TÌM HIẾU GIẢI THUẬT DI TRUYỆN VÀ ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN XÉP THỜI KHÓA BIỀU TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  BÁO CÁO LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài: TÌM HIỂU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN XẾP THỜI KHÓA BIỂU Giảng viên hướng dẫn: Th.s ĐỖ THỤC ĐOAN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TRƯỜNG KỶ - 080055T PHÙNG VĂN TRÚC - 080107T Lớp:08TH1D Khóa:12 TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2012 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu Lời Cảm Ơn Lời đầu tiên, chúng em muốn nói đề tài thực vàhoàn thành tiến độ cách thành công phần nhờ vào giúp đỡ thầy cô, phòng ban trường Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thạc só Đỗ Thục Đoan với tận tâm, nhiệt tình, hết lòng sinh viên theo sát để hướng dẫn giúp đỡ nhóm chúng em suốt trình thực đề tài Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đếnphòng đào tạo, trưởng khoa công nghệ thông tin, giáo vụ khoa công nghệ thông tin trường Đại học Tôn Đức Thắng tận tình giúp đỡ cung cấpnhững thông tin hữu ích tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm thực đề tài Chúng em xin cảm ơn thầy cô khoa công nghệ thông tin trường Đại học Tôn Đức Thắng hết lòng giảng dạy, truyền đạt kiến thức kỹ hữu ích cần có Nhờ vào kiến thức kỹ mà nhóm chúng em có thểhoàn thành luận văn tốt nghiệp tiến độ Chúng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Tôn Đức Thắng hết lòng sinh viên mà tạo cho sinh viên nói chung chúng em nói riêng môi trường học tập động, hiệu với sở vật chất đại, đội ngũ giảng viên tận tình công tác giảng dạy Chúng em xin chân thành cảm ơn Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu Mục lục LỜI MỞ ĐẦU 12 Chương 1: GIỚI THIỆU 13 1.1 Giới thiệu chung 13 1.2 Mục tiêu đề tài 14 1.3 Phạm vi đề tài 14 1.4 Cấu trúc đề tài 15 Chương 2: GIỚI THIỆU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 16 2.1 Khái quát giải thuật di truyền 16 2.1.1 Lịch sử phát triển giải thuật di truyền 16 2.1.2 Tìm hiểu chung giải thuật di truyền 16 2.1.3 Các đặc điểm, đặc trưng giải thuật di truyền 17 2.1.4 Các khái niệm 17 2.1.5 Quy luật giải thuật di truyền 17 2.1.5.1 Quá trình lai ghép (phép lai) 17 2.1.5.2 Quá trình đột biến (phép đột biến) 18 2.1.5.3 Quá trình sinh sản (phép tái sinh) 18 2.1.5.4 Quá trình chọn lọc (phép chọn) 18 2.2 Các toán tử giải thuật di truyền 19 2.3 Các tham số giải thuật di truyền 22 2.4 Các công thức giải thuật di truyền 22 2.5 Các thành phần giải thuật di truyền 23 2.5.1 Khởi tạo quần thể ban đầu 24 2.5.2 Các phương pháp mã hóa 25 2.5.3 Hàm thích nghi - Đánh giá cá thể 27 2.5.4 Toán tử lai ghép 29 2.5.5 Toán tử đột biến 30 2.5.6 Điều kiện kết thúc 31 2.6 Ví dụ minh họa: Tìm đáp số cho phương trình x*x=64 31 2.6.1 Mã hóa 31 2.6.2 Khởi động quần thể 32 2.6.3 Hàm thích nghi 32 2.6.4 Các phép toán di truyền 32 2.6.5 Điều kiện dừng 33 2.6.6 Kết 33 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu Chương 3: TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 34 3.1 Cơng trình nghiên cứu “An Investigation of Genetic Algorithm and Sequential Local Search Approach for Curriculum-based Course Timetabling Problems” Abdullah, Turabieh, Mccollum, and Burke (2009) 34 3.1.1 Giới thiệu tóm tắt 34 3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 34 3.1.3 Các ràng buộc 34 3.1.4 Mô tả giải thuật 35 3.1.5 Kết thực nghiệm 37 3.2 Cơng trình nghiên cứu “Using Genetic Algorithms to Solve the South African School Timetabling Problem” Raghavjee Pillay (2010) 40 3.2.1 Giới thiệu tóm tắt 40 3.2.2 Phạm vi nghiên cứu 41 3.2.3 Các ràng buộc 41 3.2.4 Mô tả giải thuật 41 3.2.5 Kết thử nghiệm 44 3.3 Cơng trình nghiên cứu “Time Table Scheduling Using Genetic Algorithms Employing Guided Mutation” Sapru, Reddy Sivaselvan (2010) 45 3.3.1 Giới thiệu 45 3.3.2 Phạm vi nghiên cứu 46 3.3.3 Các ràng buộc 46 3.3.4 Mô tả giải thuật 46 3.3.5 Kết thử nghiệm 49 3.4 Cơng trình nghiên cứu “Genetic Algorithms and Local Search Strategies for University Course Timetabling” Yang Jat (2011) 52 3.4.1 Giới thiệu tóm tắt 52 3.4.2 Phạm vi nghiên cứu 53 3.4.3 Các ràng buộc 53 3.4.4 Mô tả giải thuật 54 3.4.5 Kết thử nghiệm 61 3.5 Đánh giá chung 65 Chương 4: KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG THỰC TẾ CHO BÀI TOÁN 67 4.1 Danh sách bậc đào tạo - ngành đào tạo - loại hình đào tạo 67 4.2 Danh sách khóa học 67 4.3 Danh sách lớp học 67 4.4 Danh sách khoảng thời gian sử dụng giảng dạy ngày 68 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu 4.5 Danh sách mơn học 68 4.5.1 Danh sách môn học ngành khoa học máy tính 68 4.5.2 Danh sách môn học ngành tin học ứng dụng 72 4.6 Danh sách phòng học 74 4.7 Danh sách giảng viên - phân công giảng dạy 75 4.7.1 Danh sách giảng viên hữu 75 4.7.2 Danh sách giảng viên thỉnh giảng 76 Chương 5:ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀO BÀI TOÁN XẾP THỜI KHÓA BIỂU 78 5.1 Phát biểu toán 78 5.2 Khái quát mô hình chung giải thuật 79 5.3 Khởi tạo quần thể ban đầu 80 5.4 Mã hóa nhiễm sắc thể 83 5.5 Hàm thích nghi - chọn cá thể 84 5.6 Các toán tử giải thuật di truyền toán 84 5.7 Các ràng buộc toán 85 5.8 Các chiến lược tìm kiếm ứng dụng toán 85 5.9 Điều kiện dừng toán 89 Chương 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG XẾP THỜI KHÓA BIỂU 91 6.1 Mô tả thực thể 91 6.1.1 Thực thể môn học 91 6.1.2 Thực thể phòng 91 6.1.3 Thực thể giảng viên 92 6.1.4 Thực thểgiảng viên_môn học 92 6.1.5 Thực thể mơn học_phịng 93 6.1.6 Thực thể kiện 93 6.1.7 Thực thể thời khóa biểu 94 6.2 Mơ hình Use Case 94 6.2.1 Đặc tả Use Case: 94 6.2.2 Mơ hình Use Case: 97 6.3 Mơ hình 100 6.4 Mơ hình trạng thái 104 6.5 Mơ hình cộng tác 107 6.6 Thiết kế sở liệu 111 6.7 Thế kế giao diện 112 Chương 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 118 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu Chương 8: TỔNG KẾT 121 8.1 Kết luận 121 8.1.1 Kết đạt 121 8.1.2 Hạn chế 121 8.2 Hướng phát triển 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC 123 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Số Bảng 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 7.1 DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên Bảng Các thông số sử dụng giải thuật Kết thu có so sánh giải pháp Giá trị biến toán trường tiểu học Giá trị biến toán trường trung học Giá trị ràng buộc Dữ liệu cho toán Các biến dùng khảo sát Giá trị biến sau 50 lần chạy So sánh kết giải pháp Danh sách bậc - ngành - loại hình đào tạo Các khóa học khoa Các lớp khoa Các khoảng thời gian sử dụng ngày Các môn học học kỳ bậc đại học Các môn học tự chọn phần A Các môn học tự chọn phần B Các môn học tự chọn phần C Các môn học học kỳ bậc cao đẳng Các môn học tự chọn Các phòng học chuyên dụng Danh sách giảng viên hữu Danh sách giảng viên thỉnh giảng Giá trị tham số giải thuật Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Số Hình 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 DANH MỤC HÌNH VẼ Tên Hình Các tốn tử giải thuật di truyền Lai ghép đồng Lai ghép số học Mơ hình tốn tử chung cho giải thuật di truyền Sơ đồ cấu trúc giải thuật di truyền Mã hóa theo cấu trúc Thuật tốn giải thuật Sơ đồ giải thuật cơng trình nghiên cứu Mơ hình mơ tả giải thuật Mã giả chọn lọc cạnh tranh Giải thuật toán tử đột biến Giải thuật di truyền có mục đích Trường hợp đột biến có dẫn Trường hợp đột biến có dẫn Trường hợp đột biến có dẫn Trường hợp đột biến có dẫn Giải thuật tìm kiếm cục Giải thuật di truyền tìm kiếm có dẫn Cấu trúc MEM Toán tử trao đổi chéo Giải thuật tìm kiếm cục Mơ hình use case tổng qt Mơ hình use case đăng nhập Mơ hình use case nhập liệu Mơ hình use case TKB Mơ hình use case xem TKB Mơ hình use case chỉnh sửa TKB Mơ hình cho use case đăng nhập Mơ hình cho use case nhập liệu Mơ hình cho use case xóa liệu Mơ hình cho use case chỉnh sửa liệu Mơ hình cho use case TKB Mơ hình cho use case xem TKB Mơ hình cho use case chỉnh sửa TKB Mơ hình trạng thái tổng qt Mơ hình trạng thái đăng nhập Mơ hình trạng thái nhập liệu Mơ hình trạng thái TKB Mơ hình trạng thái xem TKB Mơ hình trạng thái chỉnh sửa TKB 10 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu Hình 6.30: Giao diện quản lý phịng học Hình 6.31: Giao diện quản lý giảng viên 113 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu Hình 6.32: Giao diện tùy chỉnh liệu Hình 6.33: Giao diện quản lý mơn học 114 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu Hình 6.34: Cài đặt tham số Hình 6.35: Cài đặt tham số nâng cao 115 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu Hình 6.36: Cài đặt xác suất Hình 6.37: Xem TKB tất mơn 116 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu Hình 6.38: Xem TKB theo giảng viên Hình 6.39: User 117 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu Chương 7: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hệ thống xây dựng ngôn ngữ C# Công cụ thiết kế hệ thống: Rational Rose Hệ quản trị sở liệu: SQL Server 2008 Sau cài đặt chương trình, kiểm chứng liệu sau cho kết thực nghiệm khả thi: Về số lượng phịng: có 46 phịng dùng để thời khóa biểu, có 35 phịng sử dụng với chức lý thuyết 11 phòng sử dụng cho chức thực hành Về số lượng mơn học:có 60 mơn học chia thành 170 nhóm lý thuyết thực hành Tức có 170 kiện dùng đểđưa vào 46 phịng Về số lượng giảng viên: có 17 giảng viên bao gồm giảng viên hữu giảng viên thỉnh giảng phân công giảng dạy mơn Về thời gian: có 72 khoảng thời gian tương đương với 72 tiết học tuần đánh số liên tiếp từ đến 72 Các tham số cho giải thuật Xác suất đột biến Xác suất chọn Xác suất trao đổi chéo Phần trăm số lượng cá thể tốt  Giá trị 0.5 0.5 0.5 0.4 Phần trăm số kiện tạo cá thể  0.5 Phần trăm chọn cách tạo cá thể  0.6 20 Tần suất cập nhật MEM  Số cá thể 50 Bảng 7.1: Giá trị tham số giải thuật 118 Độ thích nghi Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Số hệ 20 30 40 50 60 Thời gian chạy - phút Hình 7.1: Biểu đồ giá trị thích nghi Thời gian 20 15 10 Số hệ 20 30 40 50 60 Hình 7.2: Biểu đồ thời gian chạy Ở tất lần chạy giải thuật ln giữ lại cá thể có độ thích nghi cao Điều có nghĩa trình thực thi giải thuật giữ lại cá thể có giá trị thích nghi cao thời điểm Khi đạt điều kiện dừng 119 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu giải thuật lấy cá thể có giá trị thích nghi cao làm kết cho q trình thực thi 120 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu Chương 8: TỔNG KẾT 8.1 Kết luận 8.1.1 Kết đạt Tìm hiểu khái quát giải thuật di truyền: lịch sử phát triển, đặc điểm đặc trưng giải thuật di truyền, khái niệm quy luật giải thuật di truyền, toán tử, tham số, công thức, thành phần giải thuật di truyền Có thể hiểu rõ ví dụ minh họa cho giải thuật tìm x để x*x = 64 Tìm hiểu phân tích đánh giá số cơng trình, báo khoa học nghiên cứu việc xếp thời khóa biểu cách ứng dụng giải thuật di truyền từ năm 2009 đến năm 2011 Áp dụng giải thuật di truyền chiến lược tìm kiếm cục lấy ý tưởng từ báo “Genetic Algorithms and Local Search Strategies for University Course Timetabling” Yang Jat (2011) vào tốn xếp thời khóa biểu cho khoa công nghệ thông tin trường Đại học Tơn Đức Thắng Có xem xét điều chỉnh cho phù hợp với trạng khoa Khi xếp thời khóa biểu, hệ thống cho phép giảng viên đăng kí trước lịch rảnh mơn đảm nhận học kỳ Thời khóa biểu đồng thời xếp lịch học cho sinh viên lịch giảng dạy cho giảng viên 8.1.2 Hạn chế Phần mềm chưa hỗ trợ chức in thời khóa biểu chức giúp đỡ cho người sử dụng… Hệ thống xem xét thời khóa biểu mức nhóm chưa xem xét thời khóa biểu mức sinh viên 8.2 Hướng phát triển Phát triển hệ thống lớn hơn, hoàn thiện để thời khóa biểu cho toàn trường với nhiều chức khác tiện lợi cho người dùng Hoàn thiện chức hiệu chỉnh để người dùng linh động q trình hiệu chỉnh thời khóa biểu Đặc biệt chức kéo thả để hiệu chỉnh thời khóa biểu theo ý muốn người dùng mà đảm bảo khơng vi phạm ràng buộc cứng 121 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Duong Tuan Anh, Vo Hoang Tam, and Nguyen Quoc Viet Hung, Generating Complete University Course Timetables by Using Local Search Methods(2006) [2] Hồng Chính Nghĩa, Báo cáo đồ án tốt nghiệp tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn lập lịch, Đại học dân lập Hải Phịng 2009 [3] Nguyễn Đình Thúc, Lập trình tiến hóa, Nhà xuất Giáo dục [4] Nguyễn Thị Thúy Hoài, Thuật giải di truyền ứng dụng, Hội nghị báo cáo nghiên cứu khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng 2008 [5] T.Loan, C.Thi, K.Loan, T.Thắm, Áp dụng giải thuật di truyền tìm kiếm cục để giải tốn thời khóa biểu cho khoa cơng nghệ thông tin trường ĐH Nông Lâm, Đại học Nông Lâm [6] A.Eiben, J.Smith Introduction To Evolutionary Computing, 2003 [7] Manar Hosny and Shameem Fatima,A survey of genetic algorithms for the university timetabling problem, College of Computer and Information Sciences [8] S Abdullah, H Turabieh, B McCollum, and E K Burke, An Investigation of Genetic Algorithm and Sequential Local Search Approach for Curriculum-based Course Timetabling Problems, in Proc Multildisciplinary International Conference on Scheduling: Theory and Applications (MISTA 2009), Dublin, Ireland (2009), pp 727-731 [9] S Yang and S N Jat, "Genetic Algorithms and Local Search Strategies for University Course Timetabling", IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part C: Applications and