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1、优化建模与LINGO第10章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望内容提要内容提要10.1 排队服务系统的基本概念排队服务系统的基本概念10.2 等待制排队模型等待制排队模型10.3 损失制排队模型损失制排队模型10.4 混合制排队模型混合制排队模型10.5 闭合式排队模型闭合式排队模型10.6 排队系统的最优化模型排队系统的最优化模型 10.1 排队服务系统的基本概念排队服务系统的基本概念排队论排队论(Queueing Theory)又称随机服务系统又
2、称随机服务系统,是通过研究是通过研究各种服务系统等待现象中的概率特征，从而解决服务系各种服务系统等待现象中的概率特征，从而解决服务系统最优设计与最优控制的一种理论统最优设计与最优控制的一种理论.1.排队的例子排队的例子及基本概念及基本概念某维修中心在周末现只安排一名员工为顾客提供服务。新来某维修中心在周末现只安排一名员工为顾客提供服务。新来维修的顾客到达后，若已有顾客正在接受服务，则需要排队维修的顾客到达后，若已有顾客正在接受服务，则需要排队等待。若排队的人数过多，势必会造成顾客抱怨，会影响到等待。若排队的人数过多，势必会造成顾客抱怨，会影响到公司产品的销售；若维修人员多，会增加维修中心的支出
3、，公司产品的销售；若维修人员多，会增加维修中心的支出，如何调整两者的关系，使得系统达到最优如何调整两者的关系，使得系统达到最优.例例10.110.1 排队的例子排队的例子它是一个典型的排队的例子它是一个典型的排队的例子,关于排队的例子有很多关于排队的例子有很多,例如：例如：上下班坐公共汽车上下班坐公共汽车,等待公共汽车的排队等待公共汽车的排队;顾客到商店购物形顾客到商店购物形成的排队成的排队;病人到医院看病形成的排队病人到医院看病形成的排队;售票处购票形成的排售票处购票形成的排队等队等;另一种排队是物的排队，例如文件等待打印或发送另一种排队是物的排队，例如文件等待打印或发送;路路口红灯下面的汽
4、车、自行车通过十字路口等等口红灯下面的汽车、自行车通过十字路口等等.排队现象是由两个方面构成，一方要求得到服务，另一方设排队现象是由两个方面构成，一方要求得到服务，另一方设法给予服务。我们把要求得到服务的人或物（设备）统称为法给予服务。我们把要求得到服务的人或物（设备）统称为顾客顾客,给予服务的服务人员或服务机构统称为服务员或服务给予服务的服务人员或服务机构统称为服务员或服务台。顾客与服务台就构成一个排队系统，或称为随机服务系台。顾客与服务台就构成一个排队系统，或称为随机服务系统。统。显然缺少顾客或服务台任何一方都不会形成排队系统显然缺少顾客或服务台任何一方都不会形成排队系统.对于任何一个排队
5、服务系统，每一名顾客通过排队服务系统对于任何一个排队服务系统，每一名顾客通过排队服务系统总要经过如下过程：顾客到达、排队等待、接受服务和离总要经过如下过程：顾客到达、排队等待、接受服务和离去，其过程如下图所示去，其过程如下图所示:顾客总体顾客总体队队 伍伍输出输出输入输入 服务台服务台服务系统服务系统输入输入过程过程顾客源总体：顾客的来源可能是有限的，也可顾客源总体：顾客的来源可能是有限的，也可 能是无限的能是无限的 2.排队服务系统的基本概念排队服务系统的基本概念到达的类型：顾客是单个到达，或是成批到达到达的类型：顾客是单个到达，或是成批到达相继顾客到达的间隔时间：通常假定是相互独相继顾客到
6、达的间隔时间：通常假定是相互独立、同分布的，有的是等距间隔时间，有的是立、同分布的，有的是等距间隔时间，有的是服从服从Poisson分布，有的是服从分布，有的是服从k阶阶Erlang分布分布输入过程是描述顾客来源及顾客是按怎样的规律抵达排队系统输入过程是描述顾客来源及顾客是按怎样的规律抵达排队系统排队排队规则规则损失制排队系统：顾客到达时损失制排队系统：顾客到达时,若有服务台均被占若有服务台均被占,服务机构服务机构 又不允许顾客等待又不允许顾客等待,此时该顾客就自动辞去此时该顾客就自动辞去 2.排队服务系统的基本概念排队服务系统的基本概念等待制排队系统：顾客到达时若所有服务台均被占，他们等待制
