排队论及相关程序.doc

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1、排队论排队论又称随机服务系统，它应用于一切服务系统，包括生产管理系统、通信系统、交通系统、计算机存储系统。它通过建立一些数学模型，以对随机发生的需求提供服务的系统预测。现实生活中如排队买票、病人排队就诊、轮船进港、高速路上汽车通过收费站、机器等待修理等等。一、排队论的基本构成（1）输入过程输入过程是描述顾客是按照怎样的规律到达排队系统的。包括：顾客总体：顾客的来源是有限的还是无限的。到达的类型：顾客到达是单个到达还是成批到达。相继顾客到达的时间间隔：通常假定是相互独立同分布，有的是等间隔到达，有的是服从负指数分布，有的是服从k阶Erlang分布。（2）排队规则排队规则指顾客按怎样的规定的次序接

2、受服务。常见的有等待制，损失制，混合制，闭合制。当一个顾客到达时所有服务台都不空闲，则此顾客排队等待直到得到服务后才离开，称为等待制。在等待制中，可以采用先到先服务，如排队买票；也有后到先服务，如天气预报；也有随机服务，如服务；也有有优先权的服务，如危重病人可优先看病。当一个顾客到来时，所有服务台都不空闲，则该顾客立即离开不等待，称为损失制。顾客排队等候的人数是有限长的，称为混合制度。当顾客对象和服务对象相同且固定时是闭合制。如几名维修工人固定维修某个工厂的机器就属于闭合制。(3)服务机构服务机构主要包括：服务台的数量；服务时间服从的分布，常见的有定长分布、负指数分布、几何分布等。二、排队系统

3、的数量指标(1)队长与等待队长队长（通常记为）是指系统中的平均顾客数（包括正在接受服务的顾客）。等待队长（通常记为）指系统中处于等待的顾客的数量。显然，队长等于等待队长加上正在服务的顾客数。(2)等待时间顾客的平均逗留时间（通常记为）是指顾客进入系统到离开系统这段时间，包括等待时间和接受服务的时间。顾客的平均等待时间（通常记为）是指顾客进入系统到接受服务这段时间。(3)忙期从顾客到达空闲的系统，服务立即开始，直到再次变为空闲，这段时间是系统连续繁忙的时期，称之为系统的忙期。它反映了系统中服务机构工作强度，是衡量服务系统利用效率的指标，即：服务强度=忙期/服务总时间=1闲期/服务总时间闲期与忙期

4、对应的系统的空闲时间，也就是系统连续保持空闲的时间长度。三、排队论中的符号表示排队论中的记号是20世纪50年代初由D.G.Kendall引入的，通常由35个字母组成，形式为： A/B/C/n其中A表示输入过程，B代表服务时间，C代表服务台数量，n表示系统空间数。M-负指数分布;D-确定型; Ek-k阶埃尔朗分布；GI-一般相互独立分布；G-一般随机分布等。如：(1) M/M/S/表示输入过程是Poisson流，即，服务时间服从负指数分布，即；系统有S个服务台平行服务，系统容量为无穷大的等待制排队系统。(2) M/G/S/表示输入过程是Poisson流，服务时间服从一般概率分布，系统有S个服务台

5、平行服务，系统容量为无穷大的等待制排队系统。（3）D/M/S/K表示顾客相继到达时间间隔独立、服从定长分布，服务时间服从负指数分布，系统有S个服务台平行服务，系统容量为K个的混合制系统。(4) M/M/S/S表示输入过程是Poisson流，服务时间服从负指数分布，系统有S个服务台平行服务，顾客到达后不等待的损失制系统。（5）M/M/S/K/K表示输入过程是Poisson流，服务时间服从负指数分布，系统有S个服务台平行服务，系统容量和顾客容量都为K个的闭合制系统。四、排队系统的主要数量指标研究排队系统的目的是通过了解系统运行的状况，对系统进行调整和控制，使系统处于最优运行状态。因此，首先需要弄清

6、系统的运行状况。描述一个排队系统运行状况的主要数量指标有：1. Pn：系统中恰好有n个顾客的概率，这n个顾客包括排队和正在被服务的顾客；在系统里没有顾客的概率，即所有服务设施空闲的概率，记为P0。2. Pw顾客到达系统时，得不到及时服务，必须排队等待服务的概率。3. Ls在系统里的平均顾客数，包括排队的顾客数和正在被服务的顾客数。4. Lq排队的平均长度，即排队的平均顾客数。5. Wq平均一位顾客花在排队上的时间。6. Ws平均一位顾客在系统里的平均逗留时间,它包括排队时间和被服务的时间。7. Little公式，L=W。为单位时间到达的顾客数。四、生灭过程及生灭过程排队系统1. 生灭过程生灭过

