Chương 1 LÝ THUYẾT HÀNG ĐỢI 1. Các khái niệm cơ bản 1. Khái niệm xếp hàng Mô hình tổng quát của lý thuyết xếp hàng là khách hàng đến ở một thời điểm ngẫu nhiên nào đó và yêu cầu được phục vụ theo một loại nào đó. Giả thiết thời gian phục vụ có thể là ngẫu nhiên.
Nguồn vào Các khách hàng yêu cầu và tìm kiếm dịch vụ Quá trình đến Quá trình đến trung gian tn Độ Hàng đợi dài -Dung lượng: hàng Độ dài đợi Hữu hạn hoặc vô hạn hàng đợi - Quy tắc phục vụ: của hệ FIFO hoặc LIFO thống Phương tiện phục vụ Các khách hàng đã được phục vụ Đầu ra LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Đặt tn là khoảng thời gian giữa 2 lần đến của khách hàng thứ n và thứ n+1. Ta giả định rằng tất cả các tn (n ≥ 1) là độc lập và có cùng phân bố. Vì vậy việc đến của 1 các khách hàng tạo thành 1 hàng kế tiếp nhau với tốc độ đến là . Ta gọi quá E (t1 ) trình {tn, n=1,2,…} là quá trình đến.
Khách hàng đến hệ thống yêu cầu các server của hệ thống phục vụ. Ta giả sử rằng khách hàng thứ n cần một thời gian phục vụ là sn (n ≥ 1), tất cả các sn độc lập và có cùng phân bố. Quá trình tn ; n 1, 2,. được gọi là quá trình phục vụ. Ta cũng giả thiết rằng các thời gian đến trung gian độc lập với thời gian phục vụ.
Quá trình xếp hàng được phân loại dựa vào các tiêu chí sau: 1) Phân bố của quá trình đến (input process) là lq t t 0 2) Phân bố của thời gian phục vụ (service distribution) sn ; n 1, 2,. 3) Nguyên tắc phục vụ: Các khách hàng đến được sắp xếp vào hàng đợi đến lượt được phục vụ. Để đơn giản ta giả thiết chỉ có một hàng. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp có thể mở rộng cho nhiều hàng cùng hoạt động song song. Nếu độ dài hàng có đặt ngưỡng thì các đơn vị đến hàng khi hàng đầy vượt ngưỡng sẽ bị loại.
Các khách hàng được chọn để phục vụ theo nguyên tắc "đến trước phục vụ trước" (FIFO), nghĩa là phục vụ cho khách nào đứng đầu hàng. 4) Cơ cấu phục vụ: Một phương tiện phục vụ bao gồm một hay nhiều Server. Các Server có thể kết nối thành chuỗi vì thế mỗi yêu cầu phục vụ được phục vụ theo nhiều cách hoặc lần lượt hoặc song song. Các yếu tố cơ bản của hệ thống hàng đợi [6] Hệ thống hàng đợi tổng quát được minh hoạ như hình sau: Input Output Hàng KÊNH PHỤC VỤ Dòng tín hiệu đến chờ Dòng tín hiệu ra Hình 1.1 Hệ thống hàng đợi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Các yếu tố cơ bản của hệ thống hàng đợi bao gồm: Bố trí vật lí của hệ thống Hệ thống hàng đợi có một số dạng bố trí vật lí (phisical layout) như minh họa dưới đây: Single Channel – Single Server (Một kênh phục vụ, một loại dịch vụ) Single Channel – Multi Server (Một kênh phục vụ, nhiều loại dịch vụ) Dịch vụ 1 Dịch vụ 2 Dịch vụ 3 Multi Channel – Single Server (Nhiều kênh phục vụ, một loại dịch vụ) Multi Channel – Multi Server (Nhiều kênh phục vụ, nhiều loại dịch vụ) Dịch vụ 1 Dịch vụ 2 Hình1.2 Các dạng hệ thống hàng đợi Các kênh phục vụ được hiểu là những thiết bị kĩ thuật hoặc con người hoặc những tổ hợp các thiết bị kĩ thuật và con người được tổ chức quản lí một cách thích hợp nhằm phục vụ các yêu cầu / các tín hiệu đến hệ thống.
Chẳng hạn, ở các trạm điện thoại tự động, kênh phục vụ là các đường dây liên lạc cùng các thiết bị kĩ thuật khác phục vụ cho việc đàm thoại. Nguyên tắc phục vụ Nguyên tắc phục vụ (hay nội quy) của hệ thống là cách thức nhận các yêu cầu vào các kênh phục vụ. Nguyên tắc phục vụ cho biết trường hợp nào thì yêu cầu được nhận vào phục vụ và cách thức phân bố các yêu cầu vào các kênh như thế LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đồng thời nguyên tắc phục vụ cũng cho biết trong trường hợp nào yêu cầu bị từ chối hoặc phải chờ và giới hạn của thời gian chờ.
Một số nguyên tắc phục vụ thường được áp dụng trong các hệ thống hàng đợi là FIFO (First in first out), LIFO (Last in first out), FCFS (First come first serve), có ưu tiên, không ưu tiên,. Các phân phối xác suất của các dòng tín hiệu, dòng phục vụ Số tín hiệu đến trong một khoảng thời gian cũng như thời gian phục vụ từng tín hiệu nói chung là những biến ngẫu nhiên, và do đó, chúng tuân theo các quy luật phân phối xác suất. Các quy luật phân phối xác suất này được thiết lập căn cứ các số liệu thực nghiệm thu thập từ các quan sát, thí nghiệm, hay từ cơ sở dữ liệu sẵn có. Đối với dòng tín hiệu đầu vào, thông thường chúng ta giả sử rằng số tín hiệu đến trong vòng một khoảng thời gian nào đó được ấn định trước (1 phút, 3 phút, 5 phút, 30 phút,.) tuân theo luật phân phối Poisson P().
Ở đây, tham số đặc trưng cho số tín hiệu đến (trung bình) trong khoảng thời gian trên. Ví dụ, số khách vào siêu thị (trung bình) là 100 người trong 1 giờ. Có nghĩa là, số khách vào siêu thị là biến ngẫu nhiên X có phân phối Poisson với = 100. Hoặc, với số cuộc gọi (trung bình) đến tổng đài trong vòng 1 phút là 3 (tín hiệu) thì có X ~ P(3).
Một cách chính xác hơn, trong những trường hợp trên, ta có dòng tín hiệu đến là dòng Poisson dừng (còn gọi là dòng tối giản) với các tính chất trên sau: Tính không hậu quả: Một dòng tín hiệu có tính không hậu quả nếu xác suất xuất hiện một số tín hiệu nào đó trong một khoảng thời gian nhất định không phụ thuộc vào việc đã có bao nhiêu tín hiệu đã xuất hiện và xuất hiện như thế nào trước khoảng thời gian đó. Tính đơn nhất: Dòng tín hiệu có tính đơn nhất nếu xét trong khoảng thời gian khá bé thì sự kiện “có nhiều hơn một tín hiệu xuất hiện” hầu như không xảy ra. Về mặt thời gian ta có thể xem dòng tín hiệu có tính đơn nhất nếu thời điểm xuất hiện các tín hiệu không trùng nhau. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Tính dừng: Dòng tín hiệu có tính dừng nếu xác suất xuất hiện một số tín hiệu nào đó trong khoảng thời gian chỉ phụ thuộc vào độ dài của chứ không phụ thuộc vào điểm khởi đầu của .
