排队论详解及案例
- 格式:pdf
- 大小:747.32 KB
- 文档页数:133
遗传算法在排队论问题中的应用案例研究引言:排队论是一门研究人们在排队等待服务过程中效率和性能的学科。
在现实生活中,我们经常会遇到排队等待的情况,如超市收银台、医院候诊室等。
为了提高排队系统的效率,减少等待时间,研究者们一直在探索各种方法。
其中,遗传算法作为一种优化算法,被广泛应用于排队论问题的研究中。
本文将通过介绍一个具体的应用案例,探讨遗传算法在排队论问题中的应用。
一、排队论问题简介排队论问题是研究排队系统中的等待时间、服务能力等性能指标的学科。
在实际应用中,我们常常需要优化排队系统的性能,以提高服务效率和用户满意度。
排队论问题的核心是如何合理分配资源和调度顾客,使得整个系统的性能最优。
二、遗传算法在排队论问题中的原理遗传算法是一种模拟生物进化过程的优化算法。
它通过模拟自然界的选择、交叉和变异等过程,逐步搜索最优解。
在排队论问题中,遗传算法可以用来寻找最优的资源分配和顾客调度方案。
三、案例研究:超市收银台排队优化以超市收银台排队优化为例,介绍遗传算法在排队论问题中的应用。
1.问题描述:假设一个超市有多个收银台,每个收银台的服务时间和到达顾客的间隔时间都是随机的。
我们的目标是设计一个最优的顾客调度方案,使得整个超市的平均等待时间最短。
2.遗传算法的应用:首先,我们需要定义适应度函数,用来评估一个顾客调度方案的优劣。
适应度函数可以根据等待时间、服务时间、顾客数量等指标来进行评估。
然后,我们使用遗传算法来搜索最优解。
具体步骤如下:(1)初始化种群:随机生成一组初始的顾客调度方案。
(2)选择操作:根据适应度函数,选择一部分优秀的个体作为父代。
(3)交叉操作:对选出的父代进行交叉操作,生成新的子代。
(4)变异操作:对子代进行变异操作,引入新的基因组合。
(5)评估适应度:计算子代的适应度值。
(6)选择操作:根据适应度函数,选择一部分优秀的个体作为下一代的父代。
(7)重复步骤(3)-(6),直到达到终止条件。
第10章排队论第一节排队服务系统的基本概念一、排队系统的特性排队问题的实例:超市付款,自动取款机取款,医院门诊,乘公交车,设备修理。
排队服务系统的要素:顾客源,等待队列,服务机构。
要素的特性:1. 顾客源顾客到达的间隔时间:确定、随机(分布类型);一次到达人数:单个到达,成批到达;顾客源:数量无限,数量有限。
2. 等待队列等待规则:损失制,等待制,混合制;接受服务顺序:先到先服务,后到先服务,按优先权服务,随机服务。
3. 服务机构服务台数量:单个,多个;排列方式:串联、并联、混合排列。
服务时间:固定,随机(分布类型);一次服务人数:单人,成批。
三、排队服务系统的分类按上面所讨论的排队系统各项的特性,可对排队系统作出分类。
通常按如下6方面的特性对排队系统进行分类:(a/b/c) : (d/e/f)每个字母代表一个特征,它们分别是:a:顾客到达间隔的分布,有:M──负指数分布;D──确定型;E k ──k 阶爱尔郎分布; GI ──一般相互独立的分布。
b :服务时间的分布有:M 、D 、E k 、Gc :系统中并联的服务台数,记为Sd :系统中最多可容纳的顾客数,∞~1e :顾客源总数,为∞~1f :排队服务规则 FCFS ──先到先服务 LCFS ──后到先服务 用这6个参数我们可以表示出某种类型的排队系统,如:M /M /1/10/∞/FCFS其中后三项可以省略,这时表示的是:a /b /c /∞/∞/FCFS三、排队系统的状态及参数系统状态N (t )——排队系统中的顾客数,包括等待的和正在被服务的。
其与系统运行的时刻t 相关,且是一个随机变量。
稳定状态——当系统状态与时刻t 无关时,称系统处于稳定状态。