7、排队系统：顾客到达时若所有服务台均被占，他们 就排队等待服务。在等待制系统中就排队等待服务。在等待制系统中,服务服务 顺序又分为：先到先服务顺序又分为：先到先服务,即顾客按到达即顾客按到达 的先后顺序接受服务；后到先服务的先后顺序接受服务；后到先服务.混合制排队系统：损失制与等待制的混合，分为队长混合制排队系统：损失制与等待制的混合，分为队长(容量容量)有限的混合制系统，等待时间有限的混有限的混合制系统，等待时间有限的混 合制系统，以及逗留时间有限制的混合合制系统，以及逗留时间有限制的混合 系统系统.排队规则是指服务允许不允许排队，顾客是否愿意排队排队规则是指服务允许不允许排队，顾客是否愿意排
8、队服务服务机构机构服务台的数目服务台的数目:在多个服务台的情形下，是串在多个服务台的情形下，是串 联或是并联；联或是并联；2.排队服务系统的基本概念排队服务系统的基本概念顾客所需的服务时间服从什么样的概率分布，顾客所需的服务时间服从什么样的概率分布，每个顾客所需的服务时间是否相互独立，是成每个顾客所需的服务时间是否相互独立，是成批服务或是单个服务等。常见顾客的服务时间批服务或是单个服务等。常见顾客的服务时间分布有：定长分布、负指数分布、超指数分分布有：定长分布、负指数分布、超指数分布、布、k k阶阶ErlangErlang分布、几何分布、一般分布等分布、几何分布、一般分布等.3.符号表示符号表
9、示排队论模型的记号是排队论模型的记号是2020世纪世纪5050年代初由年代初由D.G.Kendall(D.G.Kendall(肯肯达尔达尔)引入的，通常由引入的，通常由3 35 5个英文字母组成，其形式为个英文字母组成，其形式为其中其中A表示输入过程，表示输入过程，B表示服务时间，表示服务时间，C表示服务台数目，表示服务台数目，n表示系统空间数。例如表示系统空间数。例如:(1)M/M/S/表示输入过程是表示输入过程是Poisson流流,服务时间服从负服务时间服从负(2)指数分布指数分布,系统有系统有S个服务台平行服务个服务台平行服务,系统容量为无穷系统容量为无穷的的(3)等待制排队系统等待制排
10、队系统.(2)M/G/1/表示输入过程是表示输入过程是Poisson流，顾客所需的服务流，顾客所需的服务时间为独立、服从一般概率分布，系统中只有一个服务时间为独立、服从一般概率分布，系统中只有一个服务台，容量为无穷的等待制系统台，容量为无穷的等待制系统.(3)GI/M/1/表示输入过程为顾客独立到达且相继到达的间表示输入过程为顾客独立到达且相继到达的间(4)隔时间服从一船概率分布，服务时间是相互独立、服从隔时间服从一船概率分布，服务时间是相互独立、服从负指负指(5)数分布，系统中只有一个服务台，容量为无穷的等待制数分布，系统中只有一个服务台，容量为无穷的等待制系统系统 3.符号表示符号表示(4
11、)Ek/G/1/K表示相继到达的间隔时间独立、服从表示相继到达的间隔时间独立、服从k阶阶Erlang分布，服务时间为独立、服从一般概率分布，系统中只有一分布，服务时间为独立、服从一般概率分布，系统中只有一个服务台，容量为个服务台，容量为K的混合制系统的混合制系统.(5)D/M/S/K表示相继到达的间隔时间独立、服从定长分布、表示相继到达的间隔时间独立、服从定长分布、服务时间相互独立、服从负指数分布，系统中有服务时间相互独立、服从负指数分布，系统中有S个服务台个服务台平行服务，容量为平行服务，容量为K的混合制系统的混合制系统.4.描述排队系统的主要数量指标描述排队系统的主要数量指标 队长与等待队
12、长队长与等待队长队长队长(通常记为通常记为LS)是指在系统中的顾客的平均数是指在系统中的顾客的平均数(包包括正在接受服务的顾客括正在接受服务的顾客),而等待队长而等待队长(通常记为通常记为Lq)是是指系统中排队等待的顾客的平均数，它们是顾客和服指系统中排队等待的顾客的平均数，它们是顾客和服务机构双方都十分关心的数量指标。显然队长等于等务机构双方都十分关心的数量指标。显然队长等于等待队长加上正在被服务的顾客数待队长加上正在被服务的顾客数.顾客的平均等待时间与平均逗留时间顾客的平均等待时间与平均逗留时间顾客的平均等待时间顾客的平均等待时间(通常记为通常记为W Wq q)是指从顾客进入系是指从顾客进
13、入系统的时刻起直到开始接受服务止的平均时间。平均逗统的时刻起直到开始接受服务止的平均时间。平均逗留时间留时间(通常记为通常记为W Ws s)是指顾客在系统中的平均等待时是指顾客在系统中的平均等待时间与平均服务时间之和。平均等待时间与平均服务时间与平均服务时间之和。平均等待时间与平均服务时间是顾客最关心的数量指标间是顾客最关心的数量指标.4.描述排队系统的主要数量指标描述排队系统的主要数量指标 系统的忙期与闲期系统的忙期与闲期 从顾客到达空闲的系统，服务立即开始，直到系统再从顾客到达空闲的系统，服务立即开始，直到系统再次变为空闲，这段时间是系统连续繁忙的时间，我们称次变为空闲，这段时间是系统连续
14、繁忙的时间，我们称为系统的忙期，它反映了系统中服务机构的工作强度，为系统的忙期，它反映了系统中服务机构的工作强度，是衡量服务机构利用效率的指标，即是衡量服务机构利用效率的指标，即与忙期对应的是系统的闲期，即系统连续保持空闲的时与忙期对应的是系统的闲期，即系统连续保持空闲的时间长度间长度.服务机构服务机构工作强度工作强度用于服务顾客的时间用于服务顾客的时间服务设施总的服务时间服务设施总的服务时间用于服务顾客的时间用于服务顾客的时间服务设施总的服务时间服务设施总的服务时间 5.Little（利特尔）公式（利特尔）公式用用 表示单位时间内顾客到达的平均数表示单位时间内顾客到达的平均数,表示单位时间内
15、表示单位时间内被服务完毕离去的平均顾客数，因此被服务完毕离去的平均顾客数，因此1/表示相邻两顾客到表示相邻两顾客到达的平均时间，达的平均时间，1/表示对每个顾客的平均服务时间表示对每个顾客的平均服务时间.J.D.C.Little给出了如下公式：给出了如下公式：6.与排队论模型有关的与排队论模型有关的LINGO函数函数(1)peb(load,S)该函数的返回值是当到达负荷为该函数的返回值是当到达负荷为load,服务系统中有服务系统中有S个服务个服务器且允许排队时系统繁忙的概率器且允许排队时系统繁忙的概率,也就是顾客等待的概率也就是顾客等待的概率.(2)pel(load,S)该函数的返回值是当到达
16、负荷为该函数的返回值是当到达负荷为load,服务系统中有服务系统中有S个服务个服务器且不允许排队时系统损失概率器且不允许排队时系统损失概率,也就是顾客得不到服务离也就是顾客得不到服务离开的概率开的概率.(3)pfs(load,S,K)该函数的返回值是当到达负荷为该函数的返回值是当到达负荷为load,顾客数为顾客数为K,平行服务平行服务器数量为器数量为S时时,有限源的有限源的Poisson服务系统等待或返修顾客数服务系统等待或返修顾客数的期望值的期望值.10.2 等待制排队模型等待制排队模型等待制排队模型中最常见的模型是等待制排队模型中最常见的模型是即顾客到达系统的相继到达时间间隔独立，且服从参
17、数即顾客到达系统的相继到达时间间隔独立，且服从参数为为的负指数分布的负指数分布(即输入过程为即输入过程为Poisson过程过程),服务台服务台的服务时间也独立同分布的服务时间也独立同分布,且服从参数为且服从参数为的负指数分的负指数分布，而且系统空间无限，允许永远排队布，而且系统空间无限，允许永远排队.1.等待制排队模型的基本参数等待制排队模型的基本参数(1)顾客等待的概率顾客等待的概率P Pwaitwait其中其中S是服务台或服务员的个数，是服务台或服务员的个数，load是系统到达负荷，是系统到达负荷，即即 load=/=R*T,式中式中R表示表示,T表示表示1/,R表示表示,在下面的程序中，
18、因此，在下面的程序中，因此，R或或是顾客的平均到达率，是顾客的平均到达率，是顾客的平均被服务数，是顾客的平均被服务数，T 就是平均服务时间就是平均服务时间.1.等待制排队模型的基本参数等待制排队模型的基本参数(2)顾客的平均等待时间顾客的平均等待时间Wq其中其中T/(S-load)是一个重要指标，可以看成一个是一个重要指标，可以看成一个“合理的合理的长度间隔长度间隔”。注意，当。注意，当loadS时，此值趋于无穷。也就时，此值趋于无穷。也就是说，系统负荷接近服从器的个数时，顾客平均等待时是说，系统负荷接近服从器的个数时，顾客平均等待时间将趋于无穷间将趋于无穷.当当load S时时,上式上式Wq
