Генератор случайного процесса Советский патент 1985 года по МПК G06F7/58 

от- деления и соединен с вторым входом четвертого элемента И (л -2 )выравнителя интенсивности двух пото ков импульсов ( + 1)-й группы пр всех других значениях f выходы пе вого и второго элементов ИЖ выравнивателей интенсивностей двух поток имзтульсов М-и группы. соединены соответственно с первым и вторьм информадионными входами соответствующих преобразователей код - интенсив ность группы, выходы которых соединены с входами соответствующих разрядов регистра памяти, выходы разрядов .которого соединены с входами соответствующих разрядов шифратора5 выход которого является выходом генератора и соединен с адресньщи входами блоков памяти группы, 2. Генератор по п i; о т л и ч а ю щ и и с я тем, что преобразователь код интенсивность содержи,т элемент задержки, счетчик, дешифратор, группу элементов И, элемент ИПИ; выход которого является выходом преобразователя, первым информационным входом которого является ссробирзющий вход деишфратора, объединенньш; с входом элемента задерж2 ки 5 выход которого соединен с установочным входом счетчика, счетный вход которого является вторым информационным входом преобразователя, а информационных выход счетчика соединен с информационным входом дешифратора, выходы разрядов которого соединены с первыми входами соответствующих элементов И группы, вторые входы которых образуют группу управляющих входов преобразователя, а выходы элементов И группы соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ. 3. Генератор по п 1, отличающийся тем, что регистр памяти содержит группу из N триггеров и группу из N элементов ИЛИ, при этом единичные входы триггеров группы являются входами разрядов регистЧ ра, прямые выходы триггеров группы являются выходами разрядов регистра, выходы элементов ШШ группы соединены с нулевыми входами соответствующих триггеров группы, а входы П-го элемента ИЛИ объединены с соответствующими единичными входами всех триггеров за исключением П-го триггера.

1. ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содвржа1чий первую группу из 1 датчиков пуассоновского потока импульсов, группу из М блоков памяти, группу из N преобразователей код - интенсивность, регистр памяти, пшфратор, группа управляющих входов каждого я -го ( п 1,М) преобразователя код - интенсивность группы соединена с группой выходов соответствующего )1 -го блока памяти группы, отличающийся тем, что, с целью упрощения генератора, он содержит вторую группу из W датчиков пуассоновского потока импульсов и блок выравнивания ин- тенсивностей, содержащий М групп по N в каждой

Изобретение огносится к вьиислигельяой технике и может быть использовано при моделировании дискpetHbDc марковских процессов по задaннo п7 графу ях состояний.,

Известен гвнератор дискретного с.тгучайного (марковсрсого) процесса с двумя состояниямиJ, содержащий первъй и второй радиоактивные элементы функционально связанные с первым и вторым поглощающими экранамИэ выходы которьп через соответств:лощие ,г1,етекторы соединены соответртвенно с единичным и нулевым входами тригт-ера jjl „

Недостатком данного генератора яляется его сложность из-за применеаия радиоактивных элементов;, т-швысокая точность и ограниченное число дискретньп-с состояний формируемого -5арковского процесса.

Известно устройство для моделирования дискретного марковского процесса с произвольным числом состояний содержащее две группы генераторов пуассоновских потоков импульсов, две группы элементов И и группу триггеров и позволяющее моделировать дискретный марковский процесс по схеме гибели и размножения . .

Основной недостаток этого устройства состоит в том, что оно не позволяет воспроизводить дискретный марковский процесс по заданному графу его состояния.

