Системы массового обслуживания с ожиданием
Рассмотрим простейшую СМО с ожиданием -- одноканальную систему (n - 1), в которую поступает поток заявок с интенсивностью ; интенсивность обслуживания (т.е. в среднем непрерывно занятый канал будет выдавать обслуженных заявок в единицу (времени). Заявка, поступившая в момент, когда канал занят, становится в очередь и ожидает обслуживания.
Система с ограниченной длиной очереди. Предположим сначала, что количество мест в очереди ограничено числом m, т.е. если заявка пришла в момент, когда в очереди уже стоят m-заявок, она покидает систему не обслуженной. В дальнейшем, устремив m к бесконечности, мы получим характеристики одноканальной СМО без ограничений длины очереди.
Будем нумеровать состояния СМО по числу заявок, находящихся в системе (как обслуживаемых, так и ожидающих обслуживания):
-- 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. 4. 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. 4. Одноканальная СМО с ожиданием
Изображенная на рис. 4 схема представляет собой схему размножения и гибели. Напишем выражения для предельных вероятностей состояний:
или с использованием: :
Последняя строка в (6) содержит геометрическую прогрессию с первым членом 1 и знаменателем р, откуда получаем:
в связи с чем предельные вероятности принимают вид:
Выражение (7) справедливо только при < 1 (при = 1 она дает неопределенность вида 0/0). Сумма геометрической прогрессии со знаменателем = 1 равна m+2, и в этом случае:
Определим характеристики СМО: вероятность отказа , относительную пропускную способность q, абсолютную пропускную способность А, среднюю длину очереди , среднее число заявок, связанных с системой , среднее время ожидания в очереди , среднее время пребывания заявки в СМО .
Вероятность отказа. Очевидно, заявка получает отказ только в случае, когда канал занят и все т-мест в очереди тоже:
Относительная пропускная способность:
Абсолютная пропускная способность:
Средняя длина очереди. Найдем среднее число -заявок, находящихся в очереди, как математическое ожидание дискретной случайной величины R--числа заявок, находящихся в очереди:
С вероятностьюв очереди стоит одна заявка, с вероятностью-- две заявки, вообще с вероятностьюв очереди стоят k-1 заявок, и т.д., откуда:
Поскольку , сумму в (11) можно трактовать как производную по от суммы геометрической прогрессии:
Подставляя данное выражение в (11) и используя из (8), окончательно получаем:
Среднее число заявок, находящихся в системе. Получим далее формулу для среднего числа -заявок, связанных с системой (как стоящих в очереди, так и находящихся на обслуживании). Поскольку , где -- среднее число заявок, находящихся под обслуживанием, а k известно, то остается определить . Поскольку канал один, число обслуживаемых заявок может равняться 0 (с вероятностью ) или 1 (с вероятностью 1 - ), откуда:
и среднее число заявок, связанных с СМО, равно:
Среднее время ожидания заявки в очереди. Обозначим его ; если заявка приходит в систему в какой-то момент времени, то с вероятностью канал обслуживания не будет занят, и ей не придется стоять в очереди (время ожидания равно нулю). С вероятностью она придет в систему во время обслуживания какой-то заявки, но перед ней не будет очереди, и заявка будет ждать начала своего обслуживания в течение времени (среднее время обслуживания одной заявки). С вероятностью в очереди перед рассматриваемой заявкой будет стоять еще одна, и время ожидания в среднем будет равно , и т.д.
Если же k=m+1, т.е. когда вновь приходящая заявка застает канал обслуживания занятым и m-заявок в очереди (вероятность этого ), то в этом случае заявка не становится в очередь (и не обслуживается), поэтому время ожидания равно нулю. Среднее время ожидания будет равно:
если подставить сюда выражения для вероятностей (8), получим:
Здесь использованы соотношения (11), (12) (производная геометрической прогрессии), а также из (8). Сравнивая это выражение с (12), замечаем, что иначе говоря, среднее время ожидания равно среднему числу заявок в очереди, деленному на интенсивность потока заявок.
Среднее время пребывания заявки в системе. Обозначим - матожидание случайной величины -- время пребывания заявки в СМО, которое складывается из среднего времени ожидания в очереди и среднего времени обслуживания . Если загрузка системы составляет 100%, очевидно, , в противном же случае:
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.
Находим вначале приведенную интенсивность потока заявок: =1/1,25=0,8; =1/0,8=1,25.
Вероятность отказа 0,297.
Относительная пропускная способность СМО: q=1-=0,703.
Абсолютная пропускная способность СМО: A==0,703 машины в мин.
Среднее число машин в очереди находим по формуле (12):
т.е. среднее число машин, ожидающих в очереди на заправку, равно 1,56.
Прибавляя к этой величине среднее число машин, находящихся под обслуживанием:
получаем среднее число машин, связанных с АЗС.
Среднее время ожидания машины в очереди по формуле (15):
Прибавляя к этой величине , получим среднее время, которое машина проводит на АЗС:
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 (5), (6) и т.п.
Заметим, что при этом знаменатель в последней формуле (6) представляет собой сумму бесконечного числа членов геометрической прогрессии. Эта сумма сходится, когда прогрессия бесконечно убывающая, т.е. при <1.
Может быть доказано, что <1 есть условие, при котором в СМО с ожиданием существует предельный установившийся режим, иначе такого режима не существует, и очередь при будет неограниченно возрастать. Поэтому в дальнейшем здесь предполагается, что <1.
Если, то соотношения (8) принимают вид:
При отсутствии ограничений по длине очереди каждая заявка, пришедшая в систему, будет обслужена, поэтому q=1, .