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【趣說數學】懂點兒數學,排隊更省時
2014-07-07
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 要是劉姥姥來到21世紀,把每一座大都市都逛上幾圈,她一定會覺得都市人最喜歡的娛樂就是排隊。早在1946年,匈牙利裔的作家喬治·米克斯(George Mikes)定居倫敦時,就在著作《如何當一個外星人 》(How To Be An Alien)中寫下了一段經典名言:“到周末,英國人在公車站前排隊到里士滿公園(Richmond Park)玩。他們排隊等游船,排隊等喝茶,排隊等吃冰淇淋。然后純粹出于興趣,再去排一些更奇怪的隊伍。最后回到公車站前排隊,花上他一輩子的時間……許多英國家庭喜歡晚上在家里排上好幾個小時的隊伍。當小孩子不玩了,準備排隊去睡覺時,是父母們最難過的時刻了?!?/span>


      這是旁觀者興災樂禍的心態。對于身陷在隊伍之中的人,或者商家來說,看到這么多等得不耐煩、隨時要離開的客人,總歸是一件不好的事。各位有沒有想過,如果不考慮先來先到的公平性原則,想減少所有客人等候時間總和的話,該先服務哪些客人嗎?答案是,先服務很快就可以搞定的客人。


       舉例來說,大毛、二毛、小明三兄弟在柜臺前排隊,大毛買了全家的生活用品,得花100秒結帳;二毛拿了一堆零食,需要花50秒結帳;而小明只拿一罐奶茶,10秒就結完帳了。如果按照年齡從大到小的順序結帳,大毛、二毛、小明各自會花上100秒、150秒、160秒的時間才能完成結帳,平均時間為136.7秒。但如果顛倒過來讓結帳快的人先結帳,則小明、二毛、大毛僅需要10秒、60秒、160秒可以完成結帳,平均是76.7秒,縮短了60秒。


       用符號表式可以看得更清楚,當三人結帳時間各自為t1、t2、t3,并按照這樣的順序結帳時,每個人各自完成結帳的時間是t1、t1+ t2、t1+ t2+ t3,平均為t1+ 2t2/3+ t3/3。隨著隊伍的順序,越后面的人對結帳時間影響越小,以N個人來說,第n位客人的排隊時間是tn,平均時間即為:

       因此,店家可以先處理那些不大需要花時間的客人,這樣可以降低每人平均等待時間,提升顧客滿意度;同樣的道理,店家也可以反過來,先處理大客戶的單,營造出門庭若市的熱鬧形象。所以如果你看到某間鹽酥雞攤位前排隊的人特別多,說不定不一定是很好吃,只是老板數學很好,刻意延后那些只買豆干或甜不辣的點單。


       然而,因為現實情況中需要考慮的地方太多,數學理論有時很難直接套用。在排隊這個問題上,就算可以依照結帳時間排隊,商家也不愿意真的這么做。因為要是真按照這個標準,等于變相鼓勵大家買少一點,才能快點結帳。買了10萬元的大客戶永遠得被排在最后面,等到鐵卷門拉下來了才能結他的帳。


       但這則理論并沒有失效,商人們依然成功地將它轉化為了一件我們都知道的東西——快速結帳柜臺。借由快速結帳柜臺設定的結帳門檻,將原本結帳時間短到長的排序,用二分法取代,低于門檻的人優先處理。如此一來,就能夠大幅縮減整體的排隊時間。


       不過,快速結帳柜臺還是有些缺點。要是大家都買太多,就沒人可以去快速結賬柜臺;或剛好相反,大家都買很少,就會有一群人塞在快速結賬柜臺,讓“快速”兩個字變得很諷刺。因此,可以將快速結賬柜臺的件數限制改成用LED屏幕動態顯示,即根據現在的顧客人數,搭配顧客結帳時間的統計分布圖,實時估算出最佳的快速結帳柜臺件數限制。甚至,可以設定好幾個快速結帳的柜臺,各自有不同的結帳門檻。
       這樣的想法很有效,但也很復雜。要是真的實踐了,光應付搞不清楚狀況的顧客,恐怕就會花上更多時間。擁有好幾個結帳柜臺的商家,因此又采用了一個更簡單,且同樣廣為使用的策略:將排在多個柜臺前的多條隊伍整合成一條隊伍,借此大幅提升排隊效率。

       繼續以剛才的大毛、二毛、小明例子來說,假設他們還有一位表弟三毛,購買的商品結帳時間為20秒。假設大毛、小明和二毛、三毛分別排兩條隊伍,四人結帳所需的時間各自為大毛100秒、小明110秒、二毛50秒、三毛70秒,平均是82.5秒。但如果四人排成一條線,順序是大毛、二毛、三毛、小明,則兩個柜臺各自結帳的順序分別是(大毛),(二毛,三毛,小明)。大毛、二毛、三毛所需的時間不變,但小明卻可以在三毛結帳后,不用繼續站在大毛后面空等,直接去另一個柜臺結帳,最終只需要80秒,省下了20秒(原本排兩列的狀況,很可能小明在等大毛時,旁邊的柜臺又有新的人排隊,讓小明無法換柜臺)。換句話說,將多條排隊的人潮合并化成一條,可以避免因為某一個結賬時間特別久的人,而延長該隊伍客人的整體結帳時間。

