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模型Model

M/M/1 排队模型

M/M/1 queue

从单服务台的生灭速率推出几何稳态、负载条件与平均等待,区分队内和系统内指标。

形式陈述 ​

为什么服务者平均忙不到百分之百,顾客仍可能等很久?M/M/1 是回答这个问题的最小随机排队模型。

模型假设:到达为速率 λ>0 的Poisson 过程;服务时长独立同分布为速率 μ>0 的指数分布,与到达独立;只有一个服务者,先来先服务,服务者有任务就工作;容量无限,无拒绝、放弃或中断。两处 M 表示无记忆的到达间隔与服务时长,1 表示单服务台。

系统人数 N(t) 包含正在服务的人,是生灭过程:λn=λ,μn=μ 对 n≥1,μ0=0。出发速率不超过 λ+μ,所以链非爆炸。令负载 ρ=λ/μ。当且仅当 ρ<1 时存在平稳概率

πn=(1−ρ)ρn,n≥0.

稳态指标为

L=ρ1−ρ,Lq=ρ21−ρ,W=1μ−λ,Wq=ρμ−λ.

L,W 对整个系统计数和计时;Lq,Wq 只对等待区计数和计时。

直觉

当系统已有很多人时,下一次变化仍是以速率 λ 增加一人、以速率 μ 减少一人。人数多不会让单个服务台变快。若两速率接近,偶尔积累的长队需要很久才能消退。

逐边平衡给出 πn+1=ρπn,所以 πn=π0ρn。几何级数只有 ρ<1 时可归一化,且 π0=1−ρ。服务者忙的概率因而为 P(N>0)=ρ,不是每时每刻都忙相同比例。

由几何级数求导,EN=ρ/(1−ρ)。正在服务的人数是 1{N>0},故 Lq=L−ρ=ρ2/(1−ρ)。再用Little 定律分别除以有效到达率 λ,得到 W,Wq,并核验 W−Wq=1/μ 为平均服务时间。

例子与边界

设 λ=μ/2,即平均负载一半。则 L=1、Lq=1/2,平均总逗留时间 W=2/μ,其中等待 Wq=1/μ。所以平均服务者有一半时间空闲,顾客的平均等待仍与实际服务时间一样长。原因是空闲时段不能预先替未来顾客服务,而聚集到达会形成等待。

若将到达率提高到 λ=3μ/4,服务能力不变,W 增为 4/μ,是原来的两倍。若关注尾部人数,几何分布还给出 P(N≥k)=ρk;这比只报告平均值更能看见长队风险。

λ=μ 时,形式权重恒为一,总和发散,链零常返而无平稳概率;λ>μ 时有向上漂移,也无平稳概率。将 1/(μ−λ) 代入非正分母得到的未定义值或负数,不是可用的平均等待答案。

若服务时长固定而均值仍为 1/μ,人数过程一般不再是这条生灭链,平均等待也改变。若有多个服务者,总完成速率在低人数状态为 nμ,高人数状态才饱和为服务台数乘 μ,不能只把本页 μ 换成总能力而保留所有公式。

推论与应用

M/M/1 提供稳定性和拥堵的基准,但它的精确公式依赖完整模型。保留 Poisson 到达、改成一般服务时长后,Pollaczek–Khinchine 平均公式会显示服务时间二阶矩的作用。把多个这样的节点按概率路由连接,需另核验Jackson 网络条件。

参考资料
关系图谱13 个相邻概念 · 3 类关系

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