Ejericios colas
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El documento aborda ejercicios prácticos de teoría de colas en un contexto de investigación operativa, aplicando el modelo m/m/1 y otros sistemas. Se analizan diversas situaciones reales como servidores universitarios, ventanillas bancarias, y talleres de reparación, determinando métricas como tiempos de espera y tasas de ocupación. A través de estos ejemplos, se concluye cuál es la solución más rentable y eficiente en términos de costos y tiempos de espera.
Ejericios colas
- 1. Ejercicios de Teor´ıa de Colas Investigaci´on Operativa Ingenier´ıa Inform´atica, UC3M Curso 08/09 1. Demuestra que en una cola M/M/1 se tiene: L = ρ 1 − ρ . Soluci´on. L = ∞ n=0 npn = ∞ n=0 nρn (1 − ρ) = ∞ n=0 nρn − ∞ n=0 nρn+1 = ∞ n=1 ρn = ρ ∞ n=0 ρn = ρ 1 − ρ . 2. Demuestra que en una cola M/M/1 se tiene: Lq = ρ2 1 − ρ . Soluci´on. Lq = λWq = λ ρ µ(1 − ρ) = ρ2 1 − ρ . 3. En un servidor de la universidad se mandan programas de ordenador para ser ejecutados. Los progra- mas llegan al servidor con una tasa de 10 por minuto. El tiempo medio de ejecuci´on de cada programa es de 5 segundos y tanto los tiempos entre llegadas como los tiempos de ejecuci´on se distribuyen ex- ponencialmente. a) ¿Qu´e proporci´on de tiempo est´a el servidor desocupado? 1
- 2. b) ¿Cu´al es el tiempo esperado total de salida de un programa? c) ¿Cu´al es el n´umero medio de programas esperando en la cola del sistema? Soluci´on. El sistema es M/M/1 con λ = 10 trabajos por minuto y µ = 12 trabajos por minuto. Se asumir´a que el sistema es abierto y que la capacidad es infinita. Como ρ = 10/12 < 1, el sistema alcanzar´a el estado estacionario y se pueden usar las f´ormulas obtenidas en clase. a) El servidor estar´a desocupado 1 − 5/6 = 1/6 del total, esto es, 10 segundos cada minuto (ya que el ordenador est´a ocupado 5 × 10 = 50 segundos por minuto). b) Tiempo medio total es W = 1 µ(1−ρ) = 1 12(1−5/6) = 1/2 minuto por programa. c) El n´umero medio de programas esperando en la cola es Lq = ρ2 1−ρ = 4.16 trabajos. 4. La ventanilla de un banco realiza las transacciones en un tiempo medio de 2 minutos. los clientes llegan con una tasa media de 20 clientes a la hora. Si se supone que las llegadas siguen un proceso de Poisson y el tiempo de servicio es exponencial, determina a) El porcentaje de tiempo en el que el cajero est´a desocupado. b) El tiempo medio de estancia de los clientes en la cola. c) La fracci´on de clientes que deben esperar en la cola. Soluci´on. Sistema M/M/1 con λ = 20 y µ = 30. a) P(cajero ocioso) = p0 = 1 − ρ = 1/3. El 33 % de tiempo el cajero est´a ocioso. b) Wq = 1/15 = 4 minutos. c) L = 2, Lq = 4/3, por tanto la fracci´on de clientes que deben esperar en la cola es Lq/L = 2/3 ≡ 66.6 %. 5. Una tienda de alimentaci´on es atendida por una persona. Aparentemente el patr´on de llegadas de clientes durante los s´abados se comporta siguiendo un proceso de Poisson con una tasa de llegadas de 10 personas por hora. A los clientes se les atiende siguiendo un orden tipo FIFO y debido al prestigio de la tienda, una vez que llegan est´an dispuestos a esperar el servicio. Se estima que el tiempo que se tarda en atender a un cliente se distribuye exponencialmente, con un tiempo medio de 4 minutos. Determina: a) La probabilidad de que haya l´ınea de espera. b) La longitud media de la l´ınea de espera. c) El tiempo medio que un cliente permanece en cola. Soluci´on. Sistema M/M/1 con λ = 10 y µ = 15. a) P(l´ınea de espera) = 1 − p0 − p1 = 4/9. b) Lq = 4/3 personas en cola. c) Wq = 2/15 horas = 8 minutos de media en cola. 2
