Рассмотрим многоканальную СМО, на вход которой поступает пуассоновский поток заявок с интенсивностью, а интенсивность обслуживания каждого канала составляет, максимально возможное число мест в очереди ограничено величиной m. Дискретные состояния СМО определяются количеством заявок, поступивших в систему, которые можно записать.
Все каналы свободны, ;
Занят только один канал (любой), ;
Пока СМО находится в любом из этих состояний, очереди нет. После того как заняты все каналы обслуживания, последующие заявки образуют очередь, тем самым, определяя дальнейшие состояние системы:
Заняты все каналов и одна заявка стоит в очереди,
Заняты все каналов и две заявки стоят в очереди,
Заняты все каналов и все мест в очереди,
Переход СМО в состояние с большими номерами определяется потоком поступающих заявок с интенсивностью, тогда как по условию в обслуживании этих заявок принимают участие одинаковых каналов с интенсивностью потока обслуживания равного для каждого канала. При этом полная интенсивность потока обслуживания возрастает с подключением новых каналов вплоть до такого состояния, когда все n каналов окажутся занятыми. С появлением очереди интенсивность обслуживания более увеличивается, так как она уже достигла максимального значения, равного.
Запишем выражения для предельных вероятностей состояний:
Выражение для можно преобразовать, используя формулу геометрической прогрессии для суммы членов со знаменателем:
Образование очереди возможно, когда вновь поступившая заявка застанет в системе не менее требований, т.е. когда в системе будет находиться требований.
Эти события независимы, поэтому вероятность того, что все каналы заняты, равна сумме соответствующих вероятностей
Поэтому вероятность образования очереди равна:
Вероятность отказа в обслуживании наступает тогда, когда все каналов и все мест в очереди заняты:
Относительная пропускная способность будет равна:
Абсолютная пропускная способность -
Среднее число занятых каналов -
Среднее число простаивающих каналов -
Коэффициент занятости (использования) каналов -
Коэффициент простоя каналов -
Среднее число заявок, находящихся в очередях -
В случае если, эта формула принимает другой вид -
Среднее время ожидания в очереди определяется формулами Литтла -
Имеется n-канальная СМО с неограниченной очередью. Она характеризуется следующими показателями :
Предельные вероятности:
, , . . . , , 
,…, 
,… (10)
Вероятность того, что заявка окажется в очереди:
(11)
(13)
Среднее время нахождения в очереди:
(15)
Среднее время нахождения заявки в очереди:
Рассмотрим пример решения задачи многоканальной СМО с ожиданием.
Задача . В магазине к кассам поступает поток покупателей с интенсивностью 81 человек в час. Средняя продолжительность обслуживания кассиром одного покупателя tобсл = 2 мин. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания узла расчета.
По условию λ=81(чел./час)= 81/60=1,35 (чел./мин.). По формулам (1, 2):
= λ/μ= λ * tобсл = 1,35 * 2 = 2,7
<1, т.е. при n > = 2,7. Таким образом, минимальное количество кассиров n =3.
Найдем характеристики обслуживания СМО при n=3.
Вероятность того, что в кассах отсутствуют покупатели, по формуле (9):
= (1+2,7+2,7 /2!+2,7 /3!+2,7 /3!(3-2,7)) = 0,025
В среднем 2,5 % времени кассиры будут простаивать.
Вероятность того, что в кассах будет очередь, определим по формуле (11):
P = (2,7 /3!(3-2,7))0,025 = 0,735
Среднее число покупателей, находящихся в очереди рассчитывается по формуле (13):
L = (2,7 /(3*3!(1-2,7/3) ))*0,025 = 7,35 (чел.)
T =7,35/1,35 = 5,44 (мин.)
Определим среднее число покупателей в кассах по формуле (15):
L =7,35+2,7=10,05 (чел.)
Среднее время нахождения покупателей в кассах находится по формуле (16):
T =10,05/1,35=7,44 (мин)
Среднее число кассиров, занятых обслуживанием покупателей, по формуле (12) =2,7.
Коэффициент (доля) занятых обслуживанием кассиров вычисляется по следующей формуле:
Абсолютная пропускная способность узла расчета A=1,35 (чел./мин), или 81 (чел./час), т.е. 81 покупатель в час. Анализ характеристик обслуживания свидетельствует о значительной перегрузке касс при наличии трех кассиров.
