基于银行排队问题的数学模型及求解_覃志奎

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3.服务机构 服务机构是指服务台的个数。其类型有:单服务台、多 服务台;对银行排队系统来说,一般是属于多服务台并联。 如图 1 示。
4.排队规则 银 行 的 排 队 规 则 是 一 种 “ 先 到 先 服 务 ( First-ComeFirst-Served,即FCFS)”的规则,即先到达的顾客,优先得 到服务。对多台服务窗口的情况,通常顾客到达后总是排在 最短的队列后面,所以我们可以认为每个服务台的队伍是趋 于一样长的,目前,许多银行设立了排队机,这种情况也是 一致的。为了说明问题,我们首先认为银行的排队是一种无 损等待制,即顾客到达后服务窗口无空闲时就进入队列排队, 并没从系统中流失,队列没有无故损失。
行排队问题的数学模型,通过对这个数学模型的求解,分析银行排队问题的解决思路,为银行服务系统提供决策参考。
【关键词】银行;排队问题;顾客;泊松分布;等待时间;服务时间
【中图分类号】F830.33
【文献标识码】A
【文章编号】1008-1151(2008)03-0024-03
(一)引言
随着社会经济的发展,现代金融业已成为社会经济运行 中必不可少的一部分,银行作为金融业的主体,已成为我们 现代生活关系最密切的服务系统,银行业运作的效率越来越 成为我们百姓关注的焦点。但是,目前去银行办事,大家最 头疼的是排队问题。而各家银行为减少排队等候时间也是八 仙过海、招数频出,甚至将顾客等候时间列入银行相关管理 人员的责任考核指标。尽管这样,银行的排队问题依然没有 很好解决。实际上,银行的排队问题蕴涵了丰富的数学、运 筹学、行为学、管理学等学科的知识理论,绝不是看上去的 那么简单。一般地,银行的排队问题是由顾客数量,服务水 平和服务窗口数量等因素综合决定,服务水平可通过银行内 部管理实现,顾客多,要减少排队等候时间就要增加服务窗 口,就要增加投入,而增加窗口有可能出现空闲,又浪费资 源。因此,解决银行排队问题就是要尽可能地找到一个平衡 点,使三者达到最佳的平衡状态。
(二)银行排队问题分析
银行排队问题作为排队系统,其基本结构由输入过程(顾 客流量)、服务时间(业务办理时间)、服务机构(服务窗口 设置)和排队规则等四个部分构成。
1.顾客流量分析 顾客流量是指单位时间内到银行办理业务的顾客数。顾 客到达的方式通常是一个一个到达的,当然也有成批到达的, 但顾客的到达总是有一定的规律。根据概率理论,顾客的到 达规律可以用概率来描述,即顾客的到达或到达时间间隔符 合一定的概率分布,通常假设为相互独立且遵从同一概率分 布的随机变量。常用的分布规律有:泊松分布、爱尔朗分布、 等长分布等。在排队系统中,泊松分布是应用最为广泛的, 服从泊松分布过程的到达被认为是随机到达,当顾客以泊松 分布到达时,顾客在各个时刻到达的可能性相同并与其它顾
长分布、负指数分布和爱尔朗分布。一般来说,简单的排队
系统的服务时间往往服从负指数分布。其分布函数为:
F(t)=1-e -µ t
t≥0
其中 µ>0 为常数,代表单位时间内的平均服务率。则平
均服务时间可表示为:1/µ 。
【收稿日期】2008-01-13 【作者简介】覃志奎(1970-),男,广西河池人,河池民族中等专业学校讲师,计算网络管理员技师,从事数学、计算机 科学的教学与研究。
(三)建立银行排队问题的数学模型
数学模型就是把实际问题中各因素及其之间的关系用数 学形式表示出来,将银行排队问题建立数学模型就是把排队 问题中的各个变量符号化,并对问题的基本结构模型化。从 前面的分析知,银行的排队问题的基本数学模型可表示为 M|M|C模型。
M|M|C模型表示输入过程(顾客到达)为泊松输入、服务 时间服从负指数分布、共有C个服务窗口的排队系统模型。该 模型的主要数量指标用符号可表示为:
Ls:表示系统中的顾客数,包括排队等候的和正在接受 服务的所有顾客(也称为平均队长);
Lq:表示系统中排队等候的顾客数(称为平均队列长) Tq:表示顾客在系统中的平均等待时间(即平均排队等待 时间); Ts : 表示顾客在系统中的平均逗留时间(包括等待时间 和服务时间); λ :表示顾客的平均到达率(称为顾客到达速率); µ :表示系统的平均服务率(即服务台的平均服务速 率); ρ :表示服务强度,其值为有效的平均到达率λ与平均服 务率µ 之比, 即ρ =λ/µ。 说明: 前四项主要性能指标(又称主要工作指标)的值越小,说 明系统排队越少,等待时间越少,因而系统性能越好。显然, 它们是顾客与服务部门都很关注的,顾客希望等待时间和队 列长越短越好,当然对服务员来说,服务强度越小越好。
速率λ和平均服务速率µ ,我们就可以计算出系统中顾客的平
均逗留时间和顾客排队的平均等待时间,从而可根据实际情
况设置窗口数量,提高服务质量,做出相应的决策,使银行
服务系统达到最佳的平衡状态。
(五)实际采样数据检验模型并决策银行排队问题
系统模型的检验就是利用实际采样的具体数据对系统进
行模拟,并对模型是否符合实际问题进行分析,明确系统的
5.平均逗留时间为:
Ts
=
Ls λ
= 19 . 4590 0 . 475
= 40 . 9663 ( 分)
可见,该营业厅如果设两个服务窗口,平均约有17人排 队等候,排队等待时间约37分钟,排队问题较为严重!
当C=3时,可得:ρ= λ / 3µ =0.475/3*0.25=0.6333<1, 同理可得:
2008 年第 3 期 (总第 103 期)
大众科技 DA ZHONG KE JI
No.3,2008 (Cumulatively No.103)
基于银行排队问题的数学模型及求解
覃志奎
(河池民族中等专业学校,广西 河池 547000)
【摘 要】银行的排队问题是目前各银行系统普遍存在的突出问题,文章利用数学建模的方法,根据排队论的知识建立银
∑ P0
=
⎡ C −1 ⎢ ⎢⎣ k =0
k1!⎜⎜⎝⎛
λ µ
⎟⎟⎠⎞k
+
C1!⎜⎜⎝⎛
λ µ
⎟⎟⎠⎞C
Cµ Cµ −
λ
⎤ −1 ⎥. ⎥⎦
Pn
=
⎧ ⎪ ⎪
1 n!
⎜⎜⎝⎛
λ µ
⎟⎟⎠⎞ n P0 ,

