Nghiên cứu giải thuật, áp dụng cho bài toán lập lịch tín chỉ cho trường đại học công nghệ thông tin và truyền thông thái nguyên

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu, em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu giải thuật, áp dụng cho tốn lập lịch tín cho Trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên” Trước tiên em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn chân thành đến thầy giáo ThS Trần Hải Thanh người trực tiếp hướng dẫn tận tình bảo tạo điều kiện giúp đỡ em để hoàn thành đồ án tốt nghiệp Qua thời gian thầy hướng dẫn, em học hỏi nhiều kiến thức bổ ích kinh nghiệm quý báu làm tảng cho trình học tập, làm việc nghiên cứu sau Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy môn Khoa học máy tính thầy giáo giảng dạy Khoa công nghệ thông tin – Trường ĐH Công nghệ thông tin truyền thông – ĐH Thái Nguyên suốt thời gian năm học tập trường trang bị cho em kiến thức cần thiết bổ ích giúp em hồn thành đồ án tốt nghiệp Với vốn kiến thức tiếp thu q trình học khơng tảng cho q trình nghiên cứu thực tâp mà cịn hành trang q báu để em phát triển cơng việc thực tiễn tương lai Cuối em kính chúc quý Thầy, Cô dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Đồ án hoàn thành khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót vấn đề chưa xử lý Em mong nhận thơng cảm bảo tận tình q Thầy cô bạn Thái nguyên, ngày tháng 06 năm 2016 Sinh viên Nguyễn Thị Minh LỜI CAM ĐOAN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp quy định đáp ứng nhu cầu đề ra, thân em cố gắng nghiên cứu, học tập làm việc thời gian dài với hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo Th.s Trần Hải Thanh thầy cô giáo khoa công nghệ thông tin Em tham khảo số tài liệu nêu phần “Tài liệu tham khảo” không chép nội dung từ đồ án khác Em xin cam đoan lời nói hồn tồn thật, thơng tin sai lệch em xin hoàn toàn chịu trách nhiện trước hội đồng Thái nguyên, ngày… tháng 06 năm 2016 Sinh viên Nguyễn Thị Minh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH TRONG CÁC CƠ SỞ GIÁO DỤC VÀ CÁC CÁCH TIẾP CẬN 1.1 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường phổ thơng (School timetabling) 1.2 Bài tốn lập thời khóa biểu cho trường đại học (University timetabling) 1.3 Bài toán lập lịch thi (Examination timetabling) 10 1.4 Các cách tiếp cận 11 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM 13 2.1 Xung đột tối thiểu (Min-conflict) 13 2.2 Thuật giải mô luyện kim (Simulated Annealing) 13 2.3 Thuật giải leo đồi (Hill-climbing) 14 2.4 Tìm kiếm Tabu (Tabu search) 14 2.5 Thuật giải di truyền (genetic algorithm) 15 2.6 Kết luận 15 CHƯƠNG CƠ SỞ TÌM KIẾM TABU 17 3.1 Lược sử tabu search (TS) 17 3.1.1 Giới thiệu 17 3.1.2 Tabu search – dạng meta-heuristic 18 3.1.3 Các giai đoạn phát triển tabu search 19 3.2 Nguyên lý chung tabu search 20 3.3 Cách sử dụng nhớ 21 3.3.1 Một minh họa 22 3.4 Chiến lược tăng cường (intensification) chiến lược đa dạng (diversification) 24 3.5 Lập trình với nhớ tương thích (adaptive memory programming)25 3.6 Các nhân tố nhớ tương thích 25 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN 28 4.1 Bài toán lập lịch cho trường đại học, cao đẳng 28 4.1.1 Các khái niệm 28 4.1.2 Mơ hình toán 30 4.1.3 Các ràng buộc cứng 31 4.1.4 Các ràng buộc mềm 31 4.1.5 Ví dụ minh họa: 32 4.2 Hướng tiếp cận cho toán 34 4.2.1 