5.1. Введение в теорию массового обслуживания

5.2. Основные понятия массового обслуживания

5.3. Марковские случайные процессы

5.4. Показатели эффективности СМО

С работой своеобразных систем, называемых системами массового обслуживания (СМО), приходится сталкиваться повседневно. Примерами таких СМО могут служить телефонные станции, ремонтные службы, билетные кассы, справочные бюро, магазины, аптеки, парикмахерские, т. е. любые системы, предназначенные для обслуживания (в том или ином смысле) некоторого потока заявок (или «требований»), поступающих в какие-то, вообще говоря, случайные моменты времени.

Каждая СМО состоит из некоторого числа обслуживающих единиц (или «приборов»), называемых каналами обслуживания. Каналами могут быть линии связи, лифты, продавцы, кассиры и т. д.

Время обслуживания потока заявки длится какой-то, как правило, случайный, промежуток времени, после чего канал освобождается и готов к приему следующей заявки. Случайный характер потока заявок и времен обслуживания приводит к тому, что в какие-то периоды времени на входе СМО создается очередь, в другие же периоды СМО будет работать с недогрузкой.

Таким образом, процесс работы СМО представляет собой случайный процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем: состояние СМО меняется скачком в моменты появления прихода новой заявки или окончания обслуживания (клиент пришел - клиент ушел).

Предметом теории массового обслуживания (ТМО) является построение математических моделей, связывающих данные условия работы СМО (характер потока заявок, число каналов и их производительность, дисциплина обслуживания) с показателями эффективности СМО.

Основные понятия теории массового обслуживания

На практике часто приходится сталкиваться с системами, предназначенными для многоразового использования при решении однотипных задач. Возникающие при этом процессы получили название процессов обслуживания, а системы - систем массового обслуживания (СМО). Примерами таких систем являются телефонные системы, ремонтные мастерские, вычислительные комплексы, билетные кассы, магазины, парикмахерские и т.п.

Каждая СМО состоит из определенного числа обслуживающих единиц (приборов, устройств, пунктов, станций), которые будем называть каналами обслуживания. Каналами могут быть линии связи, рабочие точки, вычислительные машины, продавцы и др. По числу каналов СМО подразделяют на одноканальные и многоканальные.

Заявки поступают в СМО обычно не регулярно, а случайно, образуя так называемый случайный поток заявок (требований). Обслуживание заявок, вообще говоря, также продолжается какое-то случайное время. Случайный характер потока заявок и времени обслуживания приводит к тому, что СМО оказывается загруженной неравномерно: в какие-то периоды времени скапливается очень большое количество заявок (они либо становятся в очередь, либо покидают СМО необслуженными), в другие же периоды СМО работает с недогрузкой или простаивает.

Предметом теории массового обслуживания является построение математических моделей, связывающих заданные условия работы СМО (число каналов, их производительность, характер потока заявок и т.п.) с показателями эффективности СМО, описывающими ее способность справляться с потоками заявок.

В качестве показателей эффективности СМО используются: среднее число заявок, обслуживаемых в единицу времени; среднее число заявок в очереди; среднее время ожидания обслуживания; вероятность отказа в обслуживании без ожидания; вероятность того, что число заявок в очереди превысит определенное значение, и т.п.

СМО делят на два основных типа (класса): СМО с отказами и СМО с ожиданием (очередью). В СМО с отказами заявка, поступившая в момент, когда все каналы заняты, получает отказ, покидает СМО и в дальнейшем процессе обслуживания не участвует (например, заявка на телефонный разговор в момент, когда все каналы заняты, получает отказ и покидает СМО необслуженной). В СМО с ожиданием заявка, пришедшая в момент, когда все каналы заняты, не уходит, а становится в очередь на обслуживание.

СМО с ожиданием подразделяются на разные виды в зависимости от того, как организована очередь: с ограниченной или неограниченной длиной очереди, с ограниченным временем ожидания и т.п.

Марковский случайный процесс

Допущения о пуассоновском характере потока заявок и о показательном распределении времени обслуживания ценны тем, что позволяют применить в теории массового обслуживания аппарат так называемых марковских случайных процессов.

Процесс, протекающий в физической системе, называется марковским (или процессом без последействия), если для каждого момента времени вероятность любого состояния системы в будущем зависит только от состояния системы в настоящий момент  и не зависит от того, каким образом система пришла в это состояние.

Рассмотрим элементарный пример марковского случайного процесса. По оси абсцисс  случайным образом перемещается точка . В момент времени  точка  находится в начале координат  и остается там в течение одной секунды. Через секунду бросается монета; если выпал герб - точка  перемещается на одну единицу длины вправо, если цифра - влево. Через секунду снова бросается монета и производится такое же случайное перемещение, и т. д. Процесс изменения положения точки (или, как говорят, «блуждания») представляет собой случайный процесс с дискретным временем  и счетным множеством состояний

Схема возможных переходов для этого процесса показана на рис. 19.7.1.

Рис. 19.7.1.

Покажем, что этот процесс - марковский. Действительно, представим себе, что в какой-то момент времени  система находится, например, в состоянии  - на одну единицу правее начала координат. Возможные положения точки через единицу времени будут  и  с вероятностями 1/2 и 1/2; через две единицы - , ,  с вероятностями 1/4, ½, 1/4 и так далее. Очевидно, все эти вероятности зависят только от того, где находится точка в данный момент , и совершенно не зависят от того, как она пришла туда.

Рассмотрим другой пример. Имеется техническое устройство , состоящее из элементов (деталей) типов  и , обладающих разной долговечностью. Эти элементы в случайные моменты времени и независимо друг от друга могут выходить из строя. Исправная работа каждого элемента безусловно необходима для работы устройства в целом. Время безотказной работы элемента - случайная величина, распределенная по показательному закону; для элементов типа  и  параметры этого закона различны и равны соответственно  и . В случае отказа устройства немедленно принимаются меры для выявления причин и обнаруженный неисправный элемент немедленно заменяется новым. Время, потребное для восстановления (ремонта) устройства, распределено по показательному закону с параметром  (если вышел из строя элемент типа ) и (если вышел из строя элемент типа ).

В данном примере случайный процесс, протекающий в системе, есть марковский процесс с непрерывным временем и конечным множеством состояний:

 - все элементы исправны, система работает,

 - неисправен элемент типа , система ремонтируется,

 - неисправен элемент типа , система ремонтируется.

Схема возможных переходов дана на рис. 19.7.2.

Рис. 19.7.2.

Действительно, процесс обладает марковским свойством. Пусть например, в момент  система находится в состоянии  (исправна). Так как время безотказной работы каждого элемента - показательное, то момент отказа каждого элемента в будущем не зависит от того, сколько времени он уже работал (когда поставлен). Поэтому вероятность того, что в будущем система останется в состоянии  или уйдет из него, не зависит от «предыстории» процесса. Предположим теперь, что в момент  система находится в состоянии  (неисправен элемент типа ). Так как время ремонта тоже показательное, вероятность окончания ремонта в любое время после  не зависит от того, когда начался ремонт и когда были поставлены остальные (исправные) элементы. Таким образом, процесс является марковским.

Заметим, что показательное распределение времени работы элемента и показательное распределение времени ремонта - существенные условия, без которых процесс не был бы марковским. Действительно, предположим, что время исправной работы элемента распределено не по показательному закону, а по какому-нибудь другому - например, по закону равномерной плотности на участке . Это значит, что каждый элемент с гарантией работает время , а на участке от  до  может выйти из строя в любой момент с одинаковой плотностью вероятности. Предположим, что в какой-то момент времени  элемент работает исправно. Очевидно, вероятность того, что элемент выйдет из строя на каком-то участке времени в будущем, зависит от того, насколько давно поставлен элемент, т. е. зависит от предыстории, и процесс не будет марковским.

Аналогично обстоит дело и с временем ремонта ; если оно не показательное и элемент в момент  ремонтируется, то оставшееся время ремонта зависит от того, когда он начался; процесс снова не будет марковским.

Вообще показательное распределение играет особую роль в теории марковских случайных процессов с непрерывным временем. Легко убедиться, что в стационарном марковском процессе время, в течение которого система остается в каком-либо состоянии, распределено всегда по показательному закону (с параметром, зависящим, вообще говоря, от этого состояния). Действительно, предположим, что в момент  система находится в состоянии  и до этого уже находилась в нем какое-то время. Согласно определению марковского процесса, вероятность любого события в будущем не зависит от предыстории; в частности, вероятность того, что система уйдет из состояния  в течение времени , не должна зависеть от того, сколько времени система уже провела в этом состоянии. Следовательно, время пребывания системы в состоянии  должно быть распределено по показательному закону.

В случае, когда процесс, протекающий в физической системе со счетным множеством состояний и непрерывным временем, является марковским, можно описать этот процесс с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений, в которых неизвестными функциями являются вероятности состояний .

Показатели эффективности использования СМО:

- Абсолютная пропускная способность СМО – среднее число заявок, которое сможет обслужить СМО в единицу времени.

- Относительная пропускная способность СМО – отношение среднего числа заявок, обслуживаемых СМО в единицу времени, к среднему числу поступивших за это же

время заявок.

- Средняя продолжительность периода занятости СМО.

- Коэффициент использования СМО – средняя доля времени, в течение которого СМО занята обслуживанием заявок, и т.п.