Системы массового обслуживания с ограниченной очередью
Имеется n-канальная СМО с ограниченной очередью. Число заявок в очереди ограничено числом m. Если заявка поступает в момент, когда в очереди уже m заявок, она не обслуживается. Такая СМО характеризуется следующими показателями :
Предельные вероятности:
(17)
, , . . . , , ,…, (18)
Вероятность отказа:
(19)
Относительная пропускная способность:
Абсолютная пропускная способность:
Среднее число занятых каналов:
Среднее число заявок в очереди:
(23)
Среднее число заявок в системе:
Пример оптимизации СМО
Показатели работы системы массового обслуживания могут использоваться для решения оптимизационных задач.
Задача.
Определить оптимальное количество причалов в порту с минимальными затратами, если известно, что за год было обслужено 270 судов. Разгрузка одного судна длится в среднем 12 часов. Пеня за простой судна в порту составляет 100 тыс.р./сут.. Затраты на причал 150 тыс.р./сут. Расчеты приведены в таблице.
Решение.
По условию
λ=270(судов/год)=270/360=0,75(судов/сут.),
tобсл=12ч=12/24=0,5 сут.
По формулам (1, 2):
= λ/μ= λ * tобсл = 0,75 * 0,5 = 1,5
Очередь не будет возрастать до бесконечности при условии /n <1, т.е. при n > = 1,5. Таким образом, минимальное количество причалов n =2.
Найдем характеристики обслуживания СМО порта при количестве причалов n=2.
Вероятность того, что в порту отсутствуют суда, вычислим по формуле (9):
В среднем 1,4 % времени причалы будут простаивать.
Среднее число судов, находящихся в очереди рассчитывается по формуле (13):
Среднее время ожидания в очереди вычисляется по формуле (14):
T =1,93/0,75 = 2,57 (сут.)
Определим среднее число судов в порту по формуле (15):
L =1,93+1,5=3,43 (судна)
Среднее время нахождения судов в порту находится по формуле (16):
T =3,43 /0,75 =4,57 (сут)
Среднее число занятых причалов (12) =1,5.
Анализ характеристик обслуживания свидетельствует о значительной перегрузке порта при наличии двух причалов.
Найдем суммарную пеню за простой судов в порту в сутки. Для этого перемножим пеню за простой судна в порту и среднее число судов в очереди:
= * L .
Определим затраты по обслуживанию причалов в сутки: = *n.
Для двух причалов в сутки
Суммарные затраты составят: С= + =193+300=493(ден.ед.)
Суммарные затраты по условию задачи должны быть минимальны.
Рассчитаем суммарные затраты для количества причалов n = 2, 3, 4. Расчеты приведены в таблице. Как видно из таблицы, минимальные затраты достигаются при n = 3. Следовательно, для минимизации затрат необходимо 3 причала.
Таблица 1.- Расчет оптимального числа причалов
| Показатель | Количество причалов | ||
| Интенсивность потока судов | 0,75 | 0,75 | 0,75 |
| Интенсивность обслуживания судов | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Интенсивность нагрузки причала | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
| Вероятность, что все причалы свободны | 0,14 | 0,21 | 0,22 |
| Среднее число судов в очереди | 1,93 | 0,24 | 0,04 |
| Среднее время пребывания судна в очереди, сут. | 2,57 | 0,32 | 0,06 |
| Среднее число судов в порту | 3,43 | 1,74 | 1,54 |
| Среднее время пребывания судна в порту, сут | 4,57 | 2,32 | 2,06 |
| Пеня за простой судна в порту, ден.ед./сут. () | 100,00 | 100,00 | 100,00 |
| Затраты по обслуживанию причала в сутки, ден.ед./сут. () | 150,00 | 150,00 | 150,00 |
| Суммарная пеня за простой судов в порту в сутки, ден.ед. () | 192,86 | 23,68 | 4,48 |
| Суммарные затраты по обслуживанию причалов в сутки, ден.ед. () | 300,00 | 450,00 | 600,00 |
| Суммарные затраты, ден.ед.(С) | 492,86 | 473,68 | 604,48 |
Варианты заданий
Таблица 2 - Варианты заданий
| Номер варианта | ||||||||||
| Задача | ||||||||||
| Номер варианта | ||||||||||
| Задача |
1. В парикмахерской в зависимости от сложности стрижки, мастер выполняет работу в среднем за 30 мин. Посетители приходят в среднем через 25 мин. За каждый час работы мастер зарабатывает 300 ден.ед.. Очередь ограничена до 4 человек. Если в очереди больше 4 человек, клиент уходит, и потери за час составляют 150 ден.ед. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить оптимальное количество мастеров.