Bước 1: Khởi tạo lời giải ban đầu ngẫu nhiên 34 4.2.2 Bước 2: Cải thiện chất lượng lời giải tìm bước giải thuật tìm kiếm Tabu 36 4.2.3 Tính hàm mục tiêu đánh giá chất lượng lời giải 37 4.2.4 Hàm mong đợi (Aspiration Function) 39 4.2.5 Điều kiện dừng thuật toán 39 CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG 40 5.1 Tổng quan ngôn ngữ lập trình C# tảng Net Framework 40 5.1.1 Ngôn ngữ C# 40 5.1.2 Môi trường Net Framework 41 5.2 Giới thiệu Visual Studio 2012 48 5.3 Cài đặt – Giới thiệu chương trình 50 5.3.1 Input - Output 50 5.3.2 Một số hình ảnh hoạt động chương trình 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 60 DANH MỤC HÌNH Hình – Biểu diễn khái niệm toán thời khóa biểu Hình – Bốn chiều Tabu Search 21 Hình – Bài tốn tối ưu minh họa 23 Hình – Tăng cường Đa dạng 24 Hình – Mối quan hệ Giảng viên, Lớp học Môn học 29 Hình – Sơ đồ cài đặt giải thuật 38 Hình - Các thành phần NET Framework 42 Hình - Cấu trúc chương trình C# 46 Hình - Quá trình tự động quản lý nhớ 46 Hình 10 - Quá trình biên dịch Net 47 Hình 11 – Các thành phần VisualStudio 12 50 Hình 12 – Cấu trúc liệu đầu vào 51 Hình 13 – Giao diện nạp liệu 51 Hình 14 – Giao diện hồn thành lập lịch 52 Hình 15 – Biểu đồ đánh giá tối ưu trình tìm kiếm 53 Hình 15 – Biểu đồ đánh giá ràng buộc cứng xung đột phòng 54 Hình 16 – Biểu đồ đánh giá ràng buộc mềm lớp học tuần 54 Hình 17 – Lịch giảng dạy giảng viên Nguyễn Hiền Trinh tuần 55 Hình 18 – Lịch học lớp KHMTK13A tuần 55 Hình 19 – Lịch học phịng C2.401 56 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Bài toán lập lịch ln tốn cổ điển thuộc lớp tốn NPkhó Từ lâu thu hút quan tâm, nghiên cứu phát triển nhiều tổ chức giáo dục, nhà khoa học tính ứng dụng cao độ phức tạp Các toán lập lịch thường phong phú, đa dạng ràng buộc yêu cẩu doanh nghiệp, tổ chức, trường học Trong nhiều thập niên qua có nhiều phương pháp giải đưa Tuy nhiên, tính hiệu lời giải cho lớp tốn cịn nhiều bàn cãi Bài tốn lập lịch dịnh nghĩa tốn tìm kiếm chuỗi tối ưu để thực tập hoạt động chịu tác động tập ràng buộc cần phải thỏa mãn Người lập lịch thường cố gắng thử đến mức tối đa sử dụng tài nguyên nhân lực, vật lực, máy móc tối thiểu thời gian địi hỏi để hồn thành tồn q trình nhằm xếp lịch tối ưu Vì tốn lập lịch vấn đề khó để giải Những năm gần đây, có nhiều hướng phát triển phong phú giải thuật nhằm đưa lời giải tốt cho toán Với đề tài “Giải toán lập lịch theo hướng tiếp cận đa mục tiêu”, khóa luận mạnh dạn nghiên cứu phương pháp cho việc giải toán lập lịch trường đại học Mục đích nghiên cứu Bài tốn lập lịch từ lâu trở thành toán tiếng thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu, nhiều chuyên gia lĩnh vực liên quan Sự “nổi tiếng” tốn khơng đo độ phức tạp vấn đề, mà cịn tính thực tiễn, khả áp dụng cao thực tế Do mục tiêu luận văn là: Nghiên cứu kỹ thuật giải thuật tìm kiếm Tabu cho tốn lập lịch Báo cáo xem xét áp dụng kỹ thuật vào việc xây dựng chương trình lập lịch cho mơ hình trường đại học Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu, tìm hiểu giải thuật tìm kiếm Tabu sở tiếp cận để giải tốn lập lịch, xếp thời khóa biểu cho mơ hình giảng dạy trường đại học Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu tốn lập lịch hướng giải truyền thống Tìm hiểu giải thuật tìm kiếm Tabu Ứng dụng thuật giải tìm kiếm Tabu vào tốn lập lịch Xây dựng ứng dụng lập