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傑克遜排隊網絡

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排隊論中(運籌學的一支),傑克遜排隊網絡(英語:Jackson network,亦作Jacksonian network[1])是一類排隊網絡模型,其均衡分佈計算形式簡單且網絡具有積形式解。該模型已被推廣,其定理的思想也被運用於尋找其他網絡中類似的積形式解。[2]互聯網發展中的一些思想亦源於該排隊網絡。[3]這一網絡模型首先由詹姆斯·R·傑克遜英語James R. Jackson提出。[4][5]2004年,傑克遜的文章重載於《管理科學英語Management Science (journal)》,該刊將其譽為「管理科學頭50年中最具影響力的十篇論文」之一。[6]

傑克遜受到了柏克英語Burke's theorem和賴克(Reich)工作的啟發。[7]但吉恩·華爾蘭德(Jean Walrand)指出「積形式解的結果……從柏克定理推過去不是很直接,並沒有傑克遜本人在他那篇奠基性文章中所認為的那麼直接」。[8]

在串聯排隊(有限數量的隊列,顧客按先後順序去每個隊列等候)和環形排隊網絡(串聯成環的若干隊列,顧客按先後順序去每個隊列等候)中,R.R.P. Jackson更早就發現了一個積形式解。[9]

傑克遜網絡包括一定數量的節點,每個節點表示一個隊列,隊列的服務率既可以是狀態無關的(不同的節點有不同的服務率),也可以是狀態相關的(服務率的變化與隊長相關)。任務(jobs)按照一個固定的路由矩陣(routing matrix)在節點間轉移。每個節點處的任務都屬於單一的「類」(class),任務都服從相同都服務時間分佈和路由機制。因此,並沒有引入任務服務的優先級:每個節點處的所有工作都以先到先得(FIFS, First In First Severed)方式進行。

有限任務、閉合網絡的傑克遜網絡也有積形式解,該結論由Gordon–Newell定理闡明。[10]

傑克遜排隊網絡的必要條件

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個相連隊列組成的網絡被稱作傑克遜網絡,若它滿足下述條件:[11][12]

  1. 若網絡是開放的,任意往節點的外部到達都是一個泊松過程
  2. 服務時間呈指數分佈,排隊規則為先到先得(First come first served),
  3. 隊列處的顧客服務結束後,以概率轉移到新的隊列或以概率離開隊列;對於開放網絡來說,離開概率對所有隊列的某個子集是非零的,
  4. 所有隊列的利用率都小於1。

定理

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M/M/1模型的開放傑克遜網絡,其中利用率(utilization對每個隊列都小於1,平衡狀態概率分佈存在,且對狀態,平衡狀態(equilibrium state)概率分佈由每個隊列的平衡分佈之積給出:

結果M/M/c服務站(stations)也成立,其中第個節點的服務台(servers)數為,利用率滿足

定義

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在一個開放網絡中,顧客自系統外部以泊松流方式到達,到達率為。每個往節點j的到達是相互獨立的,有概率 且滿足。當節點處的服務完成時,顧客會以概率進入另一節點或者以的概率離開網絡。

因此,節點的總到達率是外部到達和內部轉移的總和:(因為每個節點的利用率均小於1,且我們觀察的是均衡分佈,即長時間運行的平均行為,任務從轉移到速率的界不超過到達率的一部分,我們由此忽略上式中的服務率。)

定義 ,我們就可以解出

所有任務在後續泊松過程中會離開其節點,節點處有個任務,定義其服務率為

表示節點在時間的任務數,均衡分佈由如下系統平衡方程給出:

其中表示第單位向量.。

定理

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設獨立隨機向量,每個都有概率質量函數

其中。當是良定義的,開放傑克遜網絡的平衡分佈有如下的積形式:

對所有的

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三節點的開放傑克遜網絡

設圖中有一三節點的傑克遜網絡,係數分別是:

通過定理,可以計算:

根據的定義,有:

因此,每個節點處有一個服務的概率是:

