A fluid queuing network constitutes one of the simplest models in which to study flow dynamics over a network. In this model we have a single source-sink pair and each link has a per-time-unit capacity and a transit time. A dynamic equilibrium (or equilibrium flow over time) is a flow pattern over time such that no flow particle has incentives to unilaterally change its path. Although the model has been around for almost fifty years, only recently results regarding existence and characterization of equilibria have been obtained. In particular the long term behavior remains poorly understood. Our main result in this paper is to show that, under a natural (and obviously necessary) condition on the queuing capacity, a dynamic equilibrium reaches a steady state (after which queue lengths remain constant) in finite time. Previously, it was not even known that queue lengths would remain bounded. The proof is based on the analysis of a rather non-obvious potential function that turns out to be monotone along the evolution of the equilibrium. Furthermore, we show that the steady state is characterized as an optimal solution of a certain linear program. When this program has a unique solution, which occurs generically, the long term behavior is completely predictable. On the contrary, if the linear program has multiple solutions the steady state is more difficult to identify as it depends on the whole temporal evolution of the equilibrium.


翻译:流体排队网络是研究网络流动动态的最简单模型之一。 在这个模型中,我们有一个单一的源- sink 配对, 每个链接都有每个时间单位的能力和中转时间。 动态平衡( 或平衡随时间流) 是一种随时间流动的模式, 这样没有流粒子能够单方面改变其路径。 虽然模型已经存在了近五十年, 但直到最近才获得关于平衡存在和定性方面的结果。 特别是长期行为仍然不为人所知。 我们本文的主要结果显示, 在排队能力的自然( 显然必要的)条件下, 动态平衡在有限的时间内达到稳定状态( 之后, 排队长度保持不变 ) 。 之前, 甚至不知道排队长度会受到单方面改变路径的刺激。 证据是基于对一种相当不明显的潜在功能的分析, 而在平衡的演变过程中, 稳定的状态被描述为某种线性程序的最佳解决方案。 当这个程序有一个独特的( 很明显) 时, 一个动态平衡状态在有限的时间里, 如果这个程序有一个非常困难的解决方案, 将一个完全的线性变化的周期 。

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