока Я. Приближенная формула для Я имеет вид

В простейшем случае (пуассоновский поток) вероятность появления требования в любой малый промежуток времени пропорциональна длине этого промежутка и не зависит от того, возникали или нет требования в предшествующие промежутки времени.

Так как мы рассматриваем однородный пуассоновский поток судов с интенсивностью ц, то совместное выполнение равенств

Y(t) = k и Y(T-t)= q-k (это следует из отсутствия последействия в пуассоновском потоке). Поэтому

Поток, получаемый в результате случайного разрежения или объединения пуассоновских потоков, также является пуассоновским.

Например, при аналитическом описании потока данных это может быть пуассоновский поток требований, обладающий ординарностью, стационарностью и отсутствием последействия. Это может быть поток с равномерным распределением требований. Если распределение задается эмпирическими данными, значения 7i1 7i2,. .., щ могут быть элементами гистограмм и т.п.

Часто встречаются преобразования, требующие объединения потоков, поступающих по различным входам. В этом случае выходной сигнал может представлять объединение этих потоков в один с другими характеристиками. Например, если по двум входам в блок С поступают пуассоновские требования, то выходной сигнал может представлять собой также пуассоновский поток с параметром, равным сумме параметров исходных потоков.

Пусть единичные платежи следуют друг за другом через случайные промежутки времени, распределенные по показательному закону с параметром Я > 0 (пуассоновский поток платежей), дифференциальная функция распределения которого имеет вид

Для нестационарного пуассоновского потока закон распределения промежутка / уже не является показательным, так как зависит от положения на оси Ot и вида зависимости Я(7). Однако для некоторых задач при сравнительно небольших изменениях Я(0 его можно приближенно считать показательным с интенсивностью Я, равной среднему значению Я(0-

Таким образом, для исследуемой системы S с дискретными состояниями и непрерывным временем переходы из состояния в состояние происходят под действием пуассоновских потоков событий с определенной интенсивностью Я.

В рассматриваемой модели емкость следует считать ограниченной. Входящий поток требований исходит из ограниченного числа эксплуатируемых машин (N - k), которые в случайные моменты времени выходят из строя и требуют обслуживания. При этом каждая машина из (N - k) находится в эксплуатации. Генерирует пуассоновский поток требований с интенсив-

Представим автомобиль как некоторую систему S с дискретными состояниями iSj,. 2. .... Sn, которая переходит из состояния S/ в состояние Sj(i - 1, 2,. .., n,j = I, 2,. .., и) под воздействием пуассоновских потоков событий (отказов) с интенсивностями Хд. Будем рассматривать следующие состояния автомобиля, в которых он может находиться в процессе эксплуатации и которые характеризуются целодневными простоями

Пуассоновский поток событий 53

Заметим, что, в то время как сам пуассоновский поток k (t) наступлений обстоятельств, влекущих ликвидацию счета вкладчиком, является в рамках нашей модели ненаблюдаемым, вероятность q (tu,t) сохранения счета и ожидаемая продолжительность XI1 = Mt - 10 существования счета могут быть оценены, в принципе, по наблюдаемым статистическим данным. Имея же статистические оценки т - 10 и 4-(tu,t) для величин Мт - 0 и q (t0,t), легко получить оценки Л. =(т. -)" и Х =-(i-t0) ln (0 0 для параметра Л ненаблюдаемого пуассоновского процесса. Оцениваемый таким образом параметр Х имеет смысл ожидаемого числа появлений в единицу времени обстоятельств, влекущих закрытие счета.

Процесс рождения популяции предпринимателей или новых предпринимателей таким образом можно рассматривать как простейший пуассоновский поток.

Для простейшего пуассоновского потока вероятность того, что за время г произойдет ровно т событий, равна

Определение 5.8. Стационарный пуассоновский поток называется простейшим.

