Jump to content

Жидкая очередь

В теории массового обслуживания — дисциплине математической теории вероятностей текучая очередь ( жидкостная модель) . [1] модель потока жидкости [2] или стохастическая модель жидкости [3] ) — математическая модель, используемая для описания уровня жидкости в резервуаре с учетом случайно определяемых периодов наполнения и опорожнения. Термин «теория плотин» использовался в более ранней литературе для обозначения этих моделей. Модель использовалась для аппроксимации дискретных моделей, моделирования распространения лесных пожаров , [4] в теории руин [5] и моделировать высокоскоростные сети передачи данных. [6] Модель применяет алгоритм дырявого ведра к стохастическому источнику.

Модель была впервые представлена ​​Пэтом Мораном в 1954 году, когда рассматривалась модель дискретного времени. [7] [8] [9] Гибкие очереди позволяют поступлениям быть непрерывными, а не дискретными, как в таких моделях, как очереди M/M/1 и M/G/1 .

Гибкие очереди использовались для моделирования производительности сетевого коммутатора . [10] маршрутизатор , [11] протокол IEEE 802.11 , [12] Асинхронный режим передачи (предназначенная технология для B-ISDN ), [13] [14] одноранговый обмен файлами , [15] оптическое переключение импульсов , [16] и имеет применение в гражданском строительстве при проектировании плотин . [17] Процесс тесно связан с процессами квазирождения-смерти , для которых известны эффективные методы решения. [18] [19]

Описание модели

[ редактировать ]

Очередь жидкости можно рассматривать как большой резервуар, который обычно имеет бесконечную емкость, соединенный с рядом труб, которые наливают жидкость в резервуар, и с рядом насосов, которые удаляют жидкость из резервуара. Оператор управляет трубами и насосами, контролируя скорость, с которой жидкость поступает в буфер, и скорость, с которой жидкость уходит. Когда оператор переводит систему в состояние i, мы пишем r i для чистой скорости поступления жидкости в этом состоянии (вход минус вывод). Когда буфер содержит жидкость, если мы напишем X ( t ) для уровня жидкости в момент времени t , [20]

Оператор представляет собой цепь Маркова с непрерывным временем и обычно называется процессом среды , фоновым процессом. [21] или процесс вождения . [6] Поскольку процесс X представляет уровень жидкости в буфере, он может принимать только неотрицательные значения.

Модель представляет собой особый тип кусочно-детерминированного марковского процесса , и ее также можно рассматривать как модель марковского вознаграждения с граничными условиями.

Стационарное распределение

[ редактировать ]

Стационарное распределение представляет собой распределение фазового типа. [2] как впервые показал Асмуссен [22] и может быть вычислено с использованием методов матричного анализа . [10]

Метод аддитивной декомпозиции численно стабилен и разделяет необходимые для вычислений собственные значения с помощью разложения Шура . [23] [24]

Модель включения/выключения

[ редактировать ]

Для простой системы, где обслуживание имеет постоянную скорость µ, а скорость прибытия колеблется между скоростями λ и 0 (в состояниях 1 и 2 соответственно) в соответствии с цепью Маркова с непрерывным временем с порождающей матрицей

стационарное распределение может быть вычислено явно и определяется выражением [6]

и средний уровень жидкости [25]

Напряженный период

[ редактировать ]

Период занятости — это период времени, измеряемый с момента первого поступления жидкости в буфер ( X ( t ) становится ненулевым) до тех пор, пока буфер снова не станет пустым ( X ( t ) не вернется к нулю). В более ранней литературе его иногда называют влажным периодом (плотины). [26] Преобразование Лапласа – Стилтьеса распределения периода занятости известно для жидкостной очереди с бесконечным буфером. [27] [28] [29] и ожидаемый период занятости в случае конечного буфера и поступления в виде мгновенных скачков. [26]

