第四章 基于排队理论的博物馆旅游服务管理信息系统模型
博物馆的展品管理，人员调配，客户服务都可以整合到一个管理信息服务系统之内，这个服务系统可以搜集游客的浏览信息，并进行自动统计，场馆的管理人员在得到了相应的数据之后，就为建立排队模型提供了更有说服力的依据，更易于改进场馆的服务水平。
4.1 排队理论
4.1.1 排队理论概念
排队系统是服务系统的一种，每个服务系统都是由服务机构和服务对象构成的，亦可以被称为随机服务系统。如果服务对象要求服务的时刻是随机的，而服务机构的服务时间也是随机的，那么这个服务系统就是排队系统。排队系统包括三个组成部分：输入过程、排队规则和服务机构。
4.1.2 排队理论发展
现代排队理论起源于 19 世纪末 20 世纪初，二战以后发展成一门完整而丰富的理论学科。学术界一般将理论发展分为三个阶段：一是初创阶段，1909 至 1920年，丹麦数学家、电气工程师爱尔朗用概率论的方法研究电话通话问题，从而开创了这个学科，之后法国数学家勃拉彻、前苏联的数学家欣钦、瑞典的数学家巴尔姆等人深入地分析了电话呼叫的特性，促进了理论的研究，直到上世纪 30 年代中期，费勒将生灭过程引进了排队论，这门学科才被数学界承认；二是产生阶段，上世纪 50 年代初，英国学者堪道尔对排队论做了系统研究，使用嵌入马尔柯夫链的方法研究排队论，使理论进一步发展，到 50 年代末至 60 年代初这个阶段，排队论与存量理论、水库问题开始关联，整个排队理论研究的课题日趋复杂，在应用方面已经渗透到了生产系统和运输系统；三是发展阶段，由于排队问题开始呈现网络化，所以求证渐近解成为了新趋势。
4.1.3 排队理论问题的界定
要说明一个排队问题，必须了解顾客到达的过程、服务时间、排队规则以及服务系统的结构。到达过程通常可用两个连续到达时刻的间隔，或简称为“到达间隔”来表示，单位时间内平均到达的个数称作“到达率”，其值等于平均到达间隔的倒数。
1.到达过程到达过程的形式可以是下列任何一种。
（1）规则到达（2）完全随机到达（3）一般相同而独立的到达（4）成批到达（5）非平稳性到达（6）状态到达（7）连续到达
2.服务时间服务时间一般是以服务的时间的分布作为表示形式。将平均的服务的时间取倒数就被称为“服务率”，也可以说是服务台被使用的期间之内，单位时间内完成服务的平均次数。而衡量服务系统负荷的主要指标就是到达率与服务率之间的关系。通常服务时间的分布会使用概率论之中的常见概率分布。
3.排队规则（1）先到先占这是最常见的一种排队规则，先到达服务台的顾客将会优先占有服务台的使用权。
（2）后到先占后到服务台的顾客有优先占用服务台的权利。本规则又可以分为两类：抢占与非抢占。抢占就是指不论服务台当前是否被占用，后来的服务者可以即刻取得服务权，而非抢占就是当服务台正被占用时，先等待。这种方法常用在存货系统的盘存，或者计算机内存调度之中。
（3）优先占用这种方式先将顾客进行分类，每个类别分配不同的优先权，优先权高者先得到服务。
（4）循环占用所谓循环占用，是让每一顾客有权占用服务台某个固定时间，假设为Δ，如果过了Δ时刻服务仍未终止，那么占用者就移至队列的末端等候再度轮到自己占用服务台。这个办法对于需要服务时间短的顾客提供较早完成使用服务台的机会。当 Δ →∞时，循环占用对使用服务台的顾客不具有任何限制，此时排队规则就等于先到先占。（5）共同占用所有在服务系统上的顾客同时占用服务台，如果有n个顾客占用，那么每个顾客只使用服务台的 n ?1容量，如果服务率为μ ，那么每个顾客所享有的服务率就变成nμ。共同占用是循环占用 Δ →0时的极限状态。
