4o. Encuentro. Matemáticas en todo y para todos. Uso de las distribuciones de probabilidad en la simulación de sistemas productivos

Transcripción

1 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. Uso de las dsrbucones de probabldad en la smulacón de ssemas producvos Leopoldo Eduardo Cárdenas Barrón lecarden@esm.mx Deparameno de Ingenería Indusral y de Ssemas Insuo Tecnológco y de Esudos Superores de Monerrey Campus Monerrey Resumen Ese arículo raa sobre las aplcacones de las dsrbucones de probabldad en la smulacón de ssemas producvos. Prmeramene, se expone el concepo de números aleaoros enre cero y uno, y los méodos para generar números aleaoros enre cero y uno. Después, se descrbe el méodo de la ransformada nversa para consrur generadores de varables aleaoras, y se presena la aplcacón de las dsrbucones de probabldad en la smulacón de ssemas producvos hacendo uso de los generadores de varables aleaoras y números aleaoros enre cero y uno. Fnalmene, se deja al lecor una acvdad que consa de 7 ejerccos para que pracque los concepos adqurdos durane la lecura del presene arículo. Palabras clave: Smulacón, dsrbucones de probabldad, números aleaoros, generadores de varable aleaora, I. Inroduccón. Para realzar una smulacón se requere de números aleaoros en el nervalo (0,), a los cuales les llamaremos r. Donde los r s son una secuenca de números que conene n números; donde odos los números r s en la secuenca son dferenes y n recbe el nombre de perodo o cclo de vda del generador que creó la secuenca. Los r s son el ngredene básco de la smulacón de procesos esocáscos y generalmene se usan para generar el comporameno de varables aleaoras ano connuas como dscreas. Esrcamene los r s son números pseudo aleaoros, debdo a que no es posble generar números realmene aleaoros. La razón por la que los r s no son realmene aleaoros es porque son generados por medo de algormos deermníscos que requeren de ceros parámeros. Exsen una gran varedad de algormos para generar números aleaoros enre cero y uno, ales como congruencal lneal, congruencal mulplcavo, congruencal mxo, mulplcador consane, producos medos, cuadrados medos, enre oros. Cabe menconar que los lenguajes de programacón, lenguajes de smulacón, paquees de smualcón y hojas de cálculo conenen una funcón para

2 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. generar números enre cero y uno de manera auomáca. Por ejemplo, en Excel se usa la funcón =aleaoro() ó =rand(). Ahora, se presena el algormo congruencal lneal, el cual fue propueso por D.H. Lehmer en 95, sendo ese algormo el más amplamene usado. Ese algormo genera una sere de números de números eneros por medo de la sguene ecuacón recursva: + = (a + c)mod(m) = 0,,2,3,...,n Donde o es la semlla, a es la consane mulplcava, c es una consane adva y m es el módulo. o>0, a>0, c>0 y m>0 deben ser números eneros. La operacón mod m sgnfca mulplcar por a, sumar c, dvdr el resulado enre m y + será el resduo. Es mporane señalar que la ecuacón recursva del algormo congruencal lneal genera una secuenca de números eneros {0,...,m-} y para obener números aleaoros en el nervalo [0,] se requere de la sguene ecuacón: r = =,2,3,...n m - Ejemplo: Generar 4 números enre 0 y con los sguenes parámeros: o=37, a=9, c=33 y m=00. Solucón: = (9*37+ 33)mod 00 = 36 r = 36/99 = = (9* )mod 00 = 7 r 2 = 7/99 = = (9*7+ 33)mod 00 = 56 r 3 = 56/99 = = (9* )mod 00 = 97 r 4 = 97/99 = Es mporane menconar que los generadores de números smplemene generan un conjuno números, después hay que verfcar que dchos números cumplan con una sere de propedades ales como: meda de ½, varanza de /2, unformdad e ndependenca. Para demosrar las propedades anerores exsen la prueba de medas, la prueba de varanza, la prueba de unformdad, y la prueba de ndependenca, respecvamene. Con respeco a las pruebas de unformdad e ndependenca exsen 2

