В коммерческой деятельности в качестве одноканалыюй СМО с неограниченным ожиданием является, например, коммерческий директор, поскольку он, как правило, вынужден выполнять обслуживание заявок различной природы: документы, переговоры по телефону, встречи и беседы с подчиненными, представителями налоговой инспекции, полиции, товароведами, маркетологами, поставщиками продукции и решать задачи в товарно-финансовой сфере с высокой степенью финансовой ответственности, что связано с обязательным выполнением запросов, которые ожидают иногда нетерпеливо выполнения своих требований, а ошибки неправильного обслуживания, как правило, экономически весьма ощутимы.
В то же время товары, завезенные для продажи (обслуживания), находясь на складе, образуют очередь на обслуживание (продажу). Длину очереди составляет количество товаров, предназначенных для продажи. В этой ситуации продавцы выступают в роли каналов, обслуживающих товары. Если количество товаров, предназначенных для продажи, велико, то в этом случае мы имеем дело с типичным случаем СМО с ожиданием.
Рассмотрим простейшую одноканальную СМО с ожиданием обслуживания, на которую поступает пуассоновский поток заявок с интенсивностью X и интенсивностью обслуживания р. Причем заявка, поступившая в момент, когда канал занят обслуживанием, ставится в очередь и ожидает обслуживания. Размеченный граф состояний такой системы приведен на рис. 5.17.
Рис. 5.17
Количество возможных состояний ее бесконечно:
So - канал свободен, очереди нет, k = 0;
S - канал занят обслуживанием, очереди нет, k = 1; S 2 - канал занят, одна заявка в очереди, k = 2;
5/, - канал занят (k - 1), заявка в очереди.
Модели оценки вероятности состояний СМО с неограниченной очередью можно получить из формул, выведенных для СМО с ограниченной очередью, путем перехода к пределу при т >
Следует заметить, что для СМО с ограниченной длиной очереди в формуле
имеет место геометрическая прогрессия с первым членом 1 и знаменателем р. Такая последовательность представляет собой сумму бесконечного числа членов при т -*? оо. Эта сумма сходится, если прогрессия, бесконечно убывающая при р 1 очередь при t -* оо с течением времени может расти до бесконечности.
Поскольку в рассматриваемой СМО ограничение на длину очереди отсутствует, то любая заявка может быть обслужена, поэтому Pofc = 1, следовательно, относительная пропускная способность Q = р 0 б с = 1, соответственно р ОТК = О, а абсолютная пропускная способность А = XQ = X, L 0 ^ = р.
Вероятность пребывания в очереди k заявок равна
Среднее число заявок в очереди
Среднее число заявок в системе
Среднее время ожидания обслуживания в очереди
Среднее время пребывания заявки в системе
Если в одноканальной СМО с ожиданием интенсивность поступления заявок больше интенсивности обслуживания, % > р, то очередь будет постоянно увеличиваться. В связи с этим наибольший интерес представляет анализ устойчивых СМО, работающих в стационарном режиме при X р, р
Пример 5.18. Булочная «Горячий хлеб» имеет одного контроле- ра-кассира. В течение часа приходят в среднем 54 покупателя. Средняя стоимость одной покупки составляет 7 руб. Среднее время обслуживания контролером-кассиром одного покупателя составляет 1 мин. Определим выручку от продажи, характеристики СМО и проведем анализ ее работы.
Решение
По условиям задачи п = 1; X = 54 ед/ч; р = 60 ед/ч, и поскольку р = Х/р = 0,9, то очередь нс будет расти бесконечно, следовательно, предельные вероятности существуют:
Вероятность того, что контролер-кассир свободен,
Вероятность того, что контролер-кассир занят работой,
Среднее число покупателей в очереди
Среднее время пребывания покупателя в булочной
Среднее число покупателей в булочной
Вероятность того, что в булочной находятся 1, 2, 3,4 человека, а следовательно, ожидают расчета в очереди у контролера-кассира 1, 2, 3 человека соответственно
Вероятность того, что ожидают расчета у контролера-кассира не более трех человек, равна
Доля времени простоя контролера-кассира составляет всего 10% от продолжительности рабочего дня, однако время ожидания обслуживания в очереди ощутимо - 9 мин, поэтому следует уменьшать время обслуживания t of -)C , введя дополнительный кассовый аппарат и соответственно контролера-кассира, иначе покупатели будут уходить в другое торговое предприятие, что приведет к ухудшению экономических показателей хозяйственной деятельности, в частности к уменьшению выручки от продажи хлеба и образованию остатков хлеба па следующий день и к потере его качества.