7、程是一类非常简单具有广泛应用的一类随机过程，很多排队模型中都假设其状态过程为生灭过程；这样的排队子系统如：M/M/C和M/M/C/R，我们也可称之为生灭过程的排队系统。在这样的排队系统中，一个新顾客的到达看作“生”，一个顾客服务完之后离开系统看作是“灭”，设N(t)的任意时刻t排队系统的状态（即排队子系统中的总顾客数），则对M/M/C/K系统N(t)具有有限个状态0,1,k,对M/M/C来说N(t)具有可列个状态0,1,2。 一般来说，随机过程满足以下条件，称为生灭过程： 1) 假设N(t)=n，则从时刻t起到下一个顾客到达时刻为止的时间服从参数为的泊松分布，n=0,1,2, 2) 假设N(t

8、)=n，则从时刻t起到下一个顾客离去时刻为止的时间服从参数为的负指数分布，n=0,1,2, 3) 同一时刻时只有一个顾客到达或离去。即只在相邻状态间转换。 一般来说，得到N(t)的分布Pn(t)=PN(t)=n,n=0,1,2,是比较困难的，因此通常是求当系统运行一段时间达到平稳状态后的状态分布，记为Pn。 当系统运行长时间达到平稳状态后，对于任一个状态n，单位时间进入该状态的平均次数和单位时间离开该状态的平均次数应该相等，这就是系统的统计平衡下的“流入=流出”原理。2. 生灭过程稳态方程 输入（出）率=某一稳态概率平均转换率由此可求得生灭过程的平稳状态分布：由于即有即有即有即当时，此生灭过程

9、存在平稳状态分布：（上述演算过程具体见：数学建模+排队论.ppt）五、排队论中四种重要的模型1.等待制模型M/M/S/该模型中顾客到达规律服从参数为的Poisson分布，在时间到达的顾客数服从的的分布为： （1）其单位时间到达的顾客平均数为，时间到达的顾客平均数为。顾客接受服务的时间服从负指数分布，单位时间服务的顾客平均数为，服务时间的分布为： （2）每个顾客接受服务的平均时间为。下面分别给出S=1和S1的一些主要结果。5.1 只有一个服务台的S=1情形可以计算出稳定状态下系统有个顾客的概率： （3）其中称为系统的服务强度。则系统没有顾客的概率为：系统中顾客的平均队长为： （4）系统中顾客的平

10、均等待队长为： （5）系统中顾客的平均逗留时间为： （6）系统中顾客的平均等待时间为： （7）从(4)(6)式可以看出： ， （8）或 ， （9）该公式称为Little公式。在其它排队论模型中依然适用。Little公式的直观意义：表明排队系统的队长等于一个顾客平均逗留时间到达的顾客数。表明排队系统的等待队长等于一个顾客平均等待时间到达的顾客数。5.2系统有多个服务台S1情形 当系统中有s个服务台，系统服务能力为，服务强度为。系统中顾客的平均队长为： （10）其中，表示所有服务台都空闲的概率。系统中顾客的逗留时间为： （11）系统中顾客的平均等待时间为： （12）系统中顾客的平均等待队长为： （

11、13）5.3 LINGO中的相关函数及相关参数计算公式(1)顾客等待概率的公式 （14）其中S为服务台服务台个数，load为系统到达的载荷，即。(2)顾客的平均等待时间公式 （15）其中T为顾客接受服务的平均时间，有。当loads时无意义，表示当系统负荷超过服务台个数时，排队系统达到不稳定状态，队伍将越排越长。(3)系统中顾客的平均逗留时间 （16）(4)系统中顾客的的平均队长 （17）(5)系统中顾客的的平均等待队长 （18）例1某机关接待室只有1名对外接待人员，每天工作10小时，来访人员和接待时间都是随机的。设来访人员按照Poisson流到达，到达速率为人/小时，接待人员的服务速率为人/小

