Запаздывания имеют решающее значение при определении динамических характеристик информационных систем с обратной связью. Запаздывания формулируются с помощью обычных уравнений темпов и уровней, рассмотренных в главе 6. Некоторые формы запаздываний — показательные и дискретные (канальные) — рассматриваются в настоящей главе. Учитывая, что с запаздываниями приходится иметь дело весьма часто, предлагается «стенографическая» форма записи для обозначения уравнений уровней и темпов, которые используются при изображении запаздывания.

В предшествующих главах подчеркивалось большое значение запаздываний при формировании характеристик информационной системы с обратной связью. В данной главе рассматриваются способы изображения в математических моделях тех видов запаздываний, с которыми мы сталкиваемся при анализе процессов, происходящих в промышленности и экономике.

В принципе запаздывания имеют место во всех каналах. Однако введение запаздываний в каждый поток привело бы к появлению в модели огромного количества деталей, многие из которых оказывали бы незначительное влияние на поведение системы. Мы будем все время пользоваться двумя способами упрощения модели с целью уменьшить число тех пунктов в формулировке модели, в которых должны быть введены запаздывания. Во-первых, в отношении многих, небольших по величине запаздываний можно будет установить, что их влияние настолько мало по сравнению с влиянием других запаздываний, более длительных и происходящих в более важных пунктах, что ими можно пренебречь.

Во-вторых, запаздывания, возникающие в отдельных реальных процессах, следующих друг за другом, часто могут быть сгруппированы в едином представлении общего запаздывания. Кроме того, запаздывания в параллельных ответвлениях, соединяющихся в одном канале, часто могут быть сгруппированы путем переноса их в общий канал.

 

8. 1. Структура запаздываний

Запаздывание характеризует собой процесс преобразования, в результате которого на основе заданного темпа входящего потока устанавливается темп потока на выходе. В динамических системах, где темпы являются переменными величинами, темп исходящего потока может в различные моменты времени не совпадать с темпом входящего потока. Это означает, что содержимое запаздывания переменно по величине; оно увеличивается всякий раз, когда входящий поток превышает поток на выходе и наоборот.

Запаздывание представляет собой особый, упрощенный вид представления об уровнях. Любой из уровней системы необходим для того, чтобы темп входящего потока мог в определенных пределах отличаться от темпа потока на выходе. При формулировке общего понятия уровня не было сделано ограничений в отношении факторов, которые могут воздействовать на исходящий поток. Например, на исходящий поток могут влиять одновременно и уровень запасов и уровень невыполненных заказов. Запаздывание же понимается здесь как особый класс уровней, когда исходящий поток определяется только уровнем, содержащимся внутри запаздывания (а также определенными константами). Например, транспортная система может быть часто адекватно представлена просто в виде запаздывания. Тогда уровень товаров внутри транспортной системы является единственной переменной, а константа характеризует среднее запаздывание. Для определения меняющихся взаимосвязей между этим уровнем и темпом на выходе может быть применен комплекс специальных расчетов. Запаздывания во времени в материальном или информационном потоке можно отобразить с помощью комбинации уравнений уровней и темпов, уже рассмотренных в главах 5 и 6. В связи с этим запаздывания изображаются в виде «пакетов», состоящих из комбинации уравнений тех темпов и уровней, которые характеризуют рассматриваемый канал потока. Они видоизменяют временные зависимости между заданным потоком на входе и потоком на выходе, на величину которого влияет запаздывание.

 

8. 2. Характеристики запаздываний

Две характеристики запаздывания представляют очевидный интерес. Одна — длительность времени, выражающая среднее значение запаздывания D. Она полностью определяет «установившееся» запаздывание, при котором темпы потока на входе и выходе и уровень между ними постоянны. При этих условиях темпы входящего и исходящего потоков должны быть равны между собой. При установившихся условиях темп потока, умноженный на среднюю величину запаздывания, дает количество, находящееся в запаздывании.

Вторая характеристика запаздывания описывает его «неустановившуюся реакцию», которая показывает, как динамика исходящего потока связана с динамикой входящего потока, когда темп последнего меняется во времени.

Различные запаздывания могут иметь одинаковую среднюю величину запаздывания D и различные неустановившиеся реакции на изменения в темпе входящего потока. Мы должны очень внимательно подходить к выбору неустановившейся реакции запаздывания, которую мы собираемся использовать в модели. Если при выборе неустановившейся реакции допущена грубая ошибка, это может оказать существенное влияние на качественное поведение динамической модели.

 

8. 3. Показательные запаздывания

Запаздывания в канале потока внутри математической модели можно определить с помощью функций различного вида. Здесь мы будем рассматривать только один класс функций запаздываний — показательные, которые просты по форме и достаточно полно отражают обычный уровень нашего понимания отображаемых реальных систем. Однако при необходимости для этой цели можно использовать и другие виды функций.