Наиболее близким техническим решением кизобретению является генератор случайного процесса, содержащий группу управляемых датчиков случайных потоков импульсов, группу элементов И, шифратор, регистр памяти, элемент ИЛИ, блок задания длительности испытания, блок управления, регистр адреса и блоки памяти, при этом каждьш управляемый датчик случайного потока содержит соединенные последовательно генератор случайного потока импульсов, вероятностньй (1, m )-полюсник с импульсными выходами, группу элемен тов И и элемент ИЛИ. Генератор позволяет формировать марковский процесс со счетным (конечньтм) числом состояний по заданному графу з. Недостатком известного генератора является его сложность вследствне использования блока управления и группы вероятностных (1, ni )-полюсников, входящих в состав управляемых датчиков случайных потоков импульсов. Кроме того, известный ге нератор имеет относительно малое быстродействие поскольку в нем реализована схема случайных испытаний путем задания фиксированной дли тельности (времени) их проведения, также невысокую точность и надежнос работы из-за возможного дрейфа интенсивностей многочисленного состава датчиков случайных потоков им. пульсов, Целью изобретения является упрощ ние устройства и повышение быстродействия, точности и надежности работы генератора при моделировании дискретного марковского процесса по заданному графу его состояний. Для достижения поставленной цел в генератор случайного процесса, с держащий первую группу из М датчик пуассоновского потока импульсов, группу из {J блоков .памяти, группу и К преобразователей код-интенсивность, регистр памяти, шифратор, группа управляющих входов каждого п-го ( п 1,4) преобразователя кодинтенсивность группы соединена с группой выходов соответствующего п-го блока памяти группы, введейы вторая группа из Ц датчиков пуассоновского потока импульсов и блок выравнивания интенсивностей, содержащий М групп по в каждой (2N 2 ) выравнивателей интенсивностей двух потоков импульсов, каждый из которых содержит первый и второй элементы ИЛИ, первый, второй, третий и четвертый элементы И триггер и высокочастотньш генератор импульсов, выход которого подключен к счетному входу триггера, прямой выход которого соединен с первыми входами первого и четвертого элементов И, а инверсный выход триггера - с первыми входами второго и третьего элементов И, вторые входы первого и второго элементов И объединены между собой, вторые входы третьего и четвертого элементов И также объединены между собой, выходы первого и третьего элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, выходы второго и четвертого элементов И - соответственно с первым и вторым входа- ми второго элемента ИЛИ, выходы датчиков пуассоновского потока импульсов первой группы - с вторыми входами первых элементов И соответствующих выравнивателей интенсивности двух потоков импульсов первой группы, вторые входы четвертых элементов И которых подключены к выходам соответствующих датчиков пуассоновского потока импульсов второй группы, выхо- щл первых элементов ИЛИ выравнивателей интенсивностей двух потоков импульсов т-й(т 1, М- 1) груп- . пы соединены с входами первых элементов И соответствующих выравнивателей интенсивностей двух потоков импульсов ( m + 1)-и группы выход второго элемента ИЛИ катщого (2п- 1)-го выравнивателя интенсивности двух потоков импульсов т-й группы - с вторым входом четвертого элемента И ( п + )-го выравнивателя интенсивностей двух потоков импульсов (w+ 1)-й группы, если J с , остаток от деления, и соединен с орым входом четвертого элемента И1 (п-2 )-го вьфавнивателя интенсивности двух потоков импульсов (т + + 1)-й труппы при Bgex других значениях п , выходы первого и втораго элементов ИЛИ выравнивателей интенсивностей двух потоков импульсов М -и группы соединены соответственно с первым и вторым информационными входами соответствующих преобразователей код - интенсивность группы, выходы которых соединены с входами соответствующих разрядов регистра памяти, выходы разрядов которого соединены с входами соответствующих разрядов шифратора, выход которого является выходом генератора и соединен с адресньп-ffl входами блоков памяти группы

Кроме того, преобразователь кодинтенсивность содержит элемент задержки, счетчик, дешифратор5 группу элементок И и элемент ИЛИ, выход которого является выходом преобразователя, первым информационным входом которого является стробиругощий вход дешифратора5 объединенный с входом элемента задержки,, котрого соединен с установочным входом счетчика, счетный вход которого является вторым информационны входом преобразователя, а информационный выход счетчика соединен с информадионнь м входом дешифратора, выходы разрядов которого соединены с первыми входами соответствуюгдгх элементов И группы, вторые входы которых образуют группу управляющих входов преобразователя, а выходы элементов И группы соединены с соответств-,по1ч;ими входамк элемента ИЛИ.