19、无意义。其直观的解释是：当系统无意义。其直观的解释是：当系统负荷超过服从器的个数时负荷超过服从器的个数时,排队系统达不到稳定的状态排队系统达不到稳定的状态,其队将越排越长其队将越排越长.1.等待制排队模型的基本参数等待制排队模型的基本参数(3)顾客的平均逗留时间顾客的平均逗留时间Ws、队长、队长Ls和等待队长和等待队长Lq(4)(4)这三个值可由这三个值可由LittleLittle公式直接得到公式直接得到 2.等待制排队模型的计算实例等待制排队模型的计算实例 S=1的情况的情况(M/M/1/)即只有一个服务台或一名服务员服务的情况即只有一个服务台或一名服务员服务的情况.例例10.2 某维修中心
20、在周末现只安排一名员工为顾客提供服某维修中心在周末现只安排一名员工为顾客提供服务。新来维修的顾客到达后，若已有顾客正在接受服务，务。新来维修的顾客到达后，若已有顾客正在接受服务，则需要排队等待。假设来维修的顾客到达过程为则需要排队等待。假设来维修的顾客到达过程为Poisson流，平均流，平均4人人/小时，维修时间服从负指数分布，平均需要小时，维修时间服从负指数分布，平均需要6分钟。试求该系统的主要数量指标。分钟。试求该系统的主要数量指标。解解 按照式上面分析按照式上面分析,编写编写LINGO程序，其中程序，其中R=4,T=6/60,load=R.T,S=1.程序名程序名:exam1002.lg
21、4.2.等待制排队模型的计算实例等待制排队模型的计算实例由此得到：由此得到：(1)系统平均队长系统平均队长 Ls=0.6666667,(2)系统平均等待队长系统平均等待队长 Lq=0.2666667,(3)顾客平均逗留时间顾客平均逗留时间 Ws=0.1666667(小时小时)=10(分钟分钟)(4)顾客平均等待时间顾客平均等待时间 Wq=0.06666667(小时小时)=4(分钟分钟)(5)系统繁忙概率系统繁忙概率 P wait=0.4在商业中心处设置一台在商业中心处设置一台ATM机，假设来取钱的顾客平均每机，假设来取钱的顾客平均每分钟分钟0.6个，而每个顾客的平均取钱的时间为个，而每个顾客的
22、平均取钱的时间为1.25分钟，试分钟，试求该求该ATM机的主要数量指标机的主要数量指标.解解 只需将上例只需将上例LINGOLINGO程序作如下改动：程序作如下改动：R=0.6,T=1.25 R=0.6,T=1.25 即即可得到结果可得到结果.程序名程序名:exam1003.lg4.:exam1003.lg4.计算结果见运行计算结果见运行 例例10.3即平均队长为即平均队长为3人，平均等待队长为人，平均等待队长为2.25人，顾客平均逗留人，顾客平均逗留时间时间5分钟，顾客平均等待时间为分钟，顾客平均等待时间为3.75分钟，系统繁忙概率分钟，系统繁忙概率为为0.75.S1的情况的情况(M/M/S
23、/)表示有多个服务台或多名服务员服务的情况表示有多个服务台或多名服务员服务的情况例例10.设打印室有设打印室有3名打字员名打字员,平均每个文件的打印时间平均每个文件的打印时间为为10分钟，而文件的到达率为每小时分钟，而文件的到达率为每小时15件，试求该打印件，试求该打印室的主要数量指标室的主要数量指标.解解 按照上面分析按照上面分析,编写编写LINGO程序程序,程名程名:exam1004.lg4.计算结果分析计算结果分析：即在打字室内现有的平均文件数为：即在打字室内现有的平均文件数为6.011件，等待打印平均文件数件，等待打印平均文件数3.511件，每份文件在打字室平件，每份文件在打字室平均停
24、留时间为均停留时间为0.400小时（小时（24分钟），排队等待打印的平分钟），排队等待打印的平均时间均时间0.234小时小时(14分钟分钟),打印室不空闲的概率打印室不空闲的概率0.702.某售票点有两个售票窗口，顾客按参数某售票点有两个售票窗口，顾客按参数=8人人/分钟的分钟的Poisson流到达，每个窗口的售票时间均服从参数流到达，每个窗口的售票时间均服从参数=5人人/分分钟的负指数分布，试比较以下两种排队方案的运行指标钟的负指数分布，试比较以下两种排队方案的运行指标.1.(1)顾客到达后顾客到达后,以以1/2的概率站成的概率站成两个队列，如右图两个队列，如右图所示：所示：例例10.5(2
25、)顾客到达后排成一个队列顾客到达后排成一个队列,顾客发现哪个窗口空时顾客发现哪个窗口空时,他他就就接受该窗口的服务，如下图所示接受该窗口的服务，如下图所示:解解(1)实质上是两个独立的实质上是两个独立的M/M/1/系统系统,其参数其参数S=1,R=1 1=2=4,T=1/=1/5=0.2,编写其编写其LINGO程序，程序程序，程序名名:exam1005a.lg4.计算结果见运行计算结果见运行 例例10.5(2)是两个并联系统是两个并联系统,其参数其参数S=2,R=8,T=1/=1/5=0.2,编写其编写其LINGO程序程序,程序名程序名:exam1005b.lg4.计算结果见计算结果见运行运行
