Случайные величины дискретного типа и формулы для их разыгрывания

ВВЕДЕНИЕ

 

Системой принято называть совокупность элементов, между которыми имеются связи любой природы, и она обладает функцией (назначением), которой нет у составляющих ее элементов. Информационные системы, как правило, представляют собой сложные территориально распределенные системы с большим количеством составляющих элементов, обладающие разветвленной сетевой структурой.

Разработка математических моделей, позволяющих оценить показатели функционирования информационных систем, является сложной и трудоемкой задачей. Для определения характеристик таких систем можно применить метод имитационного моделирования с последующей обработкой результатов эксперимента.

Имитационное моделирование является одной из центральных тем при изучении дисциплин "Моделирование систем" и "Математическое моделирование". Предметом имитационного модели­рования является изучение сложных процессов и систем, подвер­женных, как правило, воздействию случайных факторов, путем проведения экспериментов с их имитационными моделями.

Суть метода проста — имитируется “жизнь” системы при многократном повторении испытаний. При этом моделируются и регистрируются случайно меняющиеся внешние воздействия на систему. Для каждой ситуации по уравнениям модели просчитываются системные показатели. Существующие современные методы математической статистики позволяют ответить на вопрос — а можно ли и, с каким доверием, использовать данные моделирования. Если эти показатели доверия для нас достаточны, мы можем использовать модель для изучения данной системы.

Можно говорить об универсальности имитационного моделирования, поскольку оно применяется для решения теоретических и практических задач анализа больших систем, включая задачи оценки вариантов структуры системы, оценки эффективности различных алгоритмов управления системой, оценки влияния измене­ния различных параметров системы на её поведение. Имитационное моделирование может быть положено также в основу синтеза больших систем, когда требуется создать систему с заданными характеристиками при определённых ограничениях, и которая при этом была бы оп­тимальной согласно выбранным критериям.

Имитационное моделирование является одним из наиболее эффективных средств исследования и проектирования сложных систем, а часто единственным практически реализуемым методом исследования процесса их функционирования.

Целью курсовой работы является изучение студентами методов имитационного моделирования и методов обработки статистических данных на ЭВМ с использованием прикладных программных средств. Приведем возможные темы курсовых работ, позволяющих исследовать сложные системы на основе имитационных моделей.

· Имитационное моделирование в задачах одномерного или плоского раскроя. Сравнение плана раскроя с оптимальным планом, полученным методами линейного целочисленного программирования.

· Транспортные модели и их варианты. Сравнение плана перевозок, полученного методом имитационного моделирования, с оптимальным планом, полученным методом потенциалов.

· Применение метода имитационного моделирования к решению оптимизационных задач на графах.

· Определение объемов производства как задача многокритериальной оптимизации. Использование метода имитационного моделирования для нахождения множества достижимости и множества Парето.

· Метод имитационного моделирования в задачах календарного планирования. Получение рекомендаций по составлению рационального расписания.

· Исследование характеристик информационных систем и каналов связи как систем массового обслуживания методом имитационного моделирования.

· Построение имитационных моделей при организации запросов в базах данных.

· Применение метода имитационного моделирования для решения задачи управления запасами с постоянным, переменным и случайным спросом.

· Исследование работы цеха рубительных машин методом имитационного моделирования.

Далее будут рассмотрены характерные этапы выполнения курсовой работы на тему: «Исследование надежности технической системы методом имитационного моделирования».

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

Техническая система S состоит из трех элементов, схема соединения которых приведена на рис.1. Времена безотказной работы X₁, X₂, X₃ элементов системы являются непрерывными случайными величинами с известными законами распределения вероятностей. Внешняя среда E оказывает воздействие на работу систему в виде случайной величины V с известным дискретным распределением вероятностей.

Требуется оценить надежность системы S методом имитационного моделирования на ЭВМ с последующей обработкой результатов эксперимента. Ниже приводится последовательность выполнения работы.

1. Разработка алгоритмов разыгрывания случайных величин X₁, X₂, X₃ и V с использованием генераторов случайных чисел, содержащихся в математических пакетах, например, в Microsoft Excel или в StatGraphics.

2. Определение времени безотказной работы системы Y в зависимости от времен безотказной работы X₁, X₂, X₃ элементов на основе структурной схемы расчета надежности.

3. Определение времени безотказной работы системы с учетом влияния внешней среды в соответствии с формулой Z=Y/(1+0,1V).

4. Построение моделирующего алгоритма, имитирующего работу системы S и учитывающего возможность отказа элементов и случайные воздействия внешней среды E. Реализация полученного алгоритма на ЭВМ и создание файла со значениями случайных величин X₁, X₂, X₃, V, Y и Z. Число опытов для машинного эксперимента принять равным 100.

5. Статистическая обработка полученных результатов. С этой целью необходимо

- для каждой случайной величины рассчитать основные статистические характеристики: выборочное среднее, выборочную дисперсию, выборочное среднее квадратическое отклонение, наименьшее и наибольшее значения, размах выборки, асимметрию, эксцесс;

- данные для случайной величины Z разбить на 10 групп и сформировать статистический ряд, содержащий границы и середины частичных интервалов, соответствующие частоты, относительные частоты, накопленные частоты и накопленные относительные частоты;

- для величины Z построить полигон и кумуляту частот, построить гистограмму по плотностям относительных частот;

- для величин X₁, X₂, X₃, V установить их соответствие заданным законам распределения, используя критерий c²;

- для случайной величины Z рассмотреть три непрерывных распределения (равномерное, нормальное, гамма), изобразить на гистограмме для Z плотности этих распределений;

- с помощью критерия c² выполнить проверку справедливости гипотезы о соответствии статистических данных выбранным распределениям, уровень значимости при подборе подходящего распределения принять равным 0.05.