3 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. varas opcones de pruebas. Por ejemplo, las pruebas de Kolmogorov-Smrnov y Chcuadrada son úles para demosrar la unformdad de los números r s. En cuano a la prueba de ndependenca exsen las pruebas de poker, corrdas arrba y abajo, corrdas arrba y abajo de la meda, seres, huecos, enre oras. Una vez que los números r s cumplen con las pruebas, el sguene paso es usarlos en un generador de varable aleaora. Un generador de varable aleaora es una expresón maemáca que esá en funcón de los números aleaoros r s. Por ejemplo: Temperaura = 35+0*r grados cenígrados, donde s r=0.25 enonces podemos smular el comporameno de la emperaura, en ese caso, la emperaura smulada es de 37.5 grados cenígrados. S ahora el número aleaoro es r=0.75, enonces la emperaura es 42.5 grados cenígrados, y así podemos reper el proceso hasa obener el número de veces que deseamos smular la varable emperaura. Para consrur un generador de varable aleaora, es necesaro conar con la funcón de densdad probabldad de la varable. Poserormene, se consruye el generador de varable aleaora por medo de alguno de los méodos dsponbles ales como el méodo de la ransformada nversa, méodo de composcón, méodo de convolucón, y méodo de acepacón y rechazo. El méodo de la ransformada nversa consse báscamene en 4 pasos: ) obener la funcón de densdad de probabldad f(x), 2) calcular la dsrbucón de probabldad acumulada F(x), 3) gualar la funcón de probabldad acumulada F(x) a r, 4) despejar la varable aleaora x. Con los pasos anerores se obene el generador de varable aleaora que debe ser usado para smular el comporameno de la varable. Por ejemplo, s la funcón de densdad de probabldad del empo de proceso de una peza en una máquna ene la dsrbucón de probabldad unforme: f()=/30 para 0<=<=40 mnuos y cero en cualquer oro valor. Aplcando el méodo de la ransformada nversa a la funcón f() consruremos un generador de varable aleaora para smular del empo de proceso de pezas en la máquna. ) obener la funcón de densdad de probabldad f(), f ( ) = 30 0 s 0 40 mnuos en cualquer oro valor 2) calcular la dsrbucón de probabldad acumulada F(), 3

4 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. F() = f ( ) d = 30 d Lm. nf = = ) gualar la funcón de probabldad acumulada F() a r, 0 30 = r 4) despejar la varable aleaora. 0 = 30* r = * r donde r es un número aleaoro enre cero y uno. Una vez obendo el generador de varable aleaora, ahora hay que smular. Consderando los 4 números r s generados anerormene por medo del algormo congruencal lneal (0.3636, 0.77, , y ) smularemos el empo de proceso de 4 pezas: peza ==> = * = mnuos peza 2 ==> 2 = *0.77 = 5.5 mnuos peza 3 ==> 3 = * = mnuos peza 4 ==> 4 = * = mnuos Anerormene, smulamos el empo de proceso para cuaro pezas, los valores smulados esán de una manera aslada y no han neracuado con oros valores y reglas lógcas. En muchas ocasones, los generadores de varables aleaoras no esán aslados, generalmene esán neracuando con oros generadores de varables aleaoras y reglas lógcas. Es decr, en el caso de una máquna que procesa pezas, dchas pezas al vez vengan de un proceso aneror, el cual esará marcando un empo enre llegadas de las pezas a la máquna, por lo ano, exsrá un generador de varable aleaora para generar el empo enre llegadas de las pezas. Además, cuando la máquna esé procesando una peza, y llegará a ocurrr la llegada de ora peza, dcha peza debe quedar en espera (fla) a que la máquna ermne el proceso de la peza que esá procesando. 4

5 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. Es mporane menconar que para las dsrbucones de probabldad conocdas ya esá consrudo el generador de varable aleaora, por lo que no es necesaro consrurlo. Por ejemplo el generador de varable aleaora para la dsrbucón de probabldad exponencal es: = meda * ln( r ) y para la dsrbucón de probabldad unforme connua es: = a + ( b a) * r Donde a y b son los límes nferor y superor de la dsrbucón de probabldad unforme connua, respecvamene. II. Uso de las dsrbucón de probabldad en la smulacón de ssema produccón. Exse una gran varedad de confguracones de ssemas de produccón, por ejemplo el ssema de produccón de una sola eapa con una sola máquna como el represenado en la fgura. Las pezas llegan al ssema producvo de una en una con un empo enre llegadas que sguen algún po de dsrbucón de probabldad. Las pezas se acumulan (hacen fla) en la arma s la máquna esá ocupada. La máquna procesa las pezas con un empo de proceso dsrbudo de acuerdo a un po de dsrbucón de probabldad. Fgura. Ssema de produccón de una sola eapa con una sola máquna Oros ejemplos sobre confguracones de ssemas de produccón son mosrados en las fguras 2 y 3. Donde el ssema de produccón represenado en la fgura 2 es un ssema de produccón de dos eapas en donde en cada eapa exse una sola máquna. En 5

