Теория массового обслуживания (СМО)
Теория массового обслуживания исследует на основе теорий вероятностей математические методы количественной оценки процессов массового обслуживания. Общей особенностью всех задач, связанных с массовым обслуживанием, является случайный характер исследуемых явлений.Сервис представлен онлайн-калькуляторами:
- Одноканальные СМО.
- Многоканальные СМО.
- Замкнутые системы массового обслуживания СМО.
- Уравнения Колмогорова. Предельные вероятности состояний.
Для решения задач на тему Теория массового обслуживания
необходимо определиться с типом модели СМО: одноканальные (см. примеры задач для одноканальных СМО) или многоканальные (см. примеры задач для многоканальных СМО). В многоканальных СМО количество устройств обслуживания n (количество рабочих, кассиров, бригад, моек и т.п.) больше одного. Обычно интенсивность потока заявок λ задана явно. Интенсивность потока обслуживания μ может задаваться в виде времени обслуживания tобс.
В сервисе необходимо ввести либо параметр μ, либо tобс (только одно из двух).
Выбор СМО зависит как от числа каналов n, так и от допустимой длины очереди m. По указанным признакам различается ряд типов СО, перечисленных в таблице.
| № п/п | Параметры СО | Тип СО | |
| n | m | ||
| 1 | 1 | 0 | Одноканальная, без очереди |
| 2 | n > 1 | 0 | Многоканальная, без очереди |
| 3 | 1 | 1 < m <∞ | Одноканальная, с ограниченной очередью |
| 4 | n > 1 | 1 < m<∞ | Многоканальная, с ограниченной очередью |
| 5 | 1 | m = ∞ | Одноканальная, с неограниченной очередью |
| 6 | n > 1 | m = ∞ | Многоканальная, с неограниченной очередью |
В зависимости от целочисленного значения m используются следующие названия в классификации типов СО:
- m = 0 – без очереди;
- m > 0 – с очередью.
Если m не ограничено, что иногда условно записывают как m = ∞ , то соответствующая СО называется системой с ожиданием. В СО данного типа пришедшая заявка при отсутствии возможности немедленного обслуживания ожидает обслуживания, какой бы длинной ни были очередь и продолжительность времени ожидания.
Все СМО делятся на СМО с отказами (параметр m не используется), СМО с ограниченной длиной очереди и СМО с неограниченной очередью. Параметр m (длина очереди) используется для последних двух СМО. При этом в СМО с неограниченной очередью можно указывать любое значение m. Например, m = 3. Тогда будут рассчитаны вероятности нахождения в очереди 1,2,3 заявки.
Временные параметры рассчитываются в часах или в минутах, в зависимости от заданного параметра λ.
Полученное решение сохраняется в файле Word. Для редактирования формул можно использовать редактор формул Microsoft Equation.
Перейти к онлайн решению своей задачи
Интернет-провайдер в небольшом городе имеет 5 выделенных каналов обслуживания. В среднем на обслуживание одного клиента уходит 25 минут. В систему в среднем поступает 6 заказов в час. Если свободных каналов нет, следует отказ. Определить характеристики обслуживания: вероятность отказа, среднее число занятых обслуживанием линий связи, абсолютную и относительную пропускные способности, вероятность обслуживания. Найти число выделенных каналов, при котором относительная пропускная способность системы будет не менее 0,95. Считать, что потоки заявок и обслуживаний простейшие.
