Teoría de colas

La teoría de colas es el estudio matemático de las colas o líneas de espera dentro de un sistema. Esta teoría estudia factores como el tiempo de espera medio en las colas o la capacidad de trabajo del sistema sin que llegue a colapsar. Dentro de las matemáticas, la teoría de colas se engloba en la investigación de operaciones y es un complemento muy importante a la teoría de sistemas y la teoría de control. Se trata así de una teoría que encuentra aplicación en una amplia variedad de situaciones como negocios, comercio, industria, ingenierías, transporte y logística o telecomunicaciones.

En el caso concreto de la ingeniería, la teoría de colas permite modelar sistemas en los que varios agentes que demandan cierto servicio o prestación, confluyen en un mismo servidor y, por lo tanto, pueden registrarse esperas desde que un agente llega al sistema y el servidor atiende sus demandas. En este sentido, la teoría es muy útil para modelar procesos tales como la llegada de datos a una cola en ciencias de la computación, la congestión de red de computadoras o de telecomunicación, o la implementación de una cadena productiva en la ingeniería industrial.

En el contexto de la informática y de las tecnologías de la información y la comunicación las situaciones de espera dentro de una red son más frecuentes. Así, por ejemplo, los procesos enviados a un servidor para su ejecución forman colas de espera mientras no son atendidos; la información solicitada, a través de Internet, a un servidor Web puede recibirse con demora debido a la congestión en la red; también se puede recibir la señal de línea de la que depende nuestro teléfono móvil ocupada si la central está colapsada en ese momento, etc.

El matemático danés Agner Krarup Erlang, trabajador de la Copenhagen Telephone Exchange, publicó el primer artículo sobre la teoría de colas en 1909.^[1]​ Específicamente se preocupó del estudio del problema de dimensionamiento de líneas y centrales de conmutación telefónica para el servicio de llamadas.

Se forman debido a un desequilibrio temporal entre la demanda del servicio y la capacidad del sistema para suministrarlo.

En las formaciones de colas se habla de clientes, tales como máquinas dañadas a la espera de ser rehabilitadas. Los clientes pueden esperar en cola debido a que los medios existentes sean inadecuados para satisfacer la demanda del servicio; en este caso, la cola tiende a ser explosiva, es decir, a ser cada vez más larga a medida que transcurre el tiempo. Los clientes puede que esperen temporalmente, aunque las instalaciones de servicio sean adecuadas, porque los clientes llegados anteriormente están siendo atendidos.

Los objetivos de la teoría de colas consisten en:

David G. Kendall introdujo una notación de colas A/B/C en 1953. La notación de Kendall para describir las colas y sus características puede encontrarse en Tijms, H.C,Algorithmic Analysis of Queues, Capítulo 9 en A First Course in Stochastic Models, Wiley, Chichester, 2003. Ha sido desde entonces extendida a 1/2/3/(4/5/6) donde los números se reemplazan con:

El primer sistema que se muestra en la figura, se llama un sistema de un servidor y una cola. El segundo, una línea con múltiples servidores. El tercer sistema, aquel en que cada servidor tiene una línea de separación. El cuarto sistema, es una línea con servidores en serie. Este modelo puede aplicarse a trabajos ordenador que esperan tiempo de procesador.

En teoría de colas se utilizan comúnmente las siguientes medidas de desempeño, estas se calculan de forma diferente según el modelo de la línea de espera:

Ls = Cantidad esperada de clientes en un sistema

Lq = Cantidad esperada de clientes en una cola

Ws = Tiempo de espera en el sistema

Wq = Tiempo de espera anticipado en la cola

ρ = Factor de utilización del sistema

En este modelo, según la notación de Kendall, la tasa de llegadas y la tasa de servicio siguen una distribución de Poisson. Y hay un solo servidor. Las medidas de desempeño de estado estable se calculan de la siguiente forma:

${displaystyle ho ={frac {lambda }{mu }}}$

Donde λ es la tasa promedio de arribos al sistema y μ la tasa promedio de servicio.

${displaystyle Ws={frac {1}{mu -lambda }}}$

${displaystyle Ls=lambda *Ws}$

${displaystyle Wq=Ws-{frac {1}{mu }}}$

${displaystyle Lq=lambda *Wq=Ls- ho }$

Cabe resaltar que si λ ≥ μ el sistema es explosivo, además, Wq nunca será mayor que Ws.^[2]​

Este modelo supone que existen en el sistema s (entero positivo) servidores, en este caso las medidas de desempeño se calcularán así^[3]​:

${displaystyle ho ={frac {lambda }{mu }}}$

${displaystyle Ls= ho *s+{frac {( ho *s)^{2}* ho }{s!}}*{frac {1}{(1- ho )^{2}}}*P_{0}}$

${displaystyle Ls=Lq+{frac {lambda }{mu }}}$

${displaystyle Ws={frac {Ls}{lambda }}}$

${displaystyle Lq={frac {({frac {lambda }{mu }})^{2}* ho }{s!}}*{frac {1}{(1- ho )^{2}}}*P_{0}}$

${displaystyle Wq={frac {Lq}{lambda }}}$

La teoría de formación de una cola es a menudo demasiado restrictiva matemáticamente para ser capaz de modelar todas las situaciones verdaderas a nivel mundial. Por ejemplo; los modelos matemáticos a menudo asumen el número de clientes, o la capacidad de la cola infinitos, cuando es evidente que deben estar limitados. Los medios alternativos del análisis de la teoría de colas consisten generalmente en simulaciones de ordenador o en el análisis de datos experimentales.

Las redes telefónicas se diseñan para acomodar la intensidad ofrecida del tráfico con solamente una pequeña pérdida. El funcionamiento de los sistemas depende de si la llamada es rechazada, de si está perdida, etc. Normalmente los sistemas de desbordamiento hacen uso de rutas alternativas e incluso estos sistemas tienen una capacidad de carga finita o máxima de tráfico. Sin embargo, el uso de las colas permite que los sistemas esperen por las peticiones de su cliente hasta que los recursos libres estén disponibles. Esto significa que si los niveles de la intensidad del tráfico exceden de la capacidad disponible, las llamadas del cliente se perderían. La disciplina de colas determina la manera de cómo manejar las llamadas de los clientes. Define la manera en que les servirán, la orden de las cuales se sirven, y la manera en la que los recursos se dividen entre los clientes.

En particular, el supuesto de tiempos entre llegadas exponenciales implica que las llegadas ocurren al azar (proceso de entrada de Poisson), lo cual es una aproximación razonable en muchas situaciones pero no cuando las llegadas están programadas o reguladas con todo cuidado. Todavía más, las distribuciones de tiempos de servicio reales con frecuencia se desvían bastante de la forma exponencial, en particular cuando los requerimientos de servicio de los clientes son muy parecidos. Por ello, es importante disponer de otros modelos de colas que usen otras distribuciones de probabilidad. Desafortunadamente, el análisis matemático de los modelos de colas con distribuciones no exponenciales es mucho más difícil. Sin embargo, se han podido obtener algunos resultados útiles con algunos modelos.^[4]​: