Что такое одноканальное смо

ОДНОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ С ПУАССОНОВСКИМ ВХОДНЫМ ПОТОКОМ

Анализ процессов массового обслуживания даёт нам оценку влияния на режим функционирования системы таких показателей, как частота поступления заявок на обслуживание, время обслуживания поступающих заявок, количество и размещение различных компонентов обслуживающего комплекса и т. д.

Простейшей одноканальной модельюс вероятностными входным потоком и процедурой обслуживания является модель, характеризуемая показательным распределением как длительностей интервалов между поступлениями требований, так и длительностей обслуживания. При этом плотность распределения длительностей интервалов между поступлениями требований имеет вид

где λ – интенсивность поступления заявок в систему (среднее число заявок, поступающих в систему за единицу времени).

Плотность распределения длительностей обслуживания:

где – интенсивность обслуживания,

t_об – среднее время обслуживания одного клиента.

Рассмотрим систему, работающую с отказами. Можно определить абсолютную и относительную пропускную способность системы.

Относительная пропускная способность равна доли обслуженных заявок относительно всех поступающих и вычисляется по формуле:

Эта величина равна вероятности Р₀ того, что канал обслуживания свободен.

Абсолютная пропускная способность – среднее число заявок, которое может обслужить система массового обслуживания в единицу времени:

Вероятность отказа в обслуживании заявки будет равна вероятности состояния «канал обслуживания занят»:

Величина Р_отк может быть интерпретирована как средняя доля необслуженных заявок среди всех поданных.

Пусть одноканальная система массового обслуживания (СМО) с отказами представляет собой одно место в очереди к кассе в банке. Заявка – посетитель, прибывший в момент, когда место занято, получает отказ в обслуживании. Интенсивность потока прихода посетителей λ = 3 (чел./час). Средняя продолжительность обслуживания t_об= 0,6 часа.

Мы будем определять в установившемся режиме следующие предельные значения: относительную пропускную способность q; абсолютную пропускную способность А; вероятность отказа Р_отк.

Сравним фактическую пропускную способность системы массового обслуживания с номинальной пропускной способностью, которая была бы, если бы каждый посетитель обслуживался 0,6 часа, и очередь была бы непрерывной.

Вначале определим интенсивность потока обслуживания:

Вычислим относительную пропускную способность:

Величина q означает, что в установившемся режиме система будет обслуживать примерно 62,4% прибывающих человек.

Абсолютную пропускную способность определим по формуле:

Это означает, что система способна осуществить в среднем 0,624 обслуживания человек в час.

Вычислим вероятность отказа:

Это означает, что около 37,6% прибывших посетителей на кассу получат отказ в обслуживании.

Определим номинальную пропускную способность системы:

Исходя из данных расчётов, делаем вывод, что А_ном в раза больше, чем фактическая пропускная способность, вычисленная с учётом случайного характера потока заявок и времени обслуживания.

Данная система работает неэффективно. Вероятность отказа слишком большая – 37 человек из 100 уйдут из банка не получив обслуживания. Это недопустимо. В такой ситуации есть несколько решений проблемы:

Добавить ещё один канал обслуживания, т.е. организовать двухканальную систему. Это позволит принять больше заявок, но несёт дополнительные затраты на создание дополнительного канала и на дальнейшее его содержание.

Не добавляя ещё одного канала, уменьшить время на обслуживание одной заявки, например, за счёт автоматизации канала.

Не добавляя ещё одного канала, создать систему без отказов, но с ожиданием в очереди. Этого можно добиться, если установить диваны для ожидания.

Таким образом, можно повысить эффективность работы наиболее приемлемым для банка решением.

Агишева Д.К., Зотова С.А., Матвеева Т.А., Светличная В.Б. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКА (учебное пособие) // Успехи современного естествознания. – 2010. – № 2. – С. 122-123; URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=7763

Хрущев Д.Г., Силантьев А.В., Агишева Д.К., Зотова С.А. ОШИБКИ ПРИНЯТИЯ ГИПОТЕЗЫ В МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКЕ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3; URL: www.eduherald.ru/140-14164

Агишева Д.К., Зотова С.А., Матвеева Т.А., Светличная В.Б. Математическая статистика: учебное пособие. / Д.К. Агишева, С.А. Зотова, Т.А. Матвеева, В.Б. Светличная; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. – Волгоград, 2010.