Пример 5.19. Интенсивность потока автомобилей на АЗС к колонке за бензином АИ-92 составляет 30 автомобилей в час, а среднее время заправки равно 5 мин. Проведем анализ работы системы массового обслуживания АЗС.
Решение
X = 30 ед/ч; = 5 мин = 1/12 ч.
Определим характеристики СМО. Интенсивность нагрузки:
Поскольку р > 1, то АЭС не будет работать в стационарном режиме и очередь будет постоянно увеличиваться, поэтому необходимо ввести еще одну колонку с бензином АИ-92 или уменьшить время обслуживания до величины ~ 1,9 мин, тогда
следовательно, р
Пример 5.20. В парикмахерской работает только один мужской мастер. Среднее время стрижки одного клиента составляет 20 мин. Клиенты в среднем приходят каждые 25 мин. Средняя стоимость стрижки составляет 60 руб. Как в первую смену с 9 до 15 ч, так и во вторую - с 15 до 21 ч работает один мастер. Провести анализ работы системы обслуживания.
Решение
п = 1; X = 2,4 клиента/ч; t Q fc = 20 мин = 1/3 ч.
Интенсивность нагрузки
Долю времени простоя мастера
Вероятность того, что мастер занят работой,
Среднее число клиентов в очереди
Среднее время ожидания в очереди
Среднее время пребывания клиентов в парикмахерской
Система работает вполне удовлетворительно. Поскольку р X = 4 клиента/ч, то интенсивность нагрузки составит р > 1 и очередь будет постоянно увеличиваться, что приведет к неустойчивому режиму работы СМО.
На практике довольно часто встречаются одноканальные СМО с очередью (врач, обслуживающий пациентов; телефон-автомат с одной будкой; ЭВМ, выполняющая заказы пользователей). В теории массового обслуживания одноканальные СМО с очередью также занимают особое место (именно к таким СМО относится большинство полученных до сих пор аналитических формул для немарковских систем). Поэтому мы уделим одноканальной СМО с очередью особое внимание.
Пусть имеется одноканальная СМО с очередью, на которую не наложено никаких ограничений (ни по длине очереди, ни по времени ожидания). На эту СМО поступает поток заявок с интенсивностью λ; поток обслуживаний имеет интенсивность μ, обратную среднему времени обслуживания заявки tоб. Требуется найти финальные вероятности состояний СМО, а также характеристики ее эффективности:
Lсист - среднее число заявок в системе,
Wсист - среднее время пребывания заявки в системе,
Lоч - среднее число заявок в очереди,
Woч - среднее время пребывания заявки в очереди,
Рзан - вероятность того, что канал занят (степень загрузки канала).
Что касается абсолютной пропускной способности А и относительной Q, то вычислять их нет надобности: в силу того, что очередь неограниченна, каждая заявка рано или поздно будет обслужена, поэтому А=λ, по той же причине Q = 1.
Решение. Состояния системы, как и раньше, будем нумеровать по числу заявок, находящихся в СМО:
S0 - канал свободен,
S1 - канал занят (обслуживает заявку), очереди нет,
S2 - канал занят, одна заявка стоит в очереди,
Sk - канал занят, k - 1 заявок стоят в очереди.
Теоретически число состояний ничем не ограничено (бесконечно). Граф состояний имеет вид, показанный на рис. 4.11. Это - схема гибели и размножения, но с бесконечным числом состояний. По всем стрелкам поток заявок с интенсивностью λ переводит систему слева направо, а справа налево - поток обслуживаний с интенсивностью μ.
Рис. 4.11. Граф состояний СМО в виде схемы гибели и размножения с бесконечным числом состояний
Прежде всего, спросим себя, а существуют ли в этом случае финальные вероятности? Ведь число состояний системы бесконечно, и, в принципе, при t→∞ очередь может неограниченно возрастать! Да, так оно и есть: финальные вероятности для такой СМО существуют не всегда, а только когда система не перегружена. Можно доказать, что если р строго меньше единицы (р<1), то финальные вероятности существуют, а при р ≥ 1 очередь при t →∞ растет неограниченно. Особенно «непонятным» кажется этот факт при р = 1. Казалось бы, к системе не предъявляется невыполнимых требований: за время обслуживания одной заявки приходит в среднем одна заявка, и все должно быть в порядке, а вот на деле - не так. При р = 1 СМО справляется с потоком заявок, только если поток этот - регулярен, и время обслуживания - тоже не случайное, равное интервалу между заявками. В этом «идеальном» случае очереди в СМО вообще не будет, канал будет непрерывно занят и будет регулярно выпускать обслуженные заявки. Но стоит только потоку заявок или потоку обслуживаний стать хотя бы немного случайными - и очередь уже будет расти до бесконечности. На практике этого не происходит только потому, что «бесконечное число заявок в очереди» - абстракция. Вот к каким грубым ошибкам может привести замена случайных величин их математическими ожиданиями!
