GIẢI THUẬT DI TRUYỀN để xếp THỜI KHÓA BIỂU hệ tín CHỈ CHO TRƯỜNG đại học

-1- -2- B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Cơng trình đư c hồn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG PH M ANH TU N NG D NG GI I THU T DI TRUY N Đ X P TH I KHĨA BI U H TÍN CH CHO TRƯ NG Đ I H C Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS.Nguy n T n Khôi Ph n bi n 1: TS.Nguy n Thanh Bình Ph n bi n 2: TS.Trương Công Tu n Chuyên ngành: KHOA H C MÁY TÍNH Mã s : 60.48.01 Lu n văn ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 21 tháng năm 2012 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng - Năm 2012 Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng -3M" Đ#U Lý ch n ñ% tài Trong cu c s ng ta thư ng g p tốn liên quan đ n x p l ch x p l ch v n hành máy móc, x p l ch bi u cho vi c th c hi n m t d án, x p l ch làm vi c, x p l ch thi ñ u th thao,… Đ i v i lo i toán c n ph i tìm m t phương án x p l ch th a mãn t t c ràng bu c khai thác hi u qu ngu n tài nguyên hi n có, gi m th i gian chi phí th c hi n Bài tốn x p th i khóa bi u trư ng h c nói chung trư ng Đ i h c nói riêng m t nh ng tốn v y Có r t nhi!u ràng bu c đư c đ t tốn ràng bu c v! ñ i tư ng tham gia (gi ng viên, l p h c, sinh viên), ràng bu c v! tài nguyên ph"c v" gi ng d y (phòng h c lý thuy t, phòng th c hành,…), ràng bu c v! th i gian (s ti t h c, s l n h c, s ti t -4( Vi t Nam hi n nay, trư ng Đ i h c ñang d n chuy n sang hình th)c đào t o tín ch& M c d u hình th)c đào t o có nhi!u ưu m so v i đào t o niên ch nhiên vi c x p th i khóa bi u v*n m t gánh n ng th c s cho trư ng, ñ c bi t trư ng có quy mơ ñào t o l n V l i th trư ng chưa có s n ph+m ph n m!m gi i quy t hi u qu tốn Trong nh ng năm g n đây, phương pháp ti p c n di truy!n ñã thu hút r t nhi!u s ý lĩnh v c nghiên c)u khác có khoa h c máy tính Phương pháp có nhi!u đ c m n'i tr i khơng địi h i tri th)c, tránh t i ưu c"c b , th c hi n t t v i toán có khơng gian l i gi i l n có th áp d"ng cho nhi!u lo i tốn t i ưu khác Trên th gi i hi n nay, gi i thu t di truy!n k t h p v i tin h c ñư c )ng d"ng đ gi i quy t nh ng tốn t i ưu m t cách r t hi u qu m#i l n), ràng bu c v! chuyên môn r t nhi!u ràng bu c khác Vì v y, vi c nghiên c)u )ng d"ng gi i thu t di truy!n tùy thu c vào t$ng trư ng V n ñ! ñ t c n xây d ng m t th i (Genetic Algorithm - GA) ñ gi i quy t hi u qu tốn x p th i khóa bi u th a mãn t t c ràng bu c đ ng th i khai thác hi u khóa bi u nói vi c làm c n thi t qu ngu n tài nguyên ph"c v" gi ng d y M&c tiêu nhi m v& nghiên c'u Bài tốn x p th i khóa bi u thu c l p tốn NP-đ y ñ% Đ! tài t p trung nghiên c)u )ng d"ng gi i thu t di truy!n v y có th khơng tìm đư c l i gi i t i ưu Đây m t tốn vào tốn x p th i khóa bi u cho h tín ch& t i m t trư ng đ i h c khơng m i có nhi!u gi i thu t đư c đưa ñ gi i quy t ña ngành nh,m ñưa phương án x p th i khóa bi u th a mãn t t c gi i thu t nhánh c n, gi i thu t leo ñ i, gi i thu t luy n thép, gi i ràng bu c ñ t ñ ng th i khai thác hi u qu ngu n l c ñào thu t tô màu ñ th , gi i thu t x p x&,… Tuy nhiên gi i thu t t o c%a nhà trư ng v i th i gian ng-n thư ng khơng có tính t'ng quát ch& áp d"ng hi u qu ñ i v i trư ng h c có quy mơ nh , ràng bu c v! m t d li u Đ ñ t ñư c m"c tiêu trên, ñ! tài t p trung vào nhi m v" c" th sau: -5- -6- - Phân tích ñ c ñi m c%a toán x p th i khóa bi u h tín ch& trư ng ñ i h c ñ t$ ñó ñ! gi i pháp h p lý vi c xây d ng tri n khai h th ng - Tìm hi u gi i thu t di truy!n )ng d"ng c%a vi c gi i quy t hi u qu toán t i ưu - ng d"ng gi i thu t di truy!n vào tốn x p th i khóa bi u h tín ch& trư ng Đ i h c - Phân tích đánh giá k t qu đ t ñư c th c hi n h th ng ñ i v i b d li u th/ ñơn gi n - Tri n khai th c nghi m v i b d li u x p th i khóa bi u c%a m t s ngành t i Trư ng Đ i h c Bách khoa – Đ i h c Đà N ng Đ i tư(ng ph)m vi nghiên c'u - Nghiên c)u ñ c ñi m, ñ c trưng c%a gi i thu t di truy!n, thành ph n b n c%a gi i thu t di truy!n kh0i ñ ng qu n th ban ñ u, ñánh giá đ thích nghi c%a cá th , tốn t/ di truy!n Phương pháp nghiên c u th c nghi m - Phân tích thi t k h th ng x p th i khóa bi u h tín ch& theo quy trình xây d ng )ng d"ng ph n m!m - Xây d ng h th ng x p th i khóa bi u h tín ch& s/ d"ng gi i thu t di truy!n - Th/ nghi m h th ng ñánh giá k t qu ñ t ñư c d a b d li u th/ d li u th c t t i m t trư ng ñ i h c K*t qu d+ ki*n - Nh n th)c ñ y ñ% v! th m nh c%a gi i thu t di truy!n vi c gi i toán t i ưu - Đ! ñư c gi i pháp )ng d"ng v n ñ! c%a gi i thu t di truy!n vào vi c gi i quy t tốn x p th i khóa bi u h tín ch& - Xây d ng h th ng ph n m!m uniScheGA nh,m ph"c v" cho vi c x p th i khóa bi u h tín ch& t i m t s trư ng Đ i h c Ý nghĩa khoa h c th+c ti n c-a lu.n văn V m t lý thuy t (ch n l c, lai ghép, ñ t bi n), ñi!u ki n d$ng - ng d"ng gi i thu t di truy!n vào toán x p th i khóa - Áp d"ng gi i thu t di truy!n vào máy tính phương pháp áp bi u t i m t trư ng ñ i h c ña ngành ñào t o theo h c ch tín ch& v i d"ng quy lu t c%a trình ti n hóa t nhiên vào vi c gi i quy t ràng bu c nh ng yêu c u b n toán ph)c t p mà gi i thu t trư c khơng đáp )ng đư c Phương pháp nghiên c'u Phương pháp nghiên c u lý thuy t - Nghiên c)u tài li u, ngôn ng công ngh liên quan - T'ng h p tài li u lý thuy t v! gi i thu t di truy!n - Bi u di1n toán x p th i khóa bi u h tín ch& trư ng đ i h c s/ d"ng mơ hình gi i thu t di truy!n - Vi c x p th i khố bi u h tín ch& s/ d"ng gi i thu t di truy!n m t v n ñ! khơng m i l i chưa đư c áp d"ng hi u qu th c t - Ngồi tốn x p th i khố bi u, gi i thu t di truy!n cịn có th ñư c )ng d"ng nhi!u toán t i ưu khác Vì v y k t qu nghiên c)u c%a ñ! tài s2 t o n!n t ng s0 ñ ti p t"c nghiên c)u v! sau -7- -8CHƯƠNG 1: BÀI TỐN X P TH I KHĨA BI U H