（6）占而不用在某些特殊的情况下，服务台被占用后不能提供任何服务，占有服务台的顾客也不使用，也无法再继续为其他顾客提供服务。这种现象有两种情况：一是服务活动并不唯一，比如加工产品时，既需要机器也需要工人，当工人离开后，机器还是被占用，但不能进行加工；二是“纵列队列”问题，假定顾客先后使用两个服务台，而这两个服务台之间仅有有限的空间，那么当第一个服务台上的顾客在完成服务后能否加入第二个服务台的等候队列就完全决定于第二个队列的长度。如果第二个队列的长度已挤满了两个服务台之间的空间时，那么在第一个服务台上的这个顾客因为无处可去，只能占据服务台而等到第二个队列空出一个位子之后才能离开第一个服务台，在该顾客加入第二个队列之前就形成占而不用的情形。这种情形常见于流水线生产线上。
4.2 排队理论模型分析
4.2.1 输入过程
对顾客到达服务台的规律的分析就是输入过程。它可以某个时间段内顾客到达的数量或者相邻两个顾客的时间间隔来描述，其一般可以分为确定型和随机型两种。本文所分析的场馆顾客到达规律是随机型的，随机型的输入是指在时间t内顾客到达数 n (t)服从一定的随机分布。如服从泊松分布,则在时间t内到达n个顾客的概率为【1】
式中λ 为单位时间顾客期望到达数，称为平均到达率；λ1为平均间隔时间。
在排队论中，讨论的输入过程主要是随机型的。
4.2.2 排队规则
排队规则可以分为三类：等待制、损失制和混合制。当顾客请求服务后，所有服务台已被占满，这时顾客排队等待被称为等待制。等待制本身按照服务次序又可以分为几种情况，可以是先到先服务，或者后到先服务，或者是随机服务和有优先权服务（比如 VIP 服务制度）。损失制是指顾客没有等待服务，而是直接离去。由于某些情况下，系统预留给顾客的等待空间有限，如果等待人数超过限制，那么顾客必须离开，这种方式被称为混合制。
4.2.3 服务机构与系统分类
1.服务机构服务台的数量可以是一个或者多个。如果是多个服务台的情况，那么服务台的排列方式可以是平行的，也可能是串联的。服务时间也分成两类：确定型和随机型。由于本文主要分析随机服务的情况，那么随机型服务时间υ 则服从一定的随机分布。如果服从负指数分布，则其分布函数是【2】
例如，M/M/1 表示顾客相继到达的间隔时间为负指数分布、服务时间为负指数分布和单个服务台的模型。D/M/C 表示顾客按确定的间隔时间到达、服务时间为负指数分布和C 个服务台的模型。至于其他一些特征,如顾客为无限源或有限源等，可在基本分类的基础上另加说明。
4.2.4 排队问题系统求解
运行效率、服务质量的考核是研究排队系统问题的主要目的。研究的结果用来为系统提出改进的方法。排队系统优劣的评价标准一般有 6 项数量指标。
1.系统负荷水平ρ：它是一个尺度，用来评价服务台承担服务、满足需求的能力；2.系统空闲概率 0p：系统处于空闲即没有顾客请求服务的状态的概率；3.队长：等待服务与正在接受服务的顾客的总数量。其平均值记为 sL；4.队列长：等待服务的顾客数量，其平均值记为gL；5.逗留时间：是一个顾客从等待到接受服务，直到服务完成的时间之和，其平均值记为 sW；6.等待时间：一个顾客在系统中排队等待时间,其平均值记为gW。
排队系统最简单一种模型就是 M/M/1 系统。从图 4-1 中状态转移速度图可以推算出系统的各项指标。现在大多数复杂问题已开始应用计算机仿真来求解。【3】
4.3 基于排队理论的博物馆游览服务信息管理系统设计
4.3.1 系统结构设计
博物馆管理信息服务系统是一个采用多媒体方式进行发布和展示的系统。该系统将整个博物馆的管理服务融合为一体，除了能为参观者提供数字点播、自动播放、地图定位、信息查询等各种便利功能之外，还能够为馆方的管理提供支持与帮助，协助馆方研究观众服务，采集观众在馆内的参观游览数据，从而方便工作人员了解博物馆为公众提供参观服务的相关数据参数，用于提升博物馆的管理水平。
