A Review of Traffic Signal Control.

The aim of this paper is to provide a starting point for the future research within the SERC sponsored project "Gating and Traffic Control: The Application of State Space Control Theory". It will provide an introduction to State Space Control Theory, State Space applications in transportation in general, an in-depth review of congestion control (specifically traffic signal control in congested situations), a review of theoretical works, a review of existing systems and will conclude with recommendations for the research to be undertaken within this project

Analysis of priority queues with session-based arrival streams

In this paper, we analyze a discrete-time priority queue with session-based arrivals. We consider a user population, where each user can start and end sessions. Sessions belong to one of two classes and generate a variable number of fixed-length packets which arrive to the queue at the rate of one packet per slot. The lengths of the sessions are generally distributed. Packets of the first class have transmission priority over the packets of the other class. The model is motivated by a web server handling delay-sensitive and delay-insensitive content. By using probability generating functions, some performance measures of the queue such as the moments of the packet delays of both classes are calculated. The impact of the priority scheduling discipline and of the session nature of the arrival process is shown by some numerical examples

Optimal Topological Arrangement of Queues in Closed Finite Queueing Networks

Closed queueing networks are widely used in many different kinds of scientific and business applications. Since the demands of saving energy and reducing costs are becoming more and more significant with developing technologies, finding a systematic methodology for getting the best arrangement is very important. In this thesis, design rules are proposed for tandem and various other topologies, to help the designer find the best arrangements which maximize the throughput. Our topological arrangements problem (TAP) can be established as: the system has m-service stations in a network and each one may have different design parameters. To relax the queueing system, the original finite buffer queue is decomposed into a buffer and an infinite buffer server system. Mean Value Analysis (MVA) is used to measure the performance of each topology arrangement. Finally, mixed-integer sequential quadratic programming (MISQP) is used to solve the optimization problem and it is compared with enumeration and a simulation model of Arena (a discrete-event model)

Seeing through black boxes: Tracking transactions through queues under monitoring resource constraints

The problem of optimal allocation of monitoring resources for tracking transactions progressing through a distributed system, modeled as a queueing network, is considered. Two forms of monitoring information are considered, viz., locally unique transaction identifiers, and arrival and departure timestamps of transactions at each processing queue. The timestamps are assumed to be available at all the queues but in the absence of identifiers, only enable imprecise tracking since parallel processing can result in out-of-order departures. On the other hand, identifiers enable precise tracking but are not available without proper instrumentation. Given an instrumentation budget, only a subset of queues can be selected for the production of identifiers, while the remaining queues have to resort to imprecise tracking using timestamps. The goal is then to optimally allocate the instrumentation budget to maximize the overall tracking accuracy. The challenge is that the optimal allocation strategy depends on accuracies of timestamp-based tracking at different queues, which has complex dependencies on the arrival and service processes, and the queueing discipline. We propose two simple heuristics for allocation by predicting the order of timestamp-based tracking accuracies of different queues. We derive sufficient conditions for these heuristics to achieve optimality through the notion of the stochastic comparison of queues. Simulations show that our heuristics are close to optimality, even when the parameters deviate from these conditions

Simulation Modeling and Analysis of Adjustable Service-Rate Queueing Models that Incorporate Feedback Control

Research shows that in a system model, when the production rate is adjusted based on the number of items in queue, the nature of the model changes from an open-loop queueing system to a closed-loop feedback control system. Service-rate adjustment can be implemented in a discrete event simulation model, but the effect of this adjustment has not been thoroughly analyzed in the literature. This research considers the design of feedback signals to generate realistic simulation models of production system behavior. A series of simulation experiments is conducted to provide practical guidance for simulation modelers on how adding a service-rate adjustment feedback loop to a queueing system affects system performance

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