在系统开始运行的一段时间内,系统状态随时间而变化,在运行一段时间之后,系统的状态将不随时间变化,此时系统即进入稳定状态。
排队论主要研究系统处于稳定状态的工作情况,以下参数也都针对于稳定状态进行定义。
运筹学排队论引言排队论是运筹学中的一个重要分支,它研究的是如何优化排队系统的设计和管理。
排队论广泛应用于各个领域,如交通流量控制、银行业务流程优化、生产线调度等,对于提高效率和降低成本具有重要意义。
本文将介绍排队论的基本概念、排队模型以及应用案例,帮助读者了解运筹学中排队论的基本原理和应用方法。
什么是排队论排队论是一门研究排队现象的数学理论,它通过定义排队系统的各个要素,如顾客到达率、服务率、队列容量等,建立数学模型分析和优化排队系统的性能指标。
排队论主要研究以下几个方面:•排队系统的模型:包括单服务器排队系统、多服务器排队系统、顾客数量有限的排队系统等。
•排队系统的性能指标:包括平均等待时间、系统繁忙率、系统容量利用率等。
•排队系统的优化方法:包括服务策略优化、系统容量规划等。
排队论的基本概念到达过程排队论中的到达过程是指顾客到达排队系统的时间间隔的随机过程。
常用的到达过程有泊松过程、指数分布等。
到达过程的特征决定了顾客到达的规律。
服务过程排队论中的服务过程是指服务器对顾客进行服务的时间间隔的随机过程。
常用的服务过程有指数分布、正态分布等。
服务过程的特征决定了服务的速度和效率。
排队模型排队模型是排队论中的数学模型,用于描述排队系统的性能和行为。
常用的排队模型有M/M/1模型、M/M/s模型等。
这些模型分别表示单服务器排队系统和多服务器排队系统。
性能指标排队系统的性能指标用于评估系统的性能,常见的性能指标有平均等待时间、系统繁忙率、系统容量利用率等。
这些指标可以帮助决策者优化排队系统的设计和管理。
排队模型与分析M/M/1模型M/M/1模型是排队理论中最简单的排队系统模型,它是一个单服务器、顾客到达过程和服务过程均为指数分布的排队系统。
M/M/1模型的性能指标可以通过排队论的公式计算得出。
M/M/s模型M/M/s模型是排队理论中的多服务器排队模型,它是一个多个服务器、顾客到达过程和服务过程均为指数分布的排队系统。
第九章排队论1、某混凝土搅拌站只有一套搅拌设备,一直平均每小时有4辆浇灌车来装搅拌好的混凝土,并且每车混凝土平均需要6分钟搅好装上车。
浇灌车的到达次数服从泊松分布,服务时间服从负指数分布。
试求:(1)搅拌站空闲时间的概率;(2)站上有三辆车的概率;(3)站上至少有一辆车的概率;(4)在系统中的平均车辆;(5)在系统中的平均等待装车的车辆;(6)平均逗留时间;(7)车辆平均到达间隔时间;(8)平均等待时间。
2、某建筑工地修理部只有一个修理工人,来修理的顾客到达数服从泊松分布,平均每小时5人,修理时间服从负指数分布,平均需8分钟。
试求修理部不空闲的概率,修理部至少有一个顾客的概率,修理部顾客的平均数,在修理部内平均逗留时间,必须在修理部内逗留12分钟以上的概率。
3、某建筑公司自设卫生所。
每小时到达该所看病的病人平均为4人,而所中仅一位医生,给病人诊断治病的速率平均为每小时5人。
若到达过程为泊松过程。
服务时间服从负指数分布。
试计算平均在卫生所里等待看病及看病的人数,平均在卫生所里等待看病的人数,平均每位来看病的职工需消耗的时间,平均每位来看病的职工需消耗的等待看病时间,没有职工来看病的概率。
4、设有两个售票亭,现考虑每分钟平均到达6.4人的最简单流,服务时间服从负指数分布,平均每分钟可服务4人。
试求系统中无人的概率,系统中的平均人数,排队等候的平均人数,顾客等候的平均时间。
5、某电信局准备在新建成的国际机场装设电话亭,而电信局的目标是每一个等候电话的概率不超过0.10;使用电话的平均需求率为每小时30人,且为最简单流,使用电话的平均时间为5分钟,且为负指数分布。
应该置多少个电话亭?6、设有两个修理工人,其责任是保证5台灵敏的机器能正常运行。
每台机器平均损坏率为每小时一次,这两位工人能以相同的平均修复率4小时修理机器,求⑴等待修理的机器平均数;⑵机器在系统中的平均台逗留时间。
7、设某电话间顾客按泊松流到达,平均每小时到达6人,每次通话时间平均为8分钟,方差为16分钟,通话时间服从爱尔朗分布。
排队论例1题目:某火车站的售票处设有一个窗口,若购票者是以最简单流到达,平均每分钟到达1人,假定售票时间服从负指数分布,平均每分钟可服务2人,试研究售票窗口前排队情况解:由题设λ=1(人/分),μ=2(人/分),ρ=λμ=12平均队长L=1ρρ-=1(人)平均等待队长Lq=21ρρ-=12(人)平均等待时间Wq=λμμ(-1)=12(分)平均逗留时间W=1μλ-=1(分)顾客不需要等待的概率为P o=12,等待的顾客人数超过5人的概率为P(N≥6)=1766666111111()(1)()()()()222222n n nnn n n nPρ-∞∞∞∞=====-===∑∑∑∑1例2题目:在某工地卸货台装卸设备的设计方案中,有三个方案可供选择,分别记作甲、乙、丙。
目的是选取使总费用最小的方案,有关费用(损失)如下表所示设货车按最简单流到达,平均每天(按10小时计算)到达15车,每车平均装货500袋,卸货时间服从负指数分布,每辆车停留1小时的损失为10元。
解:平均到达率λ=1.5车/小时,服务率μ依赖于方案μ甲=1000/500/袋小时袋车=2车/小时μ乙=2000/500/袋小时袋车=4车/小时μ丙=6000/500/袋小时袋车=12车/小时由(7.2.6),1辆车在系统内平均停留时间为W甲=12-1.5=2(小时/车)W乙=14-1.5=0.4(小时/车)W丙=112-1.5=0.095(小时/车)每天货车在系统停留的平均损失费为W⨯10⨯15,每天的实际可变费用(如燃料费等)为(可变操作费/天)⨯设备忙的概率=c p(元/天)而ρ甲=0.75 , ρ乙=0.375 , ρ丙=0.125,所以每个方案的费用综合如下表所示:23例3 题目:要购置计算机,有两种方案.甲方案是购进一大型计算机,乙方案是购置n 台小型计算机.每台小型计算机是大型计算机处理能力的1n设要求上机的题目是参数为λ的最简单流,大型计算机与小型计算机计算题目的时间是负指数分布,大型计算机的参数是μ.试从平均逗留时间、等待时间看,应该选择哪一个方案 解:设ρ=λμ,按甲方案,购大型计算机 平均等待时间 q W 甲=ρμρ(1-)=λμμλ(-)平均逗留时间 W 甲=1μλ- 按乙方案,购n 台小型计算机,每台小计算机的题目到达率为n λ,服务率为nμ, ρ=//n n λμ=λμ平均等待时间 W q 乙=nρμρ(1-)=n ρμρ(1-)=nW q 甲平均逗留时间 W 乙=1n nμλ-=n μλ-=nW 甲所以只是从平均等待时间,平均逗留时间考虑,应该购置大型计算机4例4题目:设船到码头,在港口停留单位时间损失c 1 元,进港船只是最简单流,参数为λ,装卸时间服从参数为μ的负指数分布,服务费用为c μ2,c 2是一个正常数.求使整个系统总费用损失最小的服务率μ 解:因为平均队长L λμλ=-,所以船在港口停留的损失费为1c λμλ-,服务费为c μ1,因此总费用为 1c F c λμμλ=+-2 求μ使F 达到最小,先求F 的导数12()c dF c d λμμλ=-+-2 让dF d μ=0,解出2μλ=因为 22F u μμ*=∂∂=22()c λμλ*-1>0 (μ>λ) 最优服务率是μ*,当μμ*=时, 12()[c F c c λμλ*=+5例5题目:一个理发店只有一个理发师,有3个空椅供等待理发的人使用,设顾客以最简单流来到,平均每小时5人,理发师的理发时间服从负指数分布,平均每小时6人.