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随机过程生灭过程及排队论初步分析
主要内容
生灭过程
特点
稳态分析
排队论基础
排队过程的基本参数和问题
排队问题的分析方法
排队问题的Little定律
排队问题举例
例1 M/M/1/∞、例2 M/M/1/N
例3 顾客成批到达的排队问题
例4 电话交换问题(M/M/N/N)
例5 M/M/s/∞排队系统、例6 M/M/s/k
例7 机器维修问题
生灭过程
任何时刻,状态最多只能转移到临近状态
若处于0状态,则只能转移到状态1。
若在 t 时刻处于n状态,在(t,t+Δt)间隔内
转移到状态(n+1)的概率为 λn(t)Δt+o(Δt)
转移到状态(n-1)的概率为 μn(t)Δt+o(Δt)
转移到其他状态的概率为 o(Δt)
生灭过程:稳态分析
稳态方程
与Σwn=1联立,可解
平稳的条件:0≤λn≤μn
生灭过程:稳态分析
平稳的条件:0≤λn≤μn
平衡方程
局部平衡方程
与Σwn=1联立,得
生灭过程:实例
排队问题(排队论分析)
可靠性问题(可靠性分析):
M个元件组成的系统中失效元件数
每个元件的正常工作时间服从负指数分布
若t时刻有n个元件失效,则在(t,t+Δt)时间间隔内产生一个新的失效元件的概率是λnΔt+o(Δt),修复一个元件的概率是μnΔt+o(Δt)
在(t,t+Δt)间隔内多个元件失效或修复的概率是o(Δt)
系统正常工作至少要有k个元件正常工作——当(M-k+1)元件失效时系统就停止工作,等待修复
例
例
排队系统的基本模型
A/R/S/N/D:常见为 A/R/S,或A/R/S/N
A:到达类型
R:服务时间分布
S:服务者个数
N:系统容量(含服务中用户数),默认无限大
D:排队规则,FIFO
排队系统的到达过程
到达过程:到达的业务/顾客流构成的随机过程
可以用一定间隔内到达的顾客数的分布来表征
也可以用顾客到达的时间间隔的分布来表征
典型的到达过程:泊松过程
一定间隔内到达的顾客数服从泊松分布,到达率 λ
到达的时间间隔服从负指数分布,平均到达时间 1 / λ
排队系统的服务时间
服务时间:服务器处理每个顾客业务所需的时间
是与服务器对具体业务的处理能力有关的随机量
一般用处理业务所需的时间的分布来表征
典型的服务时间:负指数分布
服务时间服从负指数分布,平均服务时间 1 / μ
顾客离开率: μ
排队系统的基本问题
概率分布特征:
系统中顾客数的概率分布(及 平均值L)
在排队等候的平均顾客数 LQ
用户在系统中花费时间的概率分布(及 平均值W或D)
顾客排队等候的平均用时 WQ 或 DQ
服务器忙或空闲的概率
服务器处于工作状态的持续时间的分布
用户因为队列满而离开的概率
排队问题的Little定律
排队系统中普适性的定律,统计量服从的公式
对到达过程、服务时间分布、服务规则无特殊要求
描述长时间平稳后的系统
形式为:L = λ·W
L : 系统中的平均顾客数
λ: 平均(有效)到达率
W: 顾客在系统中所消耗的平均时间
M/M/1 或 M/M/1/∞排队模型
到达系统的顾客数服从泊松分布,参数 λ
服务时间服从负指数分布,平均服务时间是1/μ
只有一个服务器
若服务器正忙,则加入排队行列(不限长)
服务器空闲时间到达的顾客立刻得到服务
服务时间与到达过程独立
顾客数组成一个生灭过程
顾客到达和离开对应于生灭过程的生和灭
任意时刻和状态,到达率和离开率均为相同常数
λn=λ,μn=μ
0
1
μ
λ
2
μ
λ
3
μ
λ
4
μ
λ
μ
λ
M/M/1 排队模型:应用生灭过程的结论
负载因子ρ= λ/μ1 的条件下,具有稳态分布:
系统中有n个顾客的概率
系统平均用户数:
用户数的方差:
平均延迟:根据little公式 D = L / λ
轻负载情况下:λ « μ,延迟近似为平均服务时间
业务极度繁忙情况下:λ≈μ,几乎无限延迟
典型排队问题:
最普通情形
M/M/1/∞
队列有限
M/M/1/N
M元件1维修工人
批量发生
MX/M/1/∞
每次三个
电话接入
M/M/N/N
S个侍者
M/M/S/∞
稳定状态时,各状态的概率
写出Q,列稳态分布方程
w’= wQ=0
稳态的“概率流”平衡:
解得
考虑到:
M/M/1/∞ :
解
法
1
2
解得最终结果
稳定状态时,系统中的顾客数(分布和均值)
M/M/1/∞为例
已得 wn=(1-ρ)ρn
定义母函数:
系统中用户数:
排队中的用户数:
0
1
μ
λ
2
μ
λ
3
μ
λ
μ
λ
稳定状态时,顾客的耗时平均值
M/M/1/∞ 母函数
平均耗时:
在队列中的平均耗时:
验证 Little 定律:
延迟时间的分布如何推导?
0
1
μ
λ
2
μ
λ
3
μ
λ
μ
λ
稳定状态时,L
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