Источник

Конспект урока «Теория систем массового обслуживания»

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

В порядке поступления

По времени обслуживания

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).

Классификация систем массового обслуживания

Первое деление (по наличию очередей):

В СМО с отказами заявка, поступившая в момент, когда все каналы заняты, получает отказ, покидает СМО и в дальнейшем не обслуживается.

В СМО с очередью заявка, пришедшая в момент, когда все каналы заняты, не уходит, а становится в очередь и ожидает возможности быть обслуженной.

СМО с нетерпеливыми заявками (длина очереди и время обслуживания ограничено);

СМО с обслуживанием с приоритетом, т.е. некоторые заявки обслуживаются вне очереди и т.д.

Кроме этого СМО делятся на открытые СМО и замкнутые СМО.

В открытой СМО характеристики потока заявок не зависят от того, в каком состоянии сама СМО (сколько каналов занято). В замкнутой СМО – зависят. Например, если один рабочий обслуживает группу станков, время от времени требующих наладки, то интенсивность потока «требований» со стороны станков зависит от того, сколько их уже исправно и ждет наладки.

Одноканальная система массового обслуживания с отказами

Размеченный граф состояний одноканальной СМО представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Граф состояний одноканальной СМО

Здесь и – интенсивность потока заявок и выполнения заявок соответственно. Состояние системы S _o обозначает, что канал свободен, а S ₁ – что канал занят обслуживанием заявки.

Система дифференциальных уравнений Колмогорова для такой СМО имеет вид:

где p _o ( t ) и p ₁ ( t ) – вероятности нахождения СМО в состояниях So и S 1 соответственно. Уравнения для финальных вероятностей p _o и p ₁ получим, приравнивая нулю производные в первых двух уравнениях системы. В результате получим:

(1)

(2)

Многоканальная система массового обслуживания с отказами

Пусть СМО содержит n каналов, интенсивность входящего потока заявок равна , а интенсивность обслуживания заявки каждым каналом равна . Размеченный граф состояний системы изображён на рисунке 2.

Рисунок 2 – Граф состояний многоканальной СМО с отказами

Состояние S ₀ означает, что все каналы свободны, состояние S _k ( k = 1, n ) означает, что обслуживанием заявок заняты k каналов. Переход из одного состояния в другое соседнее правое происходит скачкообразно под воздействием входящего потока заявок интенсивностью независимо от числа работающих каналов (верхние стрелки). Для перехода системы из одного состояния в соседнее левое неважно, какой именно канал освободится. Величина характеризует интенсивность обслуживания заявок при работе в СМО k каналов (нижние стрелки).

(4)

(5)

Формулы (4) и (5) называются формулами Эрланга – основателя теории массового обслуживания.

(6)

Относительную пропускную способность СМО:

(7)

Абсолютную пропускную способность:

Так как каждый занятый канал в единицу времени обслуживает в среднем заявок, то можно найти по формуле:

Одноканальная система массового обслуживания с ограниченной длиной очереди

В СМО с ограниченной очередью число мест m в очереди ограничено. Следовательно, заявка, поступившая в момент времени, когда все места в очереди заняты, отклоняется и покидает СМО. Граф такой СМО представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Граф состояний одноканальной СМО с ограниченной очередью

Состояния СМО представляются следующим образом:

S ₀ – канал обслуживания свободен,

S ₁ – канал обслуживания занят, но очереди нет,

S ₂ – канал обслуживания занят, в очереди одна заявка,

S _{k +1} – канал обслуживания занят, в очереди k заявок,

S _{m +1} – канал обслуживания занят, все m мест в очереди заняты.

