Hakemistoon

JONOTEORIAA JA SIMULOINTIA

QUEUING THEORY AND SIMULATION MODELS

Eräs tyypillinen todennäköisyyslaskennan sovellusalue on jonoteoria, jonka tuloksia voidaan käyttää hyväksi mm. simulointimalleja rakennettaessa. Todennäköisyyslaskennan yhteydessä esitetylle Poissonin jakaumalle, P(Xt=n)= e-lt(lt)n/n!, on erityisesti käyttöä jonoteoriassa. Kaavassa l oli saapumisten määrä aikayksikköä kohti. Jonoon saapumisten väliajat ovat puolestaan jakaantuneet eksponentiaalisesti (eksponenttijakauma kuvassa alla). Yleensä ne asiat joiden laskemisesta ollaan kiinnostuneita ovat yhden jonottajan (asiakkaan) jonossa keskimäärin kuluttama aika sekä keskimääräinen jonon koko. Näiden arvojen laskemisessa voidaan käyttää apuna ns. Littlen kaavaa: L = lW, missä L on jonossa ja palveltavana olevien joukko keskimäärin, W yhden jonottajan järjestelmässä kuluttama aika (siis jonottaminen + palvelu) ja l saapumistiheys aikayksikköä kohden. Mikäli palveluajat ovat riippumattomia toisistaan niin palveluaikaa kuvaa yleensä parhaiten eksponenttijakauma. Palveluajan käänteisluku on palvelutiheys ja merkitään sitä m:llä. Tällöin siis keskimääräinen palveluaika olisi 1/m. Johtamalla saadaan Littlen kaavalle edelleen: L = l/(m-l) ja edelleen laskemalla saadaan jonotusjärjestelmässä kuluvalle ajalle W = 1/(m-l).

 

Kun halutaan kuvailla jonon keskeiset ominaisuudet lyhyesti niin käytetään Kendall-Lee-merkintätapaa. Siinä jonon ominaisuudet jaotellaan kuuteen osaan 1/2/3/4/5/6, joista 1 kuvaa jonottajien saapumisaikojen jakaumaa ja 2 palveluaikojen jakaumaa, 4 esittää vallitsevaa jonokuria, 3 on palvelupisteiden lukumäärä ja 5 jonojärjestelmässä olevien jonottajien määrä sekä 6 sen populaation koko mistä jonottajat tulevat. Kohtia 1 ja 2 koodataan merkinnöin M (eksponenttijakauma, saapumisajat erityisesti riippumattomia), Ek (Erlangin jakauma), D (ennalta määrätyt, deterministiset ajat) ja GI (jokin yleinen jakauma). Jonokuri (kohta 4) ilmoitetaan neljällä vaihtoehtoisella koodilla: FCFS (first come, first served, joskus myös FIFO, missä I/O on in/out), LCFS (last ...), SIRO (service in random order) ja GD (general queue discipline). Hyvin usein kohdat 4-6 jätetään merkitsemättä, jolloin niiden oletusarvot ovat: GD/∞/∞.

Esimerkki: Gaiapolin tutkija, Malcolm Yx, haluaa kitkeä terrorismin maapallolta erilaisin operaatiotutkimuksen tarjoamin menetelmin. Kerättyään aineistoa useampien vuosien jaksolta hän on saanut selville että iskut noudattavat jonoteorian lakeja ja ovat Kendall-Lee-merkinnöin muotoa M/M/8/SIRO/n.250/n.10000. Aktiivisia, parhaillaan attentaattia suunnittelevia terroristeja on siis n. 250 ja maailman koko arvioitu terroristien joukko on kyseisenä aikana arvioitu suunnilleen 10000:ksi. Maapallo on jaettu kahdeksaan eri vyöhykkeeseen, jotka kuuluvat eri järjestöjen reviiriin ja kullakin alueella voidaan olettaa tapahtuvan samanaikaisesti vain yhden iskun. Nämä vyöhykkeet kuvaavat "palvelupisteitä". Tutkija Yx keskittyy tarkasteluhetkellä arvioimaan iskuriskejä erityisesti Uuden Euroopan ja siihen liitetyn Afrikan alueella, missä jonot ovat muotoa M/M/1/FCFS/40. On selvinnyt että keskimäärin yhden henkilön solun tekemiä iskuja tapahtuu viiden viikon välein ja sen jälkeen seuraa noin kahden viikon "pölynlaskeutumisjakso", joka pitää sisällään sekä iskuun käytetyn ajan että pakoilun. Koska tuona aikana ei tapahdu muita attentaatteja niin se voidaan tulkita palveluajaksi. Kauanko semtexsepot joutuvat viettämään aikaa pommeineen koko jonotusjärjestelmässä?