Для бесконечного буфера с постоянной скоростью обслуживания µ и поступлениями со скоростями λ и 0, модулированным цепью Маркова с непрерывным временем и параметрами

напишите W *( s ) для преобразования Лапласа – Стилтьеса распределения периода занятости, тогда [29]

что дает средний период занятости [30]

В этом случае для одного источника включения/выключения распределение периодов занятости, как известно, представляет собой функцию убывающей интенсивности отказов , что означает, что чем дольше длился период занятости, тем дольше он, вероятно, продлится. [31]

В целом существует два основных подхода к определению периода занятости: либо спектральное разложение, либо итерационный рекуррентный метод. [32] Квадратично сходящийся алгоритм вычисления точек преобразования был опубликован Аном и Рамасвами. [33]

Например, если очередь жидкости со скоростью обслуживания μ = 2 питается от источника включения/выключения с параметрами α = 2, β = 1 и λ = 3, то очередь жидкости имеет период занятости со средним значением 1 и дисперсией 5/3.

Уровень потерь

[ редактировать ]

В конечном буфере скорость потери жидкости (выбрасываемой из системы из-за полного буфера) можно вычислить с помощью преобразований Лапласа-Стилтьеса. [34]

Горный процесс

[ редактировать ]

Термин «горный процесс» был придуман для описания максимального значения процесса содержимого буфера, достигнутого в период занятости, и может быть вычислен с использованием результатов из очереди G/M/1 . [35] [36]

Сети текучих очередей

[ редактировать ]

Было вычислено стационарное распределение двух тандемных очередей жидкости и показано, что оно не демонстрирует стационарного распределения формы продукта в нетривиальных случаях. [25] [30] [37] [38] [39]

Очереди с обратной связью

[ редактировать ]

Очередь жидкости обратной связи — это модель, в которой параметры модели (матрица скорости перехода и вектор дрейфа) могут в некоторой степени зависеть от содержимого буфера. Обычно содержимое буфера разбито на разделы, и параметры зависят от того, в каком разделе находится процесс содержимого буфера. [40] Упорядоченная факторизация Шура может использоваться для эффективного вычисления стационарного распределения такой модели. [41]

Жидкостные очереди второго порядка

[ редактировать ]

Жидкостные очереди второго порядка (иногда называемые марковскими модулированными диффузионными процессами или жидкостные очереди с броуновским шумом). [42] ) рассмотрим отраженное броуновское движение с параметрами, управляемыми марковским процессом. [22] [43] Обычно рассматривают два различных типа граничных условий: поглощающие и отражающие. [44]

