第3章 排队系统与性能分析(1)-

1 p1 1
2

e (1 p1 ) p 0

1
§2.2 等待制排队系统M/M/1/ 顾客来源是无限的
输入过程是简单流 服务时间服从负指数分布
1. 问题的叙述
顾客到达为参数(>0)的泊松过程，即相继到 达的间隔时间序列{n ，n1}独立、服从参数为 (>0)的负指数分布F(t)＝1-e-t，t0； 顾客所需的服务时间序列{n,n1}独立、服从参
j1 j1
1+…+j+1t<1+…+j+2} i＝1,2,3,…
＝(1-e-t)e-t＋o(t) ＝t＋o(t)
3) 类似分析可得
pij(t)＝o(t)， |i-j|2
队长(续2)
综合上述1)2)3)得
t o( t ) j i 1, i 0 p ij ( t ) t o( t ) j i 1, i 1 o( t ) | i j | 2
经典排队系统的符号表示方法
一个排队系统是由许多条件决定的， 为简明起见，在经典的排队系统中，常 采用3～5个英文字母表示一个排队系统， 字母之间用斜线隔开： 第一个字母表示输入的分布类型 第二个字母表示服务时间的分布类型 第三个字母表示服务台的数目 第四个字母表示系统的容量 第五个字母表示顾客源中的顾客数目。
几个经典排队系统的符号表示
Mr/M/1/：顾客以每批为固定的r个成批到达， 批与批的到达间隔时间独立、服从负指数分布， 服务时间独立、服从负指数分布，有1个服务 台，容量为无穷的等待制系统 MX/Mr/1/：顾客成批到达，每批到达的数量 X是具有某个离散型概率分布律的随机变量， 批与批的到达间隔时间独立、服从负指数分布； 顾客成批服务、每批为r个顾客，且服务时间 独立、服从负指数分布；有1个服务台；容量 为无穷的等待制系统
排队论起源于20世纪初丹麦电信工程师A.K. Erlang对电信系统的研究，现已发展成为一门 应用广泛的学科，在电信、交通运输、生产与 库存管理、计算机系统设计、计算机通信网络、 军事作战、柔性制造系统和系统可靠性等众多 领域，有着非常重要的应用。
排队的概念
排队是日常生活和工作中常见的现 象，由两个方面构成： 1. 要求得到服务——顾客 2. 提供服务——服务员或服务台 3. 顾客与服务台(二者缺一不可)就构 成一个排队系统，或称为随机服务 系统。
排队规则
服务是否允许排队，顾客是否愿意排队。在排队等待的情 况下服务的顺序是什么。 1) 损失制 顾客到达时，若所有服务台均被占，服务机构 不允许顾客等待，此时该顾客就自动离去 2) 等待制 顾客到达时，若所有服务台均被占，他们就排 队等待服务 a) 先到先服务 b) 后到先服务 c) 随机服务 d) 有优先权服务：强拆型优先权、非强拆型优先权 3) 混合制 损失制与等待制的混合 a) 对长(容量)有限的混合制 b) 等待时间有限的混合制 c) 逗留时间有限的混合制
描述排队系统的主要数量指标
队长：系统中的顾客数(包括正在接受服务的顾客) 等待队长：系统中的排队等待的顾客数 等待时间：顾客进入系统的时刻起到开始接受服务止这 它们都是随机变量，是顾客和服务 忙期反映了系统中服务员的工作强 段时间 机构双方都十分关心的数量指标， 度。在排队系统中，统计平衡下忙 应确定它们的分布及有关矩。 逗留时间：顾客在系统中的等待时间与服务时间之和 期与闲期是交替出现的。 系统的忙期：从顾客到达空闲的系统，服务立即开始， 在假定到达与服务是彼此独立的条 刻画输出过程的主要指标是相继离 直到系统再次变为空闲的这段系统连续繁忙的时间 件下，等待时间与服务时间是相互 去的间隔时间和在一段已知时间内 独立的。它们是顾客最关心的数量 系统的闲期：系统连续保持空闲的时间 离去顾客的数目，这些指标从一个 指标，应用中关心的是统计平衡下 忙期循环：相邻两次忙期开始的时间间隔 侧面反映了系统的工作效率。 它们的分布及期望值。 输出过程：也称离去过程，指接受服务完毕的顾客相继 离开系统的过程。 。
j 2
P {1+…+jt<1+…+j+1，
j 2

