ứng dụng ngôn ngữ lập trình ràng buộc comet vào bài toán lập thời khóa biểu

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Thùy ỨNG DỤNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH RÀNG BUỘC COMET VÀO BÀI TOÁN LẬP THỜI KHÓA BIỂU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Hà Nội – 2010 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Thùy ỨNG DỤNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH RÀNG BUỘC COMET VÀO BÀI TOÁN LẬP THỜI KHÓA BIỂU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hƣớng dẫn: Th.S Lê Hồng Hải Hà Nội - 2010 1 LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin chân thành cảm ơn đến quý thày cô trường Đại học Công Nghệ đã tận tình dạy bảo em trong suốt thời gian học tập tại trường. Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thạc sĩ Lê Hồng Hải đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu, giúp em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ cùng quí thày cô trong Khoa công nghệ thông tin đã tạo điều kiện để em học tập và hoàn thành tốt khóa học. Trong khóa luận không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được được những đóng góp quí báu của thày cô và các bạn để khóa luận được hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 5 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thị Thùy 2 TÓM TẮT KHÓA LUẬN Lập Thời khóa biểu là công việc cần thiết và quan trọng mà tất cả các tổ chức giáo dục phải thực hiện nhằm đƣa ra biểu đồ kế hoạch năm học, lịch giảng dạy và học tập cho giáo viên, học sinh. Trƣớc đây, khi CNTT chƣa đƣợc phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi thì công việc này thƣờng đƣợc thực hiện một cách thủ công trên giấy, tiêu tốn nhiều chi phí, thời gian và công sức. Bài toán lập Thời khóa biểu tronng trƣờng học là một một trƣờng hợp riêng của bài toán lập lịch đƣợc xếp vào hàng các bài toán khó chƣa có giải thuật tối ƣu nhất. Có rất nhiều thuật toán, phƣơng pháp tiếp cận khác nhau đƣợc các nhà khoa học trên thế giới đƣa ra nhằm giải quyết bài toán này. Song, một phƣơng pháp tiếp cận khá là mới và đƣợc cho là giải pháp tối ƣu cho các bài toán lập lịch đó là ứng dụng ngôn ngữ lập trình ràng buộc vào giải quyết các bài toán tổ hợp. Với mục tiêu xây dựng một chƣơng trình lập thời khóa biểu hoạt động hiệu quả, khóa luận xin trình bày về ngôn ngữ lập trình ràng buộc Comet và ứng dụng Comet để giải quyết bài toán lập thời khóa biểu. Comet là ngôn ngữ lập trình ràng buộc mới đƣợc phát triển và ứng dụng. Đây là ngôn ngữ lập trình điển hình nhất cho việc giải quyết các bài toán tổ hợp nhƣ lập lịch, lập kế hoạch … Đây cũng là một ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng, dễ sử dụng và cấu trúc câu lệnh tƣơng đối giống với ngôn ngữ lập trình C++. 