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Escola de Engenharia de Lorena – EEL/USPCurso de Engenharia de Produção
Prof. Fabrício Maciel Gomes
Teoria da Filas
Por quê das Filas?
Procura por um serviço maior do que a capacidade do sistema de atender ao serviço
Inviabilidade econômica
Limitação de espaço
Teoria das Filas
• A Teoria das Filas tenta através de análises matemáticas detalhadas encontrar um ponto de equilíbrio que satisfaça o cliente e seja viável economicamente para o provedor do serviço
• Exemplos de aplicação:• Fluxo de tráfego
• veículos, aeronaves, pessoas e comunicações
• Escalonamento• Pacientes em hospitais, processos em um computador e jobs em
máquinas
• Projetos de atendimentos a serviços• Bancos, correios, restaurantes fast-foods
Teoria das Filas
Servidor
Servidor
ServidorPopulaçãoFila
Clientes
Atendimento*Obs:
•Servidores, atendentes ou canais de serviços
•Cliente, transação ou entidade
Elementos de uma Fila
• Clientes e Tamanho da População• Um cliente é proveniente da população
• Quando uma população é muito grande, a chegada de um novo cliente a fila não afeta a taxa de chegada de clientes subseqüentes, taxa de chegada independente
• Quando a população é reduzida a taxa de chegada pode ser dependente• Ex: Uma mineradora que possui apenas 3 caminhões e os 3 estão
na fila
Elementos de uma Fila
• Podemos quantificar o processo de chegada através de sua taxa média de chegadas (λ) e/ou seu intervalo médio entre chegadas (IC)
• Ex: Um posto de pedágio com 5 atendentes, onde entre 7 e 8 horas da manha chegam 20 automóveis por minuto.• λ:20 veículos por minuto• IC: 3 segundos
• λ e IC são valores médios, em um dado instante diferentes valores podem ser observados
• A fim de caracterizar ainda mais uma fila podemos definir sua distribuição de freqüências• Processos com os mesmos valores médios podem apresentar grandes
variações de seu valores individuais durante o tempo observado• Processos regulares são raros
• Existe situações onde o ritmo de chegadas sofre variações durante o dia
Processos de Chegada
• Determina como é feito o atendimento aos clientes da fila
• Ex:• Observando um atendente, podemos constatar que ele
atende 6 veículos por minuto ou que gasta 10 segundos para atender um veículo
• Podemos quantificar o processo de chegada através de sua taxa média de atendimento (μ) e/ou seu tempo ou duração médio de serviços (TA)• μ = 6 clientes por minuto
• TA = 10 clientes por minuto
Processos de Atendimento
• Uma fila pode possuir um ou mais servidores para atender os clientes
• A qualidade do serviço pode ser melhorada adicionando convenientemente novos servidores ao sistema• Ex: fila de supermecado
Número de Servidores
Descreve como os clientes são escolhidos para entrar em um serviço após a fila ser formada
First-Come-First-Served (FCFS) FIFO Filas comuns onde o primeiro a chegar é o primeiro a ser atendido
Last-Come-First-Served(LCFS) LIFO Aplicado em sistemas de controle de estoque e em filas de prioridades
Filas com Prioridades Preemptivo
O cliente com maior prioridade é servido imediatamente Não-preemptivo
O cliente com maior prioridade entra na frente da fila, mas deve aguardar se algum cliente já estiver em atendimento
Filas Randômicas
Disciplina da Fila
• Tamanho Médio• Característica mais visível de uma fila
• O dimensionamento adequado desta característica possibilita um atendimento satisfatório
• Tamanho Máximo• Área destinada a espera por atendimento
• Ex: número de cadeiras em uma barbearia, tamanho do buffer, etc
• Dependendo do tamanho e da demanda um cliente pode ser recusado• Ex: central telefônica
• Deve ser projetada de forma atender a demanda
Tamanho da Fila
• Média do tempo gasto por cada cliente desde o momento em que chega na fila ao que ele é atendido
• Principal causa de irritação dos clientes
• O ideal é que não exista tempo de espera
• Ex:• Se entrarmos em uma fila com 10 pessoas à frente o tempo
de espera será igual ao somatório dos tempos de atendimento cada um dos 10 clientes ou, possivelmente, será igual a 10 vezes a duração média de atendimento
Tempo Médio de Espera
• São utilizadas para modelar diversos aspectos de uma fila• Quando afirmamos que a duração média de atendimento
é de 10 segundos não estamos dizendo que todo atendimento é de 10 segundos
• Diferentes momentos podem registrar diferentes valores• Caso fosse coletada uma grande quantidade de dados
poderíamos deduzir que existe um padrão de atendimento expresso por uma distribuição de probabilidade• É nula a probabilidade de atender um cliente em menos de 5
segundos• A probabilidade de atender um cliente em 10 segundos é de
18%• A probabilidade de atender um cliente em 25 segundos é de
0,5%
Variáveis Randômicas
Duração do Atendimento
• Cenário• Fila de um banco formada por pessoas que deseja um novo
talão de cheques• Chegada
• No período de meia hora chegaram ao sistema 12 pessoas
• Onde• Intervalo – tempo entre uma chegada e outra• Momento – instante de chegada de um novo cliente
• Definir• λ • IC
Cliente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Intervalo 2 3 3 3 5 0 1 5 1 4 1 2
Momento 2 5 8 11 16 16 17 22 23 27 28 30
24 clientes por hora
2,5 minutos
Dinâmica de uma Fila
• Atendimento• Dados anotados para cada atendimento em minutos
• Determinar
• μ
• TA
Cliente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Duração 1 2 1 1 3 2 1 4 2 3 1 3
30 clientes por hora
2 minutos
Dinâmica de uma Fila
• O número de canais correspondem ao número de estações de serviços paralelos que podem servir os clientes simultaneamente
• Clientes multi-canais podem ser de:• Fila única
• Fila individual
Número de Canais de Serviço
• Estágio único• O atendimento do cliente acontece de um vez só
• Barbearia, supermecado, etc
• Vários estágios• O cliente passa por vários estágios de atendimento, antes
de finalizar um serviço
• Durante o atendimento o cliente pode enfrentar diversas filas com características diversas
• Exame físico, atendimento serviço público
Estágios de Serviço
Estágios de Serviço
1.Padrão de
chegada
2.Padrão de
serviço
3.Disciplina
de filas
4.Capacidade
do sistema
5. Número de
canais de
serviço
...
6. Estágios de
serviços
n
Descrição de um Sistema de Filas
• Proposta em 1953 por Kendall
• é descrita por um série de símbolos, tais como, A/B/m/k/M• A é a distribuição de inter-chegada de dos clientes
• B é padrão de serviço de acordo com um distribuição de probabilidade para o tempo de serviço
• m é o número de canais serviços paralelos (servidores)
• k é a capacidade do sistema
• M é a disciplina de filas
• Em muitas situações só os três primeiros símbolos são utilizados, de maneira que, é assumido que o sistema tem capacidade ilimitada e possui uma disciplina FCFS
Notação de uma Fila
O símbolo G representa uma distribuição de probabilidade geral, isto é, resultados
nestes casos são aplicáveis para qualquer distribuição de probabilidade
Notação de uma Fila
• Exemplo:
M/D/2/∞/FCFS
• Processo de filas com:• tempos de inter-chegada exponencial
• tempos de serviço determinístico
• dois servidores paralelos
• capacidade ilimitada
• disciplina de fila FCFS
Notação de uma Fila
• Geralmente existem 3 tipos de respostas de interesse do sistema:• medida do tempo de espera que um cliente típico é
obrigado a esperar• Tempo gasto na fila X Tempo total no sistema
• Importância de cada tipo depende do sistema analisado. Ex: Parque de diversão x concerto de um equipamento
• medida da maneira como os clientes podem ir se acumulando• Número de clientes na fila X número de clientes no sistema
• Auxilia na definição do espaço de espera dos clientes
• medida do tempo ocioso dos servidores• Tempo em que um servidor em particular esta ocioso
• Tempo em que o sistema está desprovido de clientes
Medidas de Desempenho
• A tarefa do analista de filas é determinar as medidas apropriadas de efetividade de um dado processo, ou projetar um sistema ótimo.• Tempo de espera X ociosidade do sistema
• Tempo de espera X custos
• Cálculo do tamanho da fila de espera
• Uso de métodos analíticos como primeira alternativa e simulações onde métodos analíticos não forem suficientes
Medidas de Desempenho
SISTEMA
CLIENTE NA FILACLIENTE SENDO ATENDIDO
chegada fila atendimento saída
IC TF NF TA NA
sistema
TS NS
Estrutura do Sistema
26
- taxa de chegada