2. Автомобили подъезжают на АЗС со средней частотой 2 автомобиля за 5 минут. Заправка автомобиля в среднем длится 3 минуты. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить количество колонок, чтобы средняя длина очереди не превышала 3 авт.
3. Рассматривается круглосуточная работа пункта проведения профилактического осмотра автомашин. На осмотр и выявление дефектов каждой машины затрачивается в среднем 30 минут. На осмотр поступает в среднем 36 машин в сутки. Если машина, прибывшая в пункт осмотра, не застает ни одного канала свободным, она покидает пункт осмотра не обслуженной. Определить вероятности состояний и характеристики обслуживания профилактического пункта осмотра. Определить количество каналов, чтобы относительная пропускная способность была не меньше 0,8.
4. В срочной мастерской по починке обуви в зависимости от сложности ремонта мастеру требуется в среднем 15 мин. Посетители приходят в среднем через каждые 14 мин. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить количество мастеров, чтобы средняя длина очереди не превышала 5 заказов.
5. В справочной оператор дает справку в среднем за 4 мин. Звонки поступают каждые 3мин. Если операторы заняты, то звонок не обслуживается. Определить вероятности состояний и характеристики обслуживания справочной. Определить количество каналов, чтобы относительная пропускная способность была не меньше 0,75.
6. В зависимости от количества продуктов у покупателя кассиру в магазине требуется в среднем на один чек 2 мин. Покупатели подходят к кассе с интенсивностью 81 человек/час. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить количество кассиров, чтобы средняя длина очереди не превышала 4 покупателей.
7. Диспетчеру в АТП в зависимости от типа автомобиля требуется в среднем на выдачу одного маршрутного листа 20 минут. Заявки на автомобили поступают в среднем через каждые 30 минут. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить количество диспетчеров, чтобы средняя длина очереди не превышала 2 заявок.
8. Требуется оценить работу АТС. Если все линий связи заняты, то абонент выбывает из системы. Звонки поступают с интенсивностью 2 вызов/мин.. Продолжительность разговоров распределена экспоненциально, и в среднем равна 1,5 мин. Определить предельные вероятности и показатели эффективности системы. Определить количество операторов, чтобы относительная пропускная способность АТС была не меньше 0,9.
9. В банке в зависимости от сложности запроса клиента кассиру требуется в среднем 10 минут. Клиенты подходят к нему в среднем через каждые 12 минут. Кассир зарабатывает 15000 ден.ед. за месяц. Очередь ограничена до 6 человек. Если в очереди больше 6 человек, клиент уходит, и потери за час составляют 200 ден.ед. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить оптимальное количество кассиров.
10. В среднем на одну транзакцию у банкомата уходит 2 минуты. Клиенты подходят к нему в среднем через каждые 20 минут. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить количество банкоматов, чтобы средняя длина очереди не превышала 2 человек.
11. В магазине продавцу в зависимости от покупателя требуется в среднем на одну покупку 10 мин. Покупатели подходят к нему в среднем через каждые 5 мин. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить количество продавцов, чтобы средняя длина очереди не превышала 5 человек.
12. В отделе заказов мебельной фабрики менеджеру по продажам в зависимости от заказа клиента требуется в среднем на оформление одного заказа 25 минут. Клиенты приходят в среднем через каждые 30 минут. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания. Определить количество менеджеров, чтобы средняя длина очереди не превышала 3 человек.
Порядок выполнения работы
1.Рассчитайте в системе Excel показатели системы массового обслуживания по формулам, приведенным в методичке. Количество каналов обслуживания n=1, 2, 3...k перебирается для нахождения оптимального значения по варианту. Предполагается, что входные потоки и обслуживание соответствуют пуассоновскому распределению.
2.Проведите анализ полученных результатов.
3.Составьте отчет.
1) Цель работы;
2) постановка задачи;
3) результаты расчетов, проведенных в Excel;
4) выводы по выполнению работы.