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 TÓM TẮT KHÓA LUẬN 2 MỤC LỤC 3 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 5 BẢNG CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH 5 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ĐƢỢC SỬ DỤNG 6 CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 7 1.1. Ý nghĩa ứng dụng Comet vào giải quyết các vấ đề tối ƣu hóa tổ hợp 7 1.2. Cấu trúc khóa luận 10 CHƢƠNG 2: LẬP TRÌNH RÀNG BUỘC 11 2.1. Lập trình ràng buộc là gì? 11 2.2. Nguồn gốc lập trình ràng buộc 11 2.3. Mô hình lập trình ràng buộc 12 2.4. Ứng dụng của ngôn ngữ lập trình ràng buộc (CP) 14 CHƢƠNG 3: NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH COMET 16 3.1. COMET là gì? 16 3.2. Lập trình Comet 17 3.2.1. Mô hình lập trình Comet 17 3.2.2. Ví dụ 20 3.3. Ƣu điểm của Comet 23 4 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG COMET VÀO BÀI TOÁN LẬP THỜI KHÓA BIỂU 26 4.1. Đặt vấn đề xây dựng bài toán 26 4.2. Giải quyết bài toán 28 4.3. Thực nghiệm 30 4.3.1. Các chức năng quản lý giảng viên, môn học, phòng học, khoa 31 4.3.2. Chức năng phân công giảng dạy 36 4.3.3. Chức năng xếp Thời khóa biểu 37 4.3.4. Chức năng xem thời khóa biểu theo tên lớp, tên giảng viên, tên phòng học 38 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 5 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Từ viết tắt ACM Association for Computing Achinery AI Artificial Intelligence API Application Programming Interface CHIP Constraint Handling In Prolog CLP Constraint Logic Programming CBLS Constraint-Based Local Search CP Constraint Programming LP Logic Programming BẢNG CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH Các thuật ngữ Ý nghĩa Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng Constraint Programming Lập trình ràng buộc Logic Programming Lập trình logic Search Tìm kiếm Search Tree Cây tìm kiếm 6 DANH SÁCH HÌNH ẢNH ĐƢỢC SỬ DỤNG Hình 1-1. Bài toán 4-Hậu 8 Hình 1-2. Một nhánh trong cây tìm kiếm của bài toán 4-Hậu 9 Hình 2-1. Mô hình CP 12 Hình 2-2. Ứng dụng CP vào phân tích chuỗi protein 15 Hình 3-1. Thành phần tìm kiếm trong Comet 19 Hình 3-2. Code bài toán 16-Hậu bằng Comet 20 Hình 3-3. Kết quả bài toán 16-Hậu bằng Comet 22 Hình 3-4. Kết quả trực quan bài toán 16-Hậu visualization 24 Hình 4-1. Mô hình chƣơng trình 30 Hình 4-2. Quản lý giảng viên 31 Hình 4-3. Quản lý phòng học 32 Hình 4-4. Quản lý môn học 33 Hình 4-5. Quản lý lớp học 34 Hình 4-6. Quản lý khoa 35 Hình 4-7. Chức năng phân công giảng dạy 36 Hình 4-8. Chức năng xếp Thời khóa biểu 37 Hình 4-9. Xem Thời khóa biểu theo lớp 38 Hình 4-10. Xem Thời khóa biểu theo giảng viên 39 Hình 4-11. Xem Thời khóa biểu theo phòng học 39 7 CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của CNTT góp phần mang lại những thành tựu rực rỡ cho các lĩnh vực, hoạt động trong đời sống. Cùng với sự phát triển của CNTT, các thế hệ ngôn ngữ lập trình lần lƣợt ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu công nghệ. Đóng góp quan trọng vào sự phát triển và ứng dụng CNTT, ngôn ngữ lập trình ràng buộc Comet thật sự mang lại tiện ích lớn trong việc giải quyết các bài toán tổ hợp nhƣ lập lịch, lập kế hoạch. 1.1. Ý nghĩa ứng dụng lập trình ràng buộc đối với vấn đề tối ƣu hóa tổ hợp Trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học máy tính, các bài toán về tối ƣu hóa tổ hợp đƣợc đánh giá là các bài toán khó NP[1], đặc trƣng bởi bộ dữ liệu lớn, các ràng buộc phức tạp. Để giải quyết vấn đề này hiệu quả đòi hỏi phải có kinh nghiệm và kỹ năng. Trên thế giới có rất nhiều những công trình nghiên cứu, các thuật toán đƣợc ứng dụng và phát triển để giải quyết vấn đề này: các thuật toán quay lui, vét cạn, các thuật toán