Рассмотрим нестационарный пуассоновский поток с интенсивностью Mf), некоторый промежуток времени длиной г>0, начинающийся с момента t0 (и заканчивающийся, следовательно, в момент +г) и дискретную случайную величину Х р г) - число событий, наступающих в потоке за промежуток времени от ta до t0+r.

Следствие 6.1. В нестационарном пуассоновском потоке с интенсивностью A(t) вероятность того, что за промежуток времени от t0 до t0+r

Определение 6.2. Элементом вероятности появления события в нестационарном пуассоновском потоке называется вероятность >,(АО появления события за элементарный (достаточно малый) промежуток времени от t0 до t0+bt.

Теорема 6.2. Для элемента вероятности появления события за элементарный промежуток времени от t0 до t0+Af в нестационарном пуассоновском потоке с интенсивностью A(t) имеет место приближенная формула

Интенсивность нестационарного пуассоновского потока A(t)

Однако в последние года доказано, "что если на систему обслуживания, состоящую из /7 приборов поступает пуассоновский поток интенсивности /I и длительность обслуживания подчинена совершенно произвольному закону распределения Ц (ЭС), математическое овдание которого I/ с, то для предельных вероятностей Р, сохраняет свою силу формула (36), . Следовательно в стационарном режиме вероятности /. зависят не от особенностей распределения вероятностей длительности обслуживания, а только от средней длительности обслуживания... як

Рассмотрим решение такой задачи в условиях Нефтекум-ского УБР. Анализ работы службы испытания позволил составить статистические ряды интенсивности сдачи скважин на испытание и продолжительности испытания. Изучение рядов позволило сделать вывод, что поток скважин, поступающих в испытание, является одинарным стационарным потоком без последствия, т. е. обладает свойствами пуассоновского потока. С достаточной степенью точности можно допустить, что время обслуживания распределяется по показательному закону . На основании статистических рядов составлены таблицы распределения интенсивности сдачи скважин на испытание (табл. 36)

Задача эта формулируется следующим образом поток требований - пуассоновский с интенсивностью Я длительность обслуживания распределена но показательному закону , причем средняя длительность обслуживания iAy. Если число обслуживающих устройств равно п, то при стационарном пуассоновском потоке требований вероятности Pt (t) (вероятности того, что в момент t обслуживанием, заняты I прибороь) близки к их предельным значениям (формула Эрлаша)

Если объединяются несколько независимых ординарных потоков с сопоставимыми интенсивностями, то с ростом числа слагаемых потоков объединенный поток приближается к простейшему с возможной нестационарностью. Если слагаемые потоки стационарны , то в пределе получается пуассоновский поток. Интенсивность объединенного потока равна сумме интенсивностей каждого из них.

Каждый из входящих в блок агрегатов является сложной системой , состоящей из большого числа элементов. Отказ каждого из них может привести к утрате способности выполнения поставленной задачи всего агрегата. Поток отказов агрегата во времени образуется в результате наложения множества событий - потоков отказов элементов, входящих в его состав. При решении практической задачи отказы в элементах можно рассматривать как независимые (или слабозависимые) и ординарные события, поэтому для суммарного потока отказов всего агрегата правомерно применение предельной теоремы потоков в теории случайных процессов . Данная теорема определяет условия, при которых сумма независимых (или слабо зависимых) ординарных потоков событий сводится к пуассоновскому распределению числа отказов агрегата на заданном промежутке времени т. Условия состоят в том, что складываемые потоки должны оказывать приблизительно одинаковое влияние на суммарный поток. В инженерной практике рекомендуется считать сумму более 5-7 потоков за пуассоновскии поток, если интенсивности этих потоков имеют одинаковый порядок. Данное утверждение основано на многократных исследованиях, проведенных методом статистических испытаний. Исходя из вышеизложенного, число отказов т каждого агрегата блока КЭС, возникающих за промежуток (/, М-т), имеет распределение вида

В период нормальной эксплуатации агрегата (на центральном участке) при решении практических задач часто полагают Я,(/)= Я = onst, т.е. принимают модель стационарного пуассоновского потока отказов. При этом формула (2.8.1) принимает вид

Согласно показателем безотказности блока КЭС принимается средняя наработка на отказ ТНБ, а показателем ремонтопригодности - среднее время восстановления работоспособного состояния после отказа ТВБ- Чтобы получить формулы для расчета этих показателей воспользуемся свойством

В пуассоновском потоке событий (стационарном и нестационарном) число событий потока , попадающих на любой участок, распределено по закону Пуассона

Пуассоновский поток событий - это поток, обладающий двумя свойствами ординарностью и отсутствием последействия.