       因此,如今在銀行、郵局、飛機登機柜臺、ZF機關,都采用了搭配電子叫號的單條排隊制度。不僅讓客人在等候時可以坐在沙發上看報紙,還能大幅縮短平均排隊時間。大賣場不這么做的原因,一部分是因為柜臺拉得太長,要是最遠的柜臺空了,恐怕客人也不愿意推著推車走過去;另一個原因是,實際在現場時,客人會去觀察每個柜臺的排隊人數,甚至根據隊伍中每位客人籃子里的物品項目,估算每條隊伍的排隊時間,再選擇一條自己認為最快的隊伍。在這樣智慧的選擇下,多條排隊的效果將會大幅提升。


★讓我們再來看看同樣是等待,麥當勞和wendy漢堡店又有什么不同的排隊方式:




       排隊是件煩人的事情,卻又無法避免。不同地方排隊方式不總是一樣。很多地方采用的是“蛇形排隊法”,在幾個柜臺同時工作的時候,所有的顧客只排一隊,隊伍像一條長長的蛇一樣在間隔的柵欄之間穿行,排在隊伍最前面的顧客就可以得到服務。而有的地方采用的則是傳統的,每個柜臺后面各自排一隊的方式。美國賣漢堡的兩家快餐店——Wendy漢堡和麥當勞,就分別使用了蛇形排隊法和多列排隊法。如果要較個真的話,這兩種排隊方法孰優孰劣呢?麥當勞和Wendy漢堡假設餐廳里有兩個柜臺可以提供服務,在幾十秒之內 10 位顧客先后到達,排起了隊,麥當勞和 Wendy 漢堡店里的隊伍分別會是這樣:


       假設這十位顧客中有九位顧客每人需要 1 分鐘就能就能買完漢堡走人,但排在第五個的“紅衣男子”是位麻煩顧客,需要 10 分鐘時間才能搞定。在這兩種排隊方式之下,哪一種可以讓顧客平均花費的時間更短?兩分鐘后,麥當勞和 Wendy 漢堡的前四位顧客都買完東西了,這時輪到“特殊顧客”登場。


       在第三分鐘的時候,麥當勞 B 柜臺向前移了一步, Wendy 漢堡的 B 柜臺也換了一個新顧客,而 A 柜臺還是被紅衣顧客霸占著。


       到了四分鐘,情況如故,兩家店的 B 柜臺又迎來一位新顧客。在麥當勞里, A 柜臺排在紅衣男后面的兩位顧客發現有點不對勁:自己的隊伍為什么這么慢?鑒于B柜臺前面只剩一個人了,于是他們都換到 B 柜臺隊伍里,只留下特殊顧客一個在 A 柜臺前。


       這樣下來,最后兩家店都是需要一共 7 分鐘的時間,服務完9位普通顧客(紅衣男除外)。不過,你可能覺著麥當勞的幾位顧客因為那位紅色特殊顧客的原因每人浪費了 1 分鐘的時間,這會導致兩家店九位正常顧客的平均花費的時間(包括排隊等待+買東西)不一樣嗎?計算表明,在麥當勞和 Wendy 漢堡的排隊時間都是 3.44 分鐘,是相同的。

       哪種排隊方式最方便?其實無論對于麥當勞,還是 Wendy 漢堡,特殊顧客出現之前,兩個柜臺整體的服務能力都是每分鐘服務 2 名顧客。在某一時刻,特殊顧客同時在兩家店出現之后,霸住一個柜臺,柜臺整體服務能力就變成每分鐘服務 1 名顧客,所以無論排一列還是兩列隊,兩家店平均服務效率是一直是相同的,并不會改變顧客時間。除非采取“多列排隊”的柜臺有的空出來了,,但是這種情況也不會出現,因為一旦某個柜臺空出來了,其他列的顧客會立刻補過去。現實情況比上面的例子復雜的多,每位顧客到達的先后順序、需要的服務時間不是固定的,而是按照一定的概率分布的。但模擬的結果同樣會發現,“蛇形排隊法”對于節省時間其實并沒有幫助。如果我們讓特殊顧客早一點出現或者晚一點出現,也就是說讓他在最開始的時候不是第五個排
      
       Wendy漢堡店里擺放的那些“蛇形”排隊通道既然不能縮短排隊時間,就真的沒有意義了嗎?實際上這種排隊方式是最大優點是公平,保證先到先得。


       如果你在麥當勞排隊,特殊顧客第一個到,之后其他顧客依次到達(數字表示到達的前后順序),排好隊之后發現 A 柜臺被一名“神秘顧客”霸住,就等不能結束。于是 A 柜臺的那一隊顧客轉投B柜臺,很不幸,這時他們只能排在 B 隊末尾。


      如此一來,原本第三個到的變成了花時間最多的、最后一個走的。而在 Wendy 漢堡的排隊就不存在這個問題,它總是可以保證“先到先得”,花費的時間由最開始在隊伍的位置決定。當然,麥當勞的排隊方式由顧客自己選擇排哪個隊伍,中途自行決定是否更換隊伍,Wendy漢堡只有一列隊伍,沒有這些“煩惱的選項”。于是也就不會出現下面這種排隊時最討厭遇到的情況了:


       不過 Wendy 漢堡的排隊方式也有一個壞處,因為只有一列隊,而且很長,顧客容易在心理上覺著人多擁擠、望而生畏,進而影響到店內生意。要說“麥當勞式”排隊法好還是“Wendy漢堡式”排隊法好,還得取決于服務的內容、顧客到達的的頻率、服務時間的概率分布、場地大小等各方面因素。如果要讓顧客選,顧客最愿選擇的恐怕還是永遠看不到等待的隊伍。

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