1+…+j-1t<1+…+j}
＝(1-e-t)e-t＋o(t)
＝t＋o(t)
i＝0,1,2,…
队长(续1)
2) pi,i-1(t)＝P{在t内未到达而服务完成一个} ＋ P {在t内到达j个而服务完j+1个} ＝P{1>t，1t} ＋ P{1+…+jt<1+…+j+1，
服务员2
排队系统的基本组成 1. 输入过程 2. 排队规则 3. 服务机构
描述顾客来源及顾Βιβλιοθήκη Baidu 按怎样的规律抵达。
服务 是 否允 许 排队 ， 顾客 是 否愿 意 排队 。 在排 队 等待 的 情况下 服务的顺序是什么。
服务台的数目 服务时间分布
排队系统的一般表示
顾客源 排队系统 排队结构
排队规则
服务机构
1) 服务台的数目
在多个服务台的情况下，是串联或是并联
2) 顾客所需的服务时间服从什么概率分布，
每个顾客所需的服务时间是否相互独立，
是成批服务或是单个服务
排队论所要研究解决的问题
面对拥挤现象，人们通常的做法是增加服 务设施，但是增加的数量越多，人力、物力的 支出就越大，甚至会出现空闲浪费，如果服务 设施太少，顾客排队等待的时间就会很长，这 样对顾客会带来不良影响。如何做到既保证一 定的服务质量指标，又使服务设施费用经济合 理，恰当地解决顾客排队时间与服务设施费用 大小这对矛盾，就是随机服务系统理论——排队 论所要研究解决的问题。
系统容量为1，即仅有一个排队位置而无排队等
待位置。

M/M/1/1排队模型的状 态流图

0

1
由K氏微分方程，可知t时刻系统处于空闲或 忙着的概率p0(t)或p1(t)分别满足下列方程
p '0 ( t ) p 0 ( t ) p1 ( t ) ' p1 ( t ) p1 ( t ) p 0 ( t )
基本的排队系统
1. 单服务员(台)的排队系统
顾客到达 … 服务员 服务完成离去
2. 多服务员(台)的排队系统
服务员1
一个队列
顾客到达
…
服务员2 … 服务员n … 服务员1
服务完成离去
服务完成离去 服务完成离去 服务完成离去 离去
多个队列
顾客到达
… … …
…
服务员2
服务员n …
串联 顾客到达
…
服务员1
问题的叙述
顾客到达为参数(>0)的泊松过程，即相继到 达的间隔时间序列{n ，n1}独立、服从参数为 (>0)的负指数分布F(t)＝1-e-t，t0； 顾客所需的服务时间序列{n,n1}独立、服从参
数为(>0)的负指数分布G(t)＝1-e-t，t0；
系统中只有一个服务台；
描述排队系统的主要数量指标
Pn P N n : 稳态系统任一时刻状态为 n 的概率； 特别当 n＝0 时（系统中顾客数为0）， P0 即稳态系统所有服务台全部空闲的概率；
排队系统运行情况的分析
排队系统运行情况的分析，就是在给定输入 与服务条件下，通过求解系统状态为n(有n个顾 客)的概率Pn，再进行计算其主要的运行指标：
1 p 0 lim p 0 ( t ) t 1