В данном параграфе устанавливается связь между пуассоновскими потоками событий и с непрерывным временем. Показывается, как используется интенсивность пуассоновских стационарных потоков в качестве плотностей вероятностей переходов системы из состояния в состояние при анализе моделей конкретных ситуаций.

Между пуассоновскими потоками событий и дискретными марковскими процессами с непрерывным временем имеется тесная связь.

Связь пуассоновских потоков событий с дискретными марковскими процессами с непрерывным временем

То есть технически, марковскую модель с непрерывным временем построить проще, чем модель с дискретным временем, хотя проблема подчинения пуассоновскому закону распределения всех потоков событий , переводящих элементы системы из состояния в состояние, остается.

Можно считать, что события, переводящие автомобиль из состояния в состояние, представляют собой потоки событий (например, потоки отказов). Если все потоки событий , переводящие систему (автомобиль) из состояния в состояние, пуассоновские (стационарные или нестационарные), то процесс, протекающий в системе, будет марковским, а плотности вероятности перехода Ху в непрерывной цепи Маркова представляют собой интенсивности потока событий, переводящего систему из состояния Si в состояние Sj. Например, Х03 - интенсивность потока отказов автомобиля, который переводит автомобиль из состояния исправен, работает в состояние находится в ТР.

Допущения о пуассоновском характере потока событий и о показательном распределении промежутков времени между событиями ценны тем, что позволяют на практике применить мощный аппарат марковских случайных процессов .

Пуассоновский стационарный (простейший) поток событий

Пуассоновский стационарным (простейшим) поток событий

Пуассоновский нестационарный поток событий

Основное характеристическое свойство нестационарного пуассоновского потока состоит в том, что вероятность наступления определенного числа событий за временной промежуток зависит не только от его длины, но и от момента его начала.

Одной из основных стохастических характеристик нестационарного пуассоновского потока является дискретная случайная величина X(t т), представляющая собой случайное число событий, наступающих в потоке за промежуток [ t.+t.

Другой основной стохастической характеристикой нестационарного пуассоновского потока является случайный интервал времени T(tB) между двумя соседними событиями, первое из которых наступило в момент t0.

Доказательство Вероятность p (t At) того, что система S, находившаяся в момент времени t в состоянии sp за промежуток времени от t до t+Ы перейдет из него в состояние s (см. 4) равна элементу вероятности pfa t) появления события в пуассоновском потоке П.. на элементарном участке от t до +Д (см. Определение 5.11). Но (см. (4.3))

Система, в которой протекает дискретный марковский процесс с непрерывным временем, перескакивает из одного состояния х в другое xj не самопроизвольно, а под воздействием определенного события, которое мы можем отнести к событиям некоторого пуассоновского потока П.. и считать, таким образом, что переход системы из состояния х в состояние х происходит под воздействием всего потока /L. Привлечение всего потока П.. дает нам возможность рассматривать интенсивность А() этого потока.

Рассмотрим более подробно случай пуассоновского распределения спроса. Функция затрат будет иметь вид, аналогичный (5.6.18), с заменой интегрирования по х суммированием. Найдем плотность 1> (т) распределения времени дефицита. Распределение времени наступления k -го события пуассоновского потока подчинено закону Эрланга k -го порядка. Дефицит начинается при израсходовании всего запаса S и еще одной единицы, так что

Общий поток отказов, связанный с попаданием автомобилей исследуемой группы в ТО-2, получается путем наложения (суперпозиции) потоков ТО-2 этих автомобилей. Как показывают расчеты, распределение интервала пробега между событиями в этом потоке подчиняется показательному закону . При этом поток ТО-2 всех исследуемых автомобилей является пуассоновским.

