Filas de espera

A teoria das filas de espera (queuing theory) estuda sistemas onde entidades (clientes, peças, pacotes) chegam, aguardam por um serviço e partem. É aplicada em sistemas bancários, hospitais, linhas de produção, call centers e redes informáticas.

Notação de Kendall

Os modelos de filas são descritos pela notação A/B/c/K/N, onde:

  • A — distribuição do tempo entre chegadas
  • B — distribuição do tempo de serviço
  • c — número de servidores
  • K — capacidade máxima do sistema (omitido se infinita)
  • N — população de clientes (omitido se infinita)

As distribuições mais comuns: M = exponencial/Markoviana, D = determinística, G = geral.

Modelo M/M/1

O modelo mais simples: chegadas Poisson, serviço exponencial, 1 servidor. Parâmetros:

  • λ — taxa de chegadas (clientes/hora)
  • μ — taxa de serviço (clientes/hora)
  • ρ = λ/μ — fator de utilização (deve ser < 1 para sistema estável)

Fórmulas de estado estacionário

SímboloFórmulaSignificado
ρλ / μUtilização do servidor
Lρ / (1 − ρ)Nº médio de clientes no sistema
Lqρ² / (1 − ρ)Nº médio de clientes em fila
W1 / (μ − λ)Tempo médio no sistema (espera + serviço)
Wqλ / [μ(μ − λ)]Tempo médio em fila

Exemplo numérico

λ = 10 clientes/hora, μ = 12 clientes/hora:

  • ρ = 10/12 = 0,833 (83,3 % de utilização)
  • L = 0,833 / 0,167 = 5,0 clientes em média no sistema
  • Lq = 0,833² / 0,167 = 4,2 clientes em média em fila
  • W = 1 / (12 − 10) = 0,5 h (30 min) no sistema
  • Wq = 10 / (12 × 2) = 0,42 h (25 min) em fila

Note-se que W = Wq + 1/μ = 0,42 + 0,083 ≈ 0,5 h (Lei de Little: L = λW).

Modelo M/M/c

Generalização para c servidores paralelos. Condição de estabilidade: ρ = λ/(c·μ) < 1. A probabilidade de espera P(Wq > 0) calcula-se pela fórmula de Erlang-C:

C(c, a) = [ (a^c / c!) × (c/(c−a)) ] / [ Σ(k=0 a c-1) a^k/k! + (a^c/c!) × c/(c−a) ]

onde a = λ/μ (carga oferecida). Com c servidores:

  • Lq = C(c, a) × ρ / (1 − ρ) / c
  • Wq = Lq / λ
  • W = Wq + 1/μ
  • L = λW

Relação com simulação

Quando as distribuições não são exponenciais (ex.: M/G/1) ou o sistema tem múltiplas filas com encaminhamentos complexos, as fórmulas analíticas já não se aplicam diretamente e recorre-se à simulação de eventos discretos.

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