TÍN V m t th c ti n - K t qu c%a ñ! tài h th ng ph n m!m uniScheGA dùng CH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GI I QUY T Chương trình bày t'ng quan v! tốn x p th i khóa bi u đ x p th i khóa bi u h tín ch& d1 s/ d"ng, có tính tùy bi n cao, đáp h tín ch& trư ng đ i h c phương pháp gi i quy t )ng t t nhu c u c%a ngư i dùng 1.1 BÀI TỐN X P TH I KHĨA BI U H TÍN CH - H th ng có th ch y t t v i b d li u th c t t i trư ng ñ i h c giúp gi m ñáng k th i gian công s)c vi c x p th i khóa bi u B c&c lu.n văn N i dung c%a lu n văn đư c chia thành chương sau: Chương 1: Bài toán x p th i khóa bi u h tín ch& phương pháp gi i quy t Chương 2: Gi i thu t di truy!n Chương 3: ng d"ng gi i thu t di truy!n đ x p th i khóa bi u h tín ch& Chương 4: Tri n khai h th ng x p th i khóa bi u h tín ch& 1.1.1 Các quy trình x*p th i khóa bi0u h tín ch1 Trình bày quy trình x p th i khóa bi u h tín ch&, đánh giá ưu c m c%a m#i quy trình 1.1.2 Bài tốn x*p th i khóa bi0u h tín ch1 Trình bày chi ti t tốn x p th i khóa bi u h tín ch&, thơng tin, ràng bu c yêu c u c%a tốn 1.1.2.1 Các thơng tin c a toán 1.1.2.2 Các ràng bu c c a toán 1.1.3 Các mơ hình x*p th i khóa bi0u h tín ch1 Trình bày mơ hình x p th i khóa bi u thơng d"ng hi n đư c s/ d"ng th c t 1.1.3.1 Th i khóa bi u tu n 1.1.3.2 Th i khóa bi u h c kỳ 1.1.3.3 Th i khóa bi u (k) tu n/h c kỳ 1.1.3.4 Th i khóa bi u cho m i tu n 1.1.4 M&c tiêu c-a tốn x*p th i khóa bi0u h tín ch1 1.2 CÁC PH#N M M X P TH I KHÓA BI U HI N NAY 1.2.1 Ph2n m%m th i khóa bi0u t)i Vi t Nam 1.2.2 Ph2n m%m th i khóa bi0u th* gi i -91.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GI I QUY T BÀI TỐN Trình bày phương pháp gi i quy t toán x p th i khóa - 10 CHƯƠNG 2: GI I THU T DI TRUY N Chương trình bày khái ni m v! gi i thu t di truy!n bi u h tín ch&, đánh giá ưu c ñi m c%a phương pháp, lý cách )ng d"ng vào gi i quy t m t s toán th c t ch n gi i thu t di truy!n ñ gi i quy t toán 2.1 T3NG QUAN V GI I THU T DI TRUY N 1.3.1 Các phương pháp truy%n th ng 1.3.1.1 Gi i thu t vét c n 2.1.1 L4ch s5 gi i thu.t di truy%n 2.1.2 T6ng quan 1.3.1.2 Gi i thu t leo ñ i 1.3.2 Các phương pháp hi n 1.3.2.1 Gi i thu t luy n kim 1.3.2.2 Gi i thu t di truy n 1.3.2.3 Gi i thu t t i ưu ñàn ki n 1.3.3 Đánh giá phương pháp Các gi i thu t leo đ i luy n kim có r t nhi!u c ñi m thư ng khơng tr v! đư c k t qu mong ñ i Các gi i thu t di truy!n t i ưu đàn ki n có nhi!u ưu m th hi n hai phương pháp ñư c s/ d"ng nhi!u nh t ñ gi i quy t toán t i ưu có tốn x p th i khóa bi u Xét v! th i gian th c hi n, chi phí th c hi n gi i thu t t i ưu ñàn ki n t t ph)c t p so v i gi i thu t di truy!n Trên th c t công vi c l p th i khóa bi u t i trư ng ñ i h c ch& di1n kho ng hai ñ n ba l n m t năm nên th i gian chi phí khơng nh hư0ng nhi!u Vì v y lu n văn đ đơn gi n tơi s/ d"ng gi i thu t di Hình 2.2 Sơ đ t ng