王 敏, 唐應(yīng)輝
(四川師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,成都 610068)
根據(jù)實(shí)際背景和應(yīng)用的需要,在平衡顧客等待時(shí)間的同時(shí)也為了降低系統(tǒng)成本,從而增加系統(tǒng)的收入,學(xué)者們?cè)谘芯拷?jīng)典排隊(duì)系統(tǒng)的同時(shí),提出并研究了許多休假排隊(duì)模型和有控制策略的排隊(duì)模型,取得了較豐碩的成果[1-23],大大拓寬了早期排隊(duì)論的研究和應(yīng)用領(lǐng)域.經(jīng)典的休假策略有服務(wù)員的單重休假、服務(wù)員的多重休假和多級(jí)適應(yīng)性休假等,而經(jīng)典的控制策略有T-策略、D-策略和N-策略等.隨著研究的深入,一些把服務(wù)員休假與控制策略相結(jié)合的排隊(duì)模型也得到了學(xué)者們的關(guān)注,例如把N-控制策略與服務(wù)員單重(多重)休假相結(jié)合,就產(chǎn)生了N-策略單重休假排隊(duì)模型、N-策略多重休假排隊(duì)模型,以及具有休假中斷機(jī)制的Min(N,V)-策略休假排隊(duì)模型.從管理和成本的角度,當(dāng)生產(chǎn)和制造的環(huán)境發(fā)生較大改變時(shí),系統(tǒng)想要轉(zhuǎn)換成另一種控制策略,但大多數(shù)情況下,由于成本的原因要拋棄現(xiàn)有的硬件系統(tǒng)設(shè)施是不可能的,于是學(xué)者們把N-策略和D-策略等結(jié)合起來(lái)就提出了二維混合控制策略的排隊(duì)模型,如Min(N,D)-控制策略的排隊(duì)系統(tǒng)模型[15],并且在這些方面的推廣研究也取得了較好成果[10-21].
文獻(xiàn)[15]研究的具有Min(N,D)-控制策略的排隊(duì)系統(tǒng)模型,其主要模型特征是把N-策略與D-策略有機(jī)結(jié)合起來(lái),不僅分析了系統(tǒng)的排隊(duì)性能指標(biāo),而且在建立費(fèi)用結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,用數(shù)值計(jì)算例子討論了系統(tǒng)的二維最優(yōu)控制策略,并與單一的N-策略和D-策略進(jìn)行了比較分析,說(shuō)明了混合控制策略優(yōu)于單一的控制策略.本文在此基礎(chǔ)上,把服務(wù)員的休假機(jī)制引入其中,提出一種服務(wù)員可休假且在休假時(shí)間中根據(jù)Min(N,D,V)-控制策略可立即中斷休假的M/G/1 排隊(duì)模型,即具有Min(N,D,V)-控制策略和服務(wù)員單重休假的M/G/1 排隊(duì)模型:每當(dāng)系統(tǒng)變空時(shí),服務(wù)員就去休假(或去做輔助性工作,以增加系統(tǒng)的收入).如果在假期中到達(dá)的顧客數(shù)達(dá)到N個(gè)或者到達(dá)的顧客數(shù)所需服務(wù)時(shí)間總量超過(guò)D(D ≥0),服務(wù)員馬上結(jié)束休假并開始為顧客服務(wù).這種假期中斷機(jī)制對(duì)于控制系統(tǒng)隊(duì)長(zhǎng)是有益的,而且可以克服系統(tǒng)頻繁轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的費(fèi)用問(wèn)題,對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要意義.本文應(yīng)用更新過(guò)程理論和全概率分解知識(shí),借用拉普拉斯變換工具,分析了在任意初始狀態(tài)條件下系統(tǒng)隊(duì)長(zhǎng)的瞬態(tài)分布和穩(wěn)態(tài)分布特征,得到了隊(duì)長(zhǎng)瞬態(tài)分布解的拉普拉斯變換表達(dá)式和方便計(jì)算穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng)分布數(shù)值解的遞推表達(dá)式,從而進(jìn)一步給出了穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng)的隨機(jī)分解結(jié)果和附加隊(duì)長(zhǎng)分布解的顯示表達(dá)式,使我們更清楚地了解到該排隊(duì)模型的結(jié)構(gòu).