6 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. cambo en la fgura 3 se represena un ssema de produccón de res eapas en donde la prmera eapa ene solamene una máquna, la segunda eapa ene res máqunas en paralelo, y la ercera eapa ene dos máqunas en paralelo. Cabe menconar que podemos generar una nfndad de confguracones de ssemas producvos, e nclusve generar confguracones que gráfcamene pareceran que son guales, pero en realdad represenan ssemas de produccón dsnos, debdo a que el flujo que sguen los producos que se fabrcan denro del ssema producvo es dsno. Fgura 2. Ssema de produccón con dos eapas, una máquna en cada eapa. Es mporane menconar que las máqunas que esán en paralelo pueden consderarse como máqunas déncas por lo ano deben ener empo de proceso guales, o máqunas dsnas por lo que su empo de proceso será dsno; eso caso ocurre con mucha frecuenca cuando se enen máqunas en paralelo que procesan el msmo po de peza pero una de las máqunas es manual, ora semauomáca, de modelo recene o auomáca. Fgura 3. Ssema de produccón con res eapas, algunas eapas con dos o más máqunas en paralelo. 6

7 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. Consderando el ssema producvo esquemazado en la fgura 3, podemos menconar lo sguene, va a exsr un empo enre llegadas de pezas al ssema producvo el cual se comporará de acuerdo a un po de dsrbucón de probabldad. El empo de proceso de la máquna que esá en la prmera eapa endrá un comporameno acorde a una dsrbucón de probabldad. En la segunda eapa exsen res máqunas en paralelo, las cuales pueden ser déncas y odas ener el msmo empo de proceso que sga el msmo po de dsrbucón de probabldad, o que cada máquna sea dsna en empo de proceso (al vez lo más común) y por lo ano cada máquna endrá empo de proceso con su dsrbucón de probabldad correspondene, lo msmo puede ocurrr con la ercera eapa. Ahora se pregunarán y cómo puedo deermnar la dsrbucón de probabldad que sguen los empos de enre llegadas y de proceso en cada máquna. Pues, prmeramene deberemos recolecar un poco de hsora, es decr, debemos llevar a cabo la recoleccón de los empos enre llegadas y de proceso de cada máquna. Segundo, al conjuno de empos proponerle una dsrbucón de probabldad y realzar algún po de prueba esadísca para deermnar el po de dsrbucón de probabldad que sguen los empos. Exsen varas pruebas para deermnar el po de dsrbucón de probabldad que sguen los daos de los empos, por ejemplo exsen las pruebas de la Ch-cuadrada, Kolmogorov-Smrnov, y Anderson-Darln. Aforunadamene, ambén exsen paquees de esadísca que son de gran uldad en la deermnacón del po de dsrbucón de probabldad que sgue un conjuno de daos. Por ejemplo, enemos el mnab, sa::f, enre oros. Ejemplo: Consdere el sguene conjuno de empos de proceso (en mnuos) por peza en una máquna: Por medo del sa::f podemos deermnar cuál dsrbucón de probabldad puede represenar al conjuno de daos. El sa::f nos muesra resulados que esán mosrados en la fgura 4. Esos resulados ndcan que la dsrbucón que mejor represena al empo de proceso de pezas en la máquna es la dsrbucón de probabldad exponencal. En la fgura 5 se muesra la gráfca de la dsrbucón de probabldad exponencal que represena al empo de proceso. 7

8 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. Fgura 4. Resulados del sa::f Fgura 5. Gráfca del empo de proceso de las pezas 8