При этом регистр памяти .содержит группу из N триггеров и группу из N элементов ИЛИ, единичные входы триггеров группы являются входами разрядов регистра, прямые выходы триггеров группы - выходами разрядов регистра, выходы элементов KHii т руппы соединены с нулевьгми входами соответствующих триггеров группы, а входы -го элемента 1ПИ объединены с соответствую 1 ими единичными входами всех триггеров за исключением Я -го триггера,

YnpoLteHHe генератора и повьпаение его быстродействия достигнуто путем б-олее рационального (по сравнению с известным генератором)построения схемы проведения случайных исттытаний и регистрации случайных состояний моделируемого процесса, не требую01,ей дополнительных временных затрат, связанных с принятьп-i в известном устройстве принципом продзе;;ения случайных испытаний на фиксированных интервалах времени

Повьштение точности и надежности работы генератора обеспечено за счет использования блока выравнивания интенсивностей, обеспечивающего работу группы преобразователей код - интенсивность в едином масштабе времени.

На фиг, 1 приведена структурная схема генератора на фиг, 2 - блок

выравнивания интенсивностей; на фиг, 3 - выравниватель интенсивностей двух потоков импульсовJ на

преобразователь код - инфиг,

5 тенсивность; на фиг, 5 - регистр памяти.

Генератор случайного процесса содержит первую 1 и вторую 2 группы датчиков пуассоновских потоков имO пульсов, блок 3 выравнивания интенсивностей, группу преобразователей 4 код - интенсивность, группу блоков 5 памяти, регистр 6 памяти, шифратор 7.

5 Блок 3 выравнивания интенсивностей содержит N X М выравнивателей 8 двух потоков импульсов. При этом каждьй выравниватель содержит генератор 9 импульсов 5 триггер 10, первый 11, второй 12, третий 13 и четвертый 14 элементы И, первьй 15 и второй 16 элементы ИЛИ.

Каждый преобразователь 4 код интенсивность содержит элемент 17 5 задержки, счетчик 18, дешифратор 19, группу 20 элементов И и элемент ИЛИ 2 1 „

Регистр 6 памяти содержит группу триггеров 22 и группу элементов ИЛИ 23.

Датчики пуассоновского потока импульсов могут быть выполнены по известной схеме, содержащей после-довательно соединенные источник шу|ма, усилитель, порого1эый элемент и форм11рующий каскад.

Влоки 5 памяти представляют собой запоминаю1чие устройства с пословной выборкой и одной ступенью дешифрации, для которого одна строка образует слово из № двоичных разрядов.

Счетчик 18 представляет собой последовательную цепочку триггеров, работающих в счетном режиме.

Дешифратор 19 может быть выполнен в виде группы элементов И и дешифратора с потенциальными выходами, Соединенными с первыми входами элементов И группы, при этом вторые входы элементов И группы объединены

и являются управляющим входом стробированного дешифратора.

Остальные элементы генератора общеизвестны.

Работа генератора случайного процесса состоит в следунядем.

