Was ist Warteschlangentheorie?

Theorie, die mit Wahrscheinlichkeitsmodellen beschreibt, wie Aufträge an einem Schalter oder Server eintreffen, warten, bis er frei ist, und dann bedient werden, und daraus Wartezeiten und Schlangenlängen berechnet. Die Verteilung der Ankünfte, die Verteilung der Bedienzeiten und die Anzahl der Schalter werden in der Kendall-Notation wie „M/M/1“ angegeben. Im M/M/1-Modell erhält man mit der Auslastung ρ = Ankunftsrate λ × mittlere Bedienzeit Ts die mittlere Wartezeit als ρ/(1 − ρ) × Ts. Angewendet wird sie bei der Leistungsbewertung von Computern, bei Netzwerkverzögerungen und bei der Analyse der Umlaufbestände in Fabriken.

Japanische Bezeichnung: 待ち行列理論

„Warteschlangentheorie“ kommt in 6 Übungsfragen aus 1 Themen vor, z. B. Wahrscheinlichkeitsrechnung, Statistik und Warteschlangen.

Fachgebiet: Wahrscheinlichkeitsrechnung, Statistik und Warteschlangen

Kendall-Notation und M/M/1

Warteschlangenmodelle werden in der Form „Ankunftsverteilung/Bedienzeitverteilung/Anzahl der Schalter“ angegeben. M steht für die Markov-Eigenschaft und bedeutet bei den Ankünften Poisson-Ankünfte (exponentialverteilte Zwischenankunftszeiten), bei den Bedienzeiten eine Exponentialverteilung. D steht für eine konstante Zeit, G für eine allgemeine Verteilung. M/M/1 ist ein Modell mit einem Schalter, zufälligen Ankünften und zufälligen Bedienzeiten; die Grundannahmen sind ein unbegrenzter Warteraum, Bedienung in der Reihenfolge der Ankunft und der stationäre Zustand nach ausreichend langer Zeit.

Grundformeln

Die Auslastung ρ = λ × Ts ist der Anteil der Zeit, in der der Schalter belegt ist. Für M/M/1 gelten die mittlere Wartezeit Wq = ρ/(1 − ρ) × Ts, die mittlere Antwortzeit W = Wq + Ts = Ts/(1 − ρ) und die mittlere Anzahl im System L = ρ/(1 − ρ). Diese Größen sind durch das Little'sche Gesetz L = λW verknüpft; bei λ = 3 Aufträgen/Minute und Ts = 15 Sekunden ergeben sich zum Beispiel ρ = 0,75, Wq = 45 Sekunden, W = 60 Sekunden und L = 3 Aufträge.

Auslastung und Wartezeit

Wq ÷ Ts = ρ/(1 − ρ) beträgt bei einer Auslastung von 0,5 das 1-Fache, bei 0,8 das 4-Fache, bei 0,9 das 9-Fache und bei 0,95 das 19-Fache und wächst damit umso steiler, je näher die Auslastung an 1 liegt. Der Grund ist, dass die freie Zeit 1 − ρ knapp wird, die nötig ist, um eine durch zufällig gehäufte Ankünfte entstandene Schlange abzubauen. Systeme, bei denen die Antwortzeit wichtig ist, werden deshalb mit einer Reserve bei der Auslastung ausgelegt.

Jetzt üben: Fragen zu Warteschlangentheorie

An einem Schalter treffen im Mittel 12 Aufträge pro Stunde ein, und die Bearbeitung eines Auftrags dauert im Mittel 4 Minuten. Wie hoch ist die Auslastung des Schalters, wenn man ihn als M/M/1-Warteschlange betrachtet?

  1. A0,8
  2. B1,25
  3. C3
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: A. 0,8

Die Auslastung ρ ist das Produkt aus der Ankunftsrate λ und der mittleren Bedienzeit Ts und gibt den Anteil der Zeit an, in der der Schalter belegt ist. Mit einheitlichen Einheiten sind 4 Minuten = 1/15 Stunde, also ρ = 12 × 1/15 = 0,8. Mit der Bedienrate μ = 15 Aufträge/Stunde erhält man ebenso ρ = λ/μ = 12/15.

Bei einem Server treffen im Mittel 3 Anfragen pro Minute ein, und die Bearbeitung einer Anfrage dauert im Mittel 15 Sekunden. Der Server wird als M/M/1-Warteschlange betrachtet. Wie lang ist die mittlere Zeit vom Eintreffen einer Anfrage bis zum Ende ihrer Bearbeitung (mittlere Antwortzeit)?