12、时，接待时间服从负指数分布。（1）计算来访人员的平均等待时间，等候的平均人数。（2）若到达速率增大为人/小时，每个接待人员的服务速率不变，为使来访问人员平均等待时间不超过半小时，最少应该配置几名接待人员。解答：（1）该问题属于M/M/1/排队模型。S=1,需要计算来访人员的平均等待时间，等候的平均人数。LINGO程序为：model:lp=8;u=9; T=1/u;load=lp/u;S=1;Pwait=PEB(load,S);!等待概率;W_q=Pwait*T/(S-load);!平均等待时间;L_q=lp*W_q;!顾客的平均等待队长;end计算结果：来访人员的平均等待时间小时=53分钟，等

13、候的平均人数人。（2）该问题属于M/M/S/排队模型求最小的S使，来访人员的平均等待时间。LINGO程序为：model:min=S;lp=20;u=9; !服务率;T=1/u;load=lp/u;Pwait=PEB(load,S);!接待人员的等待概率;W_q=Pwait*T/(S-load);!平均等待时间;W_q=load;L_q=lp*W_q;!顾客的平均等待队长;TT=W_q*60;gin(S);end计算结果为：最少需要接待人员S=3人,来访人员等待概率为0.55，排队等待平均时间为4.7分钟，队长平均长度为1.58人。2. 损失制模型M/M/S/S M/M/S/S模型表示顾客到达人

14、数服从Poisson分布，单位时间到达率为，服务台服务时间服从负指数分布，单位时间服务平均人数为。当S个服务台被占用后，顾客自动离开，不再等待。 这里我们给出LINGO中的有关函数及相关参数的计算公式 (1) 系统损失概率 （19）其中S为服务台服务台个数，load为系统到达的载荷，即。损失概率表示损失的顾客所占的比率。(2) 单位时间进入系统的平均顾客数 （20）(3)系统中顾客的平均队长（系统在单位时间占用服务台的均值） （21）(4) 系统中顾客的平均逗留时间(服务时间) （22）(5)系统服务台的效率 （23）在损失制排队模型中，顾客平均等待时间，平均等待队长，因为没有顾客等待。例2

15、某单位交换台有一部300门线的总机，已知上班时间有30%的线分机平均每30分钟要一次外线，70%的分机每隔70分钟时要一次外线。又知从外单位打来的的呼唤率平均30秒一次，设与外线的平均通话时间为3分钟，以上时间都服从负指数分布。如果要求外线接通率为95%以上，问交换台应设置多少外线？解：该问题属于损失制排队模型。 交换台的服务分为两部分，一类是线打外线，一类是外线打线。 线打外线的服务强度（每小时通话平均次数） 外线打线的服务强度 总强度为平均服务时间为小时，服务率个对该问题，目标是求最小的交换台数S，使顾客（外线）损失率不超过5%，即： LINGO程序为：model:min=S;lp=480

16、;!每小时平均到达数;u=20; !服务率;load=lp/u;Plost=PEL(load,S);!损失率;Plost=0.05;lpe=lp*(1-Plost);L_s=lpe/u;!顾客的平均队长;eta=L_s/S; !系统服务台的效率;gin(S);end计算结果为：最小的交换台为S=30。损失率为，实际进入系统的平均为，平均队长，系统服务台的效率。3.混合制模型M/M/S/K混合制模型M/M/S/K，表示顾客到达人数服从Poisson分布，单位时间到达率为，服务台服务时间服从负指数分布，单位时间服务平均人数为，系统有S个服务台，系统对顾客的容量为K。当K个位置被顾客占用时，新到的顾

17、客自动离去。当系统中有空位置时，新到的顾客进入系统排队等候。对混合制模型，LINGO没有相关函数计算参数。需要自己编程计算。（1）混合制模型基本公式：设稳定状态下系统有个顾客的概率为。表示系统空闲的概率。因此： （24）设表示系统中有个顾客时的输入强度，表示系统中有个顾客时的服务强度。在稳定状态下，可建立平衡方程： (25)对于混合制系统M/M/S/K，有： （26） （27）（2）混合制模型基本参数计算 由于当系统有K个人时，到达的顾客就会流失，因此有系统损失概率： （28）单位时间进入系统的平均顾客数 （29）系统中顾客的平均队长 （30）系统中顾客的平均等待队长 （31）系统中顾客的平均

