Общие положения

5.1.1 Основные понятия. Любая система массового обслуживания предназначена для выполнения некоторого потока заявок. В роли заявки может выступать появление пассажира в билетной кассе, возникновение неисправности в устройстве, приход судна в порт, появление частицы в счетчике Гейгера Мюллера и т.д. Система может иметь одну или несколько обслуживающих единиц, которые принято называть каналами обслуживания. В парикмахерской количество работающих мастеров равно числу каналов обслуживания. В других ситуациях – это число кассиров в билетной кассе, число телефонов на переговорном пункте, число причалов в морском порту, число колонок на автозаправочной станции и т.д. Приходя в поликлинику к определенному врачу, мы имеем дело также с одноканальной системой массового обслуживания.

Рассматривая работу той или иной системы массового обслуживания, надо учитывать прежде всего число каналов обслуживания, число заявок, поступающих на вход системы в единицу времени, длительность обслуживания одной заявки. Существенно, что число поступающих в систему заявок, моменты их поступления, длительность обслуживания заявки и т.д. относятся, как правило, к категории случайных факторов. Поэтому теория массового обслуживания тесно связана с теорией случайных процессов.

В теории массового обслуживания чаще всего рассматриваются различные сучайные процессы. Чаще всего имеются в виду случайные процессы с дискретными состояниями. Переходы системы из одних состояний в другие происходят под действием потока заявок, поступающих на вход системы, и потока обслуживаний. Под последним понимается поток заявок, обслуживаемых одним непрерывно занятым каналом системы.

5.1.2 Виды систем массового обслуживания. Системы массового обслуживания бывают двух видов: системы с отказами и системы с очередью. Если заявка поступает в систему с отказами в момент времени, когда все каналы заняты, то она получает «отказ» и выходит из игры. Например, при звонке по телефону, если абонент занят, заявка получает отказ, и абонент может повесить трубку. Повторно набирая телефонный номер, абонент тем самым посылает новую заявку.

Наиболее часто на практике встречаются системы с очередью, или, иначе, системы с ожиданием. Недаром теорию массового обслуживания называют также теорией очередей. В таких системах заявка, появившаяся в момент, когда все каналы обслуживания заняты, встает в очередь и ожидает, пока не освободится один из каналов. Существуют системы с неограниченной очередью (стоящая в очереди заявка рано или поздно будет обслужена, при этом число мест в очереди не ограничено) и системы с ограниченной очередью. Ограничения могут быть разными – по числу заявок, одновременно стоящих в очереди (в очереди должно быть не больше некоторого числа заявок, всякая дополнительная заявка получает отказ); по времени пребывания заявки в очереди (после некоторого срока пребывания в очереди заявка, если она не начала обслуживаться, покидает очередь); по времени работы системы (прием заявок к обслуживанию происходит в течение определенного времени) и т.д.

При моделировании может также учитываться дисциплина обслуживания. Обычно заявки обслуживаются в порядке их поступления в систему. Но возможно также обслуживание с приоритетом, когда некоторые заявки обслуживаются вне очереди. При этом заявка с более высоким приоритетом, поступив в систему, может оборвать уже начавшееся обслуживание заявки с меньшим приоритетом, а может дождаться окончания предыдущего обслуживания. В первом случае говорят об абсолютном приоритете, а во втором – об относительном. Системы массового обслуживания всегда являются многокритериальными, они характеризуются набором показателей эффективности. В качестве таковых могут выступать среднее число заявок, которое обслуживает система в единицу времени; среднее число занятых каналов обслуживания; среднее число заявок, находящихся в очереди; среднее время ожидания обслуживания; средний процент заявок, получающих отказ; вероятность того, что поступившая в систему заявка, будет немедленно принята к обслуживанию. Представляется вполне естественным, что при организации работы той или иной системы массового обслуживания следует стремиться к сокращению среднего числа заявок, находящихся в очереди, к сокращению времени ожидания при обслуживании.

5.1.3 Системы с отказами. Простейший тип системы массового обслуживания – одноканальная система с отказами. В качестве примера такой системы можно указать систему, состоящую из одной телефонной линии, или детектор частиц, состоящий из одного счетчика Гейгера – Мюллера. Граф состояний рассматриваемой системы показан на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. – Граф состояний простейшего типа системы массового обслуживания

Здесь состояние – канал свободен, состояние – канал занят. Через обозначена интенсивность потока заявок, а через – интенсивность потока обслуживаний. Этот граф состояний достаточно прост. Если система находится в состоянии , то поступающая на ее вход заявка переводит систему в состояние , то есть начинается обслуживание. Как только обслуживание заканчивается, система возвращается в состояние и готова принять новую заявку.

Не останавливаясь подробнее на данном типе систем, перейдем к более общему случаю – n-канальной системе с отказами. Примером может служить система, состоящая из п телефонных линий. Именно такую систему рассматривал в свое время основатель теории массового обслуживания Эрланг. Соответствующий граф состояний дан на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. – Граф состояний n-канальной системы с отказами

Для состояний системы использованы обозначения: – все каналы свободны, – занят один канал, остальные свободны, – заняты два канала, остальные свободны, – заняты все п каналов. Как и в предыдущем примере, –интенсивность потока заявок, –интенсивность потока обслуживаний.

5.1.4 Одноканальная система с ограниченной очередью. Пусть ограничение осуществляется по числу заявок, стоящих в очереди; число мест в очереди равно . Если все места заняты, то очередная заявка, поступающая в систему, получает отказ. Примером подобной системы может служить автозаправочная станция, имеющая одну колонку (один канал обслуживания) и площадку, на которй могут находиться одновременно не более автомашин. Если все места на площадке заняты, то очередная машина, прибывшая к станции, не останавливается, а проезжает мимо.

Граф состояний рассматриваемой системы показан на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3. – Граф состояний одноканальной системы с ограниченной очередью

Здесь – канал свободен, – канал занят, – канал занят, одна заявка стоит в очереди, – канал занят, в очереди стоят две заявки.., – канал занят, в очереди стоят заявок. Как обычно, –интенсивность потока заявок, –интенсивность потока обслуживаний.

5.1.5 Одноканальная система с неограниченной очередью. Заметим, что такие системы массового обслуживания довольно часто встречаются на практике: врач, принимающий больных, телефон-автомат с одной будкой, порт с одним причалом, где выгружаются прибывающие суда и т.д. Граф состояний рассматриваемой системы представлен на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4. – Граф состояний одноканальной системы с неограниченной очередью

Здесь – канал свободен, – канал занят, – канал занят, в очереди стоит одна заявка, – канал занят, в очереди стоят две заявки.., – канал занят, в очереди стоят заявок… и т.д.

Ранее рассматривались графы с конечным числом состояний. Здесь же мы встречаемся с системой, характеризующейся бесконечным числом дискретных состояний.

Пример модели простейшей системы

Вероятность поступления вызовов за время для закона распределения Пуассона определяется по следующей формуле:

, (5.1)

где – интенсивность случайного потока, т.е. среднее число поступающих заявок в единицу времени.

Временной интервал между заявками в простейшем потоке подчиняется экспоненциальному закону распределения:

, . (5.2)

Предположим, что длительность обслуживания заявки также подчиняется экспоненциальному закону распределения:

, , (5.3)

где – интенсивность обслуживания, т.е. среднее число обслуженных заявок в единицу времени.

Рисунок 5.5. – Схема имитационной модели простейшей системы массового обслуживания