【数学建模算法】(18)排队论:M/M/s等待制排队模型

1.单服务台模型

单服务台等待制模型M/M/1/\infty是指:顾客的相机到达时间服从参数为\lambda的负指数分布,服务台个数为1,服务时间V服从参数为\mu的负指数分布,系统空间无限,允许无限排队,这是一类最简单的排队系统。

1.1.队长的分布

p_{n}=P\{N=n\} \quad(n=0,1,2, \cdots)为系统到达平衡状态后队长N的概率分布,则由(17)中关于指数分布的分析,并注意到\lambda_{n}=\lambda, n=0,1,2, \cdots\mu_{n}=\mu, n=0,1,2, \cdots。记\rho=\frac{\lambda}{\mu}
并设\rho<1(否则队列将排至无限远),则:C_{n}=\left(\frac{\lambda}{\mu}\right)^{n}, \quad n=1,2, \cdots
所以:p_{n}=\rho^{n} p_{0}, \quad n=1,2, \cdots
其中p_{0}=\frac{1}{1+\sum_{n=1}^{\infty} \rho^{n}}=\left(\sum_{n=0}^{\infty} \rho^{n}\right)^{-1}=\left(\frac{1}{1-\rho}\right)^{-1}=1-\rho
因此p_{n}=(1-\rho) \rho^{n}, \quad n=1,2, \cdots
上面两个公式废除了在平衡条件下系统中顾客数为n的概率。由上式可以看出,\rho是系统中至少有一个顾客的概率,也就是服务台处于忙的状态的概率,因此,因此也成\rho为服务强度,它反映了系统繁忙的程度。此外,上述式子的推导前提是\rho=\frac{\lambda}{\mu}<1即要求顾客的平均到达率小于系统的平均服务率,才能使系统达到统计平衡。

1.2.几个主要性能指标

已经得到概率分布,可以求得期望,期望即为平均队长:
\begin{aligned} L_{s} &=\sum_{n=0}^{\infty} n p_{n}=\sum_{n=1}^{\infty} n(1-\rho) \rho^{n} \\ &=\left(\rho+2 \rho^{2}+3 \rho^{3}+\cdots\right)-\left(\rho^{2}+2 \rho^{3}+3 \rho^{4}+\cdots\right) \\ &=\rho+\rho^{2}+\rho^{3}+\cdots=\frac{\rho}{1-\rho}=\frac{\lambda}{\mu-\lambda} \end{aligned}
平均排队长是:
L_{q}=\sum_{n=1}^{\infty}(n-1) p_{n}=L-\left(1-p_{0}\right)=L-\rho=\frac{\lambda^{2}}{\mu(\mu-\lambda)}

关于顾客在系统中的逗留时间T,可说明它服从参数为\mu-\lambda的负指数分布,即P\{T>t\}=e^{-(\mu-\lambda) t}, \quad t \geq 0
可直接得到平均逗留时间:W_{s}=\frac{1}{\mu-\lambda}
因此,顾客在系统中的逗留时间为等待时间T_{q}和接受服务时间V之和,即:T_{s}=T_{q}+V
故由:W_{s}=E(T)=E\left(T_{q}\right)+E(V)=W_{q}+\frac{1}{\mu}
可得等待时间W_{q}为:W_{q}=W_{s}-\frac{1}{\mu}=\frac{\lambda}{\mu(\mu-\lambda)}

L_{s}与平均逗留时间W_{s}具有关系:
L_{s}=\lambda W_{s}
同理,平均排队长L_{q}与平均等待时间W_{q}具有关系
L_{q}=\lambda W_{q}

上面两个公式称为Littile公式,是排队论中一个非常重要的公式。

1.3.忙期和闲期

在平衡状态下,忙期B和闲期I一般为随机变量,求取它们的分布是比较麻烦的。因此,我们来求一下平均忙期\overline{B}和平均闲期\overline{I}。由于忙期和闲期出现的概率分别为\rho1-\rho,所以在一段时间内可以认为忙期和闲期的总长度之比为\rho :(1-\rho)。又因为忙期和闲期是交替出现的,所以在充分长的时间里,它们出现的平均次数应是相同的。于是,忙期的平均长度\overline{B}和闲期的平均长度\overline{I}之比也应是\rho :(1-\rho),即
\frac{\overline{B}}{\overline{I}}=\frac{\rho}{1-\rho}
又因为在到达为 Poisson 流时,根据负指数分布的无记忆性和到达与服务相互独立的假设,容易证明从系统空闲时刻起到下一个顾客到达时刻止(即闲期)的时间间隔仍服从参数为\lambda 的负指数分布,且与到达时间间隔相互独立。因此,平均闲期应为\frac{1}{\lambda},这样,便求得平均忙期为:
\overline{B}=\frac{\rho}{1-\rho} \cdot \frac{1}{\lambda}=\frac{1}{\mu-\lambda}
可发现,平均逗留时间\left(W_{s}\right)=平均忙期(\overline{B})
从直观上看,顾客在系统中逗留的时间越长,服务员连续繁忙的时间也就越长。

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 213,186评论 6 492
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 90,858评论 3 387
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 158,620评论 0 348
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 56,888评论 1 285
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 66,009评论 6 385
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 50,149评论 1 291
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 39,204评论 3 412
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 37,956评论 0 268
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 44,385评论 1 303
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 36,698评论 2 327
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 38,863评论 1 341
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 34,544评论 4 335
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 40,185评论 3 317
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,899评论 0 21
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,141评论 1 267
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 46,684评论 2 362
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 43,750评论 2 351

推荐阅读更多精彩内容