Понятие и классификация систем массового обслуживания
СМО описываются некоторыми параметрами, которые характеризуют эффективность работы системы.
– число каналов в СМО;
– интенсивность поступления в СМО заявок;
– интенсивность обслуживания заявок;
– коэффициент загрузки СМО;
– число мест в очереди;
– вероятность отказа в обслуживании поступившей в СМО заявки;
– вероятность обслуживания поступившей в СМО заявки (относительная пропускная способность СМО);
При этом:
(8)
А – среднее число заявок, обслуживаемых в СМО в единицу времени (абсолютная пропускная способность СМО)
(9)
– среднее число заявок, находящихся в СМО
– среднее число каналов в СМО, занятых обслуживанием заявок. В тоже время это – среднее число заявок, обслуживаемых в СМО за единицу времени. Величина определяется как математическое ожидание случайного числа занятых обслуживанием n каналов.
, (10)
где – вероятность нахождения системы в Sk состоянии.
– коэффициент занятости каналов
– среднее время ожидания заявки в очереди
– интенсивность ухода заявок из очереди
– среднее число заявок в очереди. Определяется как математическое ожидание случайной величины m – числа заявок, состоящих в очереди
(11)
Здесь – вероятность нахождения в очереди i заявок;
– среднее время пребывания заявки с СМО
– среднее время пребывания заявки в очереди
Для открытых СМО справедливы соотношения:
(12)
(13)
Эти соотношения называются формулами Литтла и применяются только для стационарных потоков заявок и обслуживания.
Рассмотрим некоторые конкретные типы СМО. При этом будет предполагаться, что плотность распределения промежутка времени между двумя последовательными событиями в СМО имеет показательное распределение (7), а все потоки являются простейшими.
5. Основные типы открытых систем массового обслуживания
5.1 Одноканальная система массового обслуживания с отказами
Размеченный граф состояний одноканальной СМО представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Граф состояний одноканальной СМО
Здесь и – интенсивность потока заявок и выполнения заявок соответственно. Состояние системы So обозначает, что канал свободен, а S1 – что канал занят обслуживанием заявки.
Система дифференциальных уравнений Колмогорова для такой СМО имеет вид:
где po(t) и p1(t) – вероятности нахождения СМО в состояниях So и S1 соответственно. Уравнения для финальных вероятностей po и p1 получим, приравнивая нулю производные в первых двух уравнениях системы. В результате получим:
(14)
(15)
Вероятность p0 по своему смыслу есть вероятность обслуживания заявки pобс, т. к. канал является свободным, а вероятность р1 по своему смыслу является вероятностью отказа в обслуживании поступающей в СМО заявки ротк, т. к. канал занят обслуживанием предыдущей заявки.
5.2 Многоканальная система массового обслуживания с отказамиПусть СМО содержит n каналов, интенсивность входящего потока заявок равна , а интенсивность обслуживания заявки каждым каналом равна . Размеченный граф состояний системы изображён на рисунке 4.
Рисунок 4 – Граф состояний многоканальной СМО с отказами
Состояние S0 означает, что все каналы свободны, состояние Sk (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).
Сравнивая графы на рис. 3 и на рис. 5 легко увидеть, что многоканальная СМО с отказами является частным случаем системы рождения и гибели, если в последней принять и
(16)
При этом для нахождения финальных вероятностей можно воспользоваться формулами (4) и (5). С учётом (16) получим из них:
(17)
(18)
Формулы (17) и (18) называются формулами Эрланга – основателя теории массового обслуживания.
Вероятность отказа в обслуживании заявки ротк равна вероятности того, что все каналы заняты, т.е. система находится в состоянии Sn. Таким образом,
(19)
Относительную пропускную способность СМО найдём из (8) и (19):
(20)
Абсолютную пропускную способность найдём из (9) и (20):
Среднее число занятых обслуживанием каналов можно найти по формуле (10), однако сделаем это проще. Так как каждый занятый канал в единицу времени обслуживает в среднем заявок, то можно найти по формуле:
5.3 Одноканальная система массового обслуживания с ограниченной длиной очередиВ 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 5.
|
Рисунок 5 – Граф состояний одноканальной СМО с ограниченной очередью
Состояния СМО представляются следующим образом:
S0 – канал обслуживания свободен,
S1 – канал обслуживания занят, но очереди нет,
S2 – канал обслуживания занят, в очереди одна заявка,
Sk+1 – канал обслуживания занят, в очереди k заявок,
Sm+1 – канал обслуживания занят, все m мест в очереди заняты.
