XÂY DỰNG GIẢI PHÁP LẬP THỜI KHÓA BIỂU TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỒ ÁN MÔN HỌC THUẬT TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP LẬP THỜI KHÓA BIỂU TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM GVHD : PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH : Lê Thành Nguyên MSHV : CH1301102 TP HCM, Tháng 09 năm 2014 MỤC LỤC 2 DANH MỤC BẢNG 3 DANH MỤC HÌNH 4 GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên PHẦN 1: MỞ ĐẦU Nước ta đang thực hiện công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa nhằm thúc đẩy nền kinh tế phát triển mạnh mẽ. Trong quá trình này, vai trò nền tảng của giáo dục, đặc biệt là giáo dục Đại học đã được xã hội ghi nhận và phát huy. Từ đó, nhiệm vụ giáo dục và cấu trúc quản lý của hệ thống đào tạo đại học đang đối mặt với một thử thách to lớn trước sự tăng trưởng theo cấp số nhân của số lượng sinh viên và yêu cầu ngày càng cao của xã hội. Để đáp ứng nhu cầu trên, hệ thống đào tạo theo tín chỉ đã ra đời và được hầu hết các trường đại học trong cả nước áp dụng. Song song đó đã phát sinh hàng loạt những thách thức trước yêu cầu thay đổi cơ sở hạ tầng quản lý. Trong đó, việc xếp thời khóa biểu và chương trình xếp thời khóa biểu môn học là một trong những yêu cầu không thể thiếu trong hệ thống đào tạo theo học chế tín chỉ. Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh không phải là ngoại lệ, được nâng cấp từ trường Cao đẳng Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh với cơ sở hạ tầng quản lý đào tạo áp dụng cho hệ niên chế. Theo xu thế phát triển chung, trường đã áp dụng hệ thống học chế tín chỉ, tuy nhiên, hệ thống phần mềm quản lý đào tạo chưa được nâng cấp kịp thời gây khó khăn nhất định trong công tác quản lý, đặc biệt là công tác lập và quản lý thời khóa biểu giảng dạy. Với số lượng sinh viên ngày càng tăng gây sức ép lớn trong phân bổ nguồn tài nguyên và sẽ rất khó khăn nếu xếp lịch thủ công. Như chúng ta đã biết việc xếp thời khóa biểu theo phương pháp thủ công của con người phải tốn rất nhiều thời gian và công sức,… nhưng hiệu quả đem lại không cao. Chính vì điều đó đã thu hút nhiều nhà khoa học, các chuyên gia đã nghiên cứu ứng dụng khoa học máy tính vào việc xếp thời khóa biểu cho các trường đại học, cao đẳng, phổ thông…và đã đạt được một kết quả thỏa mãn nhất định. Tuy nhiên, mỗi trường có những đặc thù về quy trình công việc, cơ sở vật chất,…cần giải quyết khác nhau. Từ những khó khăn trên, đề tài này đã được thực hiện từ tháng 12/2013 nhằm đưa ra giải pháp lập thời khóa biểu tự động và phát triển ứng dụng lập thời khóa biểu học kỳ đáp ứng nhu cầu đào tạo cũng như tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên hạn hẹp hiện có của nhà trường. 5 B1. Phân công giảng dạy B2. Tổng hợp phân công giảng dạy B3. Lập kế hoạch bố trí buổiB4. Xếp thời khóa biểu B5. Lấy ý kiến GV B6. Điều chỉnh và phát hành GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên PHẦN 2: BÀI TOÁN Bài toán xếp thời khóa biểu là quá trình xếp lịch cho các lớp môn học dựa trên nguồn tài nguyên hạn hẹp của trường thỏa mãn những ràng buộc đã đưa ra. Tài nguyên của trường ở đây có thể hiểu: phòng học, lớp học, giảng viên, ca học…. Tại trường ĐH Tài nguyên và Môi trường TP.HCM quy trình xếp thời khóa biểu được thực hiện như sơ đồ ở Hình 1, được tiến hành qua các bước sau: B1: Vào cuối mỗi học kỳ, Phòng Đào tạo sẽ thông báo đến các Khoa/Bộ môn chuyên ngành lập bảng phân công giảng dạy học kỳ tiếp theo dựa vào kế hoạch đào tạo và chương trình khung của từng ngành đã được Hiệu trưởng phê duyệt, gửi về Phòng Đào tạo. B2: Phòng Đào tạo tổng hợp bảng phân công giảng dạy nhận được. B3: Dựa vào bảng phân