Показательное запаздывание первого порядка (рис. 8–1 а) состоит из уровня (который поглощает разность темпов входящего и исходящего потоков) и темпа исходящего потока, зависящего от величин уровня и среднего запаздывания (константы); темп входящего потока определяется другими частями системы.

#pic81a.png

#pic81b.png

Рис. 8–1. Показательное запаздывание первого порядка

Темп потока на выходе в соответствии с определением данного класса запаздываний равен уровню, деленному на среднее запаздывание:

#f81.png ,

8–1, R

где

OUT — темп потока на выходе (единицы/время);

LEV — уровень, находящийся в запаздывании (единицы);

DEL — постоянная запаздывания, представляющая среднее время, необходимое для преодоления запаздывания.

Уравнение 8–1 является уравнением темпа и определяет так называемое «неявное» решение, поскольку оно принимается не по указанию руководителя, а вытекает из существующего в данный момент состояния системы, отображаемого переменным уровнем LEV.

Представление запаздывания неполно до тех пор, пока отсутствует уравнение для определения перемещаемого внутри запаздывания количества LEV. Уровень LEV, находящийся в запаздывании, накапливается благодаря различию в темпах входящего и исходящего потоков:

#f82.png ,

8–2, L

где

LEV — уровень, находящийся в запаздывании (единицы);

DT — интервал между последовательными решениями уравнения (время);

IN — темп входящего потока, задаваемый другим уравнением системы (единицы/время);

OUT— темп исходящего потока (единицы/время).

В связи с тем, что запаздывания будут весьма часто употребляться при построении динамических моделей, для их изображения мы будем пользоваться символами (рис. 8–1 б), которые более компактны по сравнению с детализированной диаграммой, приведенной на рис. 8–1 а. На рис. 8–1 б в полуячейке со стороны входа дается обозначение переменной уровня и шифр уравнения, определяющего его величину. В трех ячейках со стороны выхода приводятся символ постоянной запаздывания, номер уравнения, определяющего темп на выходе, и «порядок» запаздывания (DI для первого порядка).

Показательные запаздывания высшего порядка получаются путем проведения потока через два или более последовательно расположенных запаздывания первого порядка. Запаздывания первого и более высокого порядков могут иметь одинаковое общее среднее запаздывание D, но будут различаться по неустановившейся реакции на изменения в темпе потока.

#pic82a.png

#pic82b.png

Рис. 8–2. Показательное запаздывание третьего порядка.

На рис. 8–2 а показано запаздывание третьего порядка в виде общего суммарного запаздывания DEL. Это общее запаздывание распределено на три равные части, каждая из которых представляет собой запаздывание первого порядка. Показательное запаздывание третьего порядка определяется тремя парами уравнений, подобных 8–1, R и 8–2, L, которые связывают между собой темпы потока на входе IN и на выходе OUT:

#f83.png ,

8-3, R

#f84.png ,

8-4, L

#f85.png ,

8-5, R

#f86.png ,

8-6, L

#f87.png ,

8-7, R

#f88.png ,

8-3, L

Нас в большей степени будет интересовать общее количество LEV, проходящее через данное запаздывание в целом, чем пребывающее в отдельных его секциях. В этом случае можно записать:

#f89.png .

8–9, A

Составление уравнений типа 8–3—8-9 и диаграмм, подобных изображенной на рис. 8–2 а, каждый раз, когда нужно представить запаздывание третьего порядка, — весьма трудоемкая операция. Поэтому мы будем применять в таких случаях сокращенное обозначение. Для нас обычно будет представлять интерес общее перемещающееся в запаздывании количество, описываемое уравнением 8–9; это количество может быть определено непосредственно из уравнения

#f810.png ,

8-10, L

которое аналогично уравнению 8–2, L.

Для того чтобы в сжатой форме представить уравнения с 8–3 по 8–8, можно воспользоваться следующим функциональным обозначением:

#f811.png .

8-11, R

Это обозначение не является в собственном смысле слова уравнением; оно лишь указывает на то, что задан необходимый набор уравнений для запаздывания третьего порядка. Здесь «ОUТ» обозначает название исходящего потока; «DELAY3» указывает, что в поток должно быть включено запаздывание третьего порядка, а средняя величина запаздывания равна «DEL».

Для обозначения запаздывания третьего порядка достаточно двух уравнений, записанных в форме уравнений 8-10, L и 8-11, R. Если внутренний уровень перемещаемых в запаздывании количеств больше не будет требоваться где-либо в модели, то уравнение 8-10, L может быть опущено. Для обозначения запаздывания третьего порядка будет использован сокращенный символ из рис. 8–2 б, аналогичный приведенному на рис. 8–1 б сокращенному символу для запаздывания первого порядка.