Контрольные вопросы
1. Что включает в себя понятие система массового обслуживания?
2. Какие существуют виды систем массового обслуживания?
3. Что относится к основным характеристикам и показателям эффективности систем массового обслуживания?
4. Укажите основные свойства (характеристики) входящего потока требований?
5. Перечислите основные особенности и характеристики систем массового обслуживания с ожиданием?
6. Каковы основные характеристики СМО с отказами?
7. Приведите примеры различных видов СМО?
Библиографический список
1. Афанасьев М.Ю. Исследование операций в экономике: модели, задачи, решения. / М.Ю. Афанасьев, Б.П. Суворов.- М.:ИНФРА, 2003.-444с.
2. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, приниципы, методология./ Е.С. Вентцель.-М.: Высшая школа, 2001.-208с.
3. Зайченко Ю.П. Исследование операций./ Ю.П. Зайченко.- К.: Вища школа, 1975.-320с.
4. Конюховский П.В. Математические методы исследования операций. / П.В. Конюховский.- СПб.: Питер, 2001.-192с.
5. Кремер Н.Ш., Путко Б.А. Исследование операций в экономике./ Н.Ш. Кремер, Б.А. Бутко, И.М. Тришин.- М.:Банки и биржи, ЮНИТИ, 1997.-407с.
1. Кудрявцев Е.М. GPSS World.Основы имитационного моделирования различных систем.- М.: ДМК Пресс, 2004.- 320 с.
2. Советов В.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. - М.: Высшая школа, 1985
3. Советов В.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: курсовое проектирование. - М.: Высшая школа, 1989
Рассмотрим одноканальную систему массового обслуживания с ожиданием.
Будем предполагать, что входящий поток заявок на обслуживание есть простейший поток с интенсивностью λ.
Интенсивность потока обслуживания равна μ. Длительность обслуживания – случайная величина, подчиненная показательному закону распределения. Поток обслуживаний является простейшим пуассоновским потоком событий.
Заявка, поступившая в момент, когда канал занят, становится в очередь и ожидает обслуживания. Будем считать, что размер очереди ограничен и не может вместить более m заявок, т.е. заявка, заставшая в момент своего прихода в СМО m +1 заявок (m ожидающих в очереди и одну, находящуюся на обслуживании), покидает СМО.
Система уравнений, описывающих процесс в этой системе, имеет решение:
(0‑1)
Знаменатель первого выражения представляет собой геометрическую прогрессию с первым членом 1 и знаменателем ρ, откуда получаем
При ρ = 1 можно прибегнуть к прямому подсчету
(0‑8)
Среднее число находящихся в системе заявок.
Поскольку среднее число находящихся в системе заявок
(0‑9)
где - среднее число заявок, находящихся под обслуживанием, то зная остается найти . Т.к. канал один, то число обслуживаемых заявок может равняться либо 0, либо 1 с вероятностями P 0 и P 1=1- P 0 соответственно, откуда
(0‑10)
и среднее число находящихся в системе заявок равно
(0‑11)
Среднее время ожидания заявки в очереди .
т.е., среднее время ожидания заявки в очереди равно среднему числу заявок в очереди, деленному на интенсивность потока заявок.
Среднее время пребывания заявки в системе.
Время пребывания заявки в системе складывается из времени ожидания заявки в очереди и времени обслуживания. Если загрузка системы составляет 100%, то =1/μ, в противном случае = q / μ . Отсюда
(0‑13)
Выполняется аналогично в соответствии с общими правилами.
1. В приложение Microsoft Excel подготовьте таблицу следующего вида.
2. В столбцах для параметров СМО таблицы запишите исходные данные, которые определяются по правилу:
m=1,2,3
(максимальная длина очереди).
Для каждого значения m необходимо найти теоретические и экспериментальные значения показателей СМО для таких пар значений:
= <порядковый номер в списке группы>
3. В столбцы с показателями аналитической модели впишите соответствующие формулы.
1. Установите режим запусков с экспоненциально распределенным временем обслуживания, задав значение соответствующего параметра равным 1.
2. Для каждой комбинации m , и осуществите запуск модели.
3. Результаты запусков внесите в таблицу.
4. Внесите в соответствующие столбцы таблицы формулы для расчета среднего значения показателя P отк , q и А.
