Functional properties of throughput in tandem lines with unreliable servers and finite buffers

optimization;queueing theory;production

Decomposition of discrete-time open tandem queues with Poisson arrivals and general service times

In der Grobplanungsphase vernetzter Logistik- und Produktionssysteme ist man häufig daran interessiert, mit geringem Berechnungsaufwand eine zufriedenstellende Approximation der Leistungskennzahlen des Systems zu bestimmen. Hierbei bietet die Modellierung mittels zeitdiskreter Methoden gegenüber der zeitkontinuierlichen Modellierung den Vorteil, dass die gesamte Wahrscheinlichkeitsverteilung der Leistungskenngrößen berechnet werden kann. Da Produktions- und Logistiksysteme in der Regel so konzipiert sind, dass sie die Leistung nicht im Durchschnitt, sondern mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit (z.B. 95%) zusichern, können zeitdiskrete Warteschlangenmodelle detailliertere Informationen über die Leistung des Systems (wie z.B. der Warte- oder Durchlaufzeit) liefern. Für die Analyse vernetzter zeitdiskreter Bediensysteme sind Dekompositionsmethoden häufig der einzig praktikable und recheneffiziente Ansatz, um stationäre Leistungsmaße in den einzelnen Bediensystemen zu berechnen. Hierbei wird das Netzwerk in die einzelnen Knoten zerlegt und diese getrennt voneinander analysiert. Der Ansatz basiert auf der Annahme, dass der Punktprozess des Abgangsstroms stromaufwärts liegender Stationen durch einen Erneuerungsprozess approximiert werden kann, und so eine unabhängige Analyse der Bediensysteme möglich ist. Die Annahme der Unabhängigkeit ermöglicht zwar eine effiziente Berechnung, führt jedoch zu teilweise starken Approximationsfehlern in den berechneten Leistungskenngrößen. Der Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit sind offene zeitdiskrete Tandem-Netzwerke mit Poisson-verteilten Ankünften am stromaufwärts liegenden Bediensystem und generell verteilten Bedienzeiten. Das Netzwerk besteht folglich aus einem stromaufwärts liegenden M/G/1-Bediensystem und einem stromabwärts liegenden G/G/1-System. Diese Arbeit verfolgt drei Ziele, (1) die Defizite des Dekompositionsansatzes aufzuzeigen und dessen Approximationsgüte mittels statistischer Schätzmethoden zu bestimmen, (2) die Autokorrelation des Abgangsprozesses des M/G/1-Systems zu modellieren um die Ursache des Approximationsfehlers erklären zu können und (3) einen Dekompositionsansatz zu entwickeln, der die Abhängigkeit des Abgangsstroms berücksichtigt und so beliebig genaue Annäherungen der Leistungskenngrößen ermöglicht. Im ersten Teil der Arbeit wird die Approximationsgüte des Dekompositionsverfahrens am stromabwärts liegenden G/G/1-Bediensystem mit Hilfe von Linearer Regression (Punktschätzung) und Quantilsregression (Intervallschätzung) bestimmt. Beide Schätzverfahren werden jeweils auf die relativen Fehler des Erwartungswerts und des 95%-Quantils der Wartezeit im Vergleich zu den simulierten Ergebnissen berechnet. Als signifikante Einflussfaktoren auf die Approximationsgüte werden die Auslastung des Systems und die Variabilität des Ankunftsstroms identifiziert. Der zweite Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Berechnung der Autokorrelation im Abgangsstroms des M/G/1-Bediensystems. Aufeinanderfolgende Zwischenabgangszeiten sind miteinander korreliert, da die Abgangszeit eines Kunden von dem Systemzustand abhängt, den der vorherige Kunde bei dessen Abgang zurückgelassen hat. Die Autokorrelation ist ursächlich für den Dekompositionsfehler, da die Ankunftszeiten am stromabwärts liegenden Bediensystem nicht unabhängig identisch verteilt sind. Im dritten Teil der Arbeit wird ein neuer Dekompositionsansatz vorgestellt, der die Abhängigkeit im Abgangsstroms des M/G/1-Systems mittels eines semi-Markov Prozesses modelliert. Um eine explosionsartige Zunahme des Zustandsraums zu verhindern, wird ein Verfahren eingeführt, das den Zustandsraum der eingebetteten Markov-Kette beschränkt. Numerischen Auswertungen zeigen, dass die mit stark limitierten Zustandsraum erzielten Ergebnisse eine bessere Approximation bieten als der bisherige Dekompositionsansatz. Mit zunehmender Größe des Zustandsraums konvergieren die Leistungskennzahlen beliebig genau