về quy hoạch động. Tuy nhiên, trong lập trình truyền thống chƣa có giải thuật hiệu quả nhất, đáp ứng đƣợc thời gian xử lý là đa thức. Do đó, đây vẫn là bài toán khó chƣa có lời tối ƣu nhất. Trong những năm gần đây, CP nổi lên nhƣ một công nghệ quan trọng, giải quyết hiệu quả các bài toán tối ƣu hóa tổ hợp, ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực: hàng không, khoa học máy tính, công nghiệp sản xuất…CP thực sự là một giải pháp tối ƣu, đƣợc giới chuyên môn đánh giá cao về khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp trong cuộc sống thực thế. Dƣới đây, ta sẽ xét bài toán N-Hậu trong lập trình truyền thống với giải thuật vét cạn, quay lui. Bài toán N-Hậu Bài toán 4-queens là bài toán đặt 4 quân hậu trên bàn cờ vua kích thƣớc 4*4 sao cho không có quân hậu nào có thể “ăn” đƣợc quân hậu khác, hay nói cách khác không quân hậu nào có thể di chuyển theo quy tắc cờ vua. Do đó, lời giải của bài 8 toán là một cách xếp bốn quân hậu trên bàn cơ vua sao cho không có hai quân nào đứng trên cùng hàng, hoặc cùng cột hoặc cùng đƣờng chéo. Hình 1-1. Bài toán 4-Hậu Đây là bài toán tổ hợp kinh điển, có nhiều giải thuật: quay lui, vét cạn, quy hoạch động. Tuy nhiên, độ phức tạp của các thuật toán này thƣờng là Chƣa có giải thuật thỏa mãn thời gian chạy là đa thức. Dƣới đây, ta xét bài toán này trong môi trƣờng lập trình truyền thống ( bằng ngôn ngữ lập trình C/C++ hoặc Java ) với giải thuật vét cạn, quay lui (gọi đệ quy). Tƣ tƣởng cơ bản của giải thuật vét cạn, quay lui là ta thử đặt một quân cờ vào một ô trong bàn cơ, sau đó lần lƣợt đặt từng quân cơ tiếp theo vào các ô cờ khác. Trong trƣờng hợp không thỏa mãn điều kiện ràng buộc của bài toán (Không có hai quân cờ nào “ăn” đƣợc nhau) thì quay lui trở lại bƣớc trƣớc đó và đặt lại quân cờ sao cho thỏa mãn điều kiện bài toán. Giải thuật này đƣợc mô tả trực quan hơn trong một nhánh của cây tìm kiếm bài toán 4-Queens (Hình 1-2). [...]... kế ngôn ngữ lập trình ràng buộc logic và ngôn ngữ lập trình chức năng ràng buộc 2.2 Nguồn gốc của lập trình ràng buộc Lập trình ràng buộc (CP) đƣợc phát triển khá sớm so với những ngôn ngữ lập trình phổ biến hiện nay nhƣ Java (1990s) Vào thập niên 60, 70, những ý tƣởng đầu tiên về lập trình ràng buộc có thể đƣợc tìm thấy trong lĩnh vực nghiên cứu trí tuệ nhân tạo (AI) mà cụ thể là ngôn ngữ lập trình. .. hóa bài toán lập Thời khóa biểu với tính năng sắp thời khóa biểu chính xác, hiệu quả, giảm bớt thời gian, chi phí công sức của con ngƣời Tính phức tạp của bài toán lập Thời khóa biểu, các quy định, ràng buộc môn học chặt chẽ, các ràng buộc về lịch dạy của giáo viên, lớp học … hết sức phức tạp, đa dạng Chính vì vậy, bài toán lập thời khóa biểu là một bài toán khó, có rất ít phần mềm lập thời khóa biểu. .. trong Comet 19 3.2.2 Ví dụ Bài toán: 16-Hậu Bài toán 16-Hậu chỉ là mở rộng hơn của bài toán 4-Hậu, điều kiện ràng buộc của hai bài toán là nhƣ nhau Ở chƣơng mở đầu, ta đã xét bài toán 4-Hậu trong lập trình truyền thống với giải thuật vét cạn và quay lui Trong chƣơng này, ta sẽ xét bài toán 16-Hậu với ngôn ngữ lập trình ràng buộc Comet để thấy đƣợc những ƣu điểm của lập trình ràng buộc so với lập trình. .. chƣơng trình sẽ tìm kiếm nhƣ thế nào Đó là một thế mạnh