试求L ,q L ,W ,q W解:λ=5(人/小时) , μ=5(人/小时) , k =4 , 56ρ= 用公式(7.2.10),(7.2.11),(7.2.12),(7.2.13)得到565555[16()5()]666 1.9715[1()]66L -+==- 5555(1)[16()]66 1.97 1.2251()6q L -=+=- 55555()[1()]660.101()6P -==- 5(1)z LLW P λλ==-=1.9750.9=0.438(小时)0.271qq zL W λ==(小时)6例6题目:给定一个//1/M M k 系统,具有λ=10(人/小时), μ=30(人/小时),k =2.管理者想改进服务机构.方案甲是增加等待空间,使k =3.方案乙是将平均服务率提高到μ=40(人/小时),设服务每个顾客的平均收益不变,问哪个方案获得更大收益,当λ增加到每小时30人,又将有什么结果?解:由于服务每个顾客的平均收益不变,因此服务机构单位时间的收益与单位时间内实际进入系统的平均人数k n 成正比(注意,不考虑成本)!(1)(1)1k k k k n p λρλρ+-=-=- 方案甲:k=3, λ=10, μ=3033411()310[]11()3n -=-=9.75 方案乙: k=2, λ=10, μ=40223110(1())311()4n -=-=9.5 因此扩大等待空间收益更大 当λ增加到30人/小时时,λρμ==1.这时方案甲有3330()31n =+=22.5(人/小时) 而方案乙是把μ提高到μ=40人/小时. λρμ==3040<1, k=2 2233(1())430[]31()4n -=-=22.7(人/小时) 所以当λ=30人/小时时,提高服务效益的收益比扩大等待空间的收益大7例7题目:一个大型露天矿山,考虑建设矿山卸矿场,是建一个好呢?还是建两个好.估计矿车按最简单流到达,平均每小时到达15辆,卸车时间也服从负指数分布,平均卸车时间是3分钟,每辆卡车售价8万元,建设第二个卸矿场需要投资14万元解:平均到达率 λ=15(辆/小时) 平均服务率 μ=20(辆/小时) 只建一个卸矿场的情况:1ρρ==1520=0.75 在卸矿场停留的平均矿车数0,,,,,,q q q q p p L L W W λμL λμλ=-=152015-=3(辆)建两个卸矿场的情况:ρ=0.75,2μ=2λμ=0.375 2101220[10.75(0.75)]0.452!22015P -=++=- 220.451520(0.75)0.750.120.750.871!(22015)L +=+=+=-因此建两个卸矿场可减少在卸矿场停留的矿车数为:3-0.87=2.13辆.就是相当于平均增加2.13辆矿车运矿石.而每辆卡车的价格为8万元,所以相当于增加2.13⨯8=17.04万元的设备,建第二个卸矿场的投资为14万元,所以建两个卸矿场是合适的.8例8题目:有一个///M M c ∞系统,假定每个顾客在系统停留单位时间的损失费用为c 1元,每个服务设备单位时间的单位服务率成本为c 2元.