quan c a gi i thu t di truy n 2.1.3 Các thao tác b n truy!n ñ gi i quy t toán x p th i khóa bi u h đào t o tín ch& cho 2.1.3.1 Bi u di n mơ hình cá th trư ng ñ i h c 2.1.3.2 Kh i t o qu n th ban ñ u 2.1.3.3 Xây d ng hàm thích nghi 2.1.3.4 Xây d ng tốn t di truy n - 11 - - 12 - 2.1.3.5 Xác ñ nh tham s cho gi i thu t 2.2.3.1 Đ t bi n ñ o ngư c 2.1.3.6 Xác ñ nh ñi u ki n d ng 2.2.3.2 Đ t bi n chèn 2.1.4 S+ khác bi t gi7a gi i thu.t di truy%n so v i gi i 2.2.3.3 Đ t bi n thay th thu.t khác 2.2.3.4 Đ t bi n chuy n d ch Trình bày s khác bi t gi a gi i thu t di truy!n so v i gi i 2.3 CÁC THAM S: C;A GI I THU T DI TRUY N thu t tìm ki m t i ưu bình thư ng 2.2 CÁC TỐN T8 DI TRUY N 2.2.1 Toán t5 ch n l c Gi i thu t di truy!n có tham s quan tr ng kích thư c qu n th (popsize), xác su t lai ghép (pc), xác su t ñ t bi n (pm) Vi c l a ch n tham s phù h p s2 tăng tính hi u qu c%a gi i thu t Ch n l c q trình ch n NST có ñ thích nghi cao qu n th hi n t i ñ ñưa vào qu n th th h ti p theo Trong tham s popsize quan tr ng nh t, n u ch n kích thư c qu n th q nh tính đa d ng c%a qu n th b 2.2.1.1 Toán t ch n l c t l h n ch nh hư0ng đ n k t qu cịn n u l n s2 làm hao phí tài 2.2.1.2 Toán t ch n l c c nh tranh ngun c%a máy tính làm ch m q trình ti n hóa 2.2.1.3 Tốn t ch n l c x p h ng 2.4 2.2.2 Toán t5 lai ghép Toán t/ lai ghép nh,m t o NST m i s0 c p NST cha - m3 b,ng cách ghép ño n gen NST cha - m3 l i v i Toán t/ lai ghép ñư c th c hi n v i m t xác su t pc 2.2.2.1 Lai ghép m t ñi m 2.2.2.2 Lai ghép ña ñi m 2.2.2.3 Lai ghép đ ng nh t 2.2.3 Tốn t5 ñ9t bi*n Đ t bi n hi n tư ng NST mang m t s ñ c tính khơng có NST c%a cha m3 Tốn t/ ñ t bi n ñư c th c hi n v i m t xác su t pm nh nhi!u so v i xác su t lai ghép pc b0i t nhiên đ t bi n gen thư ng x y NG D NG GI I THU T DI TRUY N Đ )ng d"ng gi i thu t di truy!n vào vi c gi i quy t m t tốn c n ph i th c hi n m t s công vi c quan tr ng sau: L a ch n cách bi u di1n mơ hình NST cho m#i NST có th ch)a đ ng đư c m t l i gi i c%a toán Xây d ng hàm đánh giá đ thích nghi cho t$ng NST Đây bư c khó khăn nh hư0ng l n đ n tính hi u qu c%a gi i thu t L a ch n tốn t/ di truy!n phù h p, t p trung cho ba tốn t/ ch n l c, lai ghép ñ t bi n Xác ñ nh tham s c%a gi i thu t di truy!n kích thư c qu n th , xác su t lai ghép, xác su t ñ t bi n Xác ñ nh ñi!u ki n d$ng cho q trình ti n hóa - 13 CHƯƠNG 3: - 14 - NG D NG GI I THU T DI TRUY N Đ X P TH I KHÓA BI U H TÍN CH Chương v n d"ng ki n th)c v! gi i thu t di truy!n đ M#i NST có th xem m t m ng chi!u: Chi!u th) nh t bi u di1n ti t h c ngày, chi!u th) hai bi u di1n ngày tu n, chi!u th) ba bi u di1n phòng h c áp d"ng vào tốn x p th i khóa bi u h tín ch& 3.1 QUY TRÌNH X P TH I KHĨA BI U Hình 3.5 C u trúc c a m t nhi m s!c th Hình 3.1 Quy trình x p th i khóa bi u đ xu t 3.3 BI U DING PHÁT TRI N K T QU Đ T ĐƯAC Qua q trình th c hi n