博物馆管理信息服务系统的整体架构系统主要分为博物馆公共区域服务系统和博物馆移动应用程序两个部分。公共区域服务系统主要是为博物馆内的参观者的游览活动提供必要的提示以及帮助，协助参观者更好地了解对博物馆内的藏品，进一步加深对博物馆整体构建意义的理解。博物馆移动应用程序本质是游客与博物馆馆方的一个交流的平台，也是博物馆对外展示的一个窗口。博物馆的移动应用程序可以将博物馆的重要资源浓缩在智能手机终端中，利用互联网这个信息丰富的网络，将各类博物馆的官方网站融入到互联网之中，能够将博物馆的资源进行最大程度的共享，通过向世界各地的传播，能够大范围、高效率地挖掘博物馆的游览者和参观者。
4.3.2 系统功能介绍
通过对博物馆服务管理信息系统的系统分析，按照自顶向下的设计模式，系统可以分为以下几个基本模块，分别是移动应用部分、业务模块部分、基础数据与基础设备部分。
基础设备是系统的基石，而基础设备也分为硬件和软件两个部分。硬件包括网络设备、服务器等等，软件部分包括了数据库软件和基础控件。应用系统的运行都依靠这个架构运行。
博物馆管理信息服务系统的移动应用部分可以说是博物馆的一个展示窗口，也是游客与系统交互的唯一界面。所以在进行设计时，要考虑操作的简洁性和风格的统一性，让用户获得良好的使用体验，充分展示数字化博物馆的方便与高效。
移动应用部分包含以下的功能模块：地图导览、资源列表、数字点播、场馆信息、周边信息。地图导览模块拥有场馆的整体地图，配合场馆提供的扩展器设备，游客就可以定位自己在场馆中的位置。场馆信息内包含了对博物馆的整体介绍，有博物馆的历史，开放时间，购票信息，参观须知等等。资源列表包含了场馆内所有展品的信息，游客只需要点击资源列表就可以得到相应展品的信息，信息会以音频、视频等多媒体的形式为游客讲解，当配备场馆提供的扩展器后，游客走到展品附近应用会自动提示讲解。数字点播模块由手机应用内置的数据库提供支持，由于场馆内的展品可能非常多，用户如果没有配备扩展器，或者那个展品附近并没有安装发射卡装置，游客找到相应的展品介绍就会很困难，当这种情况发生时，只要观察展品上标识的号码，并且只要将号码通过数字键盘输入到应用内，就会直接跳转到相应的展品介绍界面。周边信息会介绍场馆周边的服务设施，包括餐厅、酒吧、咖啡店、旅馆等等，也有到达场馆所需要的交通路线等等。
4.3.3 软件系统设计
博物馆管理信息服务系统的软件部分分为三个模块，分别是业务逻辑模块、基础数据模块、移动应用模块，模块之间所有的数据交换都是通过相应的协议进行的。这些协议除了数据格式之外，都是国际通用模式，其优势在于，将来需要添加系统功能时，可以直接进行扩展，这就大大降低了系统升级的成本。
博物馆的信息数据，包括场馆介绍、展品介绍、音视频资源等等，这些数据都可以归类为资源，博物馆的旅游服务管理信息系统的软件的功能就是对这些资源进行各种操作，系统功能包括地图导览服务、资源列表服务、数字点播服务、自动播放服务等等。由于手机通信网络的连接能力有线，下载能力也不强，所以资源将会打包成一个压缩文件，游客在得到应用程序之后，可以选择到场馆内进行资源的装载，并且应用内的个别功能，例如场馆内自动播放、自动定位功能需要加入一个手机扩展器才能实现，因此除了资源之后，游客想要使用全部功能的话，就需要再向馆方租赁扩展器。
参观者与场馆的管理人员使用系统时的需求是不同的，所以系统设定了两种不同的系统权限。基础模块和业务模块的使用也会根据不同的系统权限提供了不同的功能。基础模块的功能主要与后台的支持相关，例如条码认证、用户管理等功能，这个模块功能的使用者是系统的服务管理人员。业务模块的功能与具体的游览活动直接相关，比如查询、显示、地图定位等功能。