công giảng dạy Phòng Đào tạo sẽ lập kế hoạch bố trí buổi học cho từng ngành/ chuyên ngành nhằm phân phối đều tài nguyên vào từng buổi. B4: Phòng Đào tạo tiến hành xếp thời khóa biểu dựa trên bảng phân công giảng dạy và kế hoạch bố trí buổi. B5: Phòng Đào tạo gửi thời khóa biểu đã lập về các khoa/ bộ môn lấy ý kiến giảng viên. B6: Điều chỉnh lịch dạy theo yêu cầu giảng viên (nếu có thể) và phát hành thời khóa biểu chính thức. 6 Hình 1. Quy trình xếp TKB tại trường ĐH TNMT TP.HCM GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên Trong chuyên đề này sẽ tập trung giải quyết công việc tại bước 4, trong đó sẽ tìm giải pháp cho các vấn đề gặp phải trong quá trình xếp thời khóa biểu tự động, tối ưu hóa thời khóa biểu. Bài toán xếp thời khóa biểu có thể xem là bài toán tối ưu hóa nhằm thỏa mãn các ràng buộc trong quá trình lập lịch. 2.1. Đặc điểm và khó khăn khi giải bài toán Trong việc xếp thời khóa biểu có thể chia thành hai loại ràng buộc: ràng buộc cứng và ràng buộc mềm. Ràng buộc cứng là các ràng buộc phải được thỏa mãn. Ràng buộc mềm, tuy có thể vi phạm, nhưng càng thỏa mãn nhiều ràng buộc mềm càng tốt. Như đã biết việc xếp thời khóa biểu theo phương pháp thủ công của con người phải tốn rất nhiều thời gian và công sức,… nhưng hiệu quả đem lại không cao. Vì vậy, nhiều nghiên cứu khoa học và thực tiễn đã tập trung nghiên cứu ứng dụng khoa học máy tính vào việc xếp thời khóa biểu cho các trường đại học, cao đẳng, phổ thông…và đã đạt được một kết quả nhất định. Nhưng do mỗi trường có những đặc thù về quy trình công việc, cơ sở vật chất,…cần giải quyết khác nhau và hầu như không có ngoại lệ. Do đó, để thực hiện được công việc này với kết quả khả thi, chúng ta phải dựa trên tập các ràng buộc cứng và ràng buộc mềm cũng như yêu cầu về quản lý của mỗi trường đại học. Với tính đa dạng của bài toán lập thời khóa biểu, hiện nay, vẫn chưa có giải pháp cụ thể, hiệu quả giải quyết vấn đề này. Thuật giải đơn giản nhất có thể xây dựng dựa trên phép vét cạn với độ phức tính toán rất cao. Do đó, đối với mỗi trường hợp cụ thể, chúng ta phải nghiên cứu xây dựng giải pháp tối ưu nhất phù hợp với yêu cầu quản lý của từng đơn vị. Nội dung tiếp theo sẽ đề cập các ràng buộc trong quá trình xếp thời khóa biểu tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM. Ràng buộc là những yêu cầu hay điều kiện phải xem xét và thỏa mãn trong quá trình xếp thời khóa biểu. Trong nhiều nghiên cứu về lập lịch, các tác giả thường phân các ràng buộc thành hai loại: ràng buộc cứng và ràng buộc mềm. 2.1.1. Ràng buộc cứng Ràng buộc cứng được định nghĩa là các yêu cầu, điều kiện trong quá trình xếp thời khóa biểu không được vi phạm. Thời khóa biểu áp dụng tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM có một số ràng buộc cứng như sau: 7 GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên Ràng buộc về thời gian: − Thời gian dạy và học trong thời khóa biểu phải đảm bảo thời lượng của môn học được quy định trong chương trình đào tạo. − Lịch dạy không được trùng với lịch bận giảng viên đã thông báo trước. − Một giảng viên không được dạy quá n ca/ngày. − Một sinh viên không được học quá m ca/ngày. − Trong cùng một thời điểm không thể xảy ra một trong các trường hợp sau: + Một phòng được bố trí cho hai môn học khác nhau. + Một giảng viên được bố trí dạy ở hai phòng khác nhau. + Một sinh viên được bố trí học ở hai phòng khác nhau. Ràng buộc về không gian: − Phòng học được bố trí phải đảm bảo đủ chỗ ngồi cho sinh viên trong lớp. − Trong một ngày, không được bố trí một giảng viên dạy ở cả hai cơ sở khác nhau (Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường có hai cơ sở đào tạo, trụ sở tại địa chỉ 236B Lê Văn Sỹ, Phường 1, Quận Tân Bình TP.HCM và cơ sở 2 tại ấp Long Đức 3, xã Tam Phước, TP. Biên Hòa, Đồng Nai). 