Образ потока отказов, связанного со списанием автомобиля, является условным. Действительно, если автомобиль отказывает в тот момент, когда происходит первое событие данного потока, то совершенно все равно, продолжается после этого поток отказов или прекращается судьба автомобиля от этого уже не зависит. В случае когда элемент (автомобиль) не подлежит восстановлению, поток отказов является пуассоновским.

Пусть в предприятие сервиса через случайные интервалы времени обращаются клиенты, при этом поток заказов однороден (однотипные заказы) и в единицу времени обращается X клиентов. Вероятность прихода клиента не зависит от числа уже обратившихся клиентов, вероятность того, что одновременно обратятся сразу два клиента, мала. Кроме того, число обратившихся клиентов зависит от рассматриваемого интервала времени и не зависит от начала рассмотрения.

Тогда модель математически можно описать следующим образом. Пусть р к (х) означает вероятность прибытия к клиентов в интервале времени длительностью х, p 0 (t ) - вероятность того, что за время (0, /) не будет ни одного клиента, что, согласно (14.2), соответствует вероятности того, что интервал времени до прибытия первого клиента больше, чем t.

Рис. 14.2.

1. Если ijH т2 два неперекрывающихся интервала (рис. 14.2), то предположение о независимости имеет вид:

2. Среднее значение времени между прибытиями клиентов равно

3. Вероятность того, что клиент не придет в течение интервала времени нулевой длительности,

4. Вероятность того, что клиент не придет в течение интервала времени бесконечной длительности,

Такой поток заказов считается простейшим. Поток заказов называется простейшим, или пуассоновским, если он обладает тремя свойствами: стационарен, ординарен и без последействия.

Свойство стационарности к событий потока на любом интервале времени т зависит только от числа к и длительности т.

Свойство ординарности характеризуется тем, что вероятность появления более одного события за малый интервал времени пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью появления только одного события.

Свойство отсутствия последействия характеризуется тем, что вероятность появления к событий потока на любом интервале времени т не зависит от того, появились или не появились события в моменты, предшествующие началу рассматриваемого интервала.

Пуассоновский поток играет фундаментальную роль в теории систем массового обслуживания, как нормальный процесс в статистике. Большинство других процессов, используемых в системах массового обслуживания, получаются путем модификации пуассоновского.

Рис. 14.3.

Часто на практике трудно установить, обладает ли поток перечисленными выше свойствами. В частности, установлено, что если поток представляет собой сумму (суперпозицию) очень большого числа независимых стационарных потоков, влияние каждого из которых на весь суммарный поток ничтожно мало, то этот суммарный поток при условии его ординарности близок к простейшему. На рис. 14.3 показан пример образования суммарного потока. Указанное свойство сродни центральной предельной теореме нормального распределения.

Рис. 14.4.

Случайный процесс N(t), описывающий такой поток и соответствующий числу прибывших клиентов, является дискретным и в случайные моменты времени может принимать только целочисленные значения. Процесс нестационарный, так как может только возрастать. Реализация процесса показана на рис. 14.4.

В течение малого интервала времени процесс может остаться в том же состоянии или изменить его (увеличить число клиентов на единицу). Другими словами, процесс из состояния Sj может перейти только в состояние $ ,. Пусть вероятность изменения состояния в малом интервале времени dx равна A,dx+o(dx), где А>0. Вероятность сохранения прежнего состояния l-^dx + o(dx). Так как поток ординарен, вероятность смены состояния более одного раза в интервале (/, t+ dx) есть бесконечно малая величина o(dx) высшего порядка по сравнению с dx.