26、两种系统的计算结果两种系统的计算结果从上表中所列的计算结果可以看出从上表中所列的计算结果可以看出,在服务台的各种性能在服务台的各种性能指指标不变的情况下标不变的情况下,采用不同的排队方式采用不同的排队方式,其结果是不同的其结果是不同的.从从表得到表得到,采用多队列排队系统的队长为采用多队列排队系统的队长为4,而采用单排队系统而采用单排队系统总队长为总队长为4.444,也就是说每一个子队的队长为也就是说每一个子队的队长为2.222,几乎是几乎是多列队排队系统的多列队排队系统的1/2,效率几乎提高了一倍效率几乎提高了一倍.例例10.5比较分析比较分析 10.3 损失制排队模型损失制排队模型损失制排
27、队模型通常记为损失制排队模型通常记为当当S个服务器被占用后，顾客自动离去。其模型的基本个服务器被占用后，顾客自动离去。其模型的基本参数与等待制排队模型有些不同参数与等待制排队模型有些不同,我们关心如下指标：我们关心如下指标：(1)系统损失的概率系统损失的概率其中其中load是系统到达负荷是系统到达负荷,S是服务台或服务员的个数是服务台或服务员的个数.1.损失制排队模型的基本参数损失制排队模型的基本参数(2)单位时间内平均进入系统的顾客数单位时间内平均进入系统的顾客数(e e或或Re)(3)系统的相对通过能力系统的相对通过能力Q与绝对通过能力与绝对通过能力A(4)系统在单位时间内占用服务台系统在
28、单位时间内占用服务台(或服务员或服务员)的均值的均值Ls注意注意:在损失制排队系统中在损失制排队系统中,Lq=0,即等待队长为即等待队长为0.(5)系统服务台（或服务员）的效率系统服务台（或服务员）的效率(6)顾客在系统内平均逗留时间顾客在系统内平均逗留时间(由于由于Wq=0,即为即为Ws）注意注意:在损失制排队系统中在损失制排队系统中,Wq=0,即等待时间为即等待时间为0.在上述公式中在上述公式中,引入引入e(或或Re)是十分重要的是十分重要的,因为尽因为尽管管顾客的以平均顾客的以平均(或或R)的速率到达服务系统的速率到达服务系统,但当系统但当系统被占满后被占满后,有一部分顾客会自动离去有一
29、部分顾客会自动离去,因此因此,真正进入系真正进入系统的顾客输入率是统的顾客输入率是e,它小于它小于.2.损失制排队模型的计算实例损失制排队模型的计算实例 S=1的情况的情况(M/M/1/1)例例10.6 设某条电话线，平均每分钟有设某条电话线，平均每分钟有0.6次呼唤，若每次次呼唤，若每次通话时间平均为通话时间平均为1.25分钟，求系统相应的参数指标。分钟，求系统相应的参数指标。解解 按照上面分析按照上面分析,编写编写LINGOLINGO程序，其中程序，其中S=1,R=S=1,R=0.6=0.6,T=1/T=1/=1.25,=1.25,程序名程序名:exam1006.lg4:exam1006.
30、lg4，结果见运行，结果见运行系统的顾客损失率为系统的顾客损失率为43%,即即43%的电话没有接通的电话没有接通,有有57%的电话得到了服务的电话得到了服务,通话率为平均每分钟有通话率为平均每分钟有0.195次次,系统的系统的服务效率为服务效率为43%.对于一个服务台的损失制系统对于一个服务台的损失制系统,系统的服系统的服务效率等于系统的顾客损失率务效率等于系统的顾客损失率,这一点在理论上也是正确的这一点在理论上也是正确的.S1的情况的情况(M/M/S/S)例例10.7 某单位电话交换台有一台某单位电话交换台有一台200门内线的总机，已知在门内线的总机，已知在上班上班8小时的时间内，有小时的时
31、间内，有20%的内线分机平均每的内线分机平均每40分钟要一分钟要一次外线电话，次外线电话，80%的分机平均隔的分机平均隔120分钟要一次外线。又知分钟要一次外线。又知外线打入内线的电话平均每分钟外线打入内线的电话平均每分钟1次次.假设与外线通话的时假设与外线通话的时间为平均间为平均3分钟分钟,并且上述时间均服从负指数分布并且上述时间均服从负指数分布,如果要如果要求求电话的通话率为电话的通话率为95%,问该交换台应设置多少条外线？问该交换台应设置多少条外线？解解(1)电话交换台的服务分成两类电话交换台的服务分成两类,第一类内线打外线第一类内线打外线,其其强强度为度为:第二类是外线打内线，其强度为