1. Проанализируйте результаты, полученные теоретическим и экспериментальным способами, сравнив результаты между собой.
2. Для m=3 постройте на одной диаграмме графики зависимости P отк от на теоретически и экспериментально полученных данных.
Решите задачу оптимизации размера числа мест в очереди m для прибора со средним временем обслуживания = с точки зрения получения максимальной прибыли. В качестве условий задачи возьмите:
- доход от обслуживания одной заявки равным 80 у.е./час,
- стоимость содержания одного прибора равным 1у.е./час.
1. Для расчетов целесообразно создать таблицу:
Первый столбец заполняется значениями чисел натурального ряда (1,2,3…).
Все клетки второго и третьего столбцов заполняются значениями и.
В клетки столбцов с четвертого по девятый переносятся формулы для столбцов таблицы раздела 0.
В столбцы с исходными данными разделов Доход, Расход, Прибыль внесите значения (см. выше).
В столбцах с вычисляемыми значениями разделов Доход, Расход, Прибыль запишите расчетные формулы:
- число заявок в единицу времени
N r =A
- суммарный доход в единицу времени
I S = I r *N r
- суммарный расход в единицу времени
E S =E s + E q *(n-1)
- прибыль в единицу времени
P = I S - E S
где
I r - доход от одной заявки ,
E s - расход на эксплуатацию одного прибора ,
E q - расход на эксплуатацию одного места в очереди .
Графики для P отк ,
- таблицу с данными для нахождения наилучшего m и значение m опт,
- график зависимости прибыли в единицу времени от m .
1) Дайте краткое описание одноканальной модели СМО с ограниченной очередью.
2) Какими показателями характеризуется функционирование одноканальной СМО с отказами?
3) Как рассчитывается вероятность p 0 ?
4) Как рассчитываются вероятности p i ?
5) Как найти вероятность отказа обслуживания заявки?
6) Как найти относительную пропускную способность?
7) Чему равна абсолютная пропускная способность?
8) Как подсчитывается среднее число заявок в системе?
9) Приведите примеры СМО с ограниченной очередью.
1) Порт имеет один грузовой причал для разгрузки судов. Интенсивность потока составляет 0,5 заходов в сутки. Среднее время разгрузки одного судна 2 суток. Если в очереди на разгрузку стоят 3 судна, то приходящее судно направляется для разгрузки на другой причал. Найти показатели эффективности работы причала.
2) В справочную железнодорожного вокзала поступают телефонные запросы с интенсивностью 80 заявок в час. Оператор справочной отвечает на поступивший звонок в среднем 0,7 мин. Если оператор занят, клиенту выдается сообщение "Ждите ответа", запрос становится в очередь, длина которой не превышает 4 запросов. Дайте оценку работы справочной и вариант ее реорганизации
В коммерческой деятельности чаще встречаются СМО с ожиданием (очередью).
Рассмотрим простую одноканальную СМО с ограниченной очередью, в которой число мест в очереди т - фиксированная величина. Следовательно, заявка, поступившая в тот момент, когда все места в очереди заняты, не принимается к обслуживанию, не встает в очередь и.покидает систему.
Граф этой СМО представлен на рис. 3.4 и совпадает с графом рис. 2.1 описывающим процесс «рождения--гибели», с тем отличием, что при наличии только одного канала.
Размеченный граф процесса «рождения - гибели» обслуживания все интенсивности потоков обслуживания равны
Состояния СМО можно представить следующим образом:
S0 - канал обслуживания свободен,
S, - канал обслуживания занят, но очереди нет,
S2- канал обслуживания занят, в очереди стоит одна заявка,
S3- канал обслуживания занят, в очереди стоят две заявки,
Sm+1 - канал обслуживания занят, в очереди все т мест заняты, любая следующая заявка получает отказ.
Для описания случайного процесса СМО можно воспользоваться изложенными ранее правилами и формулами. Напишем выражения, определяющие предельные вероятности состояний:
Выражение для р0 можно в данном случае записать проще, пользуясь тем, что в знаменателе стоит геометрическая прогрессия относительно р, тогда после соответствующих преобразований получаем:
с= (1- с)
Эта формула справедлива для всех р, отличных от 1, если же р = 1, то р0 = 1/(т + 2), а все остальные вероятности также равны 1/(т + 2).