Reviews, Vol 41, no (2011), pp 93-106 [10] R Raghavjee and N Pillay, Using Genetic Algorithms to Solve the South African School Timetabling Problem, in Proc Second World Congress on Nature and Biologically Inspired (NaBIC) (2010), pp 286-292 [11] V Sapru, K Reddy, and B Sivaselvan, Timetable Scheduling Using Genetic Algorithms Employing Guided Mutation, in Proc.IEEE International Conference on Computational Intelligence and Computing Research (ICCIC) (2010), pp 1-4 122 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu PHỤ LỤC Hướng dẫn sử dụng phần mềm Các chức hệ thống sử dụng người dùng đăng nhập thành cơng Vì thế, bắt đầu chạy chương trình hệ thống ln trang đăng nhập để người dùng đăng nhập vào hệ thống Người dùng phải điền đầy đủ thông tin tên đăng nhập, mật mã Click nút đăng nhập để đăng nhập vào hệ thống Nếu người dùng nhập sai tên hay mật mã hệ thống thơng báo yêu cầu nhập lại Còn người dùng nhập thơng tin đăng nhập thành công vào hệ thống hệ thống hiển thị hình chức sau: 123 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu Ở giao diện quản lý người dùng thấy chức hệ thống người dùng cần click chuột lên chức mà muốn thao tác được: Danh sách phịng: người dùng quản lý thơng tin (tên phịng, sức chứa,chức năng, trạng) tất phòng dùng để xếp thời khóa biểu Người dùng chỉnh sửa trực tiếp dòng liệu cách click chuột vào dịng liệu sau click nút “Lưu” để lưu liệu Khi thao tác xong người dùng click nút “Trở về”để trở hình quản lý Giảng viên: người dùng quản lý thơng tin (họ tên, cấp, loại giảng viên, bận…) tất giảng viên có tham gia giảng dạy mơn mở học kỳ Đối với bận giảng viên ta chọn giảng viên rê chuột vào khung bên click phải chuột để chọn bận cho giảng viên sau lưu lại Ví dụ, giảng viên Đỗ Thục Đoan bận vào tiết 1, 2, thứ thứ ta chọn Đỗ Thục Đoan xuống khung bên rê chuột tiết 1, 2, ngày thứ thứ sau nhận chuột phải lưu lại 124 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu Mơn học: người dùng quản lý thơng tin (mã môn, tên môn, số chỉ, số sinh viên, loại môn) tất môn học mở học kỳ Người dùng chỉnh sửa trực tiếp dòng liệu cách click chuột lên dịng liệu Nếu người dùng muốn xóa click phải chuột lên dịng liệu muốn xóa chọn chức “xóa mơn học” hay “xóa tất mơn học” muốn xóa hết sau click nút “ Lưu”để lưu lại liệu Người dùng click nút “Trở về”để quay hình quản lý chức Tùy chọn liệu: người dùng quản lý thơng tin mơn học mở học kỳ giảng viên tham gia giảng dạy học kỳ Người dùng chỉnh sửa thơng tin cách click vào dịng liệu để chỉnh sửa Muốn gán cho giảng viên dạy mơn người dùng cần chọn mơn học khung danh sách môn học xuống khung danh sách giảng viên chọn giảng viên dạy mơn click phải chuột chọn chức “chọn dạy môn này” hay “không dạy môn này” không muốn giảng viên chọn dạy mơn khơng cịn dạy Người dùng click nút “Trở ”để quay hình quản lý chức 125 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào tốn xếp thời khóa biểu 126 Tìm hiểu giải thuật di truyền ứng dụng vào toán xếp thời khóa biểu Sắp thời khóa biểu: người dùng chọn chức hệ thống tự động thời khóa biểu dựa liệu có sẵn thông số mặc định Xem kết quả: người dùng xem thời khóa biểu theo tùy chọn xem theo giảng viên, xem thời khóa biểu chung, hay xem theo phòng Tùy chọn: người dùng nhập thơng số cho giải thuật di truyền chức In thời khóa biểu: người dùng in thời khóa biểu 127