我到底要等多久才能停到車?不穩定排隊理論

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M/M/1 排隊理論最初是由 Erlang 為了規劃客服狀況而研發的數學模型,現在被廣泛應用在各種情境。如果你去停車場,發現大排長龍,就可以利用這個模型推算大約要等多久。


1. M/M/1 的含義:

(a) 第一個 M:代表車輛到達的間隔時間符合 Poisson 分佈。

(b) 第二個 M:代表服務時間符合指數分佈。

(c) 1:假設停車場只有一個出入口。


2. 其他基本假設:

(a) 排隊隊伍可以無限長。

(b) 允許加入隊伍的人數無限多。

(c) 採取「先進先出」原則,先到的車子先停車。

(d)系統必須要呈現一個穩定的狀態。


3. 核心參數:

(a) λ:平均到達率。即單位時間內平均有多少輛車到達停車場。

(b) μ:平均服務率。即停車場單位時間內能處理多少輛車(包含車子感應、閘口起桿到進場的過程)。


4. 系統利用率(ρ):

如果你是管理員,想知道停車場會不會爆滿,可以計算 ρ = λ / μ:

(a) ρ < 1:停車場不會塞滿。

(b) ρ = 1:停車場剛好全滿,外面不會有人排隊。

(c) ρ > 1:停車場會塞滿,門外也會排起長龍。


大家最關心的問題是:假設你是車主,進場到底要等多久?

根據 M/M/1 模型提供的公式,從你進入隊伍排隊、通過閘門到最後停好車,所需的總時間計算方式如下:λ/μ(μ - λ) 或者另一種表示方式是:ρ/(μ - λ) 這就是你預計需要花費的時間長度。

聰明的你應該發現了一件有趣的事情:如果我的 ρ 大於 1,也就是我的 λ 大於 μ 的話,那麼就表示我在這邊所算的排隊時間會是一個負的時間。這其實就表示說,你的狀態已經不穩定了。為了解決不穩定狀態的分析問題,我們必須改變策略,引入一個新的方法,稱為「流體近似法」(Fluid Approximation)。


具體的做法如下:


如果你想知道在不穩定狀態下需要等多久,可以使用一個簡單的公式:

等候時間 = n × (1/μ - 1/λ)


讓我們假設一個情境:

1. 你目前排在第 3 個位置(n = 3)。

2. 在這 3 分鐘的等候期間,你發現出來的車子有 2 輛(服務率 μ = 2/3)。

3. 同時間,你後面又多了 5 輛車(到達率 λ = 5/3)。

這很明顯是一個不穩定狀態。將數據帶入公式:(1/2 - 1/5) = 0.3。因為你排在第 3 個,0.3 × 3 = 0.9。再乘上時間單位 3 分鐘,結果是 2.7,代表你還要再多等 2.7 分鐘。


事實上,非穩定狀態下的排隊是一個非常難的數學問題。所以有趣的是,當你每次春節出去玩在等停車場時,你其實就在體驗一個極難解決的數學問題。通常工程師在處理上下班尖峰時間或交通事故造成的交通堵塞時,就是在處理這類狀況。


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