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]
Пример
[ редактировать ]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]
Внешние ссылки
[ редактировать ]- BuTools — в MATLAB , Python и Mathematica . реализация некоторых из приведенных выше результатов
- PevaTools , код MATLAB для многорежимных моделей
- Учебное пособие по моделям потока жидкости от В. Рамасвами на MAM8
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Ремиш, Массачусетс (2005). «Соответствие модели токен-ведра марковскому трафику». Стохастические модели . 21 (2–3): 615–630. дои : 10.1081/STM-200057884 . S2CID 121190780 .
- ^ 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 .
- ^ Моран, ПАП (1954). «Теория вероятности плотин и систем хранения». Ауст. Дж. Прил. Наука . 5 : 116–124.
- ^ Фатарфод, РМ (1963). «Применение методов последовательного анализа к теории плотин» . Анналы математической статистики . 34 (4): 1588–1592. дои : 10.1214/aoms/1177703892 .
- ^ Гани, Дж.; Прабху, Нью-Йорк (1958). «Непрерывное решение проблемы хранения». Природа . 182 (4627): 39. Бибкод : 1958Natur.182...39G . дои : 10.1038/182039a0 . S2CID 42193342 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ Роджерс, LCG ; Ши, З. (1994). «Вычисление закона инварианта модели жидкости». Журнал прикладной вероятности . 31 (4): 885–896. дои : 10.2307/3215314 . JSTOR 3215314 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Боксма, Огайо ; Дюма, В. (1998). «Период занятости в жидкой очереди». Обзор оценки производительности ACM SIGMETRICS . 26 : 100–110. дои : 10.1145/277858.277881 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Келла, О. (2000). «Непродуктовая форма двумерных жидкостных сетей с зависимыми входами Леви». Журнал прикладной вероятности . 37 (4): 1117–1122. дои : 10.1239/яп/1014843090 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .