M/M/1

M/M/1排隊模型(M/M/1 model)是一種單一服务台(single-server)的(排隊模型),可用作模擬不少系統的運作。

依據必須有下列的條件:

  • 到達時間卜瓦松過程(Poisson process);
  • 服務時間是指數分佈(exponentially distributed);
  • 只有一个服务台(server),遵循先到先服务规则
  • 隊列長度無限制
  • 可加入隊列的人數為無限

分析
這種模型是一種出生-死亡過程,此隨機過程中的每一個狀態代表模型中人數的數目。因為模型的隊列長度無限且參與人數亦無限,故此狀態數目亦為無限。例如狀態0表示模型閒置、狀態1表示模型有一人在接受服務、狀態2表示模型有二人(一人正接受服務、一人在等候),如此類推。
在此模型中,出生率(即加入隊列的速率)λ在各狀態中均相同,死亡率(即完成服務離開隊列的速率)μ亦在各狀態中相同(除了狀態0,因其不可能有人離開隊列)。
故此,在任何狀態下,只有兩種事情可能發生:

  • 有人加入隊列。如果模型在狀態k,它會以速率λ進入狀態k + 1
  • 有人離開隊列。如果模型在狀態kk不等於0),它會以速率μ進入狀態k − 1

由此可見,模型的隱定條件為λ \scriptstyle \rho\,=\,\tfrac{\lambda}{\mu}.
表示服务被占用的平均概率

平稳过程在狀態i(“i”个总人数,包括正在被服务的)的機率為

: \mbox{Prob}(q=i)=\pi_i=(1-\rho)\rho^i.\,

由此,可給出各測量數值的公式:

  • 整個系統的平均人數N

:: \overline N=\frac{\rho}{1-\rho},且其方差為
:: \sigma^2_N = \frac{\rho}{(1 - \rho)^2}.

  • 一單位時間內系統完成服務的人數:

:: \overline N_S = \rho \mu = \lambda

  • 在隊列中等候服務的人數:

:: \overline N_Q = \frac{\rho^2}{1 - \rho}

  • 一人在系統中的平均逗留(等候+接受服務)時間:

:: T=\frac{1}{\mu-\lambda}.

  • 一人的平均等候時間:

:: W = \frac{\overline N_Q}{\lambda} = T - \overline x = T - \frac{1}{\mu} = \frac{\rho}{\mu - \lambda}


可用M/M/1模型的例子眾多,例如只有一位員工的郵局,只有一隊列。客人進來,排隊、接受服務、離開。如果客人進來的數目符合泊松過程,且服務時間是指數分佈,則可用M/M/1模擬,並算出平均隊列長度、不同等候時間的機率等。

M/M/1可一般化成為M/M/n模型,使可用時接受服務的人數為大於一。歷史上,M/M/n模型首先被用來模擬電話系統,因為一个在丹麦哥本哈根电话局工作的工程师Erlang發現客人打電話的速率符合泊松過程,且通話時間是指數分佈,所以佔用通訊線路的數目和等待接線的人數符合M/M/n模型。

关联项目
*排队理论
*马尔科夫链

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