Для получения необходимых формул можно воспользоваться тем обстоятельством, что СМО на рисунок 3 является частным случаем системы рождения и гибели, если принять и

(8)

(9)

(10)

Относительная пропускная способность СМО равна:

Абсолютная пропускная способность равна:

и может быть записано в виде:

(11)

При формула (11) принимает вид:

– среднее число заявок, находящихся в СМО, находится по формуле:

и может быть записано в виде:

(12)

При , из (12) получим:

Среднее время пребывания заявки в СМО и в очереди находится по формулам соответственно.

Одноканальная система массового обслуживания с неограниченной очередью

Примером такой СМО может служить директор предприятия, вынужденный рано или поздно решать вопросы, относящиеся к его компетенции, или, например, очередь в булочной с одним кассиром. Граф такой СМО изображён на рисунке 4.

Рисунок 4 – Граф состояний одноканальной СМО с неограниченной очередью

Рассмотрим случай, когда .

Относительная пропускная способность равна:

Абсолютная пропускная способность равна:

Среднее число заявок в очереди получим при :

Среднее число обслуживаемых заявок есть:

Среднее число заявок, находящихся в СМО:

Среднее время пребывания заявки в СМО и в очереди определяются формулами.

Многоканальная система массового обслуживания с ограниченной очередью

Пусть на вход СМО, имеющей каналов обслуживания, поступает пуассоновский поток заявок с интенсивностью . Интенсивность обслуживания заявки каждым каналом равна , а максимальное число мест в очереди равно .

Граф такой системы представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Граф состояний многоканальной СМО с ограниченной очередью

– все каналы свободны, очереди нет;

– заняты l каналов ( l = 1, n ), очереди нет;

— заняты все n каналов, в очереди находится i заявок ( i = 1, m ).

Выражения для финальных вероятностей:

(13)

(14)

Отказ в обслуживании заявки происходит, когда все m мест в очереди заняты, т.е.:

Относительная пропускная способность равна:

Абсолютная пропускная способность:

Среднее число заявок может быть записано в виде:

(15)

Среднее число заявок, обслуживаемых в СМО, может быть записано в виде:

Среднее число заявок, находящихся в СМО:

Среднее время пребывания заявки в СМО и в очереди определяется формулами.

Многоканальная система массового обслуживания с неограниченной очередью

Граф такой СМО изображен на рисунке 6 при .

Рисунок 6 – Граф состояний многоканальной СМО с неограниченной очередью

Формулы для остальных вероятностей имеют тот же вид, что и для СМО с ограниченной очередью:

Поскольку очередь не ограничена, то вероятность отказа в обслуживании заявки:

Относительная пропускная способность:

Абсолютная пропускная способность:

Среднее число заявок в очереди:

Среднее число обслуживаемых заявок определяется формулой:

Многоканальная система массового обслуживания с ограниченной очередью и ограниченным временем ожидания в очереди

Отличие такой СМО от других СМО, состоит в том, что время ожидания обслуживания, когда заявка находится в очереди, считается случайной величиной, распределённой по показательному закону с параметром , где – среднее время ожидания заявки в очереди, а – имеет смысл интенсивности потока ухода заявок из очереди. Граф такой СМО изображён на рисунке 7.

Рисунок 7 – Граф многоканальной СМО с ограниченной очередью и ограниченным временем ожидания в очереди

Выражения для финальных вероятностей

,

где . Вероятность образования очереди определяется формулой:

Отказ в обслуживании заявки происходит, когда все m мест в очереди заняты, т.е. вероятность отказа в обслуживании:

Относительная пропускная способность:

Абсолютная пропускная способность:

Среднее число заявок, находящихся в очереди находится по формуле

Среднее число заявок, обслуживаемых в СМО, находится по формуле

Среднее время пребывания заявки в СМО складывается из среднего времени ожидания в очереди и среднего времени обслуживания заявки:

Системы массового обслуживания с ожиданием

Одноканальная СМО с ожиданием

Будем нумеровать состояния СМО по числу заявок, находящихся в системе (как обслуживаемых, так и ожидающих обслуживания):

— канал свободен;

— канал занят, очереди нет;

— канал занят, одна заявка стоит в очереди;

— канал занят, k-1 заявок стоят в очереди;

— канал занят, т-заявок стоят в очереди.