本文研究服務(wù)員具有單重休假,而且在休假中根據(jù)Min(N,D,V)-策略可中斷休假的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng),其模型刻畫如下:
1)M/G/1 型排隊(duì)模型[23]:相鄰兩個(gè)顧客之間的到達(dá)是相互獨(dú)立的,其每個(gè)間隔時(shí)間τ有分布F(t)=1-e-λt,每個(gè)顧客的服務(wù)是相互獨(dú)立的,其每個(gè)顧客的服務(wù)時(shí)間χ有任意分布G(t),且設(shè)平均服務(wù)時(shí)間為1/μ(0<μ<∞);
2) 服務(wù)員采取單重休假機(jī)制和系統(tǒng)采取Min(N,D,V)-控制策略:每當(dāng)系統(tǒng)變空時(shí),服務(wù)員馬上開始一次隨機(jī)時(shí)間長(zhǎng)度V的休假,且休假時(shí)間V服從任意分布V(t).但是,服務(wù)員在休假時(shí)間中根據(jù)Min(N,D,V)-控制策略可立即中斷休假,即在服務(wù)員的休假期間,如果系統(tǒng)中到達(dá)的顧客數(shù)達(dá)到了N個(gè)(N ≥1,事先設(shè)定的正整數(shù)閾值),或者到達(dá)系統(tǒng)等待服務(wù)的顧客所需服務(wù)時(shí)間總量不小于D(D ≥0,事先設(shè)定的實(shí)數(shù)閾值),無(wú)論哪一個(gè)先發(fā)生,處于休假期的服務(wù)員立即結(jié)束休假回到系統(tǒng)中為顧客服務(wù)(在這種情況下,服務(wù)員的實(shí)際休假時(shí)間長(zhǎng)度達(dá)不到約定的休假時(shí)間長(zhǎng)度V);如果在服務(wù)員的休假期間系統(tǒng)中有顧客到達(dá),但到達(dá)數(shù)沒(méi)有達(dá)到N個(gè),且到達(dá)系統(tǒng)等待服務(wù)的顧客所需服務(wù)時(shí)間總量也小于D,則等到此次休假結(jié)束后服務(wù)員再回到系統(tǒng)中,且立即為在現(xiàn)場(chǎng)的顧客服務(wù);如果服務(wù)員此次休假結(jié)束時(shí)系統(tǒng)中仍沒(méi)有顧客,則服務(wù)員留在系統(tǒng)中直到有顧客到達(dá)并立即服務(wù);
3) 隨機(jī)變量τ、χ和V是相互獨(dú)立的,而且假設(shè)在t= 0 時(shí)刻,如果系統(tǒng)是空的,則不采取該休假機(jī)制和控制策略,服務(wù)員留在系統(tǒng)中等待顧客到達(dá)后立即對(duì)其進(jìn)行服務(wù)(這樣的假設(shè)更符合實(shí)際情況,但穩(wěn)態(tài)結(jié)果與此假設(shè)無(wú)關(guān)).
一些符號(hào)說(shuō)明:N(t)表示系統(tǒng)在任意時(shí)刻t的隊(duì)長(zhǎng),即時(shí)刻t在系統(tǒng)中的顧客數(shù);
分別表示相應(yīng)的G(t)關(guān)于t的拉普拉斯(L)變換和拉普拉斯-斯蒂爾切斯(LS)變換;G(k)(t)表示G(t)的k(≥1)重卷積,即
且
引入如下概念:
1) 系統(tǒng)閑期:系統(tǒng)連續(xù)保持空閑(無(wú)顧客)的一段時(shí)間.如果我們用表示系統(tǒng)第j個(gè)系統(tǒng)閑期的長(zhǎng)度,則由到達(dá)過(guò)程為參數(shù)λ(λ >0)的泊松過(guò)程知其分布為P{≤t}=F(t)=1-e-λt,t ≥0,j ≥1;
2) 系統(tǒng)忙期:從第一個(gè)顧客到達(dá)空閑的系統(tǒng)起,直到系統(tǒng)再次變空為止的這段時(shí)間;
3) 服務(wù)員非忙期:從系統(tǒng)剛變空的時(shí)刻起,直到服務(wù)員休假結(jié)束回到系統(tǒng)而且開始為顧客服務(wù)的時(shí)刻為止的這段時(shí)間;
4) 服務(wù)員忙期:從服務(wù)員開始為顧客服務(wù)的時(shí)刻起,直到系統(tǒng)再次變空為止的這一段時(shí)間.
令b表示標(biāo)準(zhǔn)的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng)中從一個(gè)顧客開始的服務(wù)員忙期(從服務(wù)員開始為顧客服務(wù)的時(shí)刻起,直到系統(tǒng)再次變空為止的這一段時(shí)間),對(duì)t ≥0,?(s)>0,令
則有如下引理.