Manufacturing flow line systems: a review of models and analytical results

The most important models and results of the manufacturing flow line literature are described. These include the major classes of models (asynchronous, synchronous, and continuous); the major features (blocking, processing times, failures and repairs); the major properties (conservation of flow, flow rate-idle time, reversibility, and others); and the relationships among different models. Exact and approximate methods for obtaining quantitative measures of performance are also reviewed. The exact methods are appropriate for small systems. The approximate methods, which are the only means available for large systems, are generally based on decomposition, and make use of the exact methods for small systems. Extensions are briefly discussed. Directions for future research are suggested.National Science Foundation (U.S.) (Grant DDM-8914277

Lattice path counting and the theory of queues

In this paper we will show how recent advances in the combinatorics of lattice paths can be applied to solve interesting and nontrivial problems in the theory of queues. The problems we discuss range from classical ones like M^a/M^b/1 systems to open tandem systems with and without global blocking and to queueing models that are related to random walks in a quarter plane like the Flatto-Hahn model or systems with preemptive priorities. (author´s abstract)Series: Research Report Series / Department of Statistics and Mathematic

Point and interval estimation of decomposition error in discrete-time open tandem queues

We analyze the approximation quality of the discrete-time decomposition approach, compared to simulation, and with respect to the expected value and the 95th-percentile of waiting time. For both performance measures, we use OLS regression models to compute point estimates, and quantile regression models to compute interval estimates of decomposition error. The ANOVA reveal major influencing factors on decomposition error while the regression models are demonstrated to provide accurate forecasts and precise confidence intervals for decomposition error

Random matrices, non-colliding processes and queues

This is survey of some recent results connecting random matrices, non-colliding processes and queues.Comment: To appear in Seminaire de Probabilites XXXV

Loss systems in a random environment

We consider a single server system with infinite waiting room in a random environment. The service system and the environment interact in both directions. Whenever the environment enters a prespecified subset of its state space the service process is completely blocked: Service is interrupted and newly arriving customers are lost. We prove an if-and-only-if-condition for a product form steady state distribution of the joint queueing-environment process. A consequence is a strong insensitivity property for such systems. We discuss several applications, e.g. from inventory theory and reliability theory, and show that our result extends and generalizes several theorems found in the literature, e.g. of queueing-inventory processes. We investigate further classical loss systems, where due to finite waiting room loss of customers occurs. In connection with loss of customers due to blocking by the environment and service interruptions new phenomena arise. We further investigate the embedded Markov chains at departure epochs and show that the behaviour of the embedded Markov chain is often considerably different from that of the continuous time Markov process. This is different from the behaviour of the standard M/G/1, where the steady state of the embedded Markov chain and the continuous time process coincide. For exponential queueing systems we show that there is a product form equilibrium of the embedded Markov chain under rather general conditions. For systems with non-exponential service times more restrictive constraints are needed, which we prove by a counter example where the environment represents an inventory attached to an M/D/1 queue. Such integrated queueing-inventory systems are dealt with in the literature previously, and are revisited here in detail

Point queue models: a unified approach

In transportation and other types of facilities, various queues arise when the demands of service are higher than the supplies, and many point and fluid queue models have been proposed to study such queueing systems. However, there has been no unified approach to deriving such models, analyzing their relationships and properties, and extending them for networks. In this paper, we derive point queue models as limits of two link-based queueing model: the link transmission model and a link queue model. With two definitions for demand and supply of a point queue, we present four point queue models, four approximate models, and their discrete versions. We discuss the properties of these models, including equivalence, well-definedness, smoothness, and queue spillback, both analytically and with numerical examples. We then analytically solve Vickrey's point queue model and stationary states in various models. We demonstrate that all existing point and fluid queue models in the literature are special cases of those derived from the link-based queueing models. Such a unified approach leads to systematic methods for studying the queueing process at a point facility and will also be helpful for studies on stochastic queues as well as networks of queues.Comment: 25 pages, 6 figure