所有的业务都可以被看作是数据的传递，因此，基础数据库的设计非常重要，包括用户的数据库、展示品的数据库，资源的数据库等都包含在基础数据库之内。
搜集用户的信息对于场馆而言非常重要，用户数据库就满足了这种需求，用户数据库也被称为一个角色数据库, 管理者被记录在系统用户的数据库内，一般的参观人员被分配的权限是动态的。系统的权限分成三种，一般使用者也就是博物馆的参观者，场馆内的工作人员可以当作一般的管理员，高级管理者可以被当作系统管理员。
1. 业务模块设计
由于博物馆旅游服务管理信息系统的资源非常庞大，所以系统的数据库系统设计非常复杂，所有的数据都将归类到统一的资源数据库中。在业务的实现上，有非常多的业务功能与这种基础数据库相关。比如，多语种的导览资源查询、博物馆的展品数据设计功能模块，参观场所的三维路线设计等等。这类关系数据库支持模糊查询功能，数据挖掘功能等，其关联搜索的功能也十分强大，这些数据库的支持功能都为参观准确获取场馆的信息提供了便利。
用户的数据库模块有于判断登录系统人员的身份，鉴别方法可以使用条码认证或指纹认证等手段，将系统用户的信息随时输入到系统的用户数据库中，当判断出参观者的身份之后，系统将会提示参观者输入个人的部分信息，提交之后保存到后台服务器上的数据库中，为大规模的数据统计分析做数据储备。
2. 基础模块设计
参观者可以通过注册系统登入博物馆旅游服务管理信息系统，每个用户都会被归入相应的用户组，然后被系统分配不同的权限。系统需要检测用户的信息合法性，比如用户名是否是唯一的，如果有重复，系统会对其进行提示，要求用户重新输入用户名，这确保了用户数据库中的数据唯一性。系统分成了以下几种用户类型，一是普通参观者、二是一般的管理者、三是系统管理者。不同的用户权限就对应着不同的系统功能：普通参观者可以使用导览功能、地图功能、查询功能等，其主要的功能是查看，而不能进行任何修改，也可以通过交互提交界面为系统的完善提出相应的意见，或者为数据统计提供用户数据。一般的管理者可以对系统的内容进行添加、修改，然后也可以对用户的交互意见提供相应的反馈。
系统级管理员是系统中权限最大的管理者，可以直接对用户进行操作，而且系统管理者的用户是不能被删除，但其可以操作其它用户的权限。系统的风格是Linux，权限控制方便。
由于系统在运行的过程中会出现难以预料的一些问题，因此系统日志是一种非常重要的手段，用来不停监测系统运行的情况，当系统出现问题，例如重启、软件崩溃等情况时，管理者就可以在相应的目录查看系统日志，其中会有详细的问题记录。管理者可以根据记录的内容，去完善系统的配置，并迅速定位问题的位置，防止以后出现类似的问题。另外系统的安全备份机制也非常重要，许多教务、教学的信息，重要展品的信息都可以使用工具进行提前备份。
3. 数据库模块
信息系统的核心是数据，因此数据库模块是系统的核心部分。无论是展品的各种综合信息，比如展品的年代、出处、背景知识，还是用户的参观统计数据、个人的信息，都被记录在数据库中。本系统的数据库为数字博物馆提供了一个数据仓库，即为上层业务模块逻辑连接提供数据资源。
后台的数据库除了提供资源的下载之外，另一个重要的功能是进行数据的统计分析。主要需要得到的数据信息包括，游客的人数、数据装载的时间、游客的浏览路径、某个展品的点击量等等。游客的人数与数据装载的时间可以为排队模型的构建提供更为精确的数据，通过对这些数据的分析、整理，就可以对模型进行改进，使之更为符合场馆的实际情况；而游客的路径分析与展品的点击量可以了解游客的个人喜好，对这些数据的分析可以使场馆的路线设计更为合理，而且当博物馆举办临时展览的时候，将游客的个人喜好考虑在内，可以使临时展览的吸引力更高。