- 3. 6. En una f´abrica existe una oficina de la Seguridad Social a la que los obreros tienen acceso durante las horas de trabajo. El jefe de personal, que ha observado la afluencia de obreros a la ventanilla, ha solicitado que se haga un estudio relativo al funcionamiento de este servicio. Se designa a un especialista para que determine el tiempo medio de espera de los obreros en la cola y la duraci´on media de la conversaci´on que cada uno mantiene con el empleado de la ventanilla. Este analista llega a la conclusi´on de que durante la primera y la ´ultima media hora de la jornada la afluencia es muy reducida y fluctuante, pero que durante el resto de la jornada el fen´omeno se puede considerar estacionario. Del an´alisis de 100 periodos de 5 minutos, sucesivos o no, pero situados en la fase estacionaria, se dedujo que el n´umero medio de obreros que acud´ıan a la ventanilla era de 1.25 por periodo y que el tiempo entre llegadas segu´ıa una distribuci´on exponencial. Un estudio similar sobre la duraci´on de las conversaciones, llev´o a la conclusi´on de que se distribu´ıan exponencialmente con duraci´on media de 3.33 minutos. Determina: a) N´umero medio de obreros en cola. b) Tiempo medio de espera en la cola. c) Compara el tiempo perdido por los obreros con el tiempo perdido por el oficinista. Calcula el coste para la empresa, sin una hora de inactividad del oficinista vale 250 euros y una hora del obrero 400 euros. ¿Ser´ıa rentable poner otra ventanilla? Soluci´on. Sistema M/M/1 con λ = 0.25 y µ = 0.3. a) Lq = 4.166 obreros. b) Wq = 16.66 minutos. c) Durante cada hora hay, en media, Lq = 4.166 clientes haciendo cola. Es decir, el coste horario por obreros ociosos es de 4.166 × 400 = 1666.66 euro. Por otro lado, 1 − ρ = 0.166, de forma que el coste del tiempo que el oficinista est´a ocioso es de 250 × 0.166 = 41.5 euros horarios, que es mucho inferior. Si se pusiera otra ventanilla, el sistema ser´ıa M/M/2. En ese caso, p0 = 0.411 y p1 = 0.34, de forma que el tiempo de oficinista que se perder´ıa cada hora ser´ıa, en media, 2p0 + p1 = 1.166 horas. Lo que supone un coste de 291.5 euros cada hora. Por otro lado, cada hora habr´ıa, en media, Lq = 1.01 obreros en la cola. De forma que el tiempo perdido por los obreros tendria un coste de 400 × 1.01 = 404 euros la hora. La suma de los dos costes es mucho menor en este segundo caso, de forma que s´ı ser´ıa rentable poner otra ventanilla. 7. Una entidad bancaria considera la posibilidad de instalar una red de cajeros en una de sus oficinas. Dado que se desconoce la afluencia de p´ublico que va a demandar dicho servicio, coloca un ´unico cajero durante un mes. Diariamente se recogen datos sobre los tiempos de llegadas de los clientes, as´ı como de los tiempos de servicio. Suponiendo que la sucursal se encuentra emplazada en un barrio dende no existe otro servicio semejante, el cliente que llega prefiere esperar a poder utilizar el cajero, cuando ´este est´e ocupado. Tras el oportuno an´alisis de los datos recogidos, se estima que: (i) las llegadas siguen un proceso de Poisson; (ii) la distribuci´on del tiempo de servicio es exponencial; (iii) el tiempo medio transcurrido 3
- 4. entre dos llegadas consecutivas es de 7.5 minutos; (iv) el tiempo medio de servicio es de 5 minutos por cliente. Calcula: a) Tiempo medio de espera que debe sufrir cada cliente en cola. b) Tama˜no medio de la cola y probabilidad de que al acudir al cajero ya haya alguna persona en la cola. Soluci´on. Sistema M/M/1 con λ = 1/7.5 y µ = 1/5. a) Wq = 10 minutos. b) El n´umero medio de las colas es de Lq = 1.33 personas, y la probabilidad de que haya al menos dos personas en el sistema es de 1 − p0 − p1 = 4/9. 