引理1[23]對(duì)?(s)>0,b(s)是方程z=g(s+λ-λz)在|z|<1 內(nèi)的唯一根,且
其中ω(0<ω <1)是方程z=g(λ-λz)在(0,1)內(nèi)的根,表示系統(tǒng)的交通強(qiáng)度,?(s)表示復(fù)變量s的實(shí)部.
又令Qj(t) =P{b >t ≥0;N(t) =j}表示在服務(wù)員忙期b中隊(duì)長(zhǎng)為j(j ≥1)的瞬態(tài)概率,并且t= 0 時(shí),只有一個(gè)顧客,服務(wù)員忙期b剛開始,即Q1(0) = 1,Qj(0) =0,j >1.
引理2[23]令
為Qj(t)的拉普拉斯變換,對(duì)?(s)>0,有
其中當(dāng)j <0 時(shí),有且求和
令pij(t) =P{N(t) =j|N(0) =i}表示初始時(shí)刻有i個(gè)顧客的條件下,時(shí)刻t隊(duì)長(zhǎng)為j的瞬態(tài)概率,
定理1對(duì)?(s)>0,有
其中
當(dāng)求和的上標(biāo)小于下標(biāo),即k <i時(shí),求和下同.
上第(3)式的第三項(xiàng)為
對(duì)(3)-(5)式作L 變換,有
在N(0) = 0 初始條件下,根據(jù)模型假設(shè)中第3)條:在初始時(shí)刻系統(tǒng)中無(wú)顧客時(shí)服務(wù)員不休假,系統(tǒng)也不采取Min(N,D)-控制策略,所以
對(duì)(7)式作L 變換得到
在(6)式中,取i=1,結(jié)合(8)式可得
注1當(dāng)N=1 或D=0 時(shí),本文研究的排隊(duì)系統(tǒng)等價(jià)于文獻(xiàn)[23]討論的服務(wù)員無(wú)休假的經(jīng)典M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng),所以下面對(duì)N=1 或D=0 的情況不再討論.
定理2當(dāng)N ≥2 且D >0 時(shí),對(duì)?(s)>0,有:
1) 當(dāng)j=1,2,···,N-1 時(shí)
2) 當(dāng)j ≥N時(shí)
其中
證明 當(dāng)j=1,2,···,N-1 時(shí),因?yàn)椤霸跁r(shí)刻t隊(duì)長(zhǎng)為j”可分為如下兩種情形.
情形1“時(shí)刻t落在服務(wù)員假期中且隊(duì)長(zhǎng)為j”.
情形2“時(shí)刻t落在服務(wù)員忙期中且隊(duì)長(zhǎng)為j”.
所以,當(dāng)i ≥1,類似定理1 的分解,得
其中
(15)式的第二項(xiàng)為
把(16)式代入(15)式作L 變換,可得
同理可得
對(duì)(18)式作L 變換得到
當(dāng)j ≥N時(shí),在時(shí)刻t隊(duì)長(zhǎng)為j當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)刻t落在服務(wù)員忙期中且隊(duì)長(zhǎng)為j,于是當(dāng)i ≥1 時(shí),使用全概率分解技術(shù),同理可得
余下的推證過(guò)程完全仿照j=1,2,···,N-1 時(shí)的推導(dǎo)過(guò)程.
定理3令j=0,1,2,···,則:
此時(shí){pj,j=0,1,2,···}構(gòu)成概率分布,其中
證明 由
而
當(dāng)j=0 時(shí),有
1) 當(dāng)ρ >1 或ρ=1 時(shí),有
且E(b)=∞,而
于是使用洛必達(dá)法則,可得
對(duì)于j ≥1,結(jié)合(11)-(14)式,使用洛必達(dá)法則,完全仿照p0的推導(dǎo)過(guò)程可得.
由于
經(jīng)計(jì)算可得
將(33)-(35)式代入(32)式,整理即可證明.
定理4(穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng)的隨機(jī)分解結(jié)構(gòu)) 令P(z)表示該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng)分布的概率母函數(shù),當(dāng)ρ <1 時(shí),有
且平均隊(duì)長(zhǎng)為
于是
定理5本文研究的基于Min(N,D,V)-策略和單重休假的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng)可分解成獨(dú)立的兩部分之和:一部分是文獻(xiàn)[23]中的經(jīng)典M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng),另一部分是由服務(wù)員單重休假機(jī)制和Min(N,D)-策略引起的附加隊(duì)長(zhǎng)Ld,且附加隊(duì)長(zhǎng)有如下離散分布
證明 由上面(37)式可知本文研究的排隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng)可分解為獨(dú)立的兩部分之和.下面求附加隊(duì)長(zhǎng)Ld的離散分布.令
其中
然后利用
經(jīng)過(guò)計(jì)算整理可得,這里H(m)(z)表示H(z)關(guān)于z求m(m= 1,2,···,N- 1)階導(dǎo)數(shù),H(0)(z)=H(z).
