什麼是等候理論

以機率模型表示處理請求到達窗口或伺服器、等待其空出後接受處理的情形,並求出等候時間與行列長度的理論。以依序列出到達分布、服務時間分布與窗口數的肯德爾記號,如「M/M/1」來表示。在M/M/1模型中,使用 使用率ρ = 到達率λ × 平均服務時間Ts,以 ρ/(1 − ρ) × Ts 求得平均等候時間。用於電腦的效能評估、網路延遲及工廠在製品的分析等。

日文名稱: 待ち行列理論

「等候理論」出現在1領域的6道練習題中(機率、統計與等候理論等)。

這個名詞所屬的領域: 機率、統計與等候理論

肯德爾記號與M/M/1

等候模型以「到達的分布/服務時間的分布/窗口數」的形式表示。M表示馬可夫性,用於到達時表示卜瓦松到達(間隔服從指數分布),用於服務時間時表示指數分布。D表示固定時間,G表示一般的分布。M/M/1是隨機到達、隨機服務時間、窗口為1個的模型,基本前提是等候空間沒有限制、依先到先服務處理,並考慮經過足夠時間後的穩態。

基本公式

使用率 ρ = λ × Ts,是窗口忙碌時間的比例。在M/M/1中,平均等候時間 Wq = ρ/(1 − ρ) × Ts,平均回應時間 W = Wq + Ts = Ts/(1 − ρ),系統內的平均數 L = ρ/(1 − ρ)。這些都由利特爾法則 L = λW 連結起來,例如 λ = 每分鐘3件、Ts = 15秒時,ρ = 0.75、Wq = 45秒、W = 60秒、L = 3件。

使用率與等候時間

Wq ÷ Ts = ρ/(1 − ρ) 在使用率0.5時為1倍、0.8時為4倍、0.9時為9倍、0.95時為19倍,使用率越接近1就越急遽變大。這是因為用來消化到達偶然重疊所形成之行列的空閒時間 1 − ρ 變少了。因此,重視回應時間的系統,設計時會讓使用率保留餘裕。

練習等候理論的題目

某伺服器每分鐘平均收到3件請求,每件平均需要15秒處理,將其視為M/M/1等候系統。從請求到達到處理完成的平均時間(平均回應時間)為下列何者?

  1. A20秒
  2. B45秒
  3. C60秒
查看答案與解析

正確答案:C. 60秒

使用率為 ρ = 每分鐘3件 × 15秒 ÷ 60秒 = 0.75。平均等候時間為 Wq = ρ/(1 − ρ) × Ts = 0.75/0.25 × 15 = 45秒,加上處理時間15秒,平均回應時間為 45 + 15 = 60秒。以 Ts/(1 − ρ) = 15/0.25 = 60秒求得,結果也相同。

常見問題

M/M/1的前提不成立時怎麼辦?

會使用更接近實際的模型,例如服務時間固定時使用M/D/1。M/D/1的平均等候時間恰好是M/M/1的一半,服務時間的變異越小,等候時間越短。複雜的系統也常以模擬來確認,而不論哪種情形,利特爾法則都成立。

增加窗口與加快窗口,哪一種比較好?

整體處理能力相同時,1個快2倍的窗口,平均回應時間比2個窗口(共用1條行列的M/M/2)短。另一方面,若只比較在行列中等候的時間,則2個窗口較短。即使有2個窗口,若每個窗口各自排一條行列,就會發生一邊空著、另一邊卻在等候的情形,因此等候時間會比共用1條行列的方式長。

解析中的「等候理論」

出現「等候理論」的題目(6題)

  1. 某窗口每小時平均收到12件委託,每件平均需要4分鐘處理。視為M/M/1等候系統時,窗口的使用率為下列何者?
  2. 某伺服器每分鐘平均收到3件請求,每件平均需要15秒處理,將其視為M/M/1等候系統。從請求到達到處理完成的平均時間(平均回應時間)為下列何者?
  3. 在可視為M/M/1等候系統的伺服器中,平均服務時間不變而到達率增加,使用率從0.8上升到0.9。平均等候時間Wq(在行列中等候的時間)變為幾倍?最接近的是下列何者?
  4. 將平均服務時間0.2秒的伺服器視為M/M/1等候系統。要把平均回應時間(等候時間與處理時間的合計)壓在1.0秒以下時,可接受的到達率上限最接近下列何者?
  5. 對伺服器的請求以每分鐘平均6件的卜瓦松到達(彼此獨立的隨機到達)送達。到達間隔所服從的分布與其平均值的組合,下列何者適當?
  6. 有2個速度相同的窗口。方式A中,使用者到達時以相等機率選擇其中一個窗口,排在各窗口自己的行列中。方式B中,使用者排在1條行列中,依序到空出來的窗口接受服務。到達為隨機,且整體的到達率與處理速度兩種方式都相同。關於平均等候時間的比較,下列何者適當?

相關名詞

指數分布 二項分布 卜瓦松分布 中位數 四分位數 貝氏定理 信賴區間 相關係數 假設檢定 常態分布

前往名詞解釋列表