要求建立几个服务台才能使系统单位时间平均总损失费用最小解:单位时间平均损失费为F c L c c μ=+12要求使F 达到最小的正整数解c *,通常用边际分析法:找正整数c *,使其满足{()(1)()(1)F c F c F c F c ****≤+≤-由()(1)F c F c **≤+,得到122()(1)(1)c L c c c c L c c c μμ****+≤+++所以 21()(1)c L c L c c μ**-+≤ 同样,由()(1)F c F c **≤-得到21(1)()c L c L c c μ**--≥因此c *必须满足不等式21()(1)c L c L c c μ**-+≤≤(1)()L c L c **-- 取c =1,2,…,计算()L c 与(1)L c +之差,若21c c μ落在()(1)L c L c **-+,(1)()L c L c **--之间,c *就是最优解9例9题目:某公司中心实验室为各工厂服务,设做实验的人数按最简单流到来.平均每天48(人次/天),1c =6(元).作实验时间服从负指数分布,平均服务率为μ=25(人次/天),2c =4(元),求最优实验设备c *,使系统总费用为最小. 解:λ= 48(人次/天),μ=25(人次/天),λμ=1.92 按///M M c ∞计算0P ,()L c 等(注意以下公式只对0 1.92cρ=<1成立). 201100(1.92)(1.92)[]!(1)!( 1.92)n P n c c ρ--==+--∑12(1.92)() 1.92(1)!( 1.92)c L c P c c +=+-- 将计算结果列成下表21c c μ=1006=16.67 所以取c *=3,总费用最小10例10题目:设有2个工人看管5台自动机,组成//2/5/5M M 系统,λ=1(次/运转小时),μ=4(次/小时),求平均停止运转机器数L 、平均等待修理数q L 以及每次出故障的平均停止运转时间W 、平均等待修理时间q W解:14λμ=,18c λμ=由(7.3.1),(7.3.2)有 0P =0.3149 1P =0.391 2P =0.197 由(7.3.3),(7.3.4)有 q L =0.118,L =1.094,c λ=3.906 由(7.3.5),(7.3.6)有W =0.28(小时),q W =0.03(小时)实际上,这些数量指标有表可查例11题目:设某厂有自动车床若干台,各台的质量是相同的,连续运转时间服从负指数分布,参数为λ,工人的技术也差不多,排除故障的时间服从负指数分布,参数为μ.设λμ=0.1,有两个方案.方案一:3个工人独立地各自看管6台机器.方案二,3个工人共同看管20台机器,试比较两个方案的优劣解:方案一.因为是分别看管,可以各自独立分析,是3个//1/6M M 系统.由上面的公式可求出01P -=0.5155,c =0.5155, a =5.155Lq =0.3295, L =0.845,(1)q =0.4845,(1)r =0.0549方案二.m =20,c =3,λμ=0.1,可求得c =1.787,a =17.87,q L =0.339 L =2.126,(3)q =0.4042,(3)r =0.01695机器损失系数,修理工人损失系数都小于方案一,所以方案二较好11例12题目:某露天铁矿山,按设计配备12辆卡车参加运输作业(每辆载重160吨,售价72万元),备用车8辆,要求保证同时有12辆车参加运输的概率不低于0.995.设每辆平均连续运输时间为3个月,服从负指数分布.有两个修理队负责修理工作,修理时间服从负指数分布.平均修复时间为5天.问这个设计是否合理.解:由假设知,这是////M M c m N m +系统,m =12,1λ=3,1μ=6(月)c =2我们有m c λμ=0.3333,c μλ=36用c N ≤的公式,求N ,要求00.995Nn n p =≥∑设N =2,有Nnn p=∑=0.9474,当N =3时,有Nnn p=∑=0.9968.所以3辆备用车就能达到要求,原设计用的备用车太多当N =3时,卡车的利用律(2)q =0.793712例13题目:假定例2.1中工人的到达服从泊松分布,λ=8人/小时,试分别计算1h 内到达4,5,6,…,12个工人的概率。