其中ρ表示系统的负荷水平或强度。

当系统中已有一个顾客时，新来的顾客只好离去， 故p1就是系统的损失概率P损，它等于
P损 p1 1 p 0


1


单位时间内平均损失的顾客数和平均进入系统的顾 客数各为
①系统中顾客数(队长)的期望值E(N)；
②排队等待的顾客数(排队长)的期望值E(Nq)； ③顾客在系统中全部时间(逗留时间)的期望值
W；
④顾客排队等待时间的期望值Wq。
第2节 单服务窗口简单排队系统 损失制M/M/1/1
等待制M/M/1/∞ 混合制M/M/1/m
§2.1 损失制M/M/1/1
当ρ趋近于0时，表明对期望服务的数量来说，服务 能力相对地说是很大的。这时，等待时间一定很短， 服务台有大量的空闲时间； 如服务强度ρ趋近于1，那么服务台空闲时间较少而 顾客等待时间较多。 我们一般都假定平均服务率μ大于平均到达率λ，即 λ/μ<1,否则排队的人数会越来越多，以后总是保持 这个假设而不再声明。
数为(>0)的负指数分布G(t)＝1-e-t，t0；
系统中只有一个服务台；
容量为无穷大，而且到达过程与服务过程彼此
独立。
输入过程服从 顾客源 参数为 的 Poisson过程
生灭过程
排队系统
服务时间服从 参数为 的 负指数分布
无 限
排队结构
排队规则
服务 机构
服务规则
接受服务 后离去
网络分析与测试
顾 军 jgu@cumt.edu.cn
第3章 排队系统与性能分析
1. 排队论简介
2. 单服务窗口简单排队系统
3. 具有可变输入率的M/M/1/ 4. 具有可变服务率的M/M/1/ 5. 具有不耐烦顾客的M/M/1/ 6. 单服务窗闭合式排队模型M/M/1/m/m
7. M/M/排队系统
几个经典排队系统的符号表示
M/M/c/：输入过程是泊松流，服务时间服从 负指数分布，有c个服务台平行服务(0<c)， 容量为无穷的等待制系统 M/G/1/：输入过程是泊松流，服务时间独立、 服从一般概率分布，只有1个服务台，容量为 无穷的等待制系统 Ek/G/1/K：相继到达的间隔时间独立、服从k 阶爱尔朗分布，服务时间独立、服从一般概率 分布，只有1个服务台，容量为k(0k<)的混 合制系统 D/M/c/K：相继到达的间隔时间独立、服从定 长分布，服务时间独立、服从负指数分布，有 c个服务台平行服务，容量为k(ck<)的混合 制系统
8. M/M/c/排队系统 9. M/M/c/K混合制排队系统 10. 多服务窗闭合式排队模型M/M/n/m/m
第1节 排队论简介
排队论，又称为随机服务系统理论，是在随机 过程基础上发展起来的一门研究资源有限性和 需求随机性的数学方法，通过研究各种服务系 统在排队等待中的概率特性，来解决系统的最 优设计和最优控制。
描述排队系统的主要数量指标
c ——系统中并联服务台的数目； λ ——顾客的平均到达率； 1／λ ——顾客的平均到达间隔； μ ——服务台的平均服务率； 1/μ ——平均服务时间； N —— 稳态系统任一时刻的状态（即系统中所 有顾客数）；
描述排队系统的主要数量指标
ρ——服务强度，即每个服务台单位时间内的平 均服务时间，—般有ρ=λ／(cμ)，这是衡量排队 系统繁忙程度的重要尺度。
及正则性
p 0 ( t ) p1 ( t ) 1

由初始条件p0(0)=1，或p1(0)=0（表示开始时服务窗 空闲着）可以解出 -( ) t p0 (t ) e 因系统仅有两个互通的状态，故存在平稳分布，也 即 lim p 0 ( t ) 存在，事实上由上式可知 t
单队 队长无限 先到先服务
2.队长
假定N(t)表示在时刻t系统中的顾客数，包括正在被服 务的顾客数，即N(t)表示时刻t系统的队长，t0，且令 pij(t)＝P{N(t+t)＝j|N(t)＝i}，i,j＝0,1,2,… 则 1)pi,i+1(t)＝P{在t内到达一个而服务未完成} ＋ P {在t内到达j个而服务完j-1个} ＝P{1t，1>t} ＋
服务 机构
服务规则
接受服务 后离去
输入过程
描述顾客来源及顾客按怎样的规律抵达。
1) 顾客总体数
顾客的来源可能是有限的，也可能是无限的
2) 到达类型
顾客是单个到达，还是成批到达
3) 顾客相继到达的间隔时间服从什么概率分布， 分布函数是什么，到达的间隔时间之间是否独 立 在排队论中，一般假定顾客到达的间隔时间序列 {n|n1}相互独立、同分布。