С помощью блока 3 выравнивания интенсивностей потоки импульсов датчиков первой 1 и второй 2 групп, имеющие в общем случае разную интен сивность, преобразуются в независимые пуассоновские потоки с равной интенсивностью, определяемой как среднее арифметическое интенсивностей входных потоков. Рассмотрим работу отдельного выравнивателя 8 двух потоков импульсов и блока 3 выравнивания интенсив ностей в целом. Генератор 9 вырабатывает регуляр ную (периодическую) последовательность импульсов с частотой, которая на порядок и более превьшает наибольшую интенсивность одного из двух случайных потоков импульсов, подлежаиц х выравниванию. При частоте переключений триггер 10, определяемой частотой генератора 9 в выравнивателе 8 производится независимое и равновероятное распределение импульсов входньгх случай ных потоков А и по выходам четырех элементов И 11-14. На выходах соответствующих элементов И образуются попарно равные потоки иминтенсивностями А , пульсов с ,, 1 и 2 С учетом перекрестных связей меж ду выходами элементов И 12 и 13 и входами элементов ИЛИ 15 и 16 на выходах последних образуются случай ные потоки импульсов с.равными интенсивностямиг выравнивания 2 Ц 4 случайны потоков импульсов используется N М М- Jogj2 N 4 выравнивателей 8, включенных в соответствии со структурной схемой, приведенной на фиг. С учетом того, что каждый выравниватель 8 вьшолняет операцию (5) нетрудно установить, что интенсивно ти случайных потоков на выходах блока 3 составляют .V Аналогично для выравнивания 2KI 8 случайных потоков импульсов используются N М N Jop,52 12 выравнивателей 8, соединенных 3 соответствии со структурной схемой блока 3. В этом случае интенсивности выходных случайных потоков блока 3 составляют л(ь.(3 vm Соответственно для выравнивания 2N 16 случайных потоков используются N. М М logjZN 8 X .4 32 выравнивателей 8, и т.д. Операции равновероятностного прореживания и объединения частей Р и п различных потоков, в соответствии с которыми работают вьфавниватели 8, не вносят последствия и новых корреляционных связей и выходные импульсные потоки. Кроме того, работа блока 3, состоящего из матрицы N W вьфавнивателей 8, характеризуется важной для обеспечения высокой точности работы генератора особенностью. Одновременно с функцией выравнивания блок 3 укрепляет пуассоновские свойства выходных потоков по сравнению с входными потоками, которые в силу известных причин могут быть с ограниченным последействием. Отметим, чтовозможности блока 3 вьфавнивания по укреплению пуассоновских свойств выходных импульсных потоков возрастают с увеличением размера N х М матрицы выравнивателей 8. С выходов блока 3 потоки импульсов с равной интенсивностью поступают на первые и вторые входы группы преобразователей 4 код - интенсивность. Работа каждого преобразователя 4 основана на использовании вероятностных свойств двух независимых пуассоновских потоков с равной интенсивностью. Суть этих свойств состоит в том, что вероя тнос ь Pg появления С 0,1,2,... импульсов одного noTo-f ка на интервалах между смежными импульсами другого потока определяется формулой Рр (1/2Г где 6 0,1,2,..., и не зависят от параметра . Импульсы управляемого потока, поступаюгще на первый вход преобразователя 4, определяют случайные 9 интервалы, в течение которых счетчи 18 подсчитывает импульсы управляюще го потока, которые поступают на второй вход преобразователя 4. Каждый импульс управляемого потока опрашивает дешифратор 19 и через время, необходимое для окончания переходных процессов в дешифраторе (это время задается элементом 17 задержки), устанавливает счет;ик 18 в нулевое состояние. В результате опроса дешифратора 19 импульс управ ляемого потока проходит ка тот выхо дешифратора 19, номер которого соот ветствует состоянию счетчика 18 в момент опроса, В процессе работы преобразователя 4 управляемьй пуассоновский iipток импульсов с интенсивностью разделяется на m непересекающихся и независимых один от другого пуас-соновских потоков с интенсивностями 7,-РЛЦ4|гГ -,е 0.о.-1,Т А,7...