18、逗留时间 （32）系统中顾客的平均等待时间 （33）例3 某理发店有4名理发师，因场地所限，店里做多容纳12名顾客，假设来理发的顾客按Poisson分布到达，平均到达率为18人/小时，理发时间服从负指数分布，平均每人12分钟。求该系统的各项指标。解：该模型是M/M/4/12混合制模型。S=4，K=12，。各项指标的计算采用上面的公式。该程序的编制可采用LINGO实现。程序为：!混合制排队论模型;model:sets:state/1.12/:P;endsetslp=18;!顾客到达率;u=5; !服务率;S=4; !服务员人数;K=12; !系统容量;P0+sum(state(i):P(i)=1

19、; !概率和;u*P(1)=lp*P0; !平衡点0;lp*P0+2*u*P(2)=(lp+u)*P(1); !平衡点1;for(state(i)|i#GT#1#and#i#LT#S:lp*P(i-1)+(i+1)*u*P(i+1)=(lp+i*u)*P(i); !平衡点i2,S-1;for(state(i)|i#GE#S#and#i#LT#K:lp*P(i-1)+S*u*P(i+1)=(lp+S*u)*P(i); !平衡点iS,K-1;lp*P(K-1)=S*u*P(K); !平衡点K;Plost=P(K); !损失率;lpe=lp*(1-P(K); !实际到达率;L_s=sum(state

20、(i):i*P(i);!平均队长;L_q=L_s-lpe/u; !平均等待队长;W_s=L_s/lpe; !平均逗留时间;W_q=L_q/lpe; !平均等待时间;end计算结果为：理发师空闲率为P0=0.16，损失顾客率0.049，每小时实际进入理发店人数为=17.12人，平均队长=5.72人，平均等待队长=2.3人，平均逗留时间=0.334小时，平均等待时间=0.134小时。4.闭合制模型M/M/S/K/K M/M/S/K模型表示系统有S个服务台，顾客到达人数服从Poisson分布，单位时间到达率为，服务台服务时间服从负指数分布，单位时间服务平均人数为。系统容量和潜在的顾客数都为K。基本参

21、数计算：(1) 平均队长(LINGO计算公式) （34）其中S为服务台服务台个数，load为系统到达的载荷，这里。(2) 单位时间平均进入系统的顾客数 (35)(3) 顾客处于正常情况的概率 (36)(4) 系统中顾客的平均等待队长，平均逗留时间，平均等待时间为： (37) （5）每个服务台的工作强度 (38)例4 现有某工厂有30台自动车床，由4名工人负责维修管理。当机床需要加料、发生故障或刀具磨损时就自动停车，等待工人照管。设平均每台机床两次停车时间间隔为1小时，停车时需要工人照管的平均时间为5分钟，并服从负指数分布。求该排队系统的各项指标。解：该排队系统是闭合制排队模型M/M/4/30/

22、30。参数S=4，K=30，。根据上面公式可计算出各项指标。LINGO程序为：model:lp=1;!每小时故障到达数;u=12; !服务率;K=30; !机器数;S=4; !维修工人数;load=K*lp/u;L_s=pfs(load,S,K);!等待队长;lpe=lp*(K-L_s); !进入维修的平均机器数;Prob=(K-L_s)/K; !机器工作概率;L_q=L_s-lpe/u; !平均等待队长;W_q=L_q/lpe; !平均等待时间;W_s=L_s/lpe; !平均逗留时间;Pwork=lpe/(S*u); !维修工人的工作强度;end计算结果为：实际进入系统的机器平均为，平均队

23、长，平均等待队长，平均逗留时间，平均等待时间，机器工作概率，维修工人的工作强度。例5 一个大型露天矿山，正在考虑修建矿石卸位的个数。估计运矿石的车将按Poisson流到达，平均每小时25辆，卸矿石的时间服从负指数分布，平均3分钟卸一辆。每辆运送矿石的卡车价格为10万元，修建一个卸位的投资为15万元。问修建几个卸位最好？解：该排队系统为M/M/S/系统。系统参数中 ，。费用包括修建矿石卸位的费用和卡车的费用。目标函数为： 其中S为矿石卸位个数，为等待的对长。等待的车辆相当于没有发挥作用，因此将其考虑为成本。实现的LINGO程序为：model:min=15*S+10*L_s;lp=25;!每小时到达车辆数;u=20; !服务率;T=1.0/u;load=lp/u;Pwait=PEB(load,S);!接待人员的服务速率;W_q=Pwait*T/(S-load);!平均等待时间;L_q=lp*W_q;!顾客的平均等待队长;L_s=L_q+lp/u; !平均队长;gin(S);end计算结果为：矿石卸位个数最佳为S=2最少费用为Z=50.5万元。等待的对长为=2.05辆卡车。