Формулы для расчета параметров простейших СМО
, | Показатели эффективности системы | Чистая СМО с отказами (n, a) | СМО с ограничением на время пребывания в очереди (n, a,b) | СМО с ограничением на длину очереди (n, a,m) | Чистая СМО с ожиданием (n, a), γ < 1 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Вероятность того, что все каналы свободны | р0 =
| р0=
| p0=
|
|
| Вероятность того, что занято k каналов 0 ≤ k≤ n | Рk = | Рk= | рk= | Рk = |
| Вероятность того, что заняты все n каналов, s заявок в очереди | - | рn+s = рn ,
| рn+s= γs× рn; 1 ≤ s ≤ m. | рn+s=γs× рn |
| Вероятность отказа | ротк = рn | ротк = | ротк = рn+m | ротк = 0 |
| Вероятность полной загрузки системы | рn.з = рn | рn.з =
| рn.з = рn | рn.з =
|
| Вероятность обслуживания, относительная пропускная способность системы | робс = | робс = | робс = | робс = |
| Абсолютная пропускная способность системы | lb = l·робс | lb = l·робс = l - n·r | lb = lробс = m × n3 | lb = l |
| Вероятность занятости канала | рзк = kз = | рзк = kз = | рзк = kз = | рзк = kз = |
| Среднее число свободных каналов | n0 =
| n0 =
| n0 =
| n0 =
|
| Вероятность простоя канала pп.к, коэффициент простоя оборудования кn | рn.к = kn = | рn.к = kn = | рn.к = kn = | рn.к = kn = |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Среднее число заявок в очереди | - | r =
| r =
| r = рn
|
| Вероятность наличия очереди | - | рн.о =
|
| рн.о =pn |
| Среднее время наличия очереди | - | - |
|
|
| Среднее время пребывания заявки в очереди | - | |||
| Среднее время пребывания заявки в системе | ||||
| Среднее время занятости канала (любого) |
|
|
| |
| Среднее время простоя канала |
|
|
|
|
| Среднее время полной загрузки системы |
| - |
|
|
| Среднее время неполной загрузки системы |
| – |
|
|
Параметры СМО
Проанализировать приводящуюся ниже ситуацию с использованием теории СМО. Ответить на соответствующие вопросы и рассчитать параметры СМО.На торговой точке предполагается одновременно использование только одного продавца. Известно, что в дневное время интенсивность прихода покупателей составляет 4 + 0,2N1-0,1N2 человек в час. Продавец может обслуживать в час в среднем 5-0,5N1+0,2N2 покупателей.
Используя Марковскую модель данной СМО ответить на вопросы:
- какова вероятность, что через 20-N1-N2 минут после открытия точки в очереди будет 2 покупателя?
- каковая вероятность, что пришедший через 2 часа покупатель не сделает покупок (т.е. решит не становиться в очередь)?
Сделать это двумя способами соответствующими следующим предположениям:
- в очереди не может быть более 3+N2 покупателей;
- на длину очереди ограничений нет.
Решение:
По характеру случайного процесса, происходящего в системе массового обслуживания (СМО), различают системы марковские и немарковские. В марковских системах входящий поток требований и выходящий поток обслуженных требований (заявок) являются пуассоновскими. Пуассоновские потоки позволяют легко описать и построить математическую модель системы массового обслуживания. Данные модели имеют достаточно простые решения, поэтому большинство известных приложений теории массового обслуживания используют марковскую схему. В случае немарковских процессов задачи исследования систем массового обслуживания значительно усложняются и требуют применения статистического моделирования, численных методов с использованием ЭВМ.
где λ 4 + 0,2N1-0,1N2 ед в час., t = 5-0,5N1+0,2N2 час.
Далее решение находим через калькулятор.
Доля времени простоя каналов
Исчисляем показатели обслуживания многоканальной СМО через сервис СМО:1. Интенсивность нагрузки показывает, насколько «плотно» поступают заявки относительно скорости их обработки:
- ρ<1: Система справляется. Очередь может возникать из-за случайности, но она не будет расти бесконечно.
- ρ=1: Критическое состояние. В теории система загружена на 100%, на практике очередь начнет бесконечно расти из-за малейших колебаний потока.
- ρ>1: Система перегружена. Заявки приходят быстрее, чем их успевают обрабатывать, и очередь уходит в бесконечность.
Для наших данных интенсивность нагрузки ρ=2.
Для одноканальной СМО ρ численно равна вероятности того, что канал занят. Например, если ρ=0.7, значит, прибор занят 70% времени. Для многоканальной СМО, чтобы система была стабильной, нагрузка на каждый канал (ρ/n, где n — число каналов) должна быть меньше единицы.
Для наших данных: ρ/n=2/3 = 0.67.
2. Время обслуживания.
3. Вероятность, что канал свободен (доля времени простоя каналов).