Если предположить т = 0, то мы переходим от рассмотрения одноканальной СМО с ожиданием к уже рассмотренной одноканальной СМО с отказами в обслуживании.
Действительно, выражение для предельной вероятности р0в случае т = 0 имеет вид:
pо = м / (л+м)
И в случае л =м имеет величину р0= 1 / 2.
Определим основные характеристики одноканальной СМО с ожиданием: относительную и абсолютную пропускную способность, вероятность отказа, а также среднюю длину очереди и среднее время ожидания заявки в очереди.
Заявка получает отказ, если она поступает в момент времени, когда СМО уже находится в состоянии Sm+1 и, следовательно, все места в очереди да заняты и один канал обслуживает
Поэтому вероятность отказа определяется вероятностью появлением
Состояния Sm+1:
Pотк = pm+1 = сm+1 * p0
Относительная пропускная способность, или доля обслуживаемых заявок, поступающих в единицу времени, определяется выражением
Q = 1- pотк = 1- сm+1 * p0
абсолютная пропускная способность равна:
Среднее число заявок Lочстоящих в очереди на обслуживание, определяется математическим ожиданием случайной величины к - числа заявок, стоящих в очереди
случайная величина к принимает следующие только целочисленные значения:
т-в очереди все места заняты
Вероятности этих значений определяются соответствующими вероятностями состояний, начиная с состояния S2. Закон распределения дискретной случайной величины к изображается следующим образом:
Таблица 1. Закон распределения дискретной случайной величины
Математическое ожидание этой случайной величины равно:
Lоч = 1* p2 +2* p3 +...+ m* pm+1
В общем случае при p ?1 эту сумму можно преобразовать, пользуясь моделями геометрической прогрессии, к более удобному виду:
Lоч = p2 * 1- pm * (m-m*p+1) * p0
В частном случае при р = 1, когда все вероятности pkоказываются равными, можно воспользоваться выражением для суммы членов числового ряда
1+2+3+ m = m(m+1)
Тогда получим формулу
L"оч= m(m+1) * p0 = m(m+1) (p=1).
Применяя аналогичные рассуждения и преобразования, можно показать, что среднее время ожидания обслуживания заявки а очереди определяется формулами Литтла
Точ = Lоч/А (при р? 1) и Т1оч= L"оч /А(при р = 1).
Такой результат, когда оказывается, что Точ ~ 1/ л, может показаться странным: с увеличением интенсивности потока заявок как будто бы должна возрастать длина очереди и уменьшается среднее время ожидания. Однако следует иметь в виду, что, во-первых, величина Lоч является функцией от л и м и, во-вторых, рассматриваемая СМО имеет ограниченную длину очереди не более mзаявок.
Заявка, поступившая в СМО в момент времени, когда все каналы заняты, получает отказ, и, следовательно, время ее «ожидания» в СМО равно нулю. Это приводит в общем случае (при р? 1) к уменьшению Точростом л, поскольку доля таких заявок с ростом л увеличивается.
Если отказаться от ограничения на длину очереди, т.е. устремить m--> >?, то случаи р < 1 и р?1 начинают существенно различаться. Записанные выше формулы для вероятностей состояний преобразуются в случае р < 1 к виду
При достаточно большом к вероятностьpk стремится к нулю. Поэтому относительная пропускная способность будет Q= 1, а абсолютная пропускная способность станет равной А --л Q -- л следовательно, обслуживаются все поступившие заявки, причем средняя длина очереди окажется равной:
Lоч =p2 1-p
а среднее время ожидания по формуле Литтла
Точ = Lоч/А
В пределе р << 1 получаем Точ = с / м т.е. среднее время ожидания быстро уменьшается с увеличением интенсивности потока обслуживания. В противном случае при р? 1 оказывается, что в СМО отсутствует установившийся режим. Обслуживание не успевает за потоком заявок, и очередь неограниченно растет со временем (при t > ?). Предельные вероятности состояний поэтому не могут быть определены: при Q= 1 они равны нулю. Фактически СМО не выполняет своих функций, поскольку она не в состоянии обслужить все поступающие заявки.
Нетрудно определить, что доля обслуживаемых заявок и абсолютная пропускная способность соответственно составляют в среднем с и м, однако неограниченное увеличение очереди, а следовательно, и времени ожидания в ней приводит к тому, что через некоторое время заявки начинают накапливаться в очереди на неограниченно долгое время.