2.1.2. Ràng buộc mềm Ràng buộc mềm được hiểu như là các yêu cầu, điều kiện hạn chế vi phạm trong quá trình lập thời khóa biểu. Ràng buộc mềm cho thời khóa biểu tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM có thể được liệt kê như sau: Ràng buộc về thời gian: − Lịch dạy/học của một giảng viên/sinh viên phải liên lục trọn trong một buổi, không có ca trống xen giữa. − Hạn chế bố trí những ca đơn trong nhiều ngày. − Hai ca học của một một môn học dành cho một lớp không nên bố trí trong cùng một ngày. − Lịch học của một sinh viên hạn chế những ngày học cả hai buổi. − Nhằm tối ưu về thời gian rãnh của giảng viên cũng như sinh viên, nên bố trí lịch mới sao cho thời gian bận chung thay đổi ít nhất. Ràng buộc về không gian: − Hạn chế di chuyển xa khi giảng viên/sinh viên đổi ca. − Hạn chế những ngày giảng viên dạy xen kẽ ở hai cơ sở. − Phòng học phải được sử dụng với tần suất cao nhất và tối ưu sức chứa. − Hạn chế bố trí phòng ở tầng cao cho giảng viên lớn tuổi. 8 GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên 9 GVHD: PGS. TS. Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên PHẦN 3: GIẢI PHÁP LẬP THỜI KHÓA BIỂU 3.1. Dữ liệu cho trước − Tập hợp học kỳ: SM = {(id, startWeek, numberWeek, numberDay, numberSession)}. − Tập hợp khu giảng đường: BD = {(id, name)}. − Tập hợp Phòng/Khoa/Bộ môn: DP = {(id, name)}. − Tập hợp phòng học: RM = {(id, name, capacity, floor, building, dept) | building ∈ BD ∧ dept ∈ DP}. − Tập hợp môn học: CR = {(id, name, theory, exercises, practice, level, dept) | dept ∈ DP}. − Tập hợp giảng viên: LT = {(id, name, birthyear, sex, dept) | dept ∈ DP}. − Danh sách lớp quản lý: CL = {(id, name, level, studentNum, year, dept) | dept ∈ DP}. − Tập các ràng buộc CT, trong đó ct có dạng hàm hoặc luật. 3.2. Dữ liệu đầu vào Đầu vào của quá trình xếp thời khóa biểu là bảng phân công giảng dạy trong học kỳ. Sau khi nhập vào hệ thống sẽ được tập AM. AM = {(id, course, class, lecturer, semester) | course ∈ CR ∧ class ∈ CL ∧ lecturer ∈ LT ∧ semester ∈ SM}. Từ tập AM, trải qua bước tiền xử lý tạo tập MT là các ca học chưa xếp lịch. Quá trình này được thực hiện thủ công qua giao diện của chương trình. Dựa vào kế hoạch phân chia buổi học cho từng ngành, người dùng sẽ chỉ định phân công nào diễn ra trước, phân công nào diễn ra sau và trong khoảng thời gian bao lâu. Dựa vào khoảng thời gian 10 [...]... lý môn học Hình 6 Giao diện quản lý lịch bận giảng viên 20 GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên Hình 7 Giao diện quản lý danh sách phân công giảng dạy Hình 8 Giao diện quản lý thời khóa biểu 21 GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn 4.3 HVTH: Lê Thành Nguyên Đánh giá Giải pháp xếp thời khóa biểu học kỳ tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP HCM đã được sử dụng trong xếp lịch dạy và học từ học kỳ... của một năm học 4.2 Giao diện chương trình Chương trình lập thời khóa biểu tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP HCM đã phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình Java, cơ sở dữ liệu được quản lý bởi hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở PostgreSQL Chương trình đã cung cấp khá đầy đủ các chức năng quản lý dữ liệu và thời khóa biểu bao gồm các chức năng nhập liệu, xuất dữ liệu, lọc và sắp xếp dữ... ca được bố trí tại phòng được xếp cho mt trong khoảng thời gian ca mt diễn ra + Các giảng viên/lớp liên quan có duy nhất một ca trong khoảng thời gian ca mt diễn ra 3.4 Giải thuật lập thời khóa biểu Đối với bài toán lập thời khóa biểu, giải pháp thông thường là