lu n văn, tơi ñã có ki n th)c ñ y ñ% v! gi i thu t di truy!n, bi t cách v n d"ng gi i thu t di truy!n vào vi c gi i quy t m t s toán t i ưu, đ c bi t tốn t i ưu có khơng gian tìm ki m l n V n d"ng ñư c gi i thu t di truy!n ñ xây d ng h th ng ph n m!m uniScheGA x p th i khóa bi u h tín ch& cho trư ng đ i h c: - H th ng ñáp )ng t t t t c ràng bu c ñư c nêu lu n văn bao g m ràng bu c c)ng m!m - H th ng ch y 'n ñ nh, có giao di n ñ3p, có bi u ñ minh h a tr c quan trình x p th i khóa bi u - Cho phép x p th i khóa bi u t$ m t tu n b t kỳ h c kỳ s0 có tính đ n đi!u ki n ràng bu c v! gi ng viên, v! phòng h c tu n hi n t i - K t qu x p th i khóa bi u đư c trình bày đa d ng bao g m - 26 - Th c thi h th ng b d li u l n (kho ng 100 l p h c ph n, kho ng t$ 300 ñ n 500 ti t / tu n) thư ng ch m Khi ph i chia nh d li u ñ th c hi n nhi!u l n PH M VI NG D NG H th ng có th )ng d"ng t t ñ i v i trư ng ñ i h c, cao ñ5ng ñào t o theo tín ch& Đ i v i trư ng x p th i khóa bi u theo quy trình ngư c l i t)c cho sinh viên ñăng ký h c r i m i x p th i khóa bi u nhi!u trư ng h p h th ng chưa cho ñư c k t qu mong mu n H th ng có th )ng d"ng đ x p th i khóa bi u cho nh ng trư ng có quy mơ đào t o l n, đ th c hi n hi u qu ta nên chia nh d li u r i ti n hành x p th i khóa bi u nhi!u l n HƯ>NG PHÁT TRI N Đ h th ng ngày hoàn thi n ch y nhanh c n ph i ti p t"c nghiên c)u phát tri n h th ng theo hư ng sau: - Tích h p thêm ràng bu c x p th i khóa bi u ngồi th i khóa bi u c%a t$ng l p, t$ng gi ng viên, t$ng sinh viên, t$ng ràng bu c b n ñư c ñ! c p lu n văn Khi th c hi n ngư i s/ nhóm l ch s/ d"ng t$ng phịng h c d"ng có th tùy ý l a ch n ràng bu c mà c n ñáp )ng - D li u th i khóa bi u có th d1 dàng xu t sang Acrobat Reader, Microsoft Excel có th tra c)u t$ website Tuy nhiên, h th ng cịn có m t s t n t i sau: - Yêu c u c%a tốn x p th i khóa bi u th c t ña d ng h th ng hi n t i ch& ñáp )ng ñư c yêu c u b n ñư c nêu - Song song hóa gi i thu t GA ñ x/ lý ñ ng th i nhi!u máy tính nh,m tăng t c đ th c hi n chương trình - Ti p t"c hồn thi n hàm đánh giá đ thích nghi đ tùy theo ng c nh có th t đi!u ch&nh tr ng s cho phù h p nh t - Nghiên c)u k t h p gi i thu t di truy!n v i k thu t khác m ng Nơron, lơgic m ,… đ nâng cao hi u qu cho h th ng  ... v! gi i thu t di truy!n - Bi u di1 n tốn x p th i khóa bi u h tín ch& trư ng đ i h c s/ d"ng mơ hình gi i thu t di truy!n - Vi c x p th i khoá bi u h tín ch& s/ d"ng gi i thu t di truy!n m t v... th i khóa bi u h tín ch& phương pháp gi i quy t Chương 2: Gi i thu t di truy!n Chương 3: ng d"ng gi i thu t di truy!n ñ x p th i khóa bi u h tín ch& Chương 4: Tri n khai h th ng x p th i khóa. .. bi u h tín ch& 1.1.1 Các quy trình x*p th i khóa bi0u h tín ch1 Trình bày quy trình x p th i khóa bi u h tín ch&, đánh giá ưu c m c%a m#i quy trình 1.1.2 Bài tốn x*p th i khóa bi0u h tín ch1