Tìm hiểu thuật toán di truyền và xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín chỉ

Lời cảm ơn Đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô giảng viên Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin Tốn Ứng Dụng trường Đại Học Tơn Đức Thắng tận tình giúp đ ỡ, dìu dắt chúng em, tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập nghiên cứu suốt bốn năm theo học trường để chúng em đạt thành ngày hôm Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Lê Thị Ngọc Thảo, giảng viên trực tiếp hướng dẫn chúng em thực đề tài Nhờ giúp đỡ nhiệt thành cô, chúng em h ọc nhiều điều bổ ích, đúc kết nhiều kinh nghiệm mà chúng em biết hữu ích cho cơng việc nghiên cứu sau Và nhờ dìu dắt tận tình cơ, chúng em hoàn thành đ ề tài tốt nghiệp đạt thành định Sau cùng, chúng em gửi lời cảm ơn đến gia đình t ất người bạn, khích lệ, động viên, giúp đỡ chúng em chúng em gặp khó khăn để chúng em theo đuổi hoàn thành đề tài tốt nghiệp Đề tài chúng em thực chắn tránh khỏi sai sót, kính mong góp ý chân thành giúp đỡ q thầy bạn Nhóm sinh viên thực đề tài: PHẠM HỮU KHÁNH & NGUYỄN AN KHƯƠNG Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Nhận xét giảng viên hướng dẫn SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Nhận xét giảng viên phản biện SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Mục lục Lời cảm ơn Nhận xét giảng viên hướng dẫn Nhận xét giảng viên phản biện Chương 1: Giới thiệu tổng quan 1.1 Tổng quan toán xếp TKB: 1.2 Mục tiêu tìm hiểu, nghiên cứu phát triển đề tài Chương 2: Giới thiệu thuật giải di truyền 2.1 Lịch sử hình thành 2.2 Giới thiệu thuật giải di truyền: 2.3 Khái niệm 11 2.4 Các thành phần thuật giải di truyền 15 Chương 3: Mơ hình tốn xếp thời khóa biểu hệ tín 29 3.1 Tổng quan chế độ đào tạo đại học VN (niên chế - tín chỉ) 29 3.2 Phân loại mơ hình xếp Thời khóa biểu 32 3.7 Ánh xạ toán xếp thời khóa biểu vào thuật giải di truyền 41 3.7.1 Khái niệm lớp ảo tốn xếp thời khóa biểu hệ tín 41 3.7.2 Phân tích u cầu tốn 42 3.7.3 Dữ liệu toán 43 3.7.4 Các ràng buộc 44 3.7.4.1 Ràng buộc liệu nhập vào 44 3.7.4.2 Ràng buộc nghiệp vụ - thời gian 44 3.7.4.3 Ràng buộc nghiệp vụ - chuyên môn 45 3.8 Ứng dụng thuật giải di truyền vào tốn xếp thời khóa biểu 45 3.8.1 Giai đoạn 1- Xếp thời khóa biểu lớp 45 3.8.1.1 Chọn mơ hình cá thể 45 3.8.1.2 Tạo quần thể ban đầu 48 SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang Tìm hiểu thuật toán di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín 3.8.1.3 Độ thích nghi – Chọn cá thể 48 3.8.1.4 Thuật toán lai ghép đột biến 49 3.8.2 Giai đoạn – Xếp lịch học cho toàn sở 50 3.8.2.1 Chọn mơ hình cá thể 50 3.8.2.2 Tạo quần thể ban đầu 51 3.8.2.3 Độ thích nghi – Chọn cá thể 51 3.8.2.4 Thuật toán lai ghép Đột biến 52 3.8.3 Chọn điểm dừng thuật toán 52 Chương 4: Xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu 53 4.1 Hiện trạng hoạt động xếp thời khóa biểu nhà trường 53 4.2 Nhu cầu giải khó khăn tồn động nhà trường 53 4.3.1 Các yêu cầu chức 54 4.3.1.1 Chức lưu trữ 54 4.3.1.2 Chức tra cứu 54 4.3.1.3 Chức tính tốn 55 4.3.1.4 Chức chiết xuất 55 4.3.1.5 Các yêu cầu phi chức 55 4.4 Các ràng buộc toán 55 4.5.1 Lược đồ mơ hình usecase: 57 4.7 Một số hình giao diện phần mềm 72 Chương 5: Đánh giá tổng kết đề tài 82 5.1 Đánh giá tổng quan đề tài: 82 5.1.1 Những