Материал: Прикладные задачи теории массового обслуживания.

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

Опять выдвинем гипотезу, состоящую в том, что время пребы­ вания произвольной заявки в системе Т попало в интервал

(t,t + dt):

Р{Т с ( / , t + dt))xf{t)dt .

Так как в потоке П'вых заявки следуют строго друг за другом, то за время t в системе накопится в среднем Xt заявок. Следова­

тельно, и в этом случае формула (3.2.14) тоже имеет место. Вернемся к анализу разомкнутых систем массового обслужи­

вания.

Т_______

л_____

r

9

9

1

*1

>

>

Выходящий

О

1'

2е

3'

4'

5’

б'

7' t

nomoK

 

 

 

 

Рис. 3.2.6

 

 

Сравнивая выражения (3.2.12) и (3.2.14), можно записать следующую формулу для среднего времени нахождения заявки в системе:

t =

s+r - = —

(3.2.15)

 

X

л

v

В дальнейшем будет

доказана

справедливость

формулы,

определяющей среднее время ожидания заявки в очереди

 

70Ч = ^ - .

 

(3.2.16)

Сопоставляя формулы

(3.2.14) и

(3.2.16), можно

убедиться

в том, что среднее время обслуживания заявки определяется по формуле

(3.2.17)

Разомкнутые системы массового обслуживания будут рас­ смотрены в гл. 4, 5, 6.

Глава 4

СИСТЕМЫ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ С ОТКАЗАМИ

Система массового обслуживания называется системой с от­ казами (потерями), если заявка, пришедшая в момент, когда все

каналы заняты, немедленно получает отказ и покидает систему (теряется).

Рассмотрим я-канальную разомкнутую систему массового обслуживания, на вход которой подается простейший поток зая­ вок с интенсивностью К. Поток обслуживаний каждого канала —

простейший с интенсивностью ц. Если заявка застает все каналы занятыми, то она покидает систему необслуженной (получает отказ).

При наличии свободных каналов могут рассматриваться раз­ личные алгоритмы распределения заявок по каналам: строгое (неслучайное) распределение заявок по свободным каналам или же случайное (хаотическое) распределение заявок по каналам. Кроме того, могут иметь место случаи, когда заявка, принятая к обслуживанию, по тем или иным причинам, не дождавшись конца обслуживания, покидает систему, т. е. остается необслуженной (случай «нетерпеливых» заявок). Могут иметь место случаи не­ полного обслуживания заявки, выхода канала из строя и т. п. Общим для всех этих систем является то обстоятельство, что заявка получает отказ, если все каналы заняты.

Перейдем к анализу различных систем массового обслужива­ ния с отказами. Рассмотрение каждой системы будем начинать с постановки задачи и заканчивать сводкой основных расчетных формул.

Хотя большинство систем, рассматриваемых в книге, являет­ ся частными случаями схемы гибели и размножения, тем не ме­ нее с целью развития навыков анализа этих систем будем каж­ дую систему изучать достаточно подробно.

юз

§4.1. КЛАССИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

СОТКАЗАМИ (СИСТЕМА ЭРЛАНГА)

П о с т а н о в к а з а д а ч и . На вход n-канальной системы массового обслуживания подается простейший поток заявок с интенсивностью X. Интенсивность простейшего потока обслужи-

ваний каждого канала ц. Если заявка застала все я-каналов занятыми, то она получает отказ (покидает систему необслуженной). Если заявка застала свободным хотя бы один канал, то она принимается к обслуживанию любым из свободных каналов и обслуживается до конца (заявки «терпеливые»).

Рис. 4.1.1

Описанная выше система названа нами классической потому, что с рассмотрения такой системы Эрлангом и начала разви­ ваться теория массового обслуживания. Эрланг рассмотрел ра­ боту такой системы на примере работы автоматического теле­ фонного узла связи. В этом случае поток заявок представляет собой поток вызовов со стороны абонентов. Длительность обслу­ живания характеризуется длительностью коммутации и длитель­ ностью разговора. Число каналов п равняется максимально воз­

можному числу одновременно осуществляемых разговоров. Анализ работы любой СМО будем начинать с рассмотрения

возможных состояний системы и составления размеченного гра­ фа состояний системы с указанием интенсивностей потоков, переводящих систему из состояния в состояние.

Рассмотрим следующее множество состояний системы:

Хо — все каналы свободны, ни одна заявка не обслуживается; Х\ — занят ровно один канал (какой — неважно), обслужи­

вается одна заявка;

хк — занято ровно k каналов (каких именно — неважно), об­ служивается k заявок;

хп — все п каналов заняты, обслуживаются п заявок *

Граф состояний данной СМО с отказами представлен на рис. 4.1.1. Как и ранее, возможность перескока «через состояния» не рассматривается, так как все потоки ординарны.

* Можно было бы рассмотреть и более обширное множество состояний с указанием, какие именно каналы заняты, но в этом нет необходимости, так как все каналы одинаковы.

104

Поясним порядок определения интенсивностей потоков собы­ тий на рис. 4.1.1. Когда система находится в состоянии x0i на нее

действует поток заявок с интенсивностью X, переводящий систему в состояние Х\. Если система находится в состоянии то на нее

действует уже два потока событий: 1) поток заявок с интенсив­ ностью 7., который стремится перевести систему в состояние Л'2 и

2) поток освобождений канала («поток обслуживаний»), кото­ рый стремится перевести систему в состояние лг0. Интенсивность этого потока равна р.

Рассмотрим случай, когда система находится в состоянии xh(k = 1, 2, ..., п— 1). В этом состоянии на систему действует опять

два потока:

1)поток заявок с интенсивностью X, который стремится пере­ вести систему слева направо, т. е. в состояние xh+\;

2)поток освобождений всех А занятых каналов с интенсив­ ностью Ар, который стремится перевести систему справа налево

всостояние хк~\.

Если система находится в состоянии х1и то на нее действует

только один поток событий с плотностью яр, переводящий систе­ му справа налево в состояние хп-\.

В соответствии с мнемоническим правилом составления си­ стемы дифференциальных уравнений для вероятностей состояний (см. § 2.3) получим

dt

—

"f l1/7! 00;

 

 

 

 

 

 

dPk(t)

— (Л4Au) pk (t) 4-

\рь- 1(/) +

 

dt

(4.1.1)

 

 

 

+ (* + l ) l ^ A + i ( 0 (* = 1. 2,.

/ г - 1 ) ,

dpn it)

—HV-PnW + ^Pn-1(0-

dt

 

Система (4.1.1) обычно интегрируется при начальных условиях

Ро(0)= 1:

|

Ра(0) = О (А = 1, 2,.

(4.1.2)

п), J

что соответствует случаю, когда система в начальный момент при /= 0 свободна. Решение системы (4.1.1) при начальных усло­ виях (4.1.2) удовлетворяет нормировочному условию

V р„{{) = \ ( /> 0 ) .

(4.1.3)

Уравнения (4.1.1) называются уравнениями Эрланга. Заме­

тим, что выражения (4.1.1) — (4,1.3) справедливы и для случая, когда потоки событий не являются простейшими, а представляют собой нестационарные пуассоновские потоки. В этом случае пара­ метры X = k(t)y р = р (0 являются некоторыми функциями вре­

мени. В дальнейшем мы, как правило, не будем выписывать систе­ му дифференциальных уравнений для вероятностей состояний, так как читатель, зная мнемоническое правило составления этих уравнений и глядя на граф состояний, может без труда самостоя­ тельно их записать.

Вернемся к анализу нашей системы и рассмотрим стационар­ ный режим работы при t— *оо. Такой режим существует (см.

§ 2, 4), так как наша система эргодична: в ней нет групп состоя­ ний без выхода или без входа и все потоки простейшие.

Тогда при t— ъоо система дифференциальных

уравнений

(4.1.1)

превратится в систему алгебраических уравнений:

0 = —

 

 

 

0 =

— (Х-{- £ц) pk-\-\pk„\ - j (-£ -j- 1)

( ^ = 1 , 2 , .

., n — 1);

 

 

 

(4.1.4)

0 = — яр./?я + \p n-u

которые нужно решать совместно с нормировочным условием (4.1.3).

Для решения системы (4.1.4) введем обозначения такие же, какие были введены при анализе .схемы гибели и размножения:

i i ^ — lp i-i-i-ip p . (1 = 1, 2,.

/г).

(4.1.5)

С учетом (4.1.5) уравнения (4.1.4) примут вид

«1 = 0;

iik

i — uk — 0 (£ = 1, 2,.

п — 1);

(4.1.6)

«/, =

0-

 

]

Анализируя систему (4.1.6), убеждаемся в том, что

«/ = 0 ( / =1 , 2,.

п).

(4.1.7)

Следовательно:

100

и вообще

 

 

p* = ( - j f - ^ p0

(* = 0 , 1 , 2 , .

(4.1.8)

Для нахождения вероятности р0 воспользуемся нормировоч­

ным условием

 

 

I! Pk— Po X

1,

k=0

k=0

 

откуда

 

 

Ро =

1

(4.1.9)

i —\Lkk\

 

 

 

Л = 0 r

 

Окончательно получим следующие формулы для вероятностей

состояний:

 

 

 

 

(4.1.10)

k=0

 

 

которые называются формулами Эрланга:

 

Введем обозначение

 

 

а = X

(4.1.11)

Величина а равна среднему числу заявок, поступающих в систе­ му за среднее время обслуживания одной заявки в одном канале.

Преобразуем выражение (4.1.10) к виду, удобному для вы­ числений. С этой целью используем обозначение (4.1.11) и умно­ жим числитель и знаменатель дроби (4.1.10) на величину е~%:

Р(Ь> а)

R(n, а)

(4.1.12)

к =0

где P(k, а) и R(n, а) табличные функции пуассоновского распре­

деления (см. приложение).

107

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/83058