 

8. 4. Реакция показательных запаздываний

После того как мы рассмотрели математическую форму показательных запаздываний, целесообразно перейти к изучению их поведения. Характерной особенностью неустановившейся реакции запаздывания (то есть изменения темпа исходящего из запаздывания потока во времени) является ее изменение при увеличении числа секций первого порядка в запаздывании.

Рассмотрим прежде всего частный пример запаздывания, связанного с доставкой товаров с завода в оптовую торговую сеть. Неустановившуюся реакцию фактического реального процесса доставки можно лучше всего выявить, если представить себе поставки большого количества товаров на несколько оптовых баз, расположенных в разных местах, выполняемые с помощью различных видов транспорта. В момент, когда в транспортную систему одновременно вводится большое число единиц товаров, на входе в запаздывание, которое отражает эту систему, возникает «импульс»; наша задача заключается в определении темпа поступления товаров в пункты назначения.

Для этого примера среднее запаздывание могло бы быть установлено довольно просто, поскольку оно зависит от способа транспортировки и расстояний. Однако можно предполагать, что неустановившаяся реакция будет более сложной и потребует более внимательного рассмотрения.

Чтобы правильно представить неустановившуюся реакцию в данном примере, можно было бы сравнить предполагаемое поведение реальной системы с различными взятыми на выбор показательными запаздываниями. На рис. 8–3, 8–4, 8–5 и 8–6 показаны некоторые представители различных видов показательных запаздываний.

#pic83.png

Рис. 8–3. Показательное запаздывание первого порядка.

#pic84.png

Рис. 8–4. Показательное запаздывание второго порядка.

Рис. 8–5. Показательное запаздывание третьего порядка.

#pic86.png

Рис. 8–6. Дискретное, или канальное, запаздывание.

На этих рисунках сплошная линия представляет ввод в запаздывание, пунктирная линия показывает выход. Время отложено по оси абсцисс. На каждом рисунке левая диаграмма построена для импульсного ввода, когда количество вводится в запаздывание в пренебрежимо малое время; пунктирная линия показывает темп появления этого количества на выходе. На правой диаграмме на вводе имеет место внезапное скачкообразное увеличение темпа ввода, а пунктирная линия снова показывает результирующий темп на выходе.

На рис. 8–3 представлено показательное запаздывание первого порядка. На рис. 8–3 а максимальный темп на выходе возникает немедленно после импульсного ввода, и после этого темп на выходе снижается по показательной кривой. Ясно, что эта кривая не характерна для запаздываний, связанных с поставкой товаров в рассматриваемом примере, поскольку рис. 8–3 а показывает, что максимальный темп поступления транспортируемых количеств в пункты назначения имеет место в момент, когда эти количества только вводятся в транспортную сеть. Конечно, максимальный темп поступления не может иметь места в этот момент.

Рис. 8–3 б показывает скачкообразное изменение в темпе ввода и результирующее увеличение темпа выхода из запаздывания первого порядка, которое описывается показательной кривой. Площадь между сплошной и пунктирной кривыми является мерой количества, накапливающегося в процессе транспортировки в запаздывании. Пока через запаздывание проходит поток, общее количество, поступающее на выход, меньше общего введенного в запаздывание количества на величину, находящуюся в процессе транспортировки.

На рис. 8–4 показана реакция на выходе показательного запаздывания второго порядка. Это запаздывание эквивалентно двум запаздываниям первого порядка, расположенным друг за другом так, что выход первого служит входом второго. На рис. 8–4 а начальный темп выхода как реакция на импульсный ввод равен нулю, а кривая выхода имеет максимальную крутизну в начальной своей части. Это также, по существу, неприемлемо, если говорить о запаздываниях при поставках, поскольку нельзя ожидать, что темп поступления начинает резко возрастать в момент, когда отгруженные товары покидают предприятие.

На рис. 8–5 изображено показательное запаздывание третьего порядка. Такая форма реакции на выходе в отличие от рассмотренных ранее удовлетворяет очевидным характеристикам фактического процесса поставки. На рис. 8–5 а выходная реакция на импульсный ввод вначале равна нулю; при этом угол наклона кривой выхода в начальной точке также равен нулю. Кривая начинает медленно подниматься, достигает максимальной крутизны, а затем и экстремального значения, и идет вниз. На рис. 8–5 б показан выход, следующий за скачкообразным изменением в темпе ввода.