vấn đề đạt đề tài 82 5.1.2 Những vấn đề chưa đạt đề tài 82 5.2 Kết thân nhóm đạt được: 83 5.3 Hướng phát triển mở rộng đề tài tương lai: 83 Tài Liệu Tham khảo: 84 SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Chương 1: Giới thiệu tổng quan 1.1 Tổng quan toán xếp TKB: Bài toán xếp Thời khóa biểu từ lâu trở thành tốn tiếng thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu, nhiều chuyên gia lĩnh vực liên quan Sự tiếng toán không đo độ phức tạp vấn đề, mà cịn tính thực tiễn, khả áp dụng cao thực tế Với nhà trường nào, thời khóa biểu học tập học sinh giảng dạy giáo viên xương sống kết nối toàn hoạt động nhà trường Chính lẽ tốn xếp Thời khóa biểu trở thành vấn đề quan trọng bậc nhà trường Trong trường đại học, việc xếp thời khóa biểu cán Phịng Đào T ạo thực Người cán phải có kinh nghiệm tỉ mỉ để thực thao tác như: chia tách, ghép học môn học, thao tác phân bổ tiết học - tuần học nhóm mơn, thao tác xếp ngày nghỉ Cán phụ trách xếp TKB phải thực hồn tồn thủ cơng thao tác trên, nhiều thời gian công sức Đặc biệt số mơn học cần phân bổ lịch lớn (có thể lên đến trăm môn tương ứng với khoa đào tạo chuyên ngành) nhà trường có hạn chế như: - Hạn chế phòng học, đặc biệt phòng thực hành phòng chuyên dụng Mỗi phịng học lại có sức chứa tính chất khác - Nếu nhà trường có nhiều sở, việc xếp phòng học thuận tiện cho việc di chuyển học vấn đề khó khăn lớn - Tình trạng giảng viên cịn thiếu Tất dẫn đến việc thời khóa biểu vào đầu học trở thành thách thức lớn, tốn khó cán phụ trách công tác SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín 1.2 Mục tiêu tìm hiểu, nghiên cứu phát triển đề tài Việc tìm hiểu, nghiên cứu đề tài nhằm hướng đến mục tiêu tìm thuật toán tối ưu phù hợp với tốn xếp thời khóa biểu, kết hợp với sức mạnh công nghệ thông tin để xây dựng nên phần mềm hỗ trợ xếp thời khóa biểu hệ tín SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Chương 2: Giới thiệu thuật giải di truyền 2.1 Lịch sử hình thành Trước tiên, ý niệm thuật giải di truyền số nhà sinh vật học đưa từ năm 50-60, kỉ XX A.S Fraser người phong nêu lên tượng đồng tiến hóa sinh vật chương trình tin h ọc giả tưởng Genetic Algorithms Trong năm 70, thuật giải di truyền nghiên cứu ứng dụng thành công việc giải trường hợp phức tạp Tuy nhiên, John Henry Holland người triển khai ý ưt ởng phương thức giải vấn đề dựa theo tiến hóa người Từ giảng, báo mình, ơng đúc kết ý tư ởng vào sách đầu tay Adaltation in Natural anh Artificial Systems, xuất năm 1975 Dựa lý thuyết GA Holand, Keneth De Jong tri ển khai chứng minh thành ơng thực góp phần quan trọng việc tạo tảng toán học cho lý thuyết GA Lần Holand nghiên cứu thuật giải này, chúng hồn tồn khơng có tên Do nguồn gốc phương pháp từ gen di truyền, Holand đặt tên cho thuật giải di truyền 2.2 Giới thiệu thuật giải di truyền: Trong thực tiễn, có nhiều tốn tối ưu quan trọng địi hỏi thuật giải chất lượng cao Ví dụ, ta áp dụng phương pháp mơ luyện thép để giải tốn tìm đường ngắn cho xe cứu hỏa… Cũng có nhiều tốn tối ưu tổ hợp giải gần máy tính đại kỹ thuật MonteCarlo Nói chung, tốn tối ưu xem tốn tìm lời giải (tốt nhất) khơng gian giải pháp (khơng gian vơ lớn.) Khơng gian tìm kiếm nhỏ, phương pháp cổ điển thích hợp áp dụng để tìm lời giải Nhưng khơng gian tìm ki ếm lớn cần phải áp dụng kỹ thuật Trí SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang Tìm hiểu thuật toán di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Tuệ Nhân Tạo đặc biệt Thuật giải di truyền (GA) kỹ thuật GA loại thuật giải mô tượng tự nhiên: kế thừa đấu tranh sinh tồn để cải tiến lời giải khảo sát không gian lời giải Khái niệm kế thừa đấu tranh giải thích qua thí dụ tiến hóa sau đây: Có quần thể thỏ, có nhanh nhẹn thông minh khác Những thỏ nhanh nhẹn thơng minh có xác suất bị chồn cáo ăn thịt nhỏ Do đó, chúng tồn để làm tốt có thể: tạo thêm nhiều thỏ nhanh nhẹn thơng Quần thể thỏ sống bắt đầu sinh sản tạo hỗn hợp tốt “nguyên liệu di truyền thỏ” Thỉnh thoảng, thiên nhiên lại tạo thỏ “mới” cách làm đột biến nguyên liệu di truyền Những thỏ hệ sau nhanh hơn, thông minh quần thể gốc có nhiều bố mẹ nhanh nhẹn thơng minh chết khỏi chồn cáo, tồn sinh sản thỏ Quá trình xảy tương tự với chồn, cáo Bởi không, chồn cáo không đủ nhanh thông minh để bắt hệ thỏ sau Khi tìm kiếm lời giải tối ưu, thuật giải di truyền thực bước tương tự với câu chuyện đấu tranh sinh tồn loài thỏ Thuật giải di truyền sử dụng thuật ngữ vay mượn di truyền học Mỗi lời giải cá thể (hay kiểu gen, cấu trúc) Những cá thể gọi chuỗi hay nhiễm sắc thể Các nhiễm sắc thể tạo thành từ đơn vị - gen- gen kiểm soát đặc trưng Một quần thể, tập hợp nhiễm sắc thể, đại diện cho không gian lời giải Một tiến trình tiến hóa thực quần thể q trình tìm kiếm lời giải khơng gian lời giải Tìm kiếm cần cân đối hai mục tiêu: • Khảo sát khơng gian tìm kiếm • Khai thác lời giải tốt SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Thuật giải GA thuộc lớp thuật giải xác suất, lại khác với thuật giải ngẫu nhiên chúng kết hợp phần tử tìm kiếm trực tiếp ngẫu nhiên Khác biệt quan trọng tìm kiếm GA phương pháp ìm t ki ếm khác GA trì xử lý tập lời giải (ta gọi quần thể) phương pháp tìm ki ếm khác xử lý điểm khơng gian tìm kiếm Chính thế, GA mạnh phương pháp tìm kiếm có nhiều Ta so sánh GA với hai phương pháp sử dụng rộng rãi - Leo đồi Mơ luyển thép: • Phương pháp leo đồi dùng kĩ thuật lặp áp dụng cho điểm (điểm hành khơng gian tìm kiếm) Trong bước lặp, điểm chọn từ lân cận điểm hành (vì leo đồi cịn gọi tìm kiếm lân cận hay tìm kiếm cục bộ) Nếu điểm cho giá trị tốt hơn, điểm trở thành điểm hành Nếu không, lân cận khác chọn thử Q trình dừng khơng cải tiến thêm cho lời giải hành Như phương pháp leo đồi cung cấp giá trị tối ưu cục giá trị phụ thuộc nhiều vào điểm khởi đầu Hơn khơng có thơng tin sẵn có sai số tương đối, thỏa tối ưu tồn cục lời giải tìm đư ợc Để tăng hội thành công, phương pháp leo đồi thường thực nhiều lần; lần với điểm khởi đầu khác Những điểm khởi đầu không thiết chọn ngẫu nhiên mà tập hợp điểm khởi đầu lần thực thi phụ thuộc vào kết lần chạy trước • Kỹ thuật Mơ luyện thép kỹ thuật khắc phục bất lợi leo đồi Lời giải khơng cịn phụ thuộc nhiều vào điểm khởi đầu thường gần với điểm tối ưu Đạt điều nhờ đưa vào xác suất nhận p Xác suất p hàm theo giá trị hàm mục tiêu SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 10 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín 4.6.9 Nhóm mơn học - Tên bảng: NhomMonHoc - Chức năng: Lưu thông tin nhóm mơn học mở học kỳ Tên Kiểu Ràng Liên kết thuộc tính liệu buộc khóa ngoại NhomID int PK MonHocID int FK ThuTuNhom int Số thứ tự nhóm mơn học SiSo int Sĩ số nhóm mơn