(1°) Montako terroristia on koko ajan keskimäärin aktivoituna eli odottamassa vuoroaan tai tekemässä tihutöitään?

(2°) Entä mikä on todennäköisyys että kuukauden aikana ei satu yhtään pommi-iskua?

(3°) Entäpä todennäköisyys että kolmen kesäkuukauden aikana ei satu yhtään attentaattia tai että

(4°) kesään mahtuu ainakin yksi pommiton kuukausi?

Ratkaisu: (1°) Käytetään tehtävän alkuosassa Littlen kaavaa: Iskuja tapahtuu km. kerran 5 viikossa eli niiden saapumistiheys l on 1/5 = 0.2 iskua/viikko. Keskimääräinen "palveluaika" 1/m on 2 viikkoa, joten "palvelutiheys" m = 1/2 = 0.5 iskua/viikko. Supistetaan L pois yhtälöistä L = lW ja L = l/(m-l), jolloin saadaan W = 1/(m-l) = 1/(0.5 - 0.2) = 10/3. Jokainen terroristi voi siis laskea saavansa viettää 3 ja 1/3 viikkoa "keikallaan". Edelleen sijoittamalla saadaan L = lW = 0.2*10/3 = 2/3 eli järjestelmässä voi olettaa olevan jatkuvasti 2/3 verran aktivoitua terroristia.

Tehtävän kakkososassa (2°) voidaan käyttää Poissonin jakaumaa kun aika t = 4 viikkoa ja n = 0 (ei yhtään iskua), l on kuten edellä. Saadaan: lt = 4/5 = 0.8, jolloin P = e-lt(lt)n/n! = e-0.8(0.8)0/0! = e-0.8 ≈ 0.449 ≈ 45%.

(3°) Todennäköisyydeksi että kolmen kesäkuukauden aikana ei satu yhtään attentaattia, kun oletetaan että jokaisen kuukauden pituus on neljä viikkoa, saadaan: P(0 isk./1kk)3 = ( e-0.8)3 ≈ 0.09 = 9% (tai lt= 12/5= 2.4 => P= e-lt(lt)n/n!= e-2.4(2.4)0/0!= e-2.4≈ 0.09).

(4°): P(ainakin 1 isk./1kk) = 1 - P(0 isk./ 1kk) = 1 - e-0.8 Þ 3 kk aikana ainakin yksi pommi joka kuukausi: (1 - e-0.8)3 => ainakin kerran ei yhtään pommia: 1 - (1 - e-0.8)3 ≈ 1 - 0.1669.. ≈ 0.83.

Mikä näiden lukujen merkitys sitten on käytännön kannalta? Lehtien suurilla otsikoilla ja kouluajoilta periytyneellä, usein täysin perusteettomalla matematiikan kammolla, tapaa olla se vaikutus että ne varsin tehokkaasti amputoivat tavallisten kansalaisten realismintajun johtaen vääristyneeseen kuvaan asioiden todellisista merkitysarvoista. Ohessa on vapaamuotoisesti referoitu John A. Paulosta, joka valaisee asian tätä laitaa kirjassaan "Numerotaidottomuus" ("Innumeracy", 1989, tässä luki aikaisemmin ”innumerancy” mihin syynä oli tietenkin ”lukutaidottomuus” , ”illiteracy”;): "Vuonna 1985 kuoli 17 amerikkalaista terrori-iskuissa eri puolilla maapalloa. Kun tämä suhteutetaan kyseisenä vuonna ulkomailla matkustaneiden amerikkalaisten määrään (28 milj.) niin huomataan mahdollisuuden joutua iskun kohteeksi olevan n. 0.00006% eli on n. 20 kertaa suurempi mahdollisuus kuolla polkupyöräonnettomuudessa ja 300 kertaa suurempi mahdollisuus kuolla auto-onnettomuudessa! Näillä luvuilla vakuuttelu on kuitenkin turhaa sillä yleinen numerotaidottoman vastaus perustuu tyhjentävään kansanlogiikkaan, joka tekee minkä tahansa perustelun täysin turhaksi: Mutta entäpä jos se sattuu omalle kohdalle?!!"

Simuloinnista. Kurssilla käytiin läpi kaksi esimerkkiä, joista toinen perustui Monte-Carlo-simulointiin, jossa todellisuutta simuloitiin satunnaisluvuilla. Myös simulointiin liittyvä demotehtävä (4:7) soveltaa mainittua menetelmää.

Operaatiotutkimuksen ja matematiikan perusteet, Tietojenkäsittelytieteiden laitos, Informaatioteknologian tiedekunta, Jyväskylän yliopisto