Лабораторная работа: Моделирование систем массового обслуживания

Планируя многоэтапный процесс, исходят из интересов всего процесса в целом, т. е. при принятии решения на отдельном этапе всегда необходимо иметь в виду конечную цель.

Предметом динамического программирования являются задачи оптимального планирования, носящие динамический характер в том смысле, что при их решении приходится учитывать фактор времени или последовательность операций. Существенная особенность динамического программирования состоит в том, что решение любой задачи этим методом сводится к многоэтапному процессу нахождения оптимального решения. Это означает, что процесс поиска оптимального решения разбивается на относительно небольшие и, следовательно, легче поддающиеся решению подзадачи.

Методом динамического программирования решаются, например, задачи оптимального распределения капиталовложений, замены оборудования, оптимального управления запасами и многие другие.

Для большинства задач динамического программирования классические методы анализа или вариационного исчисления оказываются неэффективными, так как приводят первоначально поставленную задачу отыскания максимального значения функции к задаче, которая не проще, а сложнее исходной. Достоинством динамического программирования является то, что, используя поэтапное планирование, оно позволяет не только упростить решение задач, но и решить те из них, к которым нельзя применить методы математического анализа. Упрощение решения достигается за счет значительного уменьшения количества исследуемых вариантов, так как вместо того, чтобы один раз решать сложную многовариантную задачу, метод поэтапного планирования предполагает многократное решение относительно простых задач. Однако динамическое программирование имеет и свои недостатки. В отличие от линейного программирования, в котором симплексный метод является универсальным, в динамическом программировании такого метода не существует. Каждая задача имеет свои трудности, и в каждом случае необходимо найти наиболее подходящую методику решения. Недостаток динамического программирования также заключается в трудоемкости решения многомерных задач.

Большой вклад в разработку теории динамического программирования внес американский математик Р. Беллман. Ему принадлежит разработка основного функционального уравнения, которое является математическим выражением сформулированного им же одного из важных принципов динамического программирования – принципа оптимальности. Этот принцип состоит в следующем: оптимальное поведение обладает тем свойством, что каковы бы ни были первоначальное состояние и решение в начальный момент, последующие решения должны составлять оптимальное поведение относительно состояния, получающегося в результате первого решения.

Модели динамического программирования могут содержать одну и более переменных. Увеличение количества переменных вызывает рост возможных вариантов решения. Возникает так называемая проблема размерности (или проклятие размерности, по выражению Р. Беллмана), которая является серьезным препятствием при решении задач динамического программирования средней и большой размерности.

1.2 Сетевое планирование и управление

Сетевое планирование и управление вознило в 1957 – 1958 г.г. под названием "метод критического пути" и метод PERT (метод оценки и прерсмотра планов). Система сетевого планирования и управления (СПУ) представляет собой комплекс графических и расчетных методов, организационных мероприятий с целью моделирования, анализа и оптимизации плана работ по проектированию или изготовлению некоторого изделия.

Методы сетевого планирования и управления предусматривают:

- представление планов в виде сети;

- определение календарных графиков;

- определение вероятных величин;

- возможность применения в различных условиях.

Метод сетевого планирования и управления пригоден как в промышленности, так и в сельском хлзяйстве.

Методы сетевого планирования и управления дают возможость:

1. заранее планировать все действия, которые необходимо предринять для достижения желаемого результата в будущем;

2. предсказать вероятное время выполнения;

3. улучшить план, если предсказанное время выполнения является недостаточно хорошим;

4. проверить ход выполнения работ по плану;

5. использовать инфомацию о ходе работ для своевременного планирования времени и затрат.

Основным плановым документом в системе СПУ является сетевой график (сетевая модель или просто сеть), представляющий собой безмасштабное графическое изображение планируемого процесса и отражающий взаимосвязь и последовательность входящих в него работ.

Особенность СПУ состоит в использовании новой, более совершенной формы представления плана, которая значительно облегчает его восприятие и упрощает процесс руководства работами. Сетевая модель дает больше информации, чем модели типа ленточных.

Объектом управления в системах СПУ является коллектив исполнителей, располагающий определенными материальными и денежными ресурсами и выполняющий комплекс работ, направленных на достижение конечного результата в установленные сроки.

Сетевые графики используют в строительстве, проектировании, в подготовке и освоении производства новых видов промышленной продукции, в создании новых программ для ЭВМ, при реконструкции и планово-предупредительном ремонте действующего оборудования, при установке и наладке ЭВМ, в планово-экономической работе предприятий. Впервые СПУ нашло применение в строительстве.

В основе сетевого моделирования лежит изображение планируемого комплекса работ в виде графа. Граф – это схема, состоящая из заданных точек – вершин, соединенных определенной системой линий, которые также называются ребрами или дугами графа. Ребра могут быть ориентированными (тогда они называются дугами и снабжаются стрелками) и неориентированными. Пара вершин может соединяться более чем одним ребром и такие ребра называются кратными. Вершина может быть соединена ребром сама с собой, и такое ребро называется петлей. Имеется несколько типов графов: обыкновенный граф (рис. 1, а), мультиграф (рис. 1,б), ориентированный граф (рис.1,в) и др. граф без дуг, петель и кратных ребер называется обыкновенным. Если граф имеет кратные ребра, то он называется мультиграфом. Обыкновенный граф, у которого все ребра являются ориентированными, называется ориентированным.

Рис.1.

В основе сетевого графика лежит ориентированный граф. Одной из основных конструкций ориентированного графа является путь. Путь – это последовательность дуг, позволяющая пройти из одной вершины в другую и каждая дуга которой встречается не более одного раза. Замкнутый путь, соединяющий вершину с ней же самой, называется контуром. Понятие пути имеет важное значение в сетевом моделировании.

Сетевой график – это конечный плоский ориентированный граф без контуров, дуги которого имеют одну или несколько числовых характеристик.