học Mơ tả Mã nhóm mơn học MonHoc Mã Mơn học 4.6.10.Lịch học nhóm - tên bảng: LichHocNhom - chức năng: Lưu thời gian học nhóm mơn học Tên tḥc tính Kiểu liệu Ràng buộc LichHocID int PK NhomID ThuID TietBatDau SoTiet PhongID int int int int int TuanBatDau1 int SoTuan1 int TuanBatDau2 int SoTuan2 int Liên kết khóa ngoại Mô tả Mã lịch học nhóm mơn học NhomMonHoc Mã Mơn học Thu Thứ tuần Tiết bắt đầu nhóm Số tiết học nhóm Phong Phịng học Tuần bắt đầu năm học đến thi 20% SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Tuần bắt đầu năm học đến thi 70% Trang 70 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín 4.6.11.Môn học - Tên bảng: MonHoc - Chức năng: Lưu thông tin môn học trường Tên Kiểu Ràng Liên kết thuộc tính dữ liệu buộc khóa ngoại MonHocID int TRUE TenMonHoc nvarchar (50) HeID int SoChi int Tổng số tiết SoChiLyThuyet int Số tiết lý thuyết SoChiThucHanh int Số tiết thực hành Mô tả Mã môn học Tên mơn học HeDaoTao Mã hệ đào tạo 4.6.12 Tính chất môn - Tên bảng: TinhChatMon - Chức năng: Lưu tính chất mơn học Tên Kiểu Ràng tḥc tính dữ liệu buộc TinhChatMonID int TRUE Ten nvarchar (50) SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Liên kết khóa Mơ tả ngoại Mã tính chất mơn Tên tính chất (mơn chung, mơn riêng) Trang 71 Tìm hiểu thuật toán di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín 4.6.13.Chương trình đào tạo - Tên bảng: ChuongTrinhDaoTao - Chức năng: Lưu trữ chương trình đào tạo ngành, khoa khóa trường Kiểu Tên tḥc tính liệu Ràng Liên kết buộc khóa ngoại Mô tả Mã chương trình đào tạo chuẩn CTDaoTaoID int TRUE MonHocID int FK MonHoc Mã môn học HeDaoTaoID int FK HeDaoTao Mã hệ đào tạo NganhID int FK Nganh Mã ngành đào tạo SoTinChi int 4.7 Số tín mơn học Một số hình giao diện phần mềm Màn hình danh mục nhập liệu SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 72 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình nhập liệu từ file Excel Màn hình xem sửa liệu Ngành đào tạo SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 73 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình xem/ Sửa liệu Cơ sở SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 74 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình Xem/Sửa Giờ học tuần SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 75 Tìm hiểu thuật toán di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình Xem/Sửa Hệ đào tạo SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 76 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình Xem/Sửa Học kỳ SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 77 Tìm hiểu thuật toán di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình Xem/Sửa Môn Học SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 78 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình Xem/Sửa Niên khóa SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 79 Tìm hiểu thuật toán di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình Xem/Sửa Tính chất phịng SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 80 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Màn hình tạo Lớp ảo Màn hình Xếp thời khóa biểu SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 81 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Chương 5: Đánh giá tổng kết đề tài 5.1 Đánh giá tổng quan đề