В качестве одной из характеристик СМО используют среднее время Тсмо пребывания заявки в СМО, включающее среднее время пребывания в очереди и среднее время обслуживания. Эта величина вычисляется по формулам Литтла: если длина очереди ограничена -- среднее число заявок, находящихся в очереди, равно:
Lсмо= m+1 ;2
Тсмо= Lсмо; при p ?1
A тогда среднее время пребывания заявки в системе массового обслуживания (как в очереди, так и под обслуживанием) равно:
Тсмо= m+1 при p ?1 2м
Тема. Теория систем массового обслуживания.
Каждая СМО состоит из какого–то количества обслуживающих единиц, которые называются каналами обслуживания (это станки, транспортные тележки, роботы, линии связи, кассиры, продавцы и т.д.). Всякая СМО предназначена для обслуживания какого–то потока заявок (требований), поступающих в какие-то случайные моменты времени.
Классификация СМО по способу обработки входного потока заявок.
Системы массового обслуживания
С отказами
(без очереди)
С очередью
Неограниченная очередь
Ограниченная очередь
С приоритетом
В порядке поступления
Относительный приоритет
Абсолютный приоритет
По времени обслуживания
По длине очереди
Классификация по способу функционирования:
открытыми, т.е. поток заявок не зависит от внутреннего состояния СМО;
закрытыми, т.е. входной поток зависит от состояния СМО (один ремонтный рабочий обслуживает все каналы по мере их выхода из строя).
Многоканальная СМО с ожиданием
Система с ограниченной длиной очереди. Рассмотрим канальную СМО с ожиданием, на которую поступает поток заявок с интенсивностью ; интенсивность обслуживания (для одного канала) ; число мест в очереди
Состояния системы нумеруются по числу заявок, связанных системой:
нет очереди:
- все каналы свободны;
- занят один канал, остальные свободны;
- заняты -каналов, остальные нет;
- заняты все -каналов, свободных нет;
есть очередь:
- заняты все n-каналов; одна заявка стоит в очереди;
- заняты все n-каналов, r-заявок в очереди;
- заняты все n-каналов, r-заявок в очереди.
ГСП приведен на рис. 9. У каждой стрелки проставлены соответствующие интенсивности потоков событий. По стрелкам слева направо систему переводит всегда один и тот же поток заявок с интенсивностью , по стрелкам справа налево систему переводит поток обслуживании, интенсивность которого равна , умноженному на число занятых каналов.
Рис. 9. Многоканальная СМО с ожиданием
Вероятность отказа.
(29)
Относительная пропускная способность дополняет вероятность отказа до единицы:
Абсолютная пропускная способность СМО:
(30)
Среднее число занятых каналов.
Среднее число заявок в очереди можно вычислить непосредственно как математическое ожидание дискретной случайной величины:
(31)
где .
Здесь опять (выражение в скобках) встречается производная суммы геометрической прогрессии (см. выше (23), (24) - (26)), используя соотношение для нее, получаем:
Среднее число заявок в системе:
Среднее время ожидания заявки в очереди.
(32)
Так же, как и в случае одноканальной СМО с ожиданием, отметим, что это выражение отличается от выражения для средней длины очереди только множителем , т. е.
.
Среднее время пребывания заявки в системе, так же, как и для одноканальной СМО
.
Системы с неограниченной длиной очереди. Мы рассмотрели канальную СМО с ожиданием, когда в очереди одновременно могут находиться не более m-заявок.
Так же, как и ранее, при анализе систем без ограничений необходимо рассмотреть полученные соотношения при .
Вероятность отказа
Среднее число заявок в очереди получим при из (31):
,
а среднее время ожидания - из (32):
.
Среднее число заявок .
Пример 2. Автозаправочная станция с двумя колонками (n = 2) обслуживает поток машин с интенсивностью =0,8 (машин в минуту). Среднее время обслуживания одной машины:
В данном районе нет другой АЗС, так что очередь машин перед АЗС может расти практически неограниченно. Найти характеристики СМО.