8. Los trabajadores de una f´abrica tienen que llevar su trabajo al departamento de control de calidad antes de que el producto llegue al final del proceso de producci´on. Hay un gran n´umero de empleados y las llegadas son aproximadamente de 20 por hora, siguiendo un proceso de Poisson. El tiempo para inspeccionar una pieza sigue una distribuci´on exponencial de media 4 minutos. Calcula el n´umero medio de trabajadores en el control de calidad si hay: a) 2 inspectores. b) 3 inspectores. Soluci´on. a) Sistema M/M/2 con λ = 20 y µ = 15. Entonces L = 2.4 empleados. b) Sistema M/M/3 con λ = 20 y µ = 15. Entonces L = 1.87 empleados. 9. Un avi´on tarda unos 4 minutos de media en aterrizar a partir del momento en que la torre de control le da la se˜nal de aterrizaje. Si las llegadas de los aviones se producen por t´ermino medio, a raz´on de 8 por hora y siguiendo un proceso de Poisson, ¿cu´anto va a esperar el piloto dando vueltas al aeropuerto antes de recibir la se˜nal de tierra? Soluci´on. Sistema M/M/1 con λ = 8 y µ = 15. Por tanto, Wq = 4.56 minutos. 10. Una compa˜n´ıa de ordenadores posee un ordenador central al que pueden acceder los clientes a trav´es de unos terminales (de distintos tipos) que se alquilan. Un cliente desea determinar la velocidad ´optima del terminal que deber´ıa alquilar. Los trabajos del cliente se generan seg´un un proceso de Poisson con una tasa de 50 programas por d´ıa de 8 horas. El tama˜no medio de un programa es de 1000 sentencias. Se sabe que el tiempo de lectura de sentencias es exponencial. El cliente estima en 10 euros el coste de retrasar un programa un d´ıa. La compa˜n´ıa estima que una velocidad de 100 sentencias por minuto, y cualquier aumento semejante, incrementa el precio del alquiler diario del terminal en 100 euros. Determina la velocidad ´optima del terminal. Soluci´on. Sistema M/M/1 con λ = 50 programas mandados al d´ıa y µ =? programas ejecutados por d´ıa (variable de decisi´on). El coste por retrasar un programa un d´ıa es de 10 euros. Como 100 4
- 5. sentencias por minuto equivalen a 48 programas por d´ıa, entonces el coste por programa por unidad de incremento de µ y por d´ıa es de 100/48 = 2.083 euros. Por tanto, el coste total es igual a 10L + 2.083µ que se maximiza en µ = 52.19 programas le´ıdos al d´ıa. 11. Una compa˜n´ıa ferroviaria pinta sus propios vagones, seg´un se vayan necesitando, en sus propios talleres donde se pinta a mano de uno en uno con una velocidad que se distribuye seg´un una expo- nencial de media un cada 4 horas y un coste anual de 4 millones de euros. Se ha determinado que los vagones pueden llegar seg´un un proceso de Poisson de media un cada 5 horas. Adem´as el coste por cada vag´on que no est´a activo es de 500 euros la hora. Se plantean otras dos posibilidades. Una es encargar dicho trabajo a una empresa de pintura que lo har´ıa con aerosol con el consiguiente ahorro de tiempo. Sin embargo el presupuesto para esta segunda alternativa es de 10 millones de euros anuales. En este caso, el proceso se aproxima a uno de Poisson con una tasa de uno cada 3 horas. La otra opci´on es poner otro taller exactamente igual al que hay actualmente, con igual tasa de servicio y coste anual que permita pintar dos vagones a la vez. En todos los casos el trabajo se considera ininterrumpido, esto es, se trabajan 24 × 365 = 8760 horas anuales. ¿Cu´al de los tres procedimientos es preferible? Soluci´on. Taller con pintura a mano: sistema M/M/1 con λ = 1/5 y µ = 1/4 vagones/hora. Por tanto, CT = 500L + 4 × 106 8760 = 2456.62 euros por vag´on. Taller con pintura con aerosol: sistema M/M/1 con λ = 1/5 y µ = 1/3 vagones/hora. Por tanto, CT = 500L + 10 × 106 8760 = 1891.55 euros por vag´on. Dos talleres con pintura a mano: sistema M/M/2 con λ = 1/5 y µ = 1/4 vagones/hora. Por tanto, CT = 500L + 8 × 106 8760 = 1389.43 euros por vag´on. Coste anual por hora = 2456.62 . Coste con aerosol = 1891.55 . Coste con dos servidores = 1389.43 . Por tanto, es preferible poner dos talleres. 