Обозначим вероятность того, что N(t) = n, как р п (х), где x - t-t 0 - интересующий нас интервал времени, т.е. процесс за время х совершил п скачков. Пусть р п (х) зависит только от х и не зависит от начального момента t 0 , от которого отсчитывается х. Поэтому, несмотря на то что процесс нестационарный, случайное число появления запросов на сервис N(t) = п за интервал времени х = t-t Q является постоянной (стационарной) величиной.

Предположим также, что N(t ) не зависит от числа реализаций события, произошедших в любые интервалы времени, предшествующие т, т.е. процесс обладает свойством отсутствия последействия. Вычислим вероятность p n (x + dx) того, что в интервале (x+dx) произойдет п событий.

Очевидно, для того чтобы в интервале (х+dx) произошло п событий, должны совершиться два взаимоисключающих события:

О произошло п событий в интервале х и 0 событий в интервале dx. Вероятность этого в силу независимости равна р п (т)(1 - Xdx);

О произошло п - 1 событий в интервале т и 1 событие в интервале dx. Вероятность этого равна р { (x)A.dx.

Таким образом,

Перенесем в левую часть р п (х) и поделим на dx:

Перейдя к пределу при dx -? 0, получим дифференциальное уравнение:

Рассчитаем вероятность /? 0 (х)того, что на интервале (x+dx) событие не наступит ни разу. Ясно, что для этого событие не должно наступить в интервале х и в интервале dx. Вероятность этого равна /? 0 (х)(1-Ых).

Таким образом,

Соответствующее дифференциальное уравнение имеет вид:

Объединив (14.12) и (14.13) и положив начало рассмотрения процесса с момента^ = 0, а х = t, получим систему дифференциальных уравнений:

Зададимся следующими начальными условиями:

которые означают, что в начальный момент t 0 событие не произошло.

Как видно, уравнения (14.14) и (14.15) являются частным случаем уравнений Колмогорова-Чепмена в дифференциальной форме (13.11) для абсолютных вероятностей и описанный процесс является марковским.

Для нахождения общего решения системы удобно использо-

вать преобразование Лапласа. Пусть p{i) Применяя преобразование Лапласа к обеим частям уравнения (14.14) системы с учетом начальных условий (14.16), получаем

По теореме о начальном состоянии оригинала

По теореме о конечном состоянии оригинала

Полученные характеристики соответствуют рассматриваемой модели.

Обратное преобразование Лапласа (14.17) будет

Применяя преобразование Лапласа к обеим частям (14.15) с учетом начальных условий (14.16), получаем

Согласно (14.17) и (14.18),

По таблице преобразований Лапласа

Используя (14.20), из (14.19) получаем распределение Пуассона

которое дает вероятность того, что в момент t > 0 система находится в состоянии N(f) = п или что за время произойдет п изменений.

Рис. 14.5. Независимые пуассоновские процессы Хт { и Хх 2

Таким образом, число событий внутри фиксированного интервала в пуассоновском потоке распределено по закону Пуассона. При этом число событий N(t { ,t 2) и N{t 3 ,t 4) на неперекрываю- щихся интервалахT t = t 2 -1 { и т 2 = t 4 -1 3 , где t { независимы (рис. 14.5).

На рис. 14.6 показаны плотности вероятности прибытия 0,1,2, 3, 4 клиентов при поступлении их по пуассоновскому закону для интенсивностей X = 0,5 (рис. 14.6, а) и X = 1 (рис. 14.6, б). Как видно, с ростом интенсивности повышается вероятность прибытия клиентов в первые моменты времени.

Вероятность того, что за время t поступит не более п заказов, определяется функцией распределения

Рис. 14.6. Плотность вероятности Пуассона при X = 0,5 (а) и А. = 1 (б) 1-р(0У, 2-р{) 3-р(2У, 4-р(3);5-р(4)

Согласно (11.41), производящая функция для распределения Пуассона (14.21) по дискретному значению п

(14.23)

Математическое ожидание числа прибывших клиентов, распределенных по Пуассону, в соответствии с (11.43)

Таким образом, среднее число событий N(t) в интервале / равно U.

