( - 数学建模)排队论模型

（- 数学建模）排队论模型

第五讲排队论模型【修理工录用问题】工厂平均每天有一台机器发生故障而需要修理，机器的故障数服从泊松分布。

修理一台机器平均花费20元。现有技术水平不同的修理工人A 和B，A种修理工平均每天能修理1.2台机器，每天工资3元；B种修理工平均每天能修理1.5台机器，每天工资5元，两种修理工修理机器的时间为负指数分布。问工厂录用哪种工人较合算？

本讲主要内容

1. 排队论的基本概念

2. 单服务台的排队模型

3. 多服务台的排队模型

4. 排队系统的最优化问题

5. 数学建模实例：校园网的设计和调节收费问题5.1 排队论的基本概念5.1.1 什么是排队系统排队论也称随机服务系统理论，它是20世纪初由丹麦数学家Erlang应用数学方法在研究电话话务理论过程中而发展起来的一门学科，在实际中有广泛的应用。

它涉及的是建立一些数学模型，藉以对随机发生的需求提供服务的系统预测其行为。现实世界中排队的现象比比皆是，如到商店购货、轮船进港、病人就诊、机器等待修理等等。排队的内容虽然不同，但有如下共同特征：

（1）有请求服务的人或物，如候诊的病人、请求着陆的飞机等，我们将此称为“顾客”。

（2）有为顾客提供服务的人或物，如医生、飞机跑道等，我们称此为“服务员”。由顾客和服务员就组成服务系统。

（3）顾客随机地一个一个（或者一批一批）来到服务系统，每位顾客需要服务的时间不一定是确定的，服务过程的这种随机性造成某个阶段顾客排长队，而某些时候服务员又空闲无事。

为了叙述一个给定的排队系统，必须规定系统的下列组成部分：

1.输入过程即顾客来到服务台的概率分布。排队问题首先要根据原始资料，由顾客到达的规律、作出经验分布，然后按照统计学的方法（如卡方检验法）确定服从哪种理论分布，并估计它的参数值。我们主要讨论顾客来到服务台的概率分布服从泊松分布，且顾客的达到是相互独立的、平稳的输入过程。所谓“平稳”是指分布的期望值和方差参数都不受时间的影响。

2.排队规则即顾客排队和等待的规则。排队规则一般有即时制和等待制两种。所谓即时制就是服务台被占用时顾客便随即离去；等待制就是服务台被占用时，顾客便排队等候服务。等待制服务的次序规则有先到先服务、随机服务、有优先权的先服务等，我们主要讨论先到先服务的系统

3.服务机构服务机构可以是没有服务员的，也可以是一个或多个服务员的；可以对单独顾客进行服务，也可以对成批顾客进行服务。和输入过程一样，多数的服务时间都是随机的，且我们总是假定服务时间的分布是平稳的。若以ξn表示服务员为第n个顾客提供服务所需的时间，则服务时间所构成的序列{ξn}，n=1，2，…所服从的概率分布表达了排队系统的服务机制，一般假定，相继的服务时间ξ1，ξ2，…是独立同分布的，并且任意两个顾客到来的时间间隔序列{Tn}也是独立的。

如果按服务系统的以上三个特征的各种可能情形来对服务系统进行分类，那么分类就太多了。因此，现在已被广泛采用的是按顾客相继到达时间间隔的分布、服务时间的分布和服务台的个数进行分类。

排队论主要是对服务系统建立数学模型，研究如下内容：

（1）排队系统的概率分布问题，主要是研究队长分布、等待时间分布和忙期分布等；

（2）最优化问题：分为静态最优化和动态最优化，即为系统的最优设计和系统的最优运行问题；

（3）排队系统的统计推断：判断一个给定的排队系统符合哪种模型，以便于根据排队理论进行分析研究。

5.1.2 排队模型的标准形式

排队模型的标准形式为X/Y/Z/A/B/C，其中：

X 表示顾客来到时间间隔的分布类型；

Y 表示服务时间的分布类型；

Z 表示服务员个数；

A 系统容量;

B 顾客源个数;

C 服务规则.

例如先来先服务的等待排队模型主要由三参数法即X/Y/Z，

“M/M/1/k/∞/FCFS”表示顾客到达间隔时间和服务时间均服从负指数分布，一个服务台，系统至多容纳k个顾客潜在的顾客数不限，先来先服务的排队系统。

“M/M/c”即Poisson输入，负指数服务时间分布，c个服务台的等待制排队模型。“M/G/1”即Poisson输入，一般服务时间分布，单个服务台的等待制排队模型。

5.1.3 排队系统的运行指标

研究排队问题的目的，是研究排队系统的运行效率，估计服务质量，确定系统参数的最优值，以决定系统的结构是否合理，设计改进措施等。所以，必须确定用来判断系统运行优劣的基本数量指标，这些数量指标通常是：

（1）队长指排队系统中的顾客数，它的期望值记为Ls；排队长，指在排队系统中排队等待服务的顾客数，其期望值记为Lq。

系统中的顾客数= 等待服务的顾客数+ 正被服务的顾客数

所以Lq（或Ls）越大，说明服务效率越低。

（2）逗留时间指一个顾客在排队系统中的停留时间，即顾客从进入服务系统到服务完毕的整个时间。其期望值记为Ws。等待时间，指一个顾客在排队系统中等待服务的时间，其期望值记为Wq。

逗留时间= 等待时间+ 服务时间

（3）忙期指从顾客到达空闲服务机构起到服务机构再次为空闲这段时间长度，即服务机构连续工作的时间长度。它关系到服务员的工作长度，即服务机构连续工作的时间长度。

它关系到服务员的工作强度、忙期的长度和一个忙期中平均完成服务的顾客数，这些都是衡量服务效率的指标。要计算以上这些指标必须知道系统状态的概率，所谓系统状态即时刻t时排队系统中的顾客数。如果时刻t时排队系统中有n个顾客，就说系统的状态是n，其概率一般用Pn(t)表示。

求Pn(t)的方法，首先要建立含Pn(t)的关系式，因t为连续变量而n只取非负整数，所以建立的Pn(t)的关系式一般是微分差分方程，这时要求方程的解是不容易的，有时即使求出也很难利用。因此，往往只求稳态解Pn，求Pn并不一定求t→∞时的Pn(t)极限，而只需由

Pn'(t)=0，用Pn代替Pn(t)即可。

5.2 单服务台的排队模型设系统的输入过程服从泊松分布，服务时间服从负指数分布，单服务台的排队系统有以下三种情形：（1）标准型：M/M/1(M/M/1/∞/∞);（2）系统容量有限制：M/M/1/N/∞;（3）顾客源为有限的：M/M/1/∞/m.5.2.1标准型：M/M/1M/M/1模型是指顾客源为无限，顾客到达相互独立，到达过程是平稳的，到达率数服从参数为λ 的泊松分布：单服务台、队长无限、先到先服务；各顾客的服务时间服从参数为μ的负指数分布，且相互独立。