[ редактировать ]
  1. ^ Митра, Д. (1988). «Стохастическая теория жидкостной модели производителей и потребителей, связанных буфером». Достижения в области прикладной теории вероятности . 20 (3): 646–676. дои : 10.2307/1427040 . JSTOR   1427040 .
  2. ^ Перейти обратно: а б Ан, С.; Рамасвами, В. (2003). «Модели потока жидкости и очереди — связь посредством стохастической связи» (PDF) . Стохастические модели . 19 (3): 325. doi : 10.1081/STM-120023564 . S2CID   6733796 .
  3. ^ Эльвалид, А.И.; Митра, Д. (1991). «Анализ и проектирование управления перегрузкой высокоскоростных сетей на основе скорости, I: стохастические жидкостные модели, регулирование доступа». Системы массового обслуживания . 9 (1–2): 29–63. дои : 10.1007/BF01158791 . S2CID   19379411 .
  4. ^ Стэнфорд, Дэвид А.; Латуш, Гай; Вулфорд, Дуглас Г.; Бойчук, Денис; Гунчак, Алек (2005). «Эрланизированные очереди жидкости с применением к периметру неконтролируемого пожара». Стохастические модели . 21 (2–3): 631. doi : 10.1081/STM-200056242 . S2CID   123591340 .
  5. ^ Ремиш, Массачусетс (2005). «Соответствие модели токен-ведра марковскому трафику». Стохастические модели . 21 (2–3): 615–630. дои : 10.1081/STM-200057884 . S2CID   121190780 .
  6. ^ Перейти обратно: а б с Кулкарни, Видьядхар Г. (1997). «Модели жидкости для одиночных буферных систем» (PDF) . Границы в массовом обслуживании: модели и приложения в науке и технике . стр. 321–338. ISBN  978-0-8493-8076-1 .
  7. ^ Моран, ПАП (1954). «Теория вероятности плотин и систем хранения». Ауст. Дж. Прил. Наука . 5 : 116–124.
  8. ^ Фатарфод, РМ (1963). «Применение методов последовательного анализа к теории плотин» . Анналы математической статистики . 34 (4): 1588–1592. дои : 10.1214/aoms/1177703892 .
  9. ^ Гани, Дж.; Прабху, Нью-Йорк (1958). «Непрерывное решение проблемы хранения». Природа . 182 (4627): 39. Бибкод : 1958Natur.182...39G . дои : 10.1038/182039a0 . S2CID   42193342 .
  10. ^ Перейти обратно: а б Аник, Д.; Митра, Д. ; Сондхи, ММ (1982). «Стохастическая теория системы обработки данных с несколькими источниками» (PDF) . Технический журнал Bell System . 61 (8): 1871–1894. дои : 10.1002/j.1538-7305.1982.tb03089.x . S2CID   16836549 .
  11. ^ Хон, Н.; Вейч, Д.; Папаганнаки, К.; Диот, К. (2004). «Производительность мостового маршрутизатора и теория массового обслуживания». Материалы совместной международной конференции по измерению и моделированию компьютерных систем - SIGMETRICS 2004/PERFORMANCE 2004 . п. 355. CiteSeerX   10.1.1.1.3208 . дои : 10.1145/1005686.1005728 . ISBN  978-1581138733 . S2CID   14416842 .
  12. ^ Аруначалам, В.; Гупта, В.; Дхармараджа, С. (2010). «Жидкая очередь, модулируемая двумя независимыми процессами рождения и смерти» . Компьютеры и математика с приложениями . 60 (8): 2433–2444. дои : 10.1016/j.camwa.2010.08.039 .
  13. ^ Норрос, И.; Робертс, Дж.В.; Симонян А.; Виртамо, Дж.Т. (1991). «Суперпозиция источников с переменной скоростью передачи данных в мультиплексоре ATM». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 9 (3): 378. дои : 10.1109/49.76636 .
  14. ^ Расмуссен, К.; Соренсен, Дж. Х.; Кволс, КС; Якобсен, С.Б. (1991). «Независимые от источника процедуры приема вызовов в сетях банкоматов». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 9 (3): 351. дои : 10.1109/49.76633 .
  15. ^ Гаэта, Р.; Грибаудо, М.; Манини, Д.; Серено, М. (2006). «Анализ передачи ресурсов в одноранговых приложениях для обмена файлами с использованием гибких моделей». Оценка производительности . 63 (3): 149. CiteSeerX   10.1.1.102.3905 . дои : 10.1016/j.peva.2005.01.001 .