推論1當(dāng)P{V=T} = 1 時(shí),即服務(wù)員事先約定的休假時(shí)間是一個(gè)固定時(shí)間長(zhǎng)度T(T >0).對(duì)ρ <1,有
系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng)分布的概率母函數(shù)為
平均隊(duì)長(zhǎng)為
其中
推論2當(dāng)N →∞時(shí),本文研究的排隊(duì)系統(tǒng)是在D-策略控制下服務(wù)員單重休假且休假可中斷的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng).對(duì)ρ <1 時(shí),有
母函數(shù)為
平均隊(duì)長(zhǎng)為
其中
推論3當(dāng)N →∞,P{V=T}=1 時(shí),本文研究的排隊(duì)系統(tǒng)是在D-策略控制下服務(wù)員具有固定單重休假時(shí)間T且休假可中斷的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng).對(duì)ρ <1 時(shí),有
母函數(shù)為
平均隊(duì)長(zhǎng)為
其中
推論4當(dāng)D →∞時(shí),本文研究的排隊(duì)系統(tǒng)是在N-策略控制下服務(wù)員單重休假且休假可中斷的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng),即等價(jià)于文獻(xiàn)[14]研究的基于單重休假的Min(N,V)-策略控制的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng).在上面所得的結(jié)果中,令D →∞即可得與文獻(xiàn)[14]完全一致的相應(yīng)結(jié)果.
推論5當(dāng)D →∞,P{V=T}=1 時(shí),即系統(tǒng)是基于固定單重休假時(shí)間T的Min(N,T)-策略控制的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng),對(duì)ρ <1 時(shí),有
母函數(shù)為
平均隊(duì)長(zhǎng)為
其中
推論6當(dāng)P{V= 0} = 1 或D= 0 時(shí),本文研究的排隊(duì)系統(tǒng)等價(jià)于文獻(xiàn)[23]研究的經(jīng)典M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng).在上面所得的結(jié)果中,令P{V= 0} = 1 或D= 0 即可得到與文獻(xiàn)[23]完全一致的相應(yīng)結(jié)果.
推論7當(dāng)P{V=∞} = 1 時(shí),本文研究的排隊(duì)系統(tǒng)等價(jià)于文獻(xiàn)[15]研究的Min(N,D)-控制策略的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng).在上面所得的結(jié)果中,令P{V=∞}=1 即可得到與文獻(xiàn)[15]完全一致的相應(yīng)結(jié)果.
在本節(jié)中,我們通過(guò)數(shù)值計(jì)算實(shí)例來(lái)分析系統(tǒng)的附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]隨著一些參數(shù)的變化而變化的情況.由定理5 可知附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]為
例1當(dāng)服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)μ(>0)的負(fù)指數(shù)分布G(t) = 1-e-μt與休假時(shí)間服從參數(shù)θ(>0)的負(fù)指數(shù)分布V(t)=1-e-θt時(shí),代入上述表達(dá)式得到附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]為
取λ=0.5,ρ=0.75,D=10,然后運(yùn)用Matlab 軟件編程進(jìn)行計(jì)算得到E[Ld]隨N與θ的變化情況,見表1 與圖1,小數(shù)點(diǎn)后保留四位.
取λ=0.5,ρ=0.75,θ=0.25,然后運(yùn)用Matlab 軟件編程進(jìn)行計(jì)算得到E[Ld]隨N與D的變化情況,見表2 與圖2,小數(shù)點(diǎn)后保留四位.
表1: λ =0.5, ρ =0.75, D =10,E[Ld]隨N 與θ 的變化情況
表2: λ =0.5, ρ =0.75, θ =0.25,E[Ld]隨N 與D 的變化情況
圖1: E[Ld]隨N 與θ 的變化情況
圖2: E[Ld]隨N 與D 的變化情況
取λ=0.5,ρ=0.75,N=4,然后運(yùn)用Matlab 軟件編程進(jìn)行計(jì)算得到E[Ld]隨D與θ的變化情況,見表3 與圖3,小數(shù)點(diǎn)后保留四位.