9 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. Una vez deermnado el po de dsrbucón de probabldad que sguen los empos enre llegadas y de proceso de cada máquna, el sguene paso es consrur el modelo de smulacón, el cual puede ser consrudo en una hoja de cálculo (Excel), en un lenguaje de programacón (C, C++,C#, Pascal, Delph, Forran, Basc, QBasc, enre oros), en un lenguaje de smulacón (GPSS/H, GPSS/PC, GPSS/World; SLAM, enre oros) o en algún paquee se smulacón (Promodel, Auomod, Arena, QUEST, WITNESS, enre oros). El ambene en donde consrur el modelo de smulacón depende de varos facores, por ejemplo s lo que deseamos smular es algo smple y sencllo como el ssema de produccón mosrado en la fgura, lo podemos realzar en una hoja de cálculo. Para ssemas más complejos, por ejemplo el mosrado en la fgura 3, se recomenda el uso de un paquee de smulacón. III. Conclusón En ese arículo se han presenado el uso de las dsrbucones de probabldad en la smulacón de ssemas producvos. Prmeramene, se expuso el concepo de números aleaoros enre cero y uno, y los méodos para generar números aleaoros enre cero y uno. Después se descrbó el méodo de la ransformada nversa para consrur generadores de varables aleaoras, así como ambén se presenó el uso de las dsrbucones de probabldad en la smulacón de ssemas producvos hacendo uso de los generadores de varables aleaoras y números aleaoros enre cero y uno. Fnalmene, se deja al lecor una acvdad con 7 ejerccos para que pracque lo aprenddo durane la lecura de ese arículo. IV. Anexo Acvdad: Ejercco : Por medo del algormo congruencal lneal genere 5 números enre cero y uno con los sguenes parámeros: o=2, a=3, c=26 y m=64. Ejercco 2: El algormo congruencal lneal se convere en el algormo congruencal mulplcavo cuando c es gual a cero (c=0). Por medo del algormo congruencal mulplcavo genere 5 números enre cero y uno con los sguenes parámeros: o=, a=2 y m=28. 9

10 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. Ejercco 3: El empo de orneado (en horas) de una peza ene la dsrbucón de probabldad connua sguene: Smular el comporameno del empo de orneado de 5 pezas. Para la smulacón ulza los 5 números aleaoros generados en el ejercco. Ejercco 4: En una esacón con una sola máquna exsen 5 pezas lsas para procesarse. El empo de proceso de las pezas sgue una dsrbucón de probabldad exponencal con meda de 5 mnuos. Deermne el empo oal que le llevará a la máquna procesar las 5 pezas. Para la smulacón ulza los 5 números aleaoros generados en el ejercco 2. Ejercco f ( ) = horas El empo de core (expresado en mnuos) de un anllo meálco ene la sguene dsrbucón de probabldad connua: 8 f ( ) = en oro valor Smular el empo de core para 3 anllos meálcos. Usar 3 números aleaoros generados por medo del méodo congruencal lneal con parámeros: a=3, m=256, c=89, o=69. Ejercco 6. La máquna fresadora DITZEN esá en funconameno durane un empo dsrbudo exponencalmene meda de 265 horas y falla, por lo que requere que sea reparada. Se han recoplado 50 empos de reparacón de la máquna DITZEN, los cuales esán expresado en mnuos. Con respeco a los empos de reparacón de la máquna DITZEN se ha obendo la sguene nformacón del sa::f: Auo::F of Dsrbuons dsrbuon rank accepance Unform(5., 9.9) 00 do no rejec Lognormal(5., 0.668, 0.98) 0.83 rejec 0

11 4o. Encuenro. Maemácas en odo y para odos. descrpve sascs daa pons 50 mnmum 5.6 maxmum mean medan mode sandard devaon.5055 varance Deermnar en que empo (en mnuos) la máquna de conrol numérco DITZEN enrará de nuevo en funconameno después del segundo paro por falla, suponendo que la máquna empeza en funconameno en el empo cero. Para smular el empo de funconameno de la máquna y el empo de reparacón de la máquna es necesaro calcular 4 números aleaoros en el rango (0,); ulce el méodo congruencal mulplcavo con la sguene nformacón: a=, m=52, o=3, para generar los 4 números aleaoros (0,) y ulce los dos prmeros números generados para smular el empo de funconameno de la máquna y los úlmos dos números generados para smular el empo de reparacón de la máquna. Ejercco 7. Consdere los sguenes 50 empos de proceso (expresado en mnuos) en una máquna fresadora, y deermne: a) el po de dsrbucón de probabldad que sguen los empos de fresado b) el generador de varable aleaora correspondene para smular el empo de fresado c) smule el empo de fresado de 20 pezas (ulce números aleaoros generados en Excel)