của ngôn ngữ lập trình Comet Bên cạnh đó, sự phân chia rõ từng thành phần giúp cho ngƣời lập trình dễ dàng thêm bớt các ràng buộc mà không ảnh hƣởng gì đến sự vận hành chƣơng trình 21 Lời giải của bài toán Hình 3–3 Kết quả bài toán 16 – queens bằng Comet Công cụ lập trình Comet hiện nay hay đƣợc sử dụng là Comet Studio Đây là kết quả bài toán sắp... lập trình logic, kết hợp cả hai khía cạnh khai báo của lập trình logic (LP) với giải quyết các ràng buộc Tiếp theo, một số dòng ngôn ngữ lập trình ràng buộc lần lƣợt đƣợc phát triển, có t hể kể ra nhƣ: concurrent logic programming (1980s) , concurrent constraint programming(1990s) Và hiện nay, Comet đƣợc đánh giá là ngôn ngữ lập trình ràng buộc có ƣu thế nổi bật nhất Chúng ta sẽ tìm hiểu ngôn ngữ lập. .. Chƣơng trình sử dụng hệ thống Comet nhƣ là một thƣ viện liên quan tới hai đoạn mã - Comet code: Giải quyết các vấn đề tối ƣu hóa - C++ code: Giao tiếp với Comet Sự giao tiếp giữa Comet và C++ chỉ liên quan tới dữ liệu đầu ra và đầu vào của chƣơng trình Comet Do đó, có rất ít sự thay đổi để tạo một chƣơng trình Comet trong việc sử dụng nó với đoạn mã C++ 24 CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG COMET VÀO BÀI TOÁN LẬP THỜI KHÓA... đƣợc biểu diễn ở mức độ trừu tƣợng cao CBLS đƣợc xây dựng dựa trên cấu trúc của các thuật toán tìm kiếm, tách biệt mô hình ràng buộc khỏi phần tìm kiếm, tăng tính sử dụng lại của nhiều ứng dụng, khai thác cấu trúc vấn đề để đạt hiệu suất cao Đồng thời, Comet là ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng bao gồm công cụ tìm kiếm địa phƣơng dựa trên ràng buộc, giải quyết lập trình ràng buộc, giải quyết lập trình. .. đến và hiểu rõ 2.1 Lập trình ràng buộc là gì? Lập trình ràng buộc (CP - Constraint Programming) là ngôn ngữ lập trình ràng buộc, công nghệ điển hình giải quyết hiệu quả vấn đề mô hình hóa và tối ƣu hóa tổ hợp, đặc biệt là trong lĩnh vực quy hoạch và lập lịch CP nghiên cứu các hệ thống tính toán dựa trên các ràng buộc Ý tƣởng cơ bản của CP là giải quyết vấn đề bằng cách nêu rõ ràng buộc (các điều kiện,... bộ dựa trên ràng buộc (Constraint-Based Local Search) Comet là một dòng ngôn ngữ lập trình ràng buộc Một trong những điểm sáng tạo chính của Comet là tìm kiếm địa phƣơng dựa trên ràng buộc (CBLS – Constraint-Based Local Search), một mô hình tính toán dựa trên ý tƣởng quy định các thuật toán tìm kiếm lân cận với hai thành phần[7]: một mô hình mô tả các ứng dụng ràng buộc, các ràng buộc kết hợp, các... chƣơng:  Chƣơng 1: Mở đầu  Chƣơng 2: Lập trình ràng buộc  Chƣơng 3: Ngôn ngữ lập trình Comet  Chƣơng 4: Áp dụng Comet vào bài toán ứng dụng Lập thời khóa biểu cho trường đại học  Chƣơng 5: Kết luận và hướng phát triển 10 CHƢƠNG 2 LẬP TRÌNH RÀNG BUỘC Trong một vài năm gần đây, lập trình ràng buộc (CP) đã thu hút sự chú ý một số lƣợng lớn các chuyên gia CNTT vì khả năng giải quyết các vấn đề khó khăn . gốc lập trình ràng buộc 11 2.3. Mô hình lập trình ràng buộc 12 2.4. Ứng dụng của ngôn ngữ lập trình ràng buộc (CP) 14 CHƢƠNG 3: NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH COMET. biểu hoạt động hiệu quả, khóa luận xin trình bày về ngôn ngữ lập trình ràng buộc Comet và ứng dụng Comet để giải quyết bài toán lập thời khóa biểu. Comet