表3: λ =0.5, ρ =0.75, N =4,E[Ld]隨D 與θ 的變化情況
圖3: E[Ld]隨 D 與 θ 的變化情況
例2當(dāng)服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)μ(>0)的負(fù)指數(shù)分布G(t) = 1-e-μt與P{V=T} = 1時(shí),即服務(wù)員事先約定的休假時(shí)間是一個(gè)固定時(shí)間長(zhǎng)度T(>0),代入上述表達(dá)式得到附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]為
取λ=0.5,ρ=0.75,D=10,然后運(yùn)用Matlab 軟件編程進(jìn)行計(jì)算得到E[Ld]隨N與T的變化情況,見表4 與圖4,小數(shù)點(diǎn)后保留四位.
表4: λ=0.5, ρ=0.75, D =10,E[Ld]隨N 與T 的變化情況
圖4: E[Ld]隨N 與T 的變化情況
從圖1 和圖4 可以看出,取定參數(shù)λ= 0.5,ρ= 0.75,D= 10,當(dāng)休假時(shí)間的參數(shù)確定或者休假時(shí)間是一個(gè)固定時(shí)間長(zhǎng)度T(>0),隨著N取值的不斷增大,系統(tǒng)的附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]都是先增大而后趨于平穩(wěn)保持不變,這是因?yàn)樵贜取值增大時(shí),受Min(N,V)-控制策略的影響,N所起的作用越來(lái)越小,當(dāng)N超過(guò)某一值時(shí),系統(tǒng)的附加平均隊(duì)長(zhǎng)幾乎由服務(wù)員的休假?zèng)Q定.且當(dāng)服務(wù)員的休假時(shí)間越來(lái)越短時(shí),這使得到達(dá)系統(tǒng)的顧客有較大機(jī)會(huì)被服務(wù),因此系統(tǒng)的附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).
取λ=0.5,ρ=0.75,T=10,然后運(yùn)用Matlab 軟件編程進(jìn)行計(jì)算,得到E[Ld]隨N與D的變化情況,見表5 與圖5,小數(shù)點(diǎn)后保留四位.
從圖2 和圖5 可以看出,取定參數(shù)λ= 0.5,ρ= 0.75,當(dāng)D(>0)確定時(shí),隨著N取值的不斷增大,系統(tǒng)的附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]都是先增大而后趨于平穩(wěn)保持不變,這是因?yàn)樵贜取值不斷增大時(shí),受Min(N,D)-控制策略的影響,N所起的作用越來(lái)越小,當(dāng)N超過(guò)某一值時(shí),系統(tǒng)的附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]幾乎由參數(shù)D決定.同理,隨著D取值增大,受Min(N,D)-控制策略的影響,D所起的作用越來(lái)越小,系統(tǒng)幾乎由參數(shù)N決定.
圖5: T =10,E[Ld]隨N 與D 的變化情況
表5: λ =0.5, ρ=0.75, T =10,E[Ld]隨N 與D 的變化情況
取λ= 0.5,ρ= 0.75,N= 4,然后運(yùn)用Matlab 軟件編程進(jìn)行計(jì)算得到E[Ld]隨D與T的變化情況,見表6 與圖6,小數(shù)點(diǎn)后保留四位.
從圖3 和圖6 可以看出,取定參數(shù)λ= 0.5,ρ= 0.75,N= 4,當(dāng)休假時(shí)間的參數(shù)確定或者取定休假時(shí)間是一個(gè)固定時(shí)間長(zhǎng)度T(>0),隨著D取值的不斷增大,系統(tǒng)的附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]都是先增大而后趨于平穩(wěn)保持不變,這是因?yàn)樵贒取值增大且超過(guò)某一值時(shí),D所起的作用越來(lái)越小,系統(tǒng)的附加平均隊(duì)長(zhǎng)幾乎由休假時(shí)間決定.
表6: λ =0.5, ρ=0.75, N =4,E[Ld]隨D 與T 的變化情況
圖6: E[Ld]隨D 與T 的變化情況
本文討論了服務(wù)員采取單重休假機(jī)制和系統(tǒng)采取Min(N,D,V)-控制策略的M/G/1 排隊(duì)系統(tǒng),分析了系統(tǒng)隊(duì)長(zhǎng)的瞬態(tài)分布和穩(wěn)態(tài)分布,得到了穩(wěn)態(tài)隊(duì)長(zhǎng)的隨機(jī)分解結(jié)構(gòu)和附加隊(duì)長(zhǎng)分布的顯示表達(dá)式,進(jìn)一步給出了一些特殊情形下的相關(guān)結(jié)果.另外,通過(guò)數(shù)值計(jì)算實(shí)例討論了系統(tǒng)基于單重休假和Min(N,D,V)-策略機(jī)制而引起的附加平均隊(duì)長(zhǎng)E[Ld]隨著N,D和休假時(shí)間V的變化情況,使得本文的研究有更好的應(yīng)用價(jià)值.
工程數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)2020年2期