32、第二类是外线打内线，其强度为2 2=1*60=60.=1*60=60.因此，总强度为因此，总强度为=1 1+2 2=140+60=200.=140+60=200.(2)这是损失制服务系统这是损失制服务系统,按题目要求按题目要求,系统损失的概率不系统损失的概率不能超过能超过5%,即即(3)外线是整数，在满足条件下，条数越少越好。外线是整数，在满足条件下，条数越少越好。由上述三条，写出相应的由上述三条，写出相应的LINGO程序，程序，程序名：程序名：exam1007a.lg4.例例10.7经计算得到经计算得到,即需要即需要15条外线条外线,在此条件下在此条件下,交换台的顾交换台的顾客客损失率为损失
33、率为3.65%,有有96.35%的电话得到了服务的电话得到了服务,通话率为平通话率为平均每小时均每小时185.67次次,交换台每条外线的服务效率为交换台每条外线的服务效率为64.23%.在前面谈过，尽量选用简单的模型让在前面谈过，尽量选用简单的模型让LINGO软件求解，而软件求解，而上述程序是解非线性整数规划上述程序是解非线性整数规划(尽管是一维的尽管是一维的),但计算时但计算时间间可能会较长可能会较长,因此因此,我们选用下面的处理法我们选用下面的处理法,分两步处理分两步处理.第一步第一步,求出概率为求出概率为5%的服务台的个数的服务台的个数,尽管要求服务台尽管要求服务台是整数是整数,但但pe
34、l()可以给出实数解可以给出实数解.写出写出LINGO程序程序,程序名：程序名：exam1007b1.lg4.例例10.7第二步第二步,注意到注意到pel(load,S)是是S的单调递减函数的单调递减函数,因此因此,对对S取整取整(采用只入不舍原则采用只入不舍原则)就是满足条件的最小服务台数就是满足条件的最小服务台数,然后再计算出其他的参数指标。然后再计算出其他的参数指标。写出写出LINGO程序程序,程序名：程序名：exam1007b2.lg4.比较两种方法的计算结果，其答案是相同的，但第二种方比较两种方法的计算结果，其答案是相同的，但第二种方法比第一种方法在计算时间上要少许多法比第一种方法在
35、计算时间上要少许多.10.4 混合制排队模型混合制排队模型混合制排队模型通常记为混合制排队模型通常记为即有即有S个服务台或服务员个服务台或服务员,系统空间容量为系统空间容量为K,当当K个位置个位置已被顾客占用时已被顾客占用时,新到的顾客自动离去新到的顾客自动离去,当系统中有空位当系统中有空位置时置时,新到的顾客进入系统排队等待。新到的顾客进入系统排队等待。对于混合制排队模型对于混合制排队模型,LINGO软件并没有提供特殊的计软件并没有提供特殊的计算函数算函数,因此需要混合制排队模型的基本公式进行算因此需要混合制排队模型的基本公式进行算,为此为此,先给出其基本公式先给出其基本公式.设设pi(i=
36、1,2,K)是系统有是系统有i个顾客的概率个顾客的概率,p0表示系统表示系统空空闲时的概率闲时的概率,因此有因此有:设设i i(i=1,2,K)为系统在为系统在i时刻的输入强度时刻的输入强度,i i(i=1,2,K)为系统在为系统在i时刻的服务强度时刻的服务强度,在平衡过在平衡过下下,可得到平衡方程可得到平衡方程 1.混合制排队模型的基本公式混合制排队模型的基本公式对于混合制排队模型对于混合制排队模型M/M/S/K,有有 1.混合制排队模型的基本公式混合制排队模型的基本公式对于混合制排队模型，人们关心如下参数：对于混合制排队模型，人们关心如下参数：(1)系统的损失概率系统的损失概率 2.混合制
37、排队模型的基本参数混合制排队模型的基本参数(2)系统的相对通过系统的相对通过能力能力Q和单位时间和单位时间平均进入系统的顾平均进入系统的顾客数客数e e(3)(3)平均队长平均队长L Ls s和平均等待队长和平均等待队长L Lq q(4)顾客在系统内平均逗留时间顾客在系统内平均逗留时间Ws 和平均排队等待时间和平均排队等待时间Wq,这两个时间可由这两个时间可由Little公式得到公式得到注意注意:上面两上面两公式中，是除公式中，是除e而不是而不是,其理由与损失其理由与损失制系统相同制系统相同.2.混合制排队模型的基本参数混合制排队模型的基本参数 S=1 的情况的情况(M/M/1/K)例例10.
38、8 某理发店只有某理发店只有1名理发员名理发员,因场所有限因场所有限,店里最多可店里最多可容纳容纳4名顾客名顾客,假设来理发的顾客按假设来理发的顾客按Poisson过程到达过程到达,平均平均到达率为每小时到达率为每小时6人人,理发时间服从负指数分布理发时间服从负指数分布,平均平均12分分钟可为钟可为1名顾客理发名顾客理发,求该系统的各项参数指标求该系统的各项参数指标.解解 按照上面分析按照上面分析,其参数其参数S=1,K=4,R=S=1,K=4,R=6=6,T=1/,T=1/=12/60,=12/60,再计算相应的损失概率再计算相应的损失概率p pK K 及各项参数指标及各项参数指标,编写出编
39、写出LINGOLINGO程序，程序名程序，程序名:exam1008.lg4:exam1008.lg4，结果见运行，结果见运行即理发店的空闲率为即理发店的空闲率为13.4%,顾客的损失率为顾客的损失率为27.9%,每小时每小时进入理发店的平均顾客数为进入理发店的平均顾客数为4.328人人,理发店内的平均顾客理发店内的平均顾客数数(队长队长)为为2.359人人,顾客在理发店的平均逗留时间是顾客在理发店的平均逗留时间是0.545小小时时(32.7分钟分钟),理发店里等待理发的平均顾客数理发店里等待理发的平均顾客数(等待队长等待队长)为为1.494人人,顾客在理发店的平均等待时间为顾客在理发店的平均等
40、待时间为0.345小时小时(20.7分分)3.混合制排队模型的计算实例混合制排队模型的计算实例 S1的情况的情况(M/M/S/K)例例10.9 某工厂的机器维修中心有某工厂的机器维修中心有9名维修工名维修工,因为场地限制因为场地限制,中心内最多可以容纳中心内最多可以容纳12台需要维修的设备台需要维修的设备,假设待修的设备假设待修的设备按按Poisson过程到达过程到达,平均每天平均每天4台台,维修设备服从负指数分维修设备服从负指数分布布,每台设备平均需要每台设备平均需要2天时间天时间,求该系统的各项参数指标求该系统的各项参数指标.解解 其参数其参数S=9,K=12,R=S=9,K=12,R=4
41、=4,T=1/,T=1/=2,=2,再计算相应的损失再计算相应的损失概率概率p pK K 及各项参数指标及各项参数指标,编写出编写出LINGOLINGO程序，程序，程序名程序名:exam1009.lg4:exam1009.lg4，结果见运行，结果见运行经计算得到：维修中心的空闲率经计算得到：维修中心的空闲率p0=0.033%$,设备的损失率设备的损失率Plost=8.61%,每天进入维修中心需要维修的设备每天进入维修中心需要维修的设备e=3.66台台,维修中心内的平均维修的设备维修中心内的平均维修的设备(队长队长)Ls=7.87台台,待修设备待修设备在在维修中心的平均逗留时间维修中心的平均逗留
42、时间Ws=2.15天天,维修中心内等平均待维修中心内等平均待维修的设备维修的设备(等待队长等待队长)Lq=0.561天天,待修设备在维修中心的待修设备在维修中心的平均等待时间平均等待时间Wq=0.153天天.10.5 闭合式排队模型闭合式排队模型设系统内有设系统内有M个服务台个服务台(或服务员或服务员),顾客到达系统的间顾客到达系统的间隔隔时间和服务台的服务时间均为负指数分布时间和服务台的服务时间均为负指数分布,而系统的容而系统的容量和潜在的顾客数都为量和潜在的顾客数都为K,又顾客到达率为又顾客到达率为,服务台的服务台的平均服务率为平均服务率为,这样的系统称为闭合式排队模型这样的系统称为闭合式
43、排队模型,记为记为对于闭合式排队模型，我们关心的参数：对于闭合式排队模型，我们关心的参数：(1)平均队长平均队长 1.闭合式排队模型的基本参数闭合式排队模型的基本参数其中其中load是系统的负荷是系统的负荷,其计算公式为其计算公式为即即 系统的负荷系统的负荷=系统的顾客数系统的顾客数 X X 顾客的到达率顾客的到达率 X X 顾客的服务时间顾客的服务时间(2)单位时间平均进入系统的顾客数单位时间平均进入系统的顾客数e e或或Re.(3)顾客处于正常情况的概率顾客处于正常情况的概率(5)每个服务台每个服务台(服务员服务员)的工作强度的工作强度(4)平均逗留时间平均逗留时间Ws、平均等待队长、平均