xem xét tất cả các trường hợp có xảy ra của một ca học và thiết lập thời gian, phòng học cho chúng Quá trình này nhanh hay chậm phụ thuộc số... lớp và phân công giảng dạy Dữ liệu này được import vào hệ thống và được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu Cấu trúc các bảng trong cơ sở dữ liệu được mô tả chi tiết bên dưới Lưu trữ thông tin học kỳ đã lập thời khóa biểu Tên trường Mô tả Kiểu dữ liệu ID Khóa chính Số nguyên dương Year Năm bắt đầu học kỳ Số nguyên dương StartWeek Tuần bắt đầu học kỳ Số nguyên dương NumberWeek Số tuần học trong học kỳ Số nguyên. .. dùng Ngoài ra, thời khóa biểu có thể được xuất theo nhiều mẫu gồm: thời khóa biểu toàn bộ, thời khóa biểu theo khoa/Bộ môn, thời khóa biểu theo lớp hay thời khóa biểu cá nhân dành cho giảng viên,… Hình 2 Giao diện quản lý giảng đường 18 GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên Hình 3 Giao diện quản lý lớp Hình 4 Giao diện quản lý giảng viên 19 GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên Hình... của giải thuật có dạng O(n k * numberDay * numberSession), trong đó, n = |MT| và k =|CT| Tuy nhiên, giải thuật vét cạn cho kết quả không tốt Tuy nhiên, nếu quá trình trên được thực hiện theo một định hướng tốt, kết quả đạt được có nhiều thay đổi đáng kể nâng cao chất lượng lời giải Do đó, chuyên đề này sẽ ứng dụng giải thuật heuristic xây dựng giải pháp xếp thời khóa biểu cho trường Đại học Tài nguyên. .. dạy và học từ học kỳ II năm học 2013 – 2014 ghi nhận được kết quả như sau: 4.3.1 Thời gian thực thi Giải pháp này được phát triển từ giải thuật heuristic và không xây dựng giải pháp đối chứng do đó không thể kết luận giải pháp này hiệu quả hơn giải pháp khác về mặt thời gian Tuy nhiên, thời gian thực thi trung bình trong khoảng 01 giờ với một kết quả khả quan so với quá trình lập lịch thủ công là một... 4.3.2 Tính hiệu quả Thời khóa biểu nhận được hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường, với các ưu điểm: − Đã tăng hiệu suất sử dụng phòng học (từ 90% khi xếp lịch tự động) − Đáp ứng được đa số yêu cầu của giảng viên, tối ưu hóa thời gian lên lớp của giảng viên cũng như của sinh viên (thỏa mãn đa số ràng buộc mềm cho sinh viên và một phần cho... khóa biểu, người dùng phải tính toán thủ công để lập kế hoạch phân buổi học cho từng ngành Thời khóa biểu lập được vẫn còn một lượng nhỏ ca học không thể xếp lịch, phần này phải được điều thủ công 22 GVHD: PGS TS Đỗ Văn Nhơn HVTH: Lê Thành Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng Thuật toán và phương pháp giải quyết vấn đề – PGS TS Đỗ Văn Nhơn - Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Chí... 6 1402402 3 HVTH: Lê Thành Nguyên SỐ TC B T T H H Ệ KHOA/BM 1 1 14 0 0 1 14 3 0 0 1 14 Quan trắc môi trường 2 0 0 1 14 Cấp thoát nước bên trong nhà và công trình 2 0 0 4 14 Cơ học ứng dụng 2 0 0 1 14 Kỹ thuật xử lý chất thải 3 0 0 1 14 Chính sách và luật môi trường 2 0 0 1 14 Độc học môi trường 2 0 0 1 14 Mô hình hóa môi trường 3 0 0 1 14 Sản xuất sạch hơn 2 0 0 1 14 Cơ học cơ sở 2 0 0 1 14 Hình họa . ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỒ ÁN MÔN HỌC THUẬT TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP LẬP THỜI KHÓA BIỂU TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ. trong quá trình lập thời khóa biểu. Ràng buộc mềm cho thời khóa biểu tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. HCM có thể được liệt kê như sau: Ràng buộc về thời gian: − Lịch dạy /học của một. liệu xếp thời khóa biểu của một năm học. 4.2. Giao diện chương trình Chương trình lập thời khóa biểu tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. HCM đã phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình