- •Теория массового обслуживания (конспект лекций) Содержание
- •Лекция № 1. Потоки событий
- •1. Поток событий. Основные свойства потока событий.
- •2. Пуассоновский1 и простейший потоки.
- •3. Потоки событий, не являющиеся простейшими.
- •Лекция № 2. Цепи маркова
- •1. Марковские случайные процессы
- •2. Дискретные цепи Маркова
- •3. Предельные вероятности состояний для однородной цепи Маркова
- •4. Марковские процессы с непрерывным временем
- •5. Уравнения Колмогорова
- •Лекция № 3. Основные понятия теории массовго обслуживания
- •1. Предмет теории массового обслуживания
- •2. Схема «гибели и размножения»
- •Лекция № 4. Смо с отказами и ожиданием
- •1. Критерии эффективности смо с отказами
- •2. Смо с ограниченной и неограниченной очередью
- •Рекомендуемая литература
Лекция № 3. Основные понятия теории массовго обслуживания
1. Предмет теории массового обслуживания
Система массового обслуживания (СМО) – система, предназначенная для обслуживания потока заявок, поступающих в случайные моменты времени.
Примеры СМО: системы связи; САУ, АТС и т. д.
Любая реально функционирующая СМО соединяет в себе, по крайней мере, три составляющие:
-
входящий поток требований (заявок);
-
обслуживающую систему, состоящую из каналов обслуживания;
-
выходящий поток обслуженных заявок и поток заявок, получивших отказ.
Примерами потоков
заявок являются, потоки вызовов (АТС),
потоки транспорта, потоки неисправностей,
потоки целей (система ПВО) и т. д. Под
входящим потоком заявок понимается
последовательность случайных моментов
времени
поступления заявок в систему. Входящий
поток характеризуется интенсивностью
(т.е. средним числом заявок поступающих
в систему за единицу времени).
Система массового
обслуживания состоит из каналов
обслуживания. Канал обслуживания –
устройство, непосредственно занимающееся
обслуживанием заявок (1 телефон, 1
взлетно-посадочная полоса, 1 касса).
Каждый канал может осуществлять лишь
один вид обслуживания и единовременно
обслуживать лишь одно требование. Если
СМО включает в себя каналы, которые
могут выполнять много видов обслуживания,
то такая система называется многофазной.
Количество каналов СМО обычно обозначают
через
.
Выходящий поток
обслуженных заявок характеризуется
либо интенсивностью
(т.е. средним числом заявок обслуженных
одним каналом за единицу времени) либо
средним временем обслуживания
заявки одним каналом.
Системы массового обслуживания подразделяются на СМО с отказами и СМО с ожиданием. В СМО с отказами заявка, полученная в тот момент, когда все каналы заняты, покидает систему (АТС). В СМО с ожиданием заявка ожидает освобождения канала (примеры: касса, аэродром, САУ).
Различают СМО с неограниченным ожиданием и с ограничениями:
а) по длине
очереди (в очереди
мест);
б) по времени ожидания;
в) по времени нахождения в системе.

Рис. 4
Предмет теории массового обслуживания – установление зависимости между потоком заявок, числом и производительностью каналов и характеристиками эффективности.
Основными критериями эффективности СМО являются:
-
вероятность отказа (заявка не будет обслужена) – Ротказа;
-
Робслуживания = 1 – Ротказа. или относительная пропускная способность
; -
А – абсолютная пропускная способность – среднее число заявок, обслуживаемое в единицу времени;
-
– среднее число
занятых каналов; -
вероятность загрузки канала
; -
среднее число заявок в системе (обслуживаемых или ожидающих обслуживания в очереди)
; -
среднее число заявок в очереди
; -
среднее время пребывания заявки в системе (в очереди или под обслуживанием)
; -
среднее время пребывания заявки в очереди
.
2. Схема «гибели и размножения»
Проведем анализ систем массового обслуживания, состоящих из однородных каналов.
Многие задачи теории массового обслуживания сводятся к схеме «гибели и размножения». Схема гибели и размножения используется для вычисления предельных вероятностей состояний и, следовательно, критериев эффективности СМО.
Пусть состояния
системы:
(всего (n + 1)
состояние), причем непосредственные
переходы возможны только из соседних
состояний и осуществляются под действием
простейших потоков событий. Интенсивности
прямых переходов
и
обратных переходов
указаны на блок-схеме графа состояний
(рис. 5).
Рис.
5
Требуется найти
предельные вероятности состояний
.
Решение. Уравнения Колмогорова для предельных вероятностей имеют вид:
(1)
Упростив систему уравнений, получим:
(2)
Система (2) имеет следующий смысл:
для схемы «гибели и размножения» потоки вероятности между соседними состояниями равны.
Находим предельные вероятности, последовательно выражая их из уравнений:

.
(3)
Пример. В канал
связи поступает простейший поток заявок
с интенсивностью
(входной поток). Выходной поток –
простейший с интенсивностью
(т. е. среднее время обслуживания равно
заявки в единицу времени). Если канал
занят, заявка получает отказ. Граф
состояний приведен на рис. 6. Имеется
два состояния:
– канал свободен,
– занят.

Рис. 6
– вероятность в
,
– вероятность в
.
Уравнения Колмогорова:

Начальные условия:
– сначала канал свободен.
Решаем:
(неоднородное линейное уравнение с
постоянными коэффициентами). Окончательно
получим:
Однородное:
![]()
.
Предельные вероятности.
;


Рис. 7
Тот же результат, полученный с помощью уравнений Колмогорова для предельных вероятностей:
.
Критерии эффективности определяются в стационарном режиме.
-
Вероятность отказа
. -
Вероятность обслуживания
. -
Абсолютная пропускная способность – среднее число заявок, обслуженных в единицу времени:
.