44、等待队长L q和和 平均排队等待平均排队等待时间时间Wq,这三个值可由这三个值可由Little公式得到公式得到 S=1 的情况的情况(M/M/1/K/K)例例10.10 设有设有1名工人负责照管名工人负责照管6台自动机床台自动机床.当机床需要加当机床需要加料、发生故障或刀具磨损时就自动停车料、发生故障或刀具磨损时就自动停车,等待工人照管等待工人照管.设设平均每台机床两次停车的时间间隔为平均每台机床两次停车的时间间隔为1小时小时,停车时需要工停车时需要工人照管的平均时间是人照管的平均时间是6分钟分钟,并均服从负指数分布并均服从负指数分布,求该系求该系统的各项指标统的各项指标.解解 这是一个闭合式
45、排队模型这是一个闭合式排队模型M/M/1/6/6,其参数为其参数为S=1,K=6,S=1,K=6,R=R=1=1,T=1/,T=1/=6/60,=6/60,计算计算出平均队长出平均队长,再再计算出其他各项计算出其他各项指标指标,写出写出LINGOLINGO程序程序,程序名程序名:exam1010.lg4,:exam1010.lg4,结果见运行结果见运行.机床的平均队长为机床的平均队长为0.845台台,平均等待队长为平均等待队长为0.330台台,机床机床的的平均逗留时间为平均逗留时间为0.164小时小时(9.84分钟分钟),平均等待时间为平均等待时间为0.064小时小时(3.84分钟分钟),机床
46、的正常工作概率为机床的正常工作概率为85.91%,工人的劳工人的劳动动强度为强度为0.515.S1 的情况的情况例例10.11 (继例继例10.10)将例中的条件改为由将例中的条件改为由3名工人联合看名工人联合看管管20台自动机床台自动机床,其他条件不变其他条件不变,求该系统的各项指标。求该系统的各项指标。解解 这是这是M/M/3/20/20闭合式排队模型闭合式排队模型,其参数为其参数为S=3,K=20,S=3,K=20,其余不变其余不变,写出写出LINGOLINGO程序程序,程序名程序名:exam1011.lg4,:exam1011.lg4,结果见运行结果见运行.2.闭合式排队模型的计算实例
47、闭合式排队模型的计算实例从上表可以看出从上表可以看出,在第二种情况下在第二种情况下,尽管每个工人看管的机尽管每个工人看管的机器器数增加了数增加了,但机器逗留时间和等待维修时间却缩短了但机器逗留时间和等待维修时间却缩短了,机器机器的的正常运转率和工人的劳动强度都提高了。正常运转率和工人的劳动强度都提高了。例例10.1010.10和例和例10.1110.11的计算结果比较的计算结果比较 10.6 排队系统的最优化模型排队系统的最优化模型排队系统中的优化模型，一般可分为系统设计的优化和排队系统中的优化模型，一般可分为系统设计的优化和系统控制的优化。前者为静态优化，即在服务系统设置系统控制的优化。前者
48、为静态优化，即在服务系统设置以前根据一定的质量指标，找出参数的最优值，从而使以前根据一定的质量指标，找出参数的最优值，从而使系统最为经济。后者称动态优化，即对已有的排队系统系统最为经济。后者称动态优化，即对已有的排队系统寻求使其某一目标函数达到最优的运营机制。寻求使其某一目标函数达到最优的运营机制。本节的主要目的是利用本节的主要目的是利用LINGO软件求函数极值的功能软件求函数极值的功能,求系统的静态优化。求系统的静态优化。系统服务时间系统服务时间T=1/.我们需要调整系统服务时间使系我们需要调整系统服务时间使系统达到最优。统达到最优。1.系统服务时间的确定系统服务时间的确定例例10.12 设
49、某工人照管设某工人照管4台自动机床台自动机床,机床运转时间机床运转时间(或或各各台机床损坏的相继时间台机床损坏的相继时间)平均为负指数分布平均为负指数分布,假定平均每假定平均每周有一台机床损坏需要维修周有一台机床损坏需要维修,机床运转单位时间内平均机床运转单位时间内平均收入收入100元元,而每增加而每增加1单位单位的维修费用为的维修费用为75元。求使元。求使总利益达到最大的总利益达到最大的*.例例10.12解解 这是一个闭合式排队系统这是一个闭合式排队系统M/M/1/K/K,且且K=4.设设Ls 是是队长队长,则正常运转的机器为则正常运转的机器为 K-Ls 部部,因此目标函数为因此目标函数为
50、题意就是在上述条件下，求目标函数题意就是在上述条件下，求目标函数 f 的最大值的最大值.写出写出LINGO程序程序,程序名程序名:exam1012.lg4,结果见运行结果见运行.*=1.799.最优目标值最优目标值f*=31.49.例例10.13 假定有一混合制排队系统假定有一混合制排队系统M/M/1/K,其顾客的到其顾客的到达率为每小时达率为每小时3.6人人,其到达间隔服从其到达间隔服从Poisson过程过程.系统系统服服务一个顾客收费务一个顾客收费2元元.又设系统的服务强度为又设系统的服务强度为(=1/T,T为服务时间为服务时间)服从负指数分布服从负指数分布,其服务成本为每小时其服务成本为