某大型銀行深化系統之十六:性能設計之一

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1隊列服務質量評估

        通過引入排隊系統,定義系統中各項業務流程的產生和業務服務模型,描述工作項產生規律和服務規律的概率來計算系統的性能。

在對排隊進行分析時,爲了便於分析,經常做一些簡化假設。對一個排隊系統,若滿足以下三個條件:
排隊系統能夠進入統計平衡狀態;
服務員的忙期與閒期交替出現,即系統不是總處於忙的狀態;
系統中任一顧客不會永遠等待,系統也不會永無顧客到達。
        則下列Little公式成立(排隊論中的通用公式):

1.1w = λTw  

        我們知道一個顧客的平均排隊等待時間是Tw,且顧客是以平均速率λ到達,所以在時間Tw時間內有λTw個顧客到達,w表示排隊等待服務的平均顧客數量,所以有:w = λTw 

1.2q = λTq

        系統中的平均顧客數(包括等待的和正在被服務的顧客)等於顧客的平均到達速率乘以一個顧客在系統中花費的平均時間。

1.3Tq = Tw+Ts

        一個顧客在系統中花費的時間,就是它等待服務的時間加上被服務的時間。            
        工作項池的過程相對於M/M/N隊列模型,如下圖所示:
 
        即在該隊列系統的工作項產生爲泊松流,到達速率爲λ,有N個服務員,每個服務員的服務速率爲μ,服務規則爲FCFS。所有的服務員共享一個公用的隊列。該隊列是一個生滅過程模型,其生滅速率爲:
                         λk = λ,       k = 0,1,2,   …        
                          μ = N μ       k ≧ N 
        根據的生滅過程特點,可以得到下面在M/M/N隊列中的常用公式。因此係統中的平均工作項數量q = Nρ+ ρη0 (Nρ)N/N!(1-ρ)2
        令隨機變量M表示“忙”服務員的數量,W = E[M] = Nρ = λ/μ 
        所以,任意一個服務員的利用率ρ= λ/(Nμ)
        在多服務員系統中的little公式:   
     ρ = λTs/N ,     u = λTs = ρN     ,   q = w + ρN 
        一個工作項在隊列中等待的概率,亦即所有服務器都忙的擁塞概率,可以如下表示:
        P[排列] = η0 (Nρ)N/N!(1-ρ) 

        其中η0的表達式如下:


2系統性能建模

        業務集中系統,可以採用M/M/n 模型來描述,即客戶是泊松分佈,服務時間爲負指數分佈,多臺、無限容量、無限源、先到先服務的排隊系統模型。則根據排隊論可以得到以下幾個指標:

2.1顧客在系統中的時間=等待時長+服務時長

2.2系統的平穩狀態

        系統的平穩狀態是指:當排隊系統運行一段時間後,系統進入正常的平衡狀態(簡稱爲穩態),此時,隊長分佈、等待時間分佈等都和系統所處的時刻無關。系統處於穩態時的利特爾公式:Ld= λWd利特爾公式也是普遍成立的,已知其中任兩個量,可以求出另一個量利特爾公式的分解:
Ld = λWd = λ(Wq + h ) = Lq + Ln
Lq = λWq 
Ln = λh
        其中:Wq是顧客的平均排隊等待時間;Lq是排隊等待的平均隊長;h是顧客的平均服務時長;Ln是同時接受服務的平均顧客數(即服務檯平均佔用數)

2.3流程的生滅過程

        愛爾朗分佈實際上是k個獨立同分布的負指數分佈隨機變量的和的分佈,即k個服務檯的串聯,每個服務檯的服務時間相互獨立,且平均服務時長均爲1/kμ(期望值),則一個流程走完這k個節點所需服務時間就服從該分佈

2.4業務系統對外界而言屬於生滅服務系統

        滿足生滅過程的條件:
輸入過程和服務過程具有平穩性、無記憶性和普通性
服務檯是獨立的、相同的、並聯的
        泊松輸入過程和負指數服務時長具有這些性質:
可以用馬氏鏈來描述系統的狀態轉移
這種系統稱爲生滅服務系統,一般用M/M/n表示,又稱爲標準服務系統;

標準服務系統的形式很多,但都是基於生滅方程,關鍵是找出λj、μj的不同表達式,將它們代入生滅方程,確定各狀態出現的概率,達到調整服務系統的目的。

3主要度量指標

3.1隊長和排隊長

        通常都是隨機變量,而且分佈不易得到,因此一般考慮其均值和方差等數字特徵

3.2顧客最關心的指標

        排隊時間、逗留時間、隨機變量

3.3忙期和閒期

        服務系統所關心的隨機變量指標,主要反映系統的服務強度。忙期和閒期交替出現。

        在損失制和混合制服務系統中,還關心諸如顧客損失率、服務強度等指標解排隊問題的目的,是研究系統的運行效率,估計服務量,確定系統參數的最優值,以決定系統結構是否合理,研究設計改進措施等。達到此目的的首要任務是研究數量指標的概率規律
業務量
        令從顧客源來的顧客到達率爲λ,每個服務檯的服務率爲μ,則有λj = λ, j = 0,1, ... , n–1; λn=0,μj = jμ, j = 0,1, ... , n
        將λj, μj代入生滅方程,得

        式中無量綱量ρ=λ/μ稱爲業務量(traffic) ;表示單位時間內要求系統提供的服務強度;λ和μ的單位一致;用愛爾朗作爲業務量的單位(Erl)
        系統的質量用顧客的損失率來度量,有兩種度量方法按時間計算的損失率pn—單位時間內無可用服務檯的概率按顧客計算的損失率B —單位時間內損失的顧客數與到達顧客數之比在本系統中有B=pn=En(ρ),稱爲愛爾朗損失公式。
 

3.4服務檯利用率與服務檯數量的關係η-n圖

        當給定n和B後,系統所能承擔的業務量ρ可用愛爾朗公式求出,從而可計算出服務檯利用率
η= ρ(1-B)/n
        其中:
 表示平均被佔用的服務檯數。
        則η-n的關係如下圖:
 
        因此可以得到:
B不變時,η隨n 增加;
n不變時,η隨B 增加;說明效率與質量是矛盾的;
η具有邊際遞減規律
η越大,系統抗過負荷能力越差

3.5系統過負荷特性α-B圖

        過負荷指系統加入的業務量A′超過給定服務質量所能承擔的業務量A
        過負荷率α用過載業務量與標準應承擔業務量的比值表示,即
α= (A′-A)/A= ΔA/A
En(A) = B, En(A′) = B′
 
        由圖可見,在同樣標準的服務質量和同樣的過負荷率下,大系統的質量劣化嚴重;效率與可靠性是矛盾的

3.6平均逗留隊長

 

3.7平均排隊長

 

3.8平均逗留時長

 

3.9平均排隊時長

 

3.10服務檯平均佔用數

 

3.11服務檯利用率


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