  16. ^ Язычи, Массачусетс; Акар, Н. (2013). «Анализ очередей марковской жидкости с непрерывной обратной связью и его применение к моделированию оптического пакетного переключения». Материалы 25-го Международного конгресса по телетрафику (ITC) 2013 г. стр. 1–8. дои : 10.1109/ITC.2013.6662952 . hdl : 11693/28055 . ISBN  978-0-9836283-7-8 . S2CID   863180 .
  17. ^ Гани, Дж. (1969). «Последние достижения в области теории хранения и наводнений». Достижения в области прикладной теории вероятности . 1 (1): 90–110. дои : 10.2307/1426410 . JSTOR   1426410 .
  18. ^ Рамасвами, В. Смит, Д.; Привет, Пи (ред.). «Методы матричного анализа стохастических потоков жидкости». Инженерия телетрафика в конкурентном мире (Материалы 16-го Международного конгресса по телетрафику) . Эльзевир Сайенс Б.В.
  19. ^ Говорун, М.; Латуш, Ж.; Ремиш, Массачусетс (2013). «Стабильность текучих очередей: характеристические неравенства». Стохастические модели . 29 : 64–88. дои : 10.1080/15326349.2013.750533 . S2CID   120102947 .
  20. ^ Роджерс, LCG ; Ши, З. (1994). «Вычисление закона инварианта модели жидкости». Журнал прикладной вероятности . 31 (4): 885–896. дои : 10.2307/3215314 . JSTOR   3215314 .
  21. ^ Шейнхардт, В.; Ван Форест, Н.; Корзины, М. (2005). «Жидкие очереди с непрерывной обратной связью» . Письма об исследованиях операций . 33 (6):551 дои : 10.1016/j.orl.2004.11.008 .
  22. ^ Перейти обратно: а б Асмуссен, Сорен (1995). «Стационарные распределения для моделей потока жидкости с броуновским шумом или без него». Коммуникации в статистике. Стохастические модели . 11 : 21–49. дои : 10.1080/15326349508807330 .
  23. ^ Акар, Н.; Сохраби, К. (2004). «Марковские жидкостные очереди с бесконечной и конечной буферностью: унифицированный анализ» (PDF) . Журнал прикладной вероятности . 41 (2): 557. doi : 10.1239/jap/1082999086 . hdl : 11693/24279 . JSTOR   3216036 .
  24. ^ Телек, М.С.; Вечеи, М.С. (2013). «Анализ очередей жидкости при насыщении с аддитивным разложением» (PDF) . Современные вероятностные методы анализа телекоммуникационных сетей . Коммуникации в компьютерной и информатике. Том. 356. с. 167. дои : 10.1007/978-3-642-35980-4_19 . ISBN  978-3-642-35979-8 .
  25. ^ Перейти обратно: а б Филд, А.; Харрисон, П. (2007). «Приближенный композиционный подход к анализу гибких сетей очередей» . Оценка производительности . 64 (9–12): 1137. doi : 10.1016/j.peva.2007.06.025 .
  26. ^ Перейти обратно: а б Ли, Юй Ён; Кинатедер, Кимберли К.Дж. (2000). «Ожидаемый влажный период конечной плотины с экспоненциальными входными данными» . Случайные процессы и их приложения . 90 : 175–180. дои : 10.1016/S0304-4149(00)00034-X .
  27. ^ Боксма, Огайо ; Дюма, В. (1998). «Период занятости в жидкой очереди». Обзор оценки производительности ACM SIGMETRICS . 26 : 100–110. дои : 10.1145/277858.277881 .
  28. ^ Филд, Эй Джей; Харрисон, П.Г. (2010). «Периоды занятости в подвижных очередях с несколькими состояниями ввода опустошения» . Журнал прикладной вероятности . 47 (2): 474. doi : 10.1239/jap/1276784904 .
  29. ^ Перейти обратно: а б Асмуссен, СР (1994). «Анализ периода занятости, редкие события и переходное поведение в моделях потока жидкости» (PDF) . Журнал прикладной математики и стохастического анализа . 7 (3): 269–299. дои : 10.1155/S1048953394000262 .
  30. ^ Перейти обратно: а б Крозе, ДП ; Шейнхардт, WRW (2001). «Совместные распределения для взаимодействующих очередей жидкостей». Системы массового обслуживания . 37 : 99–139. дои : 10.1023/А:1011044217695 . S2CID   3482641 .