-/5) В сро1ветствии с двоичным X О, CI, , С 2 --3 «гл . а ;, е 0,1 на управляющих входах преобразовате ля 4 будут открыты только те элемен ты И группы 20, которые соответствуют разрядам кода, содержащим единицы 0:j 1 На выходе элемента ИЛИ 21 образуется пуассоновский поток имтгульсов с интенсивностью ,, -Ъ. где О X 1 - значение двоичного кода О, а, 5 Q 2 . . . , Q п представленного в виде двоичной правил ной дроби. Таким образом, на выходах преобразователей 4-1 (1 1, N ) действую Пуассоновские потоки импульсов с интенсивностями (6), определяемыми значениями управляющих кодов О X 1, Первый по иомелту появления импульс из совокупности потоков с ннтенсивностями {}( Т7Т) переводит соответствующий триггер 22-i регистра 6 памяти в состояние 1 и устанавливает с помощью элементов ИЛИ 23 все другие триггеры регистра 6 в состояние О. Пространственно распределенное случайное событие, заключающееся в том, что 210 i-и триггер регистра 6 находится в состоянии 1, преобразуется с помощью шифратора 7 в цифровой двоичный код А(t) 1 (i). В соответстВИИ с текущим кодом A(t) адреса, являющимся одновременно .выходным сигналом генератора, на управляющие входы преобразователей 4- i вызываются новые управляющие коды X,j (5 1 N) , находждиеся в -и строке блоков 5-1 памяти. В дальнейшем работа генератора повторяется. Рассмотрим методику настройки генератора для моделирования марковского процесса по заданному графу его состояний. При этом воспроизводимый граф по числу состояний , (вершин) не должен превышать возможности генератора. Вообще предложенный генератор моделирует марковский процесс с дискретными состояниями по полному графу, содержащему максимально возможное число переходов N ( N - 1). Для моделирования марковского процесса по заланному графу необходимо составить полную матрицу интенсивностен переходов // //( 1 1, N ), в которой hti 0 при , а также равна нулю интенсивность отсутствуюрщх в графе r(N ) переходов как в существукщие, так и в несуществ тощие вершины (состояния). Выбирают максимальное значение max г - -, ,, - (ij производят нормировку т Ч О i И ,5ПМ . Значения О ii 1 управляющих кодов X, , представленных в виде правильных двоичных дробей 0 Q, О 2 ..., а fD заносят в блоки 5 памяти, при этом индекс соответствует номеJру блока 5 памяти, а индекс i - адресу ячейки в j -м блоке памяти. Установка начального i -го состояния моделируемого процесса производится подачей внешнего импульса на единичный вход -го триггера 22 регистра 6 памяти. В предложенном генераторе интенсивность случайных потоков импульсов на выходах блока 3 является масштабным параметром моделируемого марковского процесса по времени. Вероятностные характеристики моделируемого процесса определяются только значения ш О В,1 S 1 управляющих кодов О, dt , а ,,, ., Orn и не эа висят от интенсивностей датчиков пуассоновского потока импульсов. Благодаря этому предложенньй генера тор по точности работы превосходит известный. Предложенный .генератор прост по устройству, имеет высокое быстродействие (отсутствуют временные затраты на проведение случайных испытаний) и высокую надежность. Выход из строя даже нескольких датчиков пуассоновского потока импульсо не нарушает работу генератора. В этом случ.ае изменяется только масш таб моделируемого процесса во времени. Генератор сохраняет работоспосо ность и при одном датчике пуассоновского потока импульсов. Это об12стоятельство позволяет путем стабилизации и/или управления интенсивностью единственного датчика 1-1 оперативно менять временной масштаб моделируемого процесса, согласовывая его с временным масштабом реальных процессов объектов-оригиналов, например, при реализации метода смешанного моделирования на испытаниях. Предлагаемый генератор случайного процесса может использоваться как самостоятельное устройство для моделирования дискретных марковских процессов по заданному графу их состояний. Однако наиболее эффективно его использование совместно с управляющей ЭВМ, что позволит освободить ЭВМ от выполнения трудоемких опера11ий по программной реализации случайных процессов и автоматизировать процесс настройки и управления генератором.

/

Фиг.З

17

Ui

23-1