⎪1
⎪ ⎩
C !C
n−C
⎜⎜⎝⎛
λ µ
n ≤ C, ⎟⎟⎠⎞ n P0 , n > C .
此时,模型的性能指标如下: (1)平均队列长 Lq 为:
(2 * 0.95)2 2!(1− 0.95)2
* 0.95* 0.0256 = 17.5590 ≈ 17(人);
3.总人数为:Ls = Lq + Cρ =17.5590+2*0.95=19.4590
≈19 (人);
4.排队等待时间为:
Tq
=
L q = 17.5590
λ
0.475
= 36 .9663(分)
客的到达无关。
服从泊松分布要求满足4个条件:平稳性、无后效性、普
通性、有限性。即:
①平稳性:在某一时间间隔内到达的顾客数概率只与这
段时间的长度和顾客数有关;
②无后效性:不相交的时间区间内到达的顾客数是相互
独立的;
③普通性:在同时间点上最多到达百度文库1 个顾客,不存在同
时到达 2 个以上顾客的情况;
④有限性:在有限的时间区间内只能到达有限位顾客,
P =(λT)k e-λT/ k! ,
其中,λT是在时间T内顾客到达的平均顾客数,λ为平
均到达速率。
2.服务时间
银行对顾客是一个一个进行服务的,且对每一个顾客的
服务时间长短不一。将服务时间看作随机变量,那么它们是
相互独立且遵循同一分布的。因此,顾客接受服务的时间规
律往往也是通过概率分布描述的。常见的服务时间分布有定
∑ P0
=
⎡1 ⎢ ⎢⎣ k =0
1 ⎜⎛ k!⎝
0.475 ⎟⎞k 0.25 ⎠
+
1 ⎜⎛ 2!⎝
0.475 ⎟⎞2 0.25 ⎠
2 * 0.25 ⎤ −1
2*
0.25

⎥ 0.475⎥⎦
= [1+1.9
+ 36.1]−1
=
0.0256
2.平均排队人数:
Lq
=
(Cρ)C C!(1− ρ)2
ρP0
=
不可能有无限个顾客到达。
可见,在银行的排队问题中,顾客流量可以说是满足泊
松分布条件的,在实际系统模型中,一般都要假设顾客的到
达是服从泊松分布的,实践证明:这种假设是有效的。
泊松分布函数为:
P{X = k} = λk e-λ/ k! (λ为常数, k=0,1,2,… )
即在时间T内有k位顾客到达的概率为:
由以上分析并利用概率统计知识我们得到如下表达式: (1)处在系统中的平均顾客数(平均队长)Ls 为:
∑ Ls
=

nPn
n=1
=
ρ 1− ρ
=
λ µ −λ
(2)处在队列中等待的平均顾客数(平均队列长)Lq

∑ Lq = (n − 1)Pn = Ls − ρ = ρLs n =1
(Ls
=
ρ )
1− ρ
(3)顾客在系统中平均逗留时间 Ts 和在队列中的平均
(四)模型的求解
数学模型求解就是利用数学方法对模型中的各个变量进
行计算,得出模型中重要变量的计算表达式,对模型的定量
研究提供依据。
首先讨论 C=1 时的情况,此时模型变为 M|M|1,即模型 表示只有一个服务窗口的情况,此时ρ =λ/µ,当ρ <1 时,即 在单位时间内到达的顾客平均数小于被服务完的顾客平均数 时,队长才能避免无限增长而达到平衡。设在任意时刻 t 系 统中有 n 个顾客的概率为 Pn(t)。当系统达到稳定状态 后,Pn(t)趋于稳定状态概率 Pn,此时,Pn 与 t 无关,称系统 处于统计平衡状态,并称 Pn 为统计平衡状态下的稳态概率, 它表示系统在稳定状态下有 n 个顾客的概率,此时 Pn = (1 -ρ )ρ n ,特别地 P0=1-ρ (ρ <1)。
等待时间 Tq 分别为:
Ts
=
µ
1 −λ
=
Ls λ
Tq
= Ts

1 µ
=
Lq λ
其次,当 C≥2 时,我们设每个服务窗口的平均服务率相 同,即都是µ,此时整个系统的平均服务率为 Cµ,则服务强 度ρ = λ / Cµ. 当ρ <1 时,系统存在平衡状态,此时稳态 系统任一时刻顾客数为 n 的概率为:Pn=P{N=n};特别当 n=0 时,Pn 即 P0,P0 表示稳态系统所有服务台全部空闲(因系统中 顾客数为 0)的概率。根据排队理论及概率统计知识,可得:
实用性,从而对实际问题做出定性分析。
我在本地的某银行营业厅进行观察,并采样了数据,得
数据样本如下表:
数据样本 (批次)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
到达人数 (人/10 分钟)
5
8
3
6
243
7
4
4
65
可得该营业厅的平均到达率是:λ=0.475 (人/分钟)。 通过一段时间的数据采样及统计,计算均值得到该营业 厅的每个窗口的平均服务率是:µ=15(人/每小时),即µ = 0.25(人/分钟)。 下面我们暂不说该服务厅目前设立的窗口有多少个,我 们根据前面得到的模型进行模拟:分别假设服务窗口为1、2、 3、4个时的排队情况进行计算。 当 C=1 时 , 即 只 有 开 一 个 窗 口 , 这 时 ρ = λ / µ =0.475/0.25=1.9>1,可见系统不会平衡,排队的人会越来越 多,排队等候的时间也越来越多,按每天8小时工作制算,会 有108人无法办理业务。 当C=2时,ρ= λ / 2µ =0.475/2*0.25=0.95<1,系统存 在稳定状态。此时系统各项指标计算如下(以下数据计算过程 均取小数点后4位有效数字): 1.服务窗空闲概率为:
可见,设三个服务窗口,排队人数接近1人,等候时间不 到两分钟,不存在长排队现象;设四个服务窗口,减少排队 人数0.6618-0.1360=0.5258(人),考虑投入成本,开四个服 务窗是不合算的。因此,该银行服务厅开设三个窗是最为合 理的。
P0=0.1278;Lq=0.6618(人); Ls=2.5618(人); Tq=1.3933(分); Ts=5.3933(分)。
当C=4时,ρ= λ / 4µ =0.475/4*0.25=0.4750<1,同理 可得:
P0=0.1453; Lq=0.1360(人); Ls=2.0360(人); Tq=0.2863(分); Ts=4.2863(分)。
∑ Lq
=

(n − C)Pn
n=C+1
=
(Cρ)C C!(1− ρ)2
ρP0 .
(2)平均队长 Ls 为: Ls = Lq + Cρ .
(3)顾客在系统中平均逗留时间 Ts :T s
=
Ls λ
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(4)顾客在队列中平均等待时间 Tq :T q
=
Lq λ
根据以上各表达式知,只要知道系统中顾客的平均到达
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