thời khóa biểu cho trường đại học, cao đẳng Phương pháp nghiên cứu Dựa tài liệu thu thập từ nhiều nguồn (tài liệu, báo giảng viên hướng dẫn cung cấp, sách, báo, tạp chí, internet…) tổng hợp, phân tích trình bày lại theo hiểu biết thân Mở rộng cách tiếp cận trước sở phân tích đặc thù tốn cần giải để đưa ý kiến, đề xuất cải tiến hợp lý Ứng dụng kết dựa nghiên cứu vào thực tế Giả thuyết khoa học (hoặc đóng góp đề tài) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH TRONG CÁC CƠ SỞ GIÁO DỤC VÀ CÁC CÁCH TIẾP CẬN Bài toán lập lịch ln tốn khó, mang tính khoa học đồng thời tính thực tiễn cao Khơng Việt Nam mà toàn cầu từ lâu việc lập lịch trở thành vấn đề có tính thời sự, toán gây ý, quan tâm nhiều người Bài tốn lập thời khóa biểu nhánh tốn lập lịch đưa chuỗi kiện (thông thường môn học, giảng môn thi) bao gồm giáo viên học viên khoảng thời gian định trước thỏa mãn tập hợp ràng buộc loại thời khóa biểu khác Mỗi tốn có tính chất riêng, lịch thi toán đặt phải đáp ứng yêu cầu thời gian (như không trùng hay sát nhau) lần thi liên tiếp học sinh, sinh viên Còn lịch cho trường phổ thông cần quan tâm rảnh mà giáo viên đăng ký tiết trống học học sinh đóng vai trò quan trọng cho việc đánh giá kết thời khóa biểu Đối với đại học, tốn cần giải việc tránh xung đột thành phần tham gia thời khóa biểu (giáo viên, lớp học, phịng học thiết bị) Vì thế, mục tiêu cuối người thời khóa biểu tạo thời khóa biểu với xung đột Cũng có khảo sát tốn thời khóa biểu Như việc đưa tổng quan vấn đề thời khóa biểu thuộc ba dạng ta đề cập Schaerf, 1995 [1] Các khảo sát lịch thi Carter & Laporte, 1996 [2] lịch cho trường đại học Carter & Laporte, 1998 [3] Bardadym, 1996 [4] Hình – Biểu diễn khái niệm tốn thời khóa biểu Khái niệm thể hình hộp, quan hệ đường nối hình hộp Các khái niệm quan hệ khái niệm tốn lập lịch mơ tả tổng qt hình (a) mơ tả cụ thể hình (b) 1.1 Bài tốn lập thời khóa biểu cho trường phổ thơng (School timetabling) Bài tốn lập thời khóa biểu cho trường phổ thơng hay tốn phân chia giáo viên, lớp học tuần tất môn học trường học Với ba tập hợp cho trước tập giáo viên, tập lớp học tập tiết học ma trận ràng buộc số giảng giáo viên phân công dạy lớp Bài toán yêu cầu phân chia giảng vào tiết cho không giáo viên hay lớp học có giảng thời gian giáo viên có số lượng định giảng với lớp học 1.2 Bài tốn lập thời khóa biểu cho trường đại học (University 10 Output Kết chương trình thời khóa biểu xếp thỏa mãn tất ràng buộc cứng giảm tối đa số lượng vi phạm ràng buộc mềm Hình 12 – Cấu trúc liệu đầu vào 5.3.2 Một số hình ảnh hoạt động chương trình 60 Hình 13 – Giao diện nạp liệu 61 62 Hình 14 – Giao diện hồn thành lập lịch 63 64 Hình 15 – Biểu đồ đánh giá tối ưu trình tìm kiếm Hình 15 – Biểu đồ đánh giá ràng buộc cứng xung đột phịng 65 Hình 16 – Biểu đồ đánh giá ràng buộc mềm lớp học tuần 66 Hình 17 – Lịch giảng dạy giảng viên Nguyễn Hiền Trinh tuần 67 Hình 18 – Lịch học lớp KHMTK13A tuần 68 Hình 19 – Lịch học phòng C2.401 69 KẾT LUẬN Kết đạt Hiểu yêu cầu ứng dụng toán lập lịch Áp dụng giải thuật Tabu vào giải tốn thực tế Chương trình đáp ứng tính ban đầu điều kiện để nâng cấp áp dụng vào thực tế Những hạn chế Chưa có tạo kiểm thử với lượng liệu lớn để kiểm tra hiệu chương trình Hướng phát triển Nâng cấp chương trình thành phần mềm đáp ứng tốt nhu cầu thực tế từ áp dụng triển khai vào thực tiễn khơng