Вероятность того, что обслуживанием:
занят 1 канал:
p1 = ρ1/1! p0 = 21/1! • 0.12 = 0.23
заняты 2 канала:
p2 = ρ2/2! p0 = 22/2! • 0.12 = 0.23
заняты 3 канала:
p3 = ρ3/3! p0 = 23/3! • 0.12 = 0.15
4. Доля заявок, получивших отказ.
Значит, 0% из числа поступивших заявок не принимаются к обслуживанию.
5. Вероятность обслуживания поступающих заявок.
В системах с отказами события отказа и обслуживания составляют полную группу событий, поэтому:
pотк + pобс = 1
Относительная пропускная способность: Q = pобс.
pобс = 1 - pотк = 1 - 0 = 1
Следовательно, 100% из числа поступивших заявок будут обслужены. Приемлемый уровень обслуживания должен быть выше 90%.
6. Среднее число каналов, занятых обслуживанием.
nз = ρ • pобс = 2 • 1 = 2 каналов
Среднее число простаивающих каналов.
nпр = n - nз = 3 - 2 = 1 каналов
7. Коэффициент занятости каналов обслуживанием.
Следовательно, система на 70% занята обслуживанием.
8. Абсолютная пропускная способность.
A = pобс • λ = 1 • 6 = 6 заявок/мин.
9. Среднее время простоя СМО.
tпр = pотк ∙ tобс = 0 ∙ 0.33 = 0 мин.
9. Среднее число заявок, находящихся в очереди.
10. Среднее время простоя СМО (среднее время ожидания обслуживания заявки в очереди).
11. Среднее число обслуживаемых заявок.
Lобс = ρ • Q = 2 • 1 = 2 ед.
12. Среднее число заявок в системе.
LCMO = Lоч + Lобс = 1.54 + 2 = 3.54 ед.
13. Среднее время пребывания заявки в СМО.
Число заявок, получивших отказ в течении часа: λ • p1 = 0 заявок в мин.
Номинальная производительность СМО: 1 / 0.33 = 3 заявок в мин.
Фактическая производительность СМО: 6 / 3 = 200% от номинальной производительности.
Вероятность обслуживания поступающих заявок
Интенсивность потока обслуживания:1. Интенсивность нагрузки.
ρ = λ • tобс = 120 • 1/60 = 2
Интенсивность нагрузки ρ=2 показывает степень согласованности входного и выходного потоков заявок канала обслуживания и определяет устойчивость системы массового обслуживания.
3. Вероятность, что канал свободен (доля времени простоя каналов).

4. Доля заявок, получивших отказ.
Поскольку отказ в обслуживании в таких системах не может быть, то pотк = 0
Значит, 0% из числа поступивших заявок не принимаются к обслуживанию.
5. Вероятность обслуживания поступающих заявок - показатель, который определяет, какая доля заявок из общего потока в итоге будет выполнена системой.
Если pобс=0.95, это значит, что 95% клиентов получили услугу, а 5% ушли ни с чем (получили отказ).
Для наших данных: pобс = Q = 1
6. Среднее число каналов, занятых обслуживанием.
nз = ρ • pобс = 2 • 1 = 2 каналов
Среднее число простаивающих каналов.
nпр = n - nз = 3 - 2 = 1 каналов
7. Коэффициент занятости каналов обслуживанием.
Следовательно, система на 70% занята обслуживанием.
8. Абсолютная пропускная способность.
A = pобс • λ = 1 • 120 = 120 заявок/час.
9. Среднее время простоя СМО.
tпр = pотк ∙ tобс = 0 ∙ 0.0166 = 0 час.
11. Среднее время простоя СМО (среднее время ожидания обслуживания заявки в очереди).
12. Среднее число обслуживаемых заявок.
Lоб = ρ = 2
13. Среднее число заявок в системе.
LCMO = Lоч + Lобс = 0.89 + 2 = 2.89 ед.
13. Среднее время пребывания заявки в СМО.
Число заявок, получивших отказ в течение часа: λ • p1 = 0 заявок в час.
Номинальная производительность СМО: 3 / 0.0166 = 181 заявок в час.
Фактическая производительность СМО: 120 / 181 = 66% от номинальной производительности.
,