6. Записать функцию плотности распределения времени безотказной работы Z системы, определить математическое ожидание, дисперсию и среднее квадратическое отклонение случайной величины Z. Определить основные характеристики надежности системы: среднюю наработку до отказа T₁ и вероятность безотказной работы P(t) в течение времени t. Найти вероятность, что система не откажет за время T₁.

 

Варианты заданий выдаются из табл.1 индивидуально каждому студенту. Обозначения случайных величин содержатся по тексту в п.2 и 3. Структурные схемы расчета надежности в соответствии с их номерами приведены на рис.1.

Таблица 1

Варианты заданий

Вариант	X1	X2	X3	V	Номер схемы
	LN(1,5;2)	LN(1,5;2)	E(2;0,1)	B(5;0,7)
	U(18;30)	U(18;30)	N(30;5)	G(0,6)
	W(1,5;20)	W(1,5;20)	U(10;20)	П(2)
	Exp(0,1)	Exp(0,1)	W(2;13)	B(4;0,6)
	N(18;2)	N(18;2)	Exp(0,05)	G(0,7)
	E(3;0,2)	E(3;0,2)	LN(2;0,5)	П(0,8)
	W(2,1;24)	W(2,1;24)	E(3;0,25)	B(3;0,5)
	Exp(0,03)	Exp(0,03)	N(30;0,4)	G(0,8)
	U(12;14)	U(12;14)	W(1,8;22)	П(3,1)
	N(13;3)	N(13;3)	W(2;18)	B(4;0,4)
	LN(2;1)	LN(2;1)	Exp(0,04)	G(0,9)
	E(2;0,1)	E(2;0,1)	LN(1;2)	П (4,8)
	W(1,4;20)	W(1,4;20)	U(30;50)	B(3;0,2)
	Exp(0,08)	Exp(0,08)	LN(2;1,5)	G(0,3)
	U(25;30)	U(25;30)	N(30;1,7)	П(2,8)
	N(17;4)	N(17;4)	E(2;0,04)	B(2;0,3)
	LN(3;0,4)	LN(3;0,4)	Exp(0,02)	G(0,4)
	E(2;0,15)	E(2;0,15)	W(2,3;24)	П(1,6)
	W(2,3;25)	W(2,3;25)	U(34;40)	B(4;0,9)
	Exp(0,02)	Exp(0,02)	LN(3,2;1)	G(0,7)
	U(15;22)	U(15;22)	N(19;2,2)	П(0,5)
	N(15;1)	N(15;1)	E(3;0,08)	B(4;0,6)
	LN(2;0,3)	LN(2;0,3)	Exp(0,02)	G(0,5)
	E(3;0,5)	E(3;0,5)	W(3;2)	П(3,6)
	W(1,7;19)	W(1,7;19)	U(15;20)	B(5;0,7)
	Exp(0,06)	Exp(0,06)	LN(2;1,6)	G(0,2)
	U(15;17)	U(15;17)	N(12;4)	П(4,5)
	N(29;2)	N(29;2)	E(2;0,07)	B(2;0,7)
	LN(1,5;1)	LN(1,5;1)	Exp(0,08)	G(0,7)
	E(2;0,09)	E(2;0,09)	W(2,4;25)	П(2,9)

На рис.1 имеется три вида соединения элементов: последовательное, параллельное (постоянно включенный резерв) и резервирование замещением.

Время до отказа системы, состоящей из последовательно соединенных элементов, равно наименьшему из времен до отказа элементов. Время до отказа системы с постоянно включенным резервом равно наибольшему из времен до отказа элементов. Время до отказа системы с резервом замещением, равно сумме времен до отказа элементов.

 

Схема 1. Схема 2.

Схема 3. Схема 4.

Схема 5. Схема 6.

 

Схема 7. Схема 8.

Схема 9.

Рис.1. Структурные схемы расчета надежности

 

Для выполнения курсовой работы надо уметь получать случайные величины дискретного и непрерывного типа с различными законами распределения. Эти вопросы рассмотрены в п.2 и 3.

 

 

СЛУЧАЙНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ ДИСКРЕТНОГО ТИПА И ФОРМУЛЫ ДЛЯ ИХ РАЗЫГРЫВАНИЯ

 

В этом пункте будут рассмотрены основные дискретные распределения, используемые на практике. К ним относятся биномиальное распределение, распределение Пуассона, геометрическое распределение.

Пусть x_i - случайные числа, имеющее равномерное распределение на промежутке [0,1]. Процесс нахождения значений случайной величины X путем преобразования одного или нескольких значений x_i называется разыгрыванием случайной величины X.

Если дискретное распределение имеет возможные значения с вероятностями , то формула для разыгрывания случайных чисел имеет вид:

,

где h - случайное число с требуемым законом распределения.