ГСП показан на рис. 8. Все интенсивности потоков событий, переводящих в систему по стрелкам слева направо, равны , а справа налево — . Действительно, по стрелкам слева направо систему переводит поток заявок (как только придет заявка, система переходит в следующее состояние), справа же налево — поток «освобождений» занятого канала, имеющий интенсивность (как только будет обслужена очередная заявка, канал либо освободится, либо уменьшится число заявок в очереди).

Рис. 8. Одноканальная СМО с ожиданием

(21).

Относительная пропускная способность:

(22).

Абсолютная пропускная способность:

.

Средняя длина очереди.

.

С вероятностью в очереди стоит одна заявка, с вероятностью — две заявки, вообще с вероятностью в очереди стоят k-1 заявок, и т.д., откуда:

( 23).

Поскольку , сумму в (23) можно трактовать как производную по от суммы геометрической прогрессии:

.

Подставляя данное выражение в (23) и используя из (20), окончательно получаем:

(24).

Среднее число заявок .

(25).

Среднее время ожидания заявки в очереди.

,

если подставить сюда выражения для вероятностей (20), получим:

(26).

(27).

Среднее время пребывания заявки в системе. .

.

Пример 1. Автозаправочная станция (АЗС) представляет собой СМО с одним каналом обслуживания (одной колонкой).

Площадка при станции допускает пребывание в очереди на заправку не более трех машин одновременно (m = 3). Если в очереди уже находятся три машины, очередная машина, прибывшая к станции, в очередь не становится. Поток машин, прибывающих для заправки, имеет интенсивность =1 (машина в минуту). Процесс заправки продолжается в среднем 1,25 мин.

относительную и абсолютную пропускную способности АЗС;

среднее число машин, ожидающих заправки;

среднее число машин, находящихся на АЗС (включая обслуживаемую);

среднее время ожидания машины в очереди;

среднее время пребывания машины на АЗС (включая обслуживание).

Иначе говоря, среднее время ожидания равно среднему числу заявок в очереди, деленному на интенсивность потока заявок.

Системы с неограниченным ожиданием.

В таких системах значение т не ограничено и, следовательно, основные характеристики могут быть получены путем предельного перехода в ранее полученных выражениях (17), (18) и т.п.

При отсутствии ограничений по длине очереди каждая заявка, пришедшая в систему, будет обслужена, поэтому q=1, .

Среднее число заявок в очереди получим из (24) при :

.

Среднее число заявок в системе по формуле (25) при :

.

Среднее время ожидания получим из формулы (26) при :

.

Наконец, среднее время пребывания заявки в СМО есть:

.

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:

— все каналы свободны;

— занят один канал, остальные свободны;

— заняты -каналов, остальные нет;

— заняты все -каналов, свободных нет;

— 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

(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 .

Среднее число заявок в очереди получим при из (31):

,

а среднее время ожидания — из (32): .

Среднее число занятых каналов .

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:

— все каналы свободны;

— занят один канал;

— заняты два канала;

— заняты все n-каналов;

— 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 : (36)

Среднее число заявок в очереди.

,

Среднее число занятых каналов

.

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.

ρ = .

Вероятность простоя системы определяется формулой

Р ₀ = .

Финальные вероятности состояний системы:

P _k = при k _k = при .

Через эти вероятности выражается среднее число занятых каналов

= P ₁ + 2 P ₂ +…+n(P _n +P _{n+ 1} +…+P _s ) или

=P ₁ + 2 P ₂ +…+(n- 1 )P _{n- 1} +n( 1 -P ₀ -P ₁ -…-P _n-1 ).

Через находим абсолютную пропускную способность системы:

A = ,

а также среднее число заявок в системе

Пример 1 . 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 . На вход трехканальной СМО с неограниченной очередью поступает поток заявок с интенсивностью =4 заявки в час, среднее время обслуживания одной заявки t =1/μ=0,5 ч. Найти показатели эффективности работы системы.

Для рассматриваемой системы n =3, =4, μ=1/0,5=2, ρ= /μ=2, ρ/ n =2/3

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).

Источник