  31. ^ Гаутам, Н.; Кулкарни, В.Г.; Пальмовски З.; Рольски, Т. (1999). «Границы для моделей жидкости, управляемых полумарковскими входными данными» (PDF) . Вероятность в инженерных и информационных науках . 13 (4): 429. doi : 10.1017/S026996489913403X .
  32. ^ Бадеску, Андрей Л.; Ландрио, Дэвид (2009). «Применение методов анализа матрицы потока жидкости в теории разрушений - обзор» (PDF) . RACSAM - Журнал Королевской академии точных, физических и естественных наук. Серия А. Математика . 103 (2): 353–372. дои : 10.1007/BF03191912 . S2CID   53498442 .
  33. ^ Ан, С.; Рамасвами, В. (2005). «Эффективные алгоритмы анализа переходных процессов стохастических моделей потока жидкости» (PDF) . Журнал прикладной вероятности . 42 (2): 531. doi : 10.1239/jap/1118777186 .
  34. ^ О'Рейли, MGM; Пальмовски, З. (2013). «Уровни потерь для моделей стохастической жидкости». Оценка производительности . 70 (9): 593. doi : 10.1016/j.peva.2013.05.005 .
  35. ^ Боксма, Огайо ; Перри, Д.; Ван дер Дуйн Схоутен, ФА (1999). «Жидкие очереди и горные процессы» . Вероятность в инженерных и информационных науках . 13 (4): 407–427. дои : 10.1017/S0269964899134028 .
  36. ^ Боксма, Огайо ; Перри, Д. (2009). «О циклическом максимуме гор, плотин и очередей». Коммуникации в статистике - теория и методы . 38 (16–17): 2706. doi : 10.1080/03610910902936232 . S2CID   9973624 .
  37. ^ Келла, О. (1996). «Стабильность и непродуктивная форма стохастических текучих сетей с входами Леви» . Анналы прикладной теории вероятности . 6 : 186–199. дои : 10.1214/aoap/1034968070 .
  38. ^ Келла, О. (2000). «Непродуктовая форма двумерных жидкостных сетей с зависимыми входами Леви». Журнал прикладной вероятности . 37 (4): 1117–1122. дои : 10.1239/яп/1014843090 .
  39. ^ Дембицкий, К.; Дикер, AB; Рольски, Т. (2007). «Формы квазипродуктов для жидкостных сетей, управляемых Леви». Математика исследования операций . 32 (3): 629. arXiv : math/0512119 . дои : 10.1287/moor.1070.0259 . S2CID   16150704 .
  40. ^ Малхотра, Р.; Манджес, MRH; Шейнхардт, WRW; Берг, Дж.Л. (2008). «Жидкая очередь обратной связи с двумя порогами контроля перегрузки» . Математические методы исследования операций . 70 : 149–169. дои : 10.1007/s00186-008-0235-8 .
  41. ^ Канкая, ОН; Акар, Н. (2008). «Решение многорежимных очередей с обратной связью». Стохастические модели . 24 (3): 425. дои : 10.1080/15326340802232285 . hdl : 11693/23071 . S2CID   53363967 .
  42. ^ Иванов, Ю. (2010). «Марково-модулированное броуновское движение с двумя отражающими барьерами». Журнал прикладной вероятности . 47 (4): 1034–1047. arXiv : 1003.4107 . дои : 10.1239/яп/1294170517 . S2CID   19329962 .
  43. ^ Карандикар, РЛ; Кулкарни, В.Г. (1995). «Модели потока жидкости второго порядка: отраженное броуновское движение в случайной среде». Исследование операций . 43 : 77–88. дои : 10.1287/opre.43.1.77 .
  44. ^ Грибаудо, М.; Манини, Д.; Серикола, Б.; Телек, М. (2007). «Модели жидкости второго порядка с общим граничным поведением». Анналы исследования операций . 160 : 69–82. CiteSeerX   10.1.1.484.6192 . дои : 10.1007/s10479-007-0297-7 . S2CID   1735120 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 580a1bfbc67f3c055ee4b6dcda551037__1700671200
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/58/37/580a1bfbc67f3c055ee4b6dcda551037.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Fluid queue - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)