12. Una empresa de reparaci´on de ordenadores recibe una media de 10 solicitudes de reparaci´on al d´ıa, que se distribuyen seg´un un proceso de Poisson. Se supone que µ es la velocidad de reparaci´on de la persona reparadora en ordenadores/d´ıa, y el tiempo de reparaci´on es exponencial. Cada unidad de velocidad de reparaci´on supone un coste de 100 euros por semana. Adem´as, se ha estimado que el coste de tener ordenadores no reparados supone 200 euros por ordenador y semana, siendo este coste proporcional al tiempo. Suponiendo que una semana tiene cinco d´ıas laborables, se pide: a) Que determines la velocidad de reparaci´on ´optima. b) Que determines si ser´ıa m´as econ´omico tener dos personas, cada una con la mitad de la velocidad determinada en el apartado anterior. 5
- 6. Soluci´on. Sistema M/M/1 con λ = 10 y µ =?. a) El coste total es 20µ + 40L euros diarios. Por tanto, la tasa ´optima es de 14.47 ordenadores por d´ıa, con un coste diario de 378.43225 euros. b) En este caso se trata de un sistema M/M/2. Por tanto, el coste diario de 395.184 euros, que es peor que el anterior. 13. Una base de mantenimiento de aviones dispone de recursos para revisar ´unicamente un motor de avi´on a la vez. Por tanto, para devolver los aviones lo antes posible, la pol´ıtica que se sigue consiste en aplazar la revisi´on de los 4 motores de cada avi´on. En otras palabras, solamente se revisa un motor del avi´on cada vez que un avi´on llega a la base. Con esta pol´ıtica, los aviones llegan seg´un una distribuci´on de Poisson de tasa media uno al d´ıa. El tiempo requerido para revisar un motor (una vez que se empieza el trabajo) tiene una distribuci´on exponencial de media 1/2 d´ıa. Se ha hecho una propuesta para cambiar la pol´ıtica de revisi´on de manera que los 4 motores se revisen de forma consecutiva cada vez que un avi´on llegue a la base. A pesar de que ello supondr´ıa cuadruplicar el tiempo esperado de servicio, cada avi´on necesitar´ıa ser revisado ´unicamente con una frecuencia 4 veces menor. Utilizar la teor´ıa de colas para comparar las 2 alternativas. Soluci´on. En los dos casos se trata de colas M/M/1, puesto que tanto los tiempos entre llegadas como los tiempos de servicio son variables aleatorias con distribuci´on exponencial. En la situaci´on actual, la tasa de llegadas es λ = 1 avi´on al d´ıa y la tasa de servicio es µ = 2 aviones al d´ıa. Con estos par´ametros, ρ = 0.5 < 1, y por tanto existe el estado estacionario. Los valores de las cantidades de inter´es son: L = 1 avi´on, Lq = 1/2 avi´on, W = 1 d´ıa, Wq = 1/2 d´ıa Si se siguiera la propuesta para cambiar la pol´ıtica, la cola seguiria siendo una M/M/1, pero ahora las tasas de llegada y de servicio serian λ = 0.25 aviones al d´ıa, y µ = 0.5 aviones al d´ıa, respec- tivamente. En este caso, ρ sigue siendo 0.5 y por tanto sigue existiendo el estado estacionario. Los valores de las cantidades de inter´es son: L = 1 avi´on, Lq = 1/2 avi´on, W = 4 d´ıas, Wq = 2 d´ıas Con la configuraci´on propuesta, cada vez que un avi´on vaya a ser revisado pasar´a en el sistema el cu´adruple del tiempo que pasaba con el sistema anterior, pero como cada avi´on va a ir con una frecuencia cuatro veces menor, el tiempo perdido en el taller a largo plazo va a ser igual. En este caso, la decisi´on entre una configuraci´on y la otra deber´ıa ser tomada en funci´on de los costes de operaci´on. 6