理论教育 运筹学-排队模型与性能分析

运筹学-排队模型与性能分析

时间:2023-11-26 理论教育 版权反馈
【摘要】::排队模型和:排队模型在结构上的区别是服务员的个数为C个,即C>1。另外,C=∞时,即为:排队模型。

运筹学-排队模型与性能分析

(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型和(M/M/1):(∞/∞/FCFS)排队模型在结构上的区别是服务员的个数为C个,即C>1。特点是一个服务员在同一时间只为一个顾客服务,当顾客到达后,如果有空闲服务员,就立刻接受服务,否则参加排队。但无论排队的队列形式如何,在服务时的队列只有一个队列。服务员在服务结束后,如果队列中有等待的顾客,就按照先到先服务的原则为下一个顾客服务,其中每个服务员的服务时间都服从均值为1/μ的指数分布

以上关于(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型的特点描述十分重要,不具备这些特点中的任何一个特点,都不是(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型。假如顾客是在每个服务员前形成一个单独的排队队列,并且服务员只为对应队列中的顾客提供服务,那么就不是所谓的(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型,而是C个(M/M/1):(∞/∞/FCFS)排队模型。

根据(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型的特点可知,当顾客数n小于C时,系统的服务强度为nμ,当顾客数n大于等于C个时,系统的服务强度应该为Cμ,即有

基于泊松分布的可加性,系统的服务强度无论是nμ还是Cμ,其仍然服从泊松分布,即可以利用生灭过程的稳态结果来研究本模型的相关运行指标。

1.(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型的相关指标

(1)状态概率分布Pn

根据式(11.11)有

上式的分母分别为

因而有

根据式(11.12)有

对于多个服务员模型,服务员的繁忙度应该为,则有

所以

(2)排队长Lq

当系统有n+C个顾客时,有C个在接受服务,有n个顾客在排队等待,所以

最终有

(3)顾客平均等待时间Wq

把公式(11.43)代入Little公式有

(4)顾客平均停留时间W

基于公式(11.34)和公式(11.44)有

(5)队长L

基于Little公式和公式(11.28)有

需要说明的是,可以把(M/M/1):(∞/∞/FCFS)排队模型看作(M/M/C): (∞/∞/FCFS)排队模型的特例,即当(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型的C=1时即为(M/M/1):(∞/∞/FCFS)排队模型。另外,C=∞时,即为(M/M/∞):(∞/∞/FCFS)排队模型。这是一个典型的服务员为无穷多的系统,相当于每个顾客都是随到随服务,所以系统始终不会出现排队现象。利用(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型的相关公式,不难得到(M/M/∞):(∞/∞/FCFS)排队模型的相关公式。

特别提示

在(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队系统中,因为服务员数量为C个,所以当系统内顾客数n<C时,新到顾客不需要排队,当系统内顾客数n≥C时,新到顾客就需要排队等待。

2.(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型的示例

下面基于例11.1售票排队问题,对(M/M/C):(∞/∞/FCFS)排队模型的相关运行指标进行具体计算。(www.daowen.com)

例11.2 在例11.1的基础上,考虑为了减少购票乘客排队等待的时间,现增设一个售票窗口,即多增加一个售票员。售票员给一个乘客的平均售票时间仍然为2 min,服务时间服从指数分布,现在计算此排队系统的有关运行指标。

解 购票乘客平均到达强度λ=20人/h,售票员平均服务强度μ=30人/h,服务员数目C=2,那么服务员的繁忙度ρ=λ/(Cμ)=20/(2×30)=1/3。

相关运行指标如下:

(1)售票厅内没有购票乘客的概率P0

说明购票乘客到达售票厅后,没有购票乘客即不需要排队的可能性是50%。

(2)排队长Lq

说明此排队系统期望排队的购票乘客数为0.083人。

(3)购票乘客平均等待时间Wq

说明购票乘客的平均等待时间为0.25 min。

(4)购票乘客平均停留时间W:

说明购票乘客的平均停留时间为2.25 min。(5)队长L:

说明此排队系统期望的购票乘客数为0.75人。

(6)购票乘客到达后系统内有4个以上购票乘客的概率P(n>4)。

首先计算出P1、P2、P3、P4,再计算P(n>4),基于公式(11.41)有:

n=1时,有

n=2,3,4时,分别有

那么有

说明购票乘客到达售票厅后,售票厅内有4个以上购票乘客的概率为0.62%。

(7)购票乘客不排队的概率P(n≤1)。

购票乘客到达后不排队,说明售票厅内要么没有购票乘客,要么只有一个购票乘客,据此可计算购票乘客无需排队的概率P(n≤1)。基于公式(11.41)有

说明购票乘客到达售票厅后,马上能购票的可能性是83.3%,购票乘客不得不排队购票的可能性是16.7%。

现在假设将两个售票窗口分设在两个不同的地点,并假设每个地点的到达强度为原来到达强度的一半,即10人/h,仍然服从泊松分布,在这种情况下,我们不难计算出它的队长以及购票乘客的平均停留时间:

这种情况下购票乘客平均停留时间要比两个售票窗口集中设置时大,可见尽管都是设置了两个售票窗口,但采用不同的排队模型,效果就不一样。采用集中使用的方案优于采用分散使用方案(当然包括形式上在一起,实际上是分散使用的方案),这种现象在经济学中称为“规模效益”,所以在考虑服务设施的布局与使用时,需要考虑这一原则。

另外,通过例11.1和例11.2,从排队的角度看,这个铁路售票厅采用(M/M/2):(∞/∞/FCFS)排队模型比采用两个(M/M/1):(∞/∞/FCFS)排队模型要优一些,但铁路售票部门需要增加售票员,这也增加了成本。所以针对一个排队系统,评价它的优劣不能只从顾客角度或服务机构角度来单一考虑,至于如何使排队系统最优,在后面章节的排队论在决策中的应用中再分析。

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