tài: 5.1.1 Những vấn đề đạt đề tài a Về mặt học thuật: Trong nội dung luận văn, nhóm tìm hiểu phân tích khái niệm, khía cạnh thuật tốn di truyền Đồng thời, nhóm trình bày đư ợc cách cụ thể rõ ràng chế, nội dung toán tử thuật toán di truyền Từ có tảng sở lý thuyết cho việc cài đặt thuật giải, xa ứng dụng thuật giải vào toán thực tế phần mềm xếp thời khóa biểu Đại học hệ tín b Về mặt ứng dụng: Nhóm tìm hiểu quy chế đào tạo hệ tín theo quy định Bộ giáo dục, từ có hiểu biết cần thiết để tiếp cận hiểu quy trình xếp thời khóa biểu hệ tín chỉ, rút khó khăn cịn tồn việc xếp thời khóa biểu Nhóm cài đặt thành cơng thuật tốn di truyền ngơn ngữ lập trình C#, tảng cơng cụ lập trình Visual Studio 2008, Dot NET 3.5 Về sản phẩm, nhóm xây dựng chương trình xếp thời khóa biểu với tính bản: quản lý chương trình đào t ạo, từ điển phịng học, từ điển mơn học…, áp dụng thuật toán di truyền nhằm tối ưu kết chương trình 5.1.2 Những vấn đề chưa đạt đề tài a Về mặt học thuật: Vì lý khách quan đ ến từ hạn chế thời gian tìm hiểu, từ độ khó thuật toán di truyền từ kinh nghiệm nghiên cứu thuật tốn nhóm chưa nhiều, nên nhóm chưa thể tìm hiểu thuật toán di truyền sâu hơn, chưa tìm hiểu thuật tốn khác, nhằm tìm thuật tốn thích hợp cho tốn xếp thời khóa biểu b Về mặt ứng dụng: Sản phẩm dừng lại mức độ hỗ trợ tính quản lý liệu, xếp thời khóa biểu Phần mềm ch ưa hỗ trợ người dùng tùy chỉnh kết SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 82 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín thời khóa biểu giao diện chọn – kéo - thả thời gian học, giao diện phần mềm chưa đẹp chưa thân thiện với người dùng Thời gian xử lý phần mềm hạn chế lớn Kết thân nhóm đạt được: 5.2 Nhóm có kinh nghiệm việc tìm hiểu, phân tích thuật tốn, có thêm kiến thức thuật tốn di truyền, từ có sở để đến với tri thức trí tuệ nhân tạo Thơng qua luận văn, nhóm h ọc nhiều kỹ cần thiết cho tương lai như: kỹ làm việc nhóm, kỹ lên kế hoạch phân bổ thời gian, kỹ tra cứu tìm hiểu thơng tin qua mạng Mặc dù phần mềm nhóm xây dựng chưa phải phần mềm lớn, thông qua đó, nhóm có dịp ứng dụng kiến thức tích lũy đư ợc giảng đường vào dự án thực tế Hướng phát triển mở rộng đề tài tương lai: 5.3 a Về thuật tốn: Nhóm tìm hiểu sâu thuật tốn di truyền, khơng ngừng tìm tịi, khám phá thêm thuật toán khác, nhằm nâng cao kiến thức, hiểu biết cho thân tìm m ột thuật toán phù hợp cho toán xếp thời khóa biểu b Về sản phẩm phần mềm: Phần mềm xây dựng thêm tính cao cấp hỗ trợ người dùng thay đổi thời khóa biểu cách trực quan thơng qua giao diện kéo thả Cải thiện tối ưu mã nguồn thiết kế sở liệu để nâng cao tốc độ xử lý phần mềm Cải thiện giao diện người dùng cho đẹp thân thiện Phần mềm hoàn thiện ứng dụng thử nghiệm xếp lịch học cho sở đào tạo Đại học, từ triển khai đến nơi khác, nhằm giảm gánh nặng cán xếp thời khóa biểu vào đầu học kỳ SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 83 Tìm hiểu thuật tốn di truyền xây dựng ứng dụng xếp thời khóa biểu đại học hệ tín Tài Liệu Tham khảo: [1] Genetic Algorithms + Data Structures + Evolution Programs (Third, Revised and Extended Edition) - Zbigniew Michalewicz, University of North Calorina, USA [2] Lập Trình Tiến Hóa – Nguyễn Đình Thúc – Nhà Xuất Bản Giáo Dục [3] http://www.genetic-programming.org/ SVTH: Nguyễn An Khương & Phạm Hữu Khánh Trang 84