- taxa de atendimento
chegada fila atendimento saída
IC TF NF c TA NA
sistema
TS NS
IC – tempo médio entre chegadas IC=
TF - tempo médio na fila
NF – número médio de clientes na fila
TA - tempo médio de atendimento TA=
NA – número médio de clientes em atendimento
TS - tempo médio no sistema
NS – número médio de clientes no sistema
1/
1/
Estrutura do Sistema
Sistema de 1 canal, 1 fila
com população infinita
Pr( )
n
n
1
Pr( )
r
n r
Probabilidade de haver n clientes no sistema
Probabilidade de que o número de clientes
no sistema seja superior a um valor r
Sistema de 1 canal, 1 fila
com população infinita
Pr( 0)n
Pr( 0)n
Probabilidade do sistema estar ocioso
Probabilidade do sistema estar ocupado
Sistema de 1 canal, 1 fila
com população infinita
NS
2
NF
Número Médio de Clientes no Sistema
Número Médio de Clientes na Fila
Sistema de 1 canal, 1 fila
com população infinita
( 0)NF Fila
Número Médio de Clientes na Fila
1
TF
Tempo Médio de Espera na Fila por Clientes
Sistema de 1 canal, 1 fila
com população infinita
1
TS
Tempo Médio Gasto no Sistema por Clientes
Sistema de 1 canal, 1 fila
com população infinita
Relações Entre TF, TS, NF e NS
TF TF 1TF TS
NS TS NF NS
Taxa de Serviço para Mínimo Custo Total do Sistema
Unit UnitCT CE CA
* Unit
Unit
CE
CA
CT = Custo total do sistemaCEUnit = Custo de permanência unitário médio por período do cliente CAUnit = Custo de atendimento unitário médio por período do cliente
= Taxa de serviço que resulta no menor custo Total no modelo de 1 fila e 1 canal
*
Taxa de Serviço para Mínimo Custo Total do Sistema
Sistema de 1 canal, 1 fila
com população infinita
Sistema de diversos canais, 1 fila
com população infinita
1
1
1Pr( 0)
! 1 !
j SS
j
n
j S S
Probabilidade do sistema estar ocioso
Sendo:
S = número de canais de atendimento
.Pr Pr( ) Pr 0
( 1)!
S
Oc Total n S nS S
Probabilidade do todos os canais estiverem ocupados
Sistema de diversos canais, 1 fila
com população infinita
Número Médio de Clientes na Fila
.PrOc TotalNFS
NS NF
Número Médio de Clientes no Sistema
Sistema de diversos canais, 1 fila
com população infinita
1TF NF
Tempo Médio de Espera na Fila por Clientes
1TS NS
Tempo Médio de gasto no Sistema
A cabine telefônica:
as chegadas ocorrem de acordo com uma distribuiçãoexponencial com taxa de 0,1 pessoas/min;
a duração média dos telefonemas é de 3 minutos e tambémsegue uma distribuição exponencial.
a) Qual a probabilidade de uma pessoa chegar à cabine e nãoprecisar esperar?
b) Qual o tempo médio na fila?
c) Qual ritmo de chegada de pessoas determinaria um tempo médio na fila de 3 minutos?
Exercício 1
Os operários da fábrica, para realizarem as atividades diárias,
precisam recorrer ao auxílio da ferramentaria. Observou-se
que o ritmo de chegada de solicitações à ferramentaria segue
uma distribuição exponencial com ritmo de chegada de =1
solicitação/min. O ritmo de atendimento da ferramentaria
também segue uma exponencial com =12 atendimentos/min. Pergunta-se:
a) Qual a probabilidade de um operário chegar à ferramentaria e não precisar esperar?
b) Qual o tempo médio de espera do operário na fila?c) Qual o tempo médio de atendimento do operário?d) Qual o tempo médio do operário na ferramentaria?e) Quantos operários em média estão na fila?f) Quantos operários em média estão na ferramentaria?
Exercício 2
Um lava rápido automático funciona com somente uma baia. Os carros chegam
conforme uma distribuição de Poisson com um tempo médio de 8 minutos e
podem esperar num estacionamento com cinco vagas disponíveis. Se o
estacionamento estiver cheio os clientes que chegam desistem e procuram outro
lava rápido. O tempo para lavar e limpar um carro segue uma distribuição
exponencial, com uma média de sete minutos e 30 segundos. O proprietário quer
determinar o impacto das vagas limitadas sobre a perda de clientes para a
concorrência. Considerando essa situação, determine:
a) A probabilidade de que um carro que chega passe imediatamente à baia de
lavagem.
b) Tempo de espera estimado até o início do serviço.
c) Número esperado de vagas vazias no estacionamento.
d) A probabilidade de todas as vagas estarem ocupadas.
e) A taxa de utilização do servidor.
Exercício 3