Для получения необходимых формул можно воспользоваться тем обстоятельством, что СМО на рисунок 5 является частным случаем системы рождения и гибели, представленной на рисунке 2, если в последней принять и
(21)
(22)
(23)
Выражения для финальных вероятностей состояний рассматриваемой СМО можно найти из (4) и (5) с учётом (21). В результате получим:
При р = 1 формулы (22), (23) принимают вид
При m = 0 (очереди нет) формулы (22), (23) переходят в формулы (14) и (15) для одноканальной СМО с отказами.
Поступившая в СМО заявка получает отказ в обслуживании, если СМО находится в состоянии Sm+1, т.е. вероятность отказа в обслуживании заявки равна:
Относительная пропускная способность СМО равна:
Абсолютная пропускная способность равна:
Среднее число заявок, стоящих в очереди Lоч, находится по формуле
и может быть записано в виде:
(24)
При формула (24) принимает вид:
– среднее число заявок, находящихся в СМО, находится по формуле(10)
и может быть записано в виде:
(25)
При , из (25) получим:
Среднее время пребывания заявки в СМО и в очереди находится по формулам (12) и (13) соответственно.
5.4 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 6.
Рисунок 6 – Граф состояний одноканальной СМО с неограниченной очередью
Все характеристики такой СМО можно получить из формул предыдущего раздела, полагая в них . При этом необходимо различать два существенно разных случая: а) ; б) . В первом случае, как это видно из формул (22), (23), р0 = 0 и pk = 0 (при всех конечных значениях k). Это означает, что при очередь неограниченно возрастает, т.е. этот случай практического интереса не представляет.
Рассмотрим случай, когда . Формулы (22) и (23) при этом запишутся в виде:
Поскольку в СМО отсутствует ограничение на длину очереди, то любая заявка может быть обслужена, т.е. относительная пропускная способность равна:
Абсолютная пропускная способность равна:
Среднее число заявок в очереди получим из формулы (24) при :
Среднее число обслуживаемых заявок есть:
Среднее число заявок, находящихся в СМО:
Среднее время пребывания заявки в СМО и в очереди определяются формулами (12) и (13).
5.5 Многоканальная система массового обслуживания с ограниченной очередьюПусть 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 7.
Рисунок 7 – 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).
Сравнение графов на рисунке 2 и рисунке 7 показывает, что последняя система является частным случаем системы рождения и гибели, если в ней сделать следующие замены (левые обозначения относятся к системе рождения и гибели):
Выражения для финальных вероятностей легко найти из формул (4) и (5). В результате получим:
(26)
Образование очереди происходит, когда в момент поступления в СМО очередной заявки все каналы заняты, т.е. в системе находятся либо n, либо (n+1),…, либо (n + m – 1) заявок. Т.к. эти события несовместны, то вероятность образования очереди pоч равна сумме соответствующих вероятностей :
(27)
Отказ в обслуживании заявки происходит, когда все m мест в очереди заняты, т.е.:
Относительная пропускная способность равна:
Абсолютная пропускная способность:
Среднее число заявок, находящихся в очереди, определяется по формуле (11) и может быть записано в виде:
(28)
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 (12) и (13).
5.6 Многоканальная система массового обслуживания с неограниченной очередьюГраф такой СМО изображен на рисунке 8 и получается из графа на рисунке 7 при .
Рисунок 8 – Граф состояний многоканальной СМО с неограниченной очередью
Формулы для финальных вероятностей можно получить из формул для n-канальной СМО с ограниченной очередью при . При этом следует иметь в виду, что при вероятность р0 = р1=…= pn = 0, т.е. очередь неограниченно возрастает. Следовательно, этот случай практического интереса не представляет и ниже рассматривается лишь случай . При из (26) получим:
Формулы для остальных вероятностей имеют тот же вид, что и для СМО с ограниченной очередью:
Из (27) получим выражение для вероятности образования очереди заявок:
Поскольку очередь не ограничена, то вероятность отказа в обслуживании заявки:
Относительная пропускная способность:
Абсолютная пропускная способность:
Из формулы (28) при