Дисперсия, характеризующая рассеивание числа заказов в интервале /, согласно (11.44),

Как видно, дисперсия простейшего потока равна математическому ожиданию. Данное свойство может служить критерием соответствия потока заказов простейшему.

Формула Пуассона (14.21) отражает все свойства простейшего потока. В самом деле, из формулы видно, что вероятность появления п событий за время t при заданной интенсивности А, является функцией только /, что характеризует свойство стационарности. В формуле не используется информация о появлении событий до начала рассматриваемого промежутка, что характеризует свойство отсутствия последействия. Если и т 2 два неперекрывающихся интервала времени, то свойство независимости имеет место, так как

Вероятность появления более одного события за малый интервал времени р (/) = (А,/) 2 /2!. Эта вероятность пренебрежимо мала

по сравнению с вероятностью наступления одного события, равной АЛ, что характеризует свойство ординарности потока.

Найдем далее для пуассоновского процесса распределение вероятностей интервалов между двумя последовательными событиями. Пусть случайная величина Т характеризует длину этих интервалов. Обозначим через F{x) функцию распределения этой случайной величины. По определению, F(x) - это вероятность того, что Т Вероятность того, что в интервале времени не произошло событие, если оно произошло в момент t 0 , равна безусловной вероятности

т.е.

Следовательно, функция распределения длины интервала между двумя последовательными событиями имеет вид показательного закона:

Продифференцировав (14.25), получим соответствующую плотность вероятности интервала между двумя событиями:

С учетом (14.26) и (14.24) вероятность того, что заказ появится внутри интервала (x,T+dx), можно записать как

т.е. вероятность поступления заказа внутри интервала (x,T + dx) равна A,dx, не зависит от х и пропорциональна dx. Величина X называется параметром показательного закона. Поскольку X не зависит от длительности интервала х, экспоненциальное распределение не имеет памяти и не имеет возраста (см. рис. 10.7).

Таким образом, для простейшего потока с интенсивностью X случайная величина Т, представляющая интервал между соседними заказами (событиями), имеет экспоненциальное распределение с функцией распределения (14.25) и плотностью распределения (14.26). Если время между прибытиями клиентов имеет экспоненциальное распределение со средним значением Т, тогда случайная переменная N(t), представляющая число клиентов, прибывших в фиксированный интервал , имеет пуассоновское распределение с параметром Xt, где Х=/Т. В силу марковости процесса интервалы между событиями взаимно независимы. Отсюда процесс, у которого интервалы между событиями взаимно независимы и подчинены показательному закону, является пуассоновским процессом.

В соответствии с разностными уравнениями (14.11) можно изобразить граф пуассоновского процесса (рис. 14.7). Вершины графа обозначают состояния системы, которые для пуассоновского потока клиентов соответствуют числу поступивших клиентов. Над дугами показаны вероятности перехода.

Рис. 14.7.

При большом промежутке времени вероятность перехода в соседнее состояние стремится к единице, а вероятность остаться в том же состоянии - к нулю и граф на рис. 14.7 преобразуется в граф на рис. 14.8. Над дугами графа показана интенсивность, с которой осуществляются переходы. Время нахождения процесса в состоянии случайно и распределено по экспоненциальному закону с математическим ожиданием /Х. В среднем через время 1Д система переходит в следующее состояние, что соответствует поступлению очередного клиента. Так как процесс ординарен, переход возможен только в соседние состояния. Передаточная функция дуги соответствует преобразованию Лапласа экспоненциального распределения (10.47).

Рассмотрим некоторую физическую систему S с дискретными состояниями которая переходит из состояния в состояние под влиянием каких-то случайных событий, например, вызовы на телефонной станции, выходы строя (отказы) элементов аппаратуры, выстрелы, направленные по цели и т. д.

Будем себе это представлять так, будто события, переводящие систему из состояния в состояние, представляют собой какие-то потоки событий (потоки вызовов, потоки отказов, потоки выстрелов и т. д.).