СМО с ограниченным временем ожидания. Ранее рассматривались системы с ожиданием, ограниченным только длиной очереди (числом m-заявок, одновременно находящихся в очереди). В такой СМО заявка, разраставшая в очередь, не покидает ее, пока не дождется обслуживания. На практике встречаются СМО другого типа, в которых заявка, подождав некоторое время, может уйти из очереди (так называемые «нетерпеливые» заявки).
Рассмотрим СМО подобного типа, предполагая, что ограничение времени ожидания является случайной величиной.
Пуассоновский «поток уходов» с интенсивностью:
Если этот поток пуассоновский, то процесс, протекающий в СМО, будет марковским. Найдем для него вероятности состояний. Нумерация состояний системы связывается с числом заявок в системе - как обслуживаемых, так и стоящих в очереди:
нет очереди:
- все каналы свободны;
- занят один канал;
- заняты два канала;
- заняты все n-каналов;
есть очередь:
- заняты все n-каналов, одна заявка стоит в очереди;
- заняты все n-каналов, r-заявок стоят в очереди и т. д.
Граф состояний и переходов системы показан на рис. 10.
Рис. 10. СМО с ограниченным временем ожидания
Разметим этот граф, как и раньше; у всех стрелок, ведущих слева направо, будет стоять интенсивность потока заявок . Для состояний без очереди у стрелок, ведущих из них справа налево, будет, как и раньше, стоять суммарная интенсивность потока обслуживании всех занятых каналов. Что касается состояний с очередью, то у стрелок, ведущих из них справа налево, будет стоять суммарная интенсивность потока обслуживания всех n-каналов плюс соответствующая интенсивность потока уходов из очереди. Если в очереди стоят r-заявок, то суммарная интенсивность потока уходов будет равна .
Среднее число заявок в очереди: (35)
На каждую из этих заявок действует «поток уходов» с интенсивностью
. Значит, из среднего числа
-заявок в очереди в среднем будет уходить, не дождавшись обслуживания,
-заявок в единицу времени и всего в единицу времени в среднем будет обслуживаться
-заявок. Относительная пропускная способность СМО будет составлять:
Среднее число занятых каналов по-прежнему получаем, деля абсолютную пропускную способность А на Замкнутые СМО
До сих пор мы рассматривали системы, в которых входящий поток никак не связан с выходящим. Такие системы называются разомкнутыми. В некоторых же случаях обслуженные требования после задержки опять поступают на вход. Такие СМО называются замкнутыми. Поликлиника, обслуживающая данную территорию, бригада рабочих, закрепленная за группой станков, являются примерами замкнутых систем.
В замкнутой СМО циркулирует одно и то же конечное число потенциальных требований. Пока потенциальное требование не реализовалось в качестве требования на обслуживание, считается, что оно находится в блоке задержки. В момент реализации оно поступает в саму систему. Например, рабочие обслуживают группу станков. Каждый станок является потенциальным требованием, превращаясь в реальное в момент своей поломки. Пока станок работает, он находится в блоке задержки, а с момента поломки до момента окончания ремонта - в самой системе. Каждый рабочий является каналом обслуживания. = =P 1 + 2 P 2 +…+(n- 1 )P n- 1 +n( 1 -P На вход трехканальной СМО с отказами поступает поток заявок с интенсивностью =4 заявки в минуту, время обслуживания заявки одним каналом t обсл =1/μ =0,5 мин. Выгодно ли с точки зрения пропускной способности СМО заставить все три канала обслуживать заявки сразу, причем среднее время обслуживания уменьшается втрое? Как это скажется на среднем времени пребывания заявки в СМО?
Пример 2 . /μ=2, ρ/ n =2/3<1.
Задача 3:
Два рабочих обслуживают группу из четырех станков. Остановки работающего станка происходят в среднем через 30 мин. Среднее время наладки составляет 15 мин. Время работы и время наладки распределено по экспоненциальному закону.
Найдите среднюю долю свободного времени для каждого рабочего и среднее время работы станка.
Найдите те же характеристики для системы, в которой:
а) за каждым рабочим закреплены два станка;
б) два рабочих всегда обслуживают станок вместе, причем с двойной интенсивностью;
в) единственный неисправный станок обслуживают оба рабочих сразу (с двойной интенсивностью), а при появлении еще хотя бы одного неисправного станка они начинают работать порознь, причем каждый обслуживает один станок (вначале опишите систему в терминах процессов гибели и рождения).