  1. A20 Sekunden
  2. B45 Sekunden
  3. C60 Sekunden
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Antwort: C. 60 Sekunden

Die Auslastung beträgt ρ = 3 Anfragen/Minute × 15 Sekunden ÷ 60 Sekunden = 0,75. Die mittlere Wartezeit ist Wq = ρ/(1 − ρ) × Ts = 0,75/0,25 × 15 = 45 Sekunden; zusammen mit der Bearbeitungszeit von 15 Sekunden ergibt sich eine mittlere Antwortzeit von 45 + 15 = 60 Sekunden. Mit Ts/(1 − ρ) = 15/0,25 = 60 Sekunden erhält man dasselbe.

Häufige Fragen

Was tut man, wenn die Voraussetzungen von M/M/1 nicht erfüllt sind?

Man verwendet ein wirklichkeitsnäheres Modell, etwa M/D/1 bei konstanter Bedienzeit. Die mittlere Wartezeit bei M/D/1 ist genau halb so groß wie bei M/M/1; je weniger die Bedienzeiten streuen, desto kürzer ist die Wartezeit. Komplexe Systeme werden oft per Simulation untersucht; das Little'sche Gesetz gilt in jedem Fall.

Ist es besser, mehr Schalter einzurichten oder einen Schalter schneller zu machen?

Bei gleicher Gesamtkapazität ergibt ein doppelt so schneller einzelner Schalter eine kürzere mittlere Antwortzeit als zwei Schalter (M/M/2 mit einer gemeinsamen Schlange). Vergleicht man dagegen nur die Wartezeit in der Schlange, sind zwei Schalter im Vorteil. Bildet man bei zwei Schaltern für jeden Schalter eine eigene Schlange, kann man an einem Schalter warten, während der andere frei ist; die Wartezeit wird dann länger als bei einer gemeinsamen Schlange.

„Warteschlangentheorie“ in den Erläuterungen

Fragen mit „Warteschlangentheorie“ (6)

  1. An einem Schalter treffen im Mittel 12 Aufträge pro Stunde ein, und die Bearbeitung eines Auftrags dauert im Mittel 4 Minuten. Wie hoch ist die Auslastung des Schalters, wenn man ihn als M/M/1-Warteschlange betrachtet?
  2. Bei einem Server treffen im Mittel 3 Anfragen pro Minute ein, und die Bearbeitung einer Anfrage dauert im Mittel 15 Sekunden. Der Server wird als M/M/1-Warteschlange betrachtet. Wie lang ist die mittlere Zeit vom Eintreffen einer Anfrage bis zum Ende ihrer Bearbeitung (mittlere Antwortzeit)?
  3. Bei einem Server, der sich als M/M/1-Warteschlange betrachten lässt, steigt die Ankunftsrate bei unveränderter mittlerer Bedienzeit, sodass die Auslastung von 0,8 auf 0,9 zunimmt. Um welchen Faktor ändert sich die mittlere Wartezeit Wq (die Zeit des Wartens in der Warteschlange)? Welcher Wert liegt am nächsten?
  4. Ein Server mit einer mittleren Bedienzeit von 0,2 Sekunden wird als M/M/1-Warteschlange betrachtet. Die mittlere Antwortzeit (Summe aus Wartezeit und Bearbeitungszeit) soll höchstens 1,0 Sekunden betragen. Welcher Wert liegt der höchsten zulässigen Ankunftsrate am nächsten?
  5. Anfragen an einen Server treffen als Poisson-Ankünfte (unabhängige, zufällige Ankünfte) mit im Mittel 6 Anfragen pro Minute ein. Welche Kombination aus der Verteilung der Zwischenankunftszeiten und deren Mittelwert ist zutreffend?
  6. Es gibt zwei gleich schnelle Schalter. Bei Verfahren A wählt jede ankommende Person mit gleicher Wahrscheinlichkeit einen der beiden Schalter und stellt sich in dessen eigene Schlange. Bei Verfahren B stellen sich alle in eine gemeinsame Schlange und werden am jeweils nächsten frei werdenden Schalter bedient. Die Ankünfte sind zufällig, die gesamte Ankunftsrate und die Bediengeschwindigkeit sind in beiden Fällen gleich. Welcher Vergleich der mittleren Wartezeiten trifft zu?

Verwandte Begriffe

Exponentialverteilung Bedingte Wahrscheinlichkeit Binomialverteilung Erwartungswert Hypothesentest Konfidenzintervall Korrelationskoeffizient Median Normalverteilung Permutationen und Kombinationen

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