Пусть система S с графом состояний, показанным на рис. 4.27, в момент t находится в состоянии S; и может перейти из него в состояние под влиянием какого-то пуассоновского потока событий с интенсивностью как только появляется первое событие этого потока, система мгновенно переходит (перескакивает) из S в Как мы знаем, вероятность этого перехода за элементарный промежуток времени (элемент вероятности перехода) равна . Таким образом, плотность вероятности перехода в непрерывной цепи Маркова представляет собой не что иное, как интенсивность потока событий, переводящего систему по соответствующей стрелке.

Если все потоки событий, переводящие систему S из состояния в состояние, пуассоновские (стационарные или нестационарные - безразлично), то процесс, протекающий в системе, будет марковским. Действительно, пуассоновский поток обладает отсутствием последействия, поэтому, при заданном состоянии системы в данный момент, ее переходы в другие состояния в будущем обусловлены только появлением каких-то событий в пуассоновских потоках, а вероятности появления этих событий не зависят от «предыстории» процесса.

В дальнейшем, рассматривая марковские процессы в системах с дискретными состояниями и непрерывным временем (непрерывные марковские цепи), нам удобно будет во всех случаях рассматривать переходы системы из состояния в состояние как происходящие под влиянием каких-то потоков событий, хотя бы в действительности эти события были единичными. Например, работающее техническое устройство мы будем рассматривать как находящееся под действием потока отказов, хотя фактически оно может отказать только один раз. Действительно, если устройство отказывает в тот момент, когда приходит первое событие потока, то совершенно все равно - продолжается после этого поток отказов или же прекращается: судьба устройства от этого уже не зависит. Для нас же будет удобнее иметь дело именно с потоками событий.

Итак, рассматривается система S, в которой переходы из состояния в состояние происходят под действием пуассоновских потоков событий с определенными интенсивностями. Проставим эти интенсивности (плотности вероятностей переходов) на графе состояний системы у соответствующих стрелок.

Получим размеченный граф состояний (рис. 4.27); по которому, пользуясь правилом, сформулированным в § 3, можно сразу записать дифференциальные уравнения Колмогорова для вероятностей состояний.

Пример 1. Техническая система S состоит из двух узлов: I и II; каждый из них независимо от другого может отказывать (выходить из строя). Поток отказов первого узла - пуассоновский, с интенсивностью второго - также пуассоновский, с интенсивностью Каждый узел сразу после отказа начинает ремонтироваться (восстанавливаться). Поток восстановлений (окончаний ремонта ремонтируемого узла) для обоих узлов - пуассоновский с интенсивностью К.

Составить граф состояний системы и написать уравнения Колмогорова для вероятностей состояний. Определить, при каких начальных условиях нужно решать эти уравнения, если в начальный момент система работает исправно.

Решение. Состояния системы:

Оба узла неправды,

Первый узел ремонтируется, второй исправен,

Первый узел исправен, второй ремонтируется,

Оба узла ремонтируются.

Размеченный граф состояний системы показан на рис. 4.28.

Интенсивности потоков событий на рис. 4.28 проставлены из следующих соображений. Если система S находится в состоянии то на нее действуют два потока событий: поток неисправностей узла I с интенсивностью X, переводящий ее в состояние и поток неисправностей узла II с интенсивностью переводящий ее в Пусть теперь система находится в состоянии (узел I ремонтируется, узел II - исправен). Из этого состояния система может, во-первых, вернуться в (это происходит под действием потока восстановлений с интенсивностью ); во-вторых, - перейти в состояние (когда ремонт узла I еще не закончен, а узел II тем временем вышел из строя); этот переход происходит под действием потока отказов узла II с интенсивностью Интенсивности потоков у остальных стрелок проставляются аналогично.

Обозначая вероятности состояний и пользуясь правилом, сформулированным в § 3, запишем уравнения Колмогорова для вероятностей состояний:

Начальные условия, при которых нужно решать эту систему: при

Заметим, что, пользуясь условием

можно было бы уменьшить число уравнений на одно. Действительно, любую из вероятностей можно выразить через остальные и подставить в уравнения (6.1), а уравнение, содержащее в левой части производную чтой вероятности - отбросить.

Заметим, кроме того, что уравнения (6.1) справедливы как для постоянных интенсивностей пуассоновских потоков X, так и для переменных:

Пример 2. Группа в составе пяти самолетов в строю «колонна» (рис. 4.29) совершает налет на территорию противника. Передний самолет (ведущий) является постановщиком помех; до тех пор, пока он не сбит, идущие за ним самолеты не могут быть обнаружены и атакованы средствами ПВО противника. Атакам подвергается только постановщик помех. Поток атак - пуассоновский, с интенсивностью X (атак/час). В результате атаки постановщик помех поражается с вероятностью р.

Если постановщик помех поражен (сбит), то следующие за ним самолеты обнаруживаются и подвергаются атакам ПВО; на каждый из них (до тех пор, пока он не поражен) направляется пуассоновский поток атак с интенсивностью X; каждой атакой самолет поражается с вероятностью р. Когда самолет поражен, атаки по нему прекращаются, но на другие самолеты не переносятся.

Написать уравнения Колмогорова для вероятностей состояний системы и указать начальные условия.

Решение. Будем нумеровать состояния системы соответственно числу сохранившихся самолетов в группе:

Все самолеты целы;

Постановщик помех сбит, остальные самолеты целы;

Постановщик помех и один бомбардировщик сбиты, остальные самолеты целы;

Постановщик помех и два бомбардировщика сбиты, остальные самолеты целы;

Постановщик помех и три бомбардировщика сбиты, один самолет цел;

Все самолеты сбиты.

Состояния мы отличаем друг от друга по числу сохранившихся бомбардировщиков, а не по тому, какой именно из них сохранился, так как все бомбардировщики по условиям задачи равноценны - атакуются с одинаковой интенсивностью и поражаются с одинаковой вероятностью.

Граф состояний системы показан на рис. 4 30. Чтобы разметить этот граф, определим интенсивности потоков событий, переводящих систему из состояния в состояние.

Из состояния систему переводит поток поражающих (или «успешных») атак, т. е. тех атак, которые приводят к поражению постановщика (разумеется, если он раньше не был поражен).

Интенсивность потока атак равна X, но не все они - поражающие: каждая из них оказывается поражающей только с вероятностью . Очевидно, интенсивность потока поражающих атак равна эта интенсивность и проставлена в качестве у первой слева стрелки на графе (рис. 4.30).

Займемся следующей стрелкой и найдем интенсивность Система находится в состоянии т. е., целы и могут быть атакованы четыре самолета. Она перейдет в состояние за время если за это время какой-нибудь из самолетов (все равно, какой) будет сбит. Найдем вероятность противоположного события - за время ни один самолет не будет сбит:

Здесь отброшены члены высшего порядка малости относительно Вычитая эту вероятность из единицы, получим вероятность перехода из за время (элемент вероятности перехода):

) все самолеты целы, начальные условия будут;Отметим, что в данном параграфе мы только выписывали дифференциальные уравнения для вероятностей состояний, но не занимались решением этих уравнений.

По этому поводу можно заметить следующее. Уравнения для вероятностей состояний представляют собой линейные дифференциальные уравнения с постоянными или переменными коэффициентами - в зависимости от того, постоянны или переменны интенсивности потоков событий, переводящих систему из состояния в состояние.

Система нескольких линейных дифференциальных уравнений такого типа только в редких случаях может быть проинтегрирована в квадратурах: обычно такую систему приходится решать численно - либо вручную, либо на аналоговой вычислительной машине (АВМ), либо, наконец, на ЭЦВМ. Все эти способы решения систем дифференциальных уравнений затруднений не доставляют; поэтому самое существенное - уметь записать систему уравнений и сформулировать для нее начальные условия, чем мы и ограничились здесь.