由於這裏的服務率是狀態無關的,各項服從簡單的幾何分佈

傑克遜網絡的推廣

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推廣的傑克遜網絡允許更新到達過程英語Renewal theory不一定是一個泊松過程,也允許服務時間是獨立且同種的非指數分佈。一般地,網絡不一定要有積形式穩定解英語Product-form solution,因此需要找近似解 [13]

布朗近似

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在一些平和的條件下,開放的推廣傑克遜網絡的隊長過程Q(t)可以用反射布朗運動英語reflected Brownian motion近似,定義為,其中是過程的漂移(drift),是協方差矩陣,是反射矩陣。這一二階近似是從均質流體(homogeneous fluid network)的推廣傑克遜網絡和反射布朗運動間的關係得到的。

反射布朗過程的參數如下所述:

其中符號的定義:

近似公式中符號的定義
符號 含義
J維向量,每個節點的到達率
J維向量,每個節點的服務率
轉移矩陣
第j個節點的有效到達
第j個節點服務時間的變異係數
第j個節點服務台間轉移到達時間的變異係數
反映節點間關係的係數

它們是這樣定義的:令為系統的到達過程,則在分佈中有,其中是一個無漂移(driftless)的布朗過程,其協方差矩陣為,滿足對所有的都有

參見

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參考文獻

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  1. ^ Walrand, J.; Varaiya, P. Sojourn Times and the Overtaking Condition in Jacksonian Networks. Advances in Applied Probability. 1980, 12 (4): 1000–1018. JSTOR 1426753. doi:10.2307/1426753. 
  2. ^ Kelly, F. P. Networks of Queues. Advances in Applied Probability. June 1976, 8 (2): 416–432. JSTOR 1425912. doi:10.2307/1425912. 
  3. ^ Jackson, James R. Comments on "Jobshop-Like Queueing Systems": The Background. Management Science. December 2004, 50 (12): 1796–1802. JSTOR 30046150. doi:10.1287/mnsc.1040.0268. 
  4. ^ Jackson, James R. Jobshop-like Queueing Systems. Management Science. Oct 1963, 10 (1): 131–142. JSTOR 2627213. doi:10.1287/mnsc.1040.0268.  A version from January 1963 is available at http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/296776.pdf頁面存檔備份,存於互聯網檔案館
  5. ^ Jackson, J. R. Networks of Waiting Lines. Operations Research. 1957, 5 (4): 518–521. JSTOR 167249. doi:10.1287/opre.5.4.518. 
  6. ^ Jackson, James R. Jobshop-Like Queueing Systems. Management Science. December 2004, 50 (12): 1796–1802. JSTOR 30046149. doi:10.1287/mnsc.1040.0268. 
  7. ^ Reich, Edgar. Waiting Times When Queues are in Tandem. Annals of Mathematical Statistics. September 1957, 28 (3): 768. JSTOR 2237237. doi:10.1214/aoms/1177706889. 
  8. ^ Walrand, Jean. A Probabilistic Look at Networks of Quasi-Reversible Queues. IEEE Transactions on Information Theory. November 1983, 29 (6): 825. doi:10.1109/TIT.1983.1056762. 
  9. ^ Jackson, R. R. P. Book review: Queueing networks and product forms: a systems approach. IMA Journal of Management Mathematics. 1995, 6 (4): 382–384. doi:10.1093/imaman/6.4.382. 
  10. ^ Gordon, W. J.; Newell, G. F. Closed Queuing Systems with Exponential Servers. Operations Research. 1967, 15 (2): 254. JSTOR 168557. doi:10.1287/opre.15.2.254. 
  11. ^ Goodman, Jonathan B.; Massey, William A. The Non-Ergodic Jackson Network. Journal of Applied Probability. December 1984, 21 (4): 860–869. doi:10.2307/3213702. 
  12. ^ Walrand, J.; Varaiya, P. Sojourn Times and the Overtaking Condition in Jacksonian Networks. Advances in Applied Probability. December 1980, 12 (4): 1000–1018. doi:10.2307/1426753. 
  13. ^ Chen, Hong; Yao, David D. Fundamentals of Queueing Networks: Performance, Asymptotics, and Optimization. Springer. 2001. ISBN 0-387-95166-0.