前言:求解排队问题的目的,是研究排队系统运行的效率,估计服务质量,确定系统参数的最优值,以决定系统结构是否合理、研究设计改进措施等。

一、排队系统的组成和特征

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一般的排队过程都由输入过程、排队规则、服务过程三部分组成

  1. 输入过程

输入过程是指顾客到来时间的规律性,可能有下列不同情况:
(i)顾客的组成可能是有限的,也可能是无限的。
(ii)顾客到达的方式可能是一个一个的,也可能是成批的。
(iii)顾客到达可以是相互独立的,即以前的到达情况对以后的到达没有影响; 否则是相关的。
(iv)输入过程可以是平稳的,即相继到达的间隔时间分布及其数学期望、方差等数字特征都与时间无关,否则是非平稳的。

  1. 排队规则

排队规则指到达排队系统的顾客按怎样的规则排队等待,可分为损失制,等待制和 混合制三种.
(i)损失制(消失制)。当顾客到达时,所有的服务台均被占用,顾客随即离去。
(ii)等待制。当顾客到达时,所有的服务台均被占用,顾客就排队等待,直到接受完服务才离去。例如出故障的机器排队等待维修就是这种情况。
排队方式还分为单列、多列和循环队列。

  1. 服务过程

(i)服务机构。主要有以下几种类型:单服务台多服务台并联(每个服务台同 时为不同顾客服务);多服务台串联(多服务台依次为同一顾客服务);混合型
(ii)服务规则。按为顾客服务的次序采用以下几种规则:
先到先服务,这是通常的情形。
后到先服务,如情报系统中,后到的情报信息往往有价值,因而常被优先处理。
随机服务,服务台从等待的顾客中随机地取其一进行服务,而不管到达的先后。
优先服务,如医疗系统对病情严重的病人给予优先治疗。

二、符号概念与记法

X/Y/Z/A/B/C

  • X:表示相继到达间隔时间的分布;
  • Y:表示服务时间的分布;
  • Z:并列的服务台的数目;
  • A:系统容量(队长);
  • B:系统状态(顾客源数);
  • C:服务规则

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  • 常用指标:
  1. 队长(系统内顾客数) 排队论 - 图3 和排队长(排队等候顾客数) 排队论 - 图4 ,系统内顾客数=排队等候顾客数+正在接受服务的顾客数
  2. 逗留时间(系统内总时间) 排队论 - 图5 和等待时间(排队时间) 排队论 - 图6
  3. 忙期、损失率、服务强度等

基本概念:
(1)泊松分布(最简单流):t时段内有k个顾客来到服务系统的概率 排队论 - 图7 服从泊松分布,其中 排队论 - 图8 表示单位时间内随机事件平均发生次数,即平均到达率
其满足三个条件:①无后效性;②平稳性;③普通性

(2)负指数分布:排队论 - 图9 表示依次服务完毕离去的顾客的间隔时间 排队论 - 图10 的概率密度函数,
排队论 - 图11 表示 排队论 - 图12 的概率分布函数。image.png
重要性质——无记忆性或马尔科夫性,假设每个顾客的服务时间服从负指数分布,则 排队论 - 图14 表示单位时间能被服务完成的顾客数,称为平均服务率
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(3)k阶爱尔朗分布:K个相互独立具有相同参数的负指数分布的和的分布,称为k阶爱尔朗分布。

  • 如:k个串列的服务台,k道工序。k个随机变量,服从参数 排队论 - 图16 的负指数分布,

排队论 - 图17 其概率密度、期望、方差:
排队论 - 图18
服务强度 排队论 - 图19 ,平均到达率和平均服务率之比。

三、实际问题对应模型

排队论 - 图20 ,标准单服务台排队模型,例:医生手术
排队论 - 图21 ,系统容量有限的情况,例:理发店
排队论 - 图22 ,顾客源有限的情况,例:车间机器维修

排队论 - 图23 ,标准多服务台排队模型,例:多窗口售票
排队论 - 图24 ,顾客源有限,多服务台排队系统,例:多工人的车间机器维修
排队论 - 图25 ,系统容量有限,多服务台排队系统。例:民宿房间数

*指标计算公式(应用时对应查找)
以定长服务时间模型和爱尔朗服务时间模型为例:**
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下面主要考虑静态问题的优化image.png

  • M/M/1模型的最优服务率, 排队论 - 图28 的优化。

例:目标函数 排队论 - 图29 表示服务成本和等待成本之和的期望, 排队论 - 图30 ,其中 排队论 - 图31 表示单位时间服务的人均成本, 排队论 - 图32 表示顾客单位时间停留成本。

  • M/M/c模型的最优服务台数, 排队论 - 图33 的优化。

例:目标函数排队论 - 图34 是总费用的期望, 排队论 - 图35 ,其中 排队论 - 图36 表示每服务台单位时间成本, 排队论 - 图37 同上