Запаздывание третьего порядка удовлетворяет важнейшим требованиям, которые мы можем интуитивно предъявить к выражающей его функции в приведенном выше примере доставки товаров. Дальнейшее уточнение функции запаздывания потребовало бы тщательного изучения каждого из запаздываний в реальной системе и их распределения во времени. Маловероятно, что какое-либо дальнейшее уточнение будет оказывать заметное влияние на поведение системы.

Если показательное запаздывание постоянной общей продолжительности дробить на увеличивающееся число последовательных секций первого порядка все меньшей и меньшей величины, то начальное запаздывание в ответ на импульс увеличивается, прежде чем возникает реакция на выходе. При этом подъем кривой выхода происходит круче, круче становится и спад этой кривой; в результате нулевое значение темпа на выходе наступает быстрее. Последний, конечный член этой группы запаздываний представляет собой гипотетическое запаздывание неопределенного порядка. Его иногда называют дискретным, или канальным, запаздыванием. Рис. 8–6 дает представление о показательном запаздывании неопределенного порядка, где на выходе ничего не происходит до тех пор, пока не пройдет время запаздывания D; после этого на выходе сразу же в точности воспроизводится ввод. На рис. 8–6 а показан импульсный ввод определенного количества в запаздывание и, как результат, импульсный выход, возникающий в момент времени D. Рис. 8–6 б показывает реакцию на скачкообразное изменение темпа ввода. Темп ввода возрастает внезапно от нуля до конечной величины реакции; то же происходит и на выходе на D дней позже. Ясно, что такое представление запаздывания не будет правильно отражать реальную обстановку в приведенном выше примере, поскольку в этом случае оказалось бы, что все поставки, которые были начаты в один и тот же момент, должны быть выполнены точно в одно и то же время, на D дней позже, независимо от того, насколько далекой была транспортировка.

При отображении запаздывания, связанного с установлением темпа производства на предприятии после его реконструкции, у нас может появиться желание получить более длительное начальное запаздывание, чем создающееся в случае с показательным запаздыванием третьего порядка. Так как последовательное расположение показательных запаздываний увеличивает начальное запаздывание и крутизну восходящей ветви кривой, то в этом случае можно будет воспользоваться, например, запаздыванием шестого порядка (то есть двумя последовательными запаздываниями третьего порядка).

После того как будет найдена функциональная форма, качественно соответствующая накопленному нами знанию фактов, отпадет необходимость в соответствующих данных для дальнейшего уточнения функции. Это положение может служить иллюстрацией общих соображений в разделе 3.7 об источниках информации для разработки моделей. Как только удастся установить вид функции, которая качественно удовлетворяет характеристикам реальной системы, как в неустановившихся, так и в стабилизированных условиях, лучше всего, вероятно, перейти к другим частям модели, пока испытания сами не выявят ее чувствительности к некоторым принятым допущениям.

На рис. 8–7 показаны реакции на выходе запаздываний, выраженных показательной функцией первого, второго, третьего, шестого и неопределенного порядков для случая, когда ввод является импульсным. Это значит, что в нулевой момент времени в запаздывание вводится определенное количество и на этом ввод прекращается. Проследим за темпом на выходе. По оси абсцисс на рис. 8–8 отложено время в единицах общего среднего запаздывания D, которое определяется таким образом, чтобы при установившемся потоке его темп, умноженный на величину среднего запаздывания, определил находящееся в нем количество содержимого. Другими словами, все кривые приведены к одинаковым условиям таким образом, что для запаздывания величиной D и для постоянного потока через запаздывание в количестве R единиц в единицу времени, количество предметов, находящихся в процессе продвижения, было равно произведению (R)(D).

#pic87.png

Рис. 8–7. Реакции показательного запаздывания на единичный импульс.

Нетрудно заметить, что запаздывание п-го порядка эквивалентно п последовательным запаздываниям первого порядка, каждое из которых имеет продолжительность D/n. В установившемся потоке каждое запаздывание первого порядка имеет одинаковый темп потока и, следовательно, заключает в себе 1/n-ю часть общего количества единиц, имеющихся в запаздывании.

По оси ординат на рис. 8–7 отложен темп потока на выходе, отнесенный к начальному темпу запаздывания первого порядка, который равен I/D, где I есть количество, вводимое в начальный момент в виде импульса, a D есть среднее запаздывание. Отношение I/D имеет размерность единицы/время.

На рис. 8–8 показан выход из запаздываний первого, второго, третьего, шестого и неопределенного порядков при скачкообразном характере изменения темпа ввода; в этом случае в нулевой момент времени задается величина темпа внезапно возникшего потока на входе. По оси ординат на этом рисунке отложено отношение темпа потока на выходе из запаздывания к темпу на входе.

#pic88.png

Рис 8–8. Реакции показательного запаздывания на скачкообразное изменение темпа на входе.