Phân tích hàng đợi Có các phương pháp phân tích hàng đợi như sau Phân tích giải tích Quá trình mô phỏng Cả hai phương pháp trên Phương pháp giải tích để giải mô hình hàng đợi gồm các bước sau: Bước 1: Phân tích hệ thống, chủ yếu là phân tích bản chất của dòng yêu cầu / tín hiệu đến và các trạng thái của hệ thống. Bước 2: Thiết lập hệ phương trình trạng thái cho các xác suất trạng thái (xác suất để hệ thống ở một trạng thái nào đó tại thời điểm t). Bước 3: Giải hệ phương trình để tìm các xác suất trạng thái. Từ đó thiết lập các mối quan hệ giữa các chỉ tiêu cần phân tích.
Bước 4: Tính toán, phân tích các chỉ tiêu, trên cơ sở đó đưa ra các nhận xét và các quyết định. Phương pháp giải tích thường sử dụng các giả thiết rất chặt chẽ của Toán học về các đặc trưng của hệ thống, vì vậy nó có một số hạn chế nhất định khi giải các bài toán thực tế. Trong khi đó, phương pháp mô phỏng/mô phỏng ngẫu nhiên để giải mô hình hàng đợi được áp dụng cho các bài toán dịch vụ đám đông không giải được bằng công cụ giải tích, nhất là những bài toán liên quan đến hệ thống lớn, bất ổn định, hàm chứa nhiều yếu tố ngẫu nhiên, không tuân theo các giả thiết quá chặt chẽ của Toán học. Trong nhiều trường hợp phương pháp mô phỏng cho ta tiết kiệm được thời gian và chi phí nghiên cứu.
Tuy phương pháp mô phỏng chỉ tạo ra các phương án đủ tốt để đánh giá hoạt động của hệ thống chứ không đưa ra được kĩ thuật tìm lời giải tốt nhất. Các bước cần tiến hành khi áp dụng phương pháp mô phỏng bao gồm: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Bước 1: Xác định bài toán hay hệ thống hàng đợi cần mô phỏng và mô hình mô phỏng. Bước 2: Đo và thu thập số liệu cần thiết cần thiết để khảo sát thống kê các số đặc trưng / các yếu tố cơ bản của mô hình. Bước 3: Chạy mô phỏng kiểm chứng (test simulation) mô hình và so sánh kết quả kiểm chứng với các kết quả đã biết được trong thực tế.
Phân tích kết quả chạy mô phỏng kiểm chứng, nếu cần thì phải sửa lại phương án đã được đánh giá qua chạy mô phỏng. Bước 4: Chạy mô phỏng để kiểm chứng phương án cuối cùng và kiểm tra tính đúng đắn của mọi kết luận về hệ thống thực tế được rút ra sau khi chạy mô phỏng. Triển khai hoạt động của hệ thống hàng đợi dựa trên phương án tìm được. Từ những phân tích trên đây có thể thấy Lí thuyết xếp hàng còn gọi là Lí thuyết hệ phục vụ công cộng hay Lí thuyết hệ dịch vụ đám đông là lĩnh vực rất quan trọng của Toán ứng dụng / Vận trù học.
Nhiều bài toán thực tế trong các lĩnh vực hệ thống dịch vụ, kĩ thuật, … đã được giải quyết thành công nhờ áp dụng phương pháp mô phỏng mô hình hàng đợi. Kết quả phân tích (về phía khách hàng) • Thời gian xếp hàng (trễ hàng đợi) • Tổng trễ (bao gồm trễ hàng đợi và trễ phục vụ) • Số lượng khách hàng trong hàng đợi • Số lượng khách hàng trong hệ thống (gồm khách hàng chờ và khách hàng đang được phục vụ) • Xác suất nghẽn mạng (khi kích thước bộ đệm hữu hạn) • Xác suất chờ để phục vụ Kết quả phân tích (về phía người phục vụ) • Khả năng sử dụng server • Khả năng sử dụng bộ đệm • Lợi ích thu được (thông số dịch vụ và các xem xét về kinh tế) • Lợi ích bị mất (thông số dịch vụ và các xem xét về kinh tế) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Ta phân tích hàng đợi sau: Hình 1.