Но вернемся к нашей одноканальной СМО с неограниченной очередью. Строго говоря, формулы для финальных вероятностей в схеме гибели и размножения выводились нами только для случая конечного числа состояний, но воспользуемся ими и для бесконечного числа состояний. Подсчитаем финальные вероятности состояний по формулам (4.21), (4.20). В нашем случае число слагаемых в формуле (4.21) будет бесконечным. Получим выражение для р0:
откудаВероятности р1, р2, ..., рk, ... найдутся по формулам:
откуда, с учетом (4.38), найдем окончательно:
p 1 = ρ(1 - ρ), = ρ2(1- ρ), . . ., pk = ρ4(1- ρ), . . . (4.39)
Как видно, вероятности р0, р1, ..., pk, ... образуют геометрическую прогрессию со знаменателем р. Как это ни странно, максимальная из них р0 - вероятность того, что канал будет вообще свободен. Как бы ни была нагружена система с очередью, если только она вообще справляется с потоком заявок (р <1), самое вероятное число заявок в системе будет 0.
Найдем среднее число заявок в СМО Lсист. Случайная величина Z - число заявок в системе - имеет возможные значения 0, 1, 2, ..., k, ... с вероятностями р0, р1, p2, ..., рk, ... Ее математическое ожидание равно
| |
(сумма берется не от 0 до ∞, а от 1 до ∞, так как нулевой член равен нулю).
Подставим в формулу (4.40) выражение для рk (4.39):
Теперь вынесем за знак суммы р (1 - р):
Тут мы опять применим «маленькую хитрость»: kpk-1 есть не что иное, как производная по р от выражения рk; значит,
Меняя местами операции дифференцирования и суммирования, получим:
Ну, а теперь применим формулу Литтла (4.25) и найдем среднее время пребывания заявки в системе:
| |
Найдем среднее число заявок в очереди Lоч. Будем рассуждать так: число заявок в очереди равно числу заявок в системе минус число заявок, находящихся под обслуживанием. Значит (по правилу сложения математических ожиданий), среднее число заявок в очереди Lоч равно среднему числу заявок в системе Lсист минус среднее число заявок под обслуживанием. Число заявок под обслуживанием может быть либо нулем (если канал свободен), либо единицей (если он занят). Математическое ожидание такой случайной величины равно вероятности того, что канал занят (мы ее обозначили Рзан). Очевидно, Рзан равно единице минус вероятность р0 того, что канал свободен:
и окончательно
Таким образом, все характеристики эффективности СМО найдены.
Предложим читателю самостоятельно решить пример: одноканальная СМО представляет собой железнодорожную сортировочную станцию, на которую поступает простейший поток составов с интенсивностью λ = 2 (состава в час). Обслуживание (расформирование) состава длится случайное (показательное) время со средним значением tоб = 20 (мин.). В парке прибытия станции имеются два пути, на которых могут ожидать обслуживания прибывающие составы; если оба пути заняты, составы вынуждены ждать на внешних путях. Требуется найти (для предельного, стационарного режима работы станции): среднее число составов Lсист, связанных со станцией, среднее время Wсист пребывания состава при станции (на внутренних путях, на внешних путях и под обслуживанием), среднее число Lоч составов, ожидающих очереди на расформирование (все равно, на каких путях), среднее время Wоч пребывания состава на очереди. Кроме того, попытайтесь найти среднее число составов, ожидающих расформирования на внешних путях Lвнеш и среднее время этого ожидания Wвнеш (две последние величины связаны формулой Литтла). Наконец, найдите суммарный суточный штраф Ш, который придется заплатить станции за простои составов на внешних путях, если за один час простоя одного состава станция платит штраф а (руб.). На всякий случай сообщаем ответы: Lcист = 2 (состава), Wсист = i (час), Lоч = 4/3 (состава), Wоч = 2/3 (часа), Lвнеш = 16/27 (состава), Wвнеш = 8/27 ≈ 0,297 (часа). Средний суточный штраф Ш за ожидание составов на внешних путях получим, перемножая среднее число составов, прибывающих на станцию за сутки, среднее время ожидания состава на внешних путях и часовой штраф а: Ш ≈ 14,2а.
В коммерческой деятельности в качестве одноканальной СМО с неограниченным ожиданием является, например, коммерческий директор, поскольку он, как правило, вынужден выполнять обслуживание заявок различной природы: документы, переговоры по телефону, встречи и беседы с подчиненными, представителями налоговой инспекции, милиции, товароведами, маркетологами, поставщиками продукции и решать задачи в товарно-финансовой сфере с высокой степенью финансовой ответственности, что связано с обязательным выполнением запросов, которые ожидают иногда нетерпеливо выполнения своих требований, а ошибки неправильного обслуживания, как правило, экономически весьма ощутимы.
В то же время товары, завезенные для продажи (обслуживания), находясь на складе, образуют очередь на обслуживание (продажу).
Длину очереди составляет количество товаров, предназначенных для продажи. В этой ситуации продавцы выступают в роли каналов, обслуживающих товары. Если количество товаров, предназначенных для продажи, велико, то в этом случае мы имеем дело с типичным случаем СМО с ожиданием.
Рассмотрим простейшую одноканальную СМО с ожиданием обслуживания, на которую поступает пуассоновский поток заявок с интенсивностью л и интенсивностью обслуживания µ.
Причем заявка, поступившая в момент, когда канал занят обслуживанием, ставится в очередь и ожидает обслуживания.
Размеченный граф состояний такой системы приведен на рис. 3.5
Количество возможных состояний ее бесконечно:
Канал свободен, очереди нет, ;
Канал занят обслуживанием, очереди нет, ;
- - канал занят, одна заявка в очереди, ;
- - канал занят, заявка в очереди.
Модели оценки вероятности состояний СМО с неограниченной очередью можно получить из формул, выделенных для СМО с неограниченной очередью, путем перехода к пределу при m>?:
Рис. 3.5
Следует заметить, что для СМО с ограниченной длиной очереди в формуле
имеет место геометрическая прогрессия с первым членом 1 и знаменателем. Такая последовательность представляет собой сумму бесконечного числа членов при. Эта сумма сходится, если прогрессия, бесконечно убывающая при, что определяет установившийся режим работы СМО, с при очередь при с течением времени может расти до бесконечности.
Поскольку в рассматриваемой СМО ограничение на длину очереди отсутствует, то любая заявка может быть обслужена, поэтому, следовательно, относительная пропускная способность, соответственно, а абсолютная пропускная способность
Вероятность пребывания в очереди k заявок равна:
Среднее число заявок в очереди -
Среднее число заявок в системе -
Среднее время пребывания заявки в системе -
Среднее время пребывания заявки с системе -
Если в одноканальной СМО с ожиданием интенсивность поступления заявок больше интенсивности обслуживания, то очередь будет постоянно увеличиваться. В связи с этим наибольший интерес представляет анализ устойчивых СМО, работающих в стационарном режиме при.
Назначение сервиса СМО . Онлайн-калькулятор предназначен для расчета следующих показателей одноканальных СМО:- вероятность отказа канала, вероятность свободного канала, абсолютная пропускная способность;
- относительная пропускная способность, среднее время обслуживания, среднее время простоя канала.
Инструкция . Для решения подобных задач в онлайн режиме выберите модель СМО. Укажите интенсивность потока заявок λ и интенсивность потока обслуживания μ . Для одноканальной СМО с ограниченной длиной очереди можно указать длину очереди m , а для одноканальной СМО с неограниченной очередью - число заявок в очереди (для расчета вероятности нахождения этих заявок в очереди). см. пример решения . . Полученное решение сохраняется в файле Word .
Классификация одноканальных систем массового обслуживания
Пример №1 . Авто заправочная станция имеет одну бензоколонку. Предполагается что простейший поток автомашин поступает на станцию с интенсивностью λ=11 автомашин/ч. Время обслуживания заявки случайная величина которая подчиняется экспоненциальному закону с параметром μ=14 автомашин/ч. Определить среднее число автомашин на станции.
Пример №2
. Имеется пункт проведения профилактического осмотра машин с одной группой проведения осмотра. На осмотр и выявление дефектов каждой машины затрачивается в среднем 0,4 часа. На осмотр поступает в среднем 328 машин в сутки. Потоки заявок и обслуживаний - простейшие. Если машина, прибывшая в пункт осмотра не застает ни одного канала свободным, она покидает пункт осмотра необслуженной. Определить предельные вероятности состояний и характеристики обслуживания пункта профилактического осмотра.
Решение. Здесь α = 328/24 ≈ = 13.67, t = 0.4. Эти данные необходимо ввести в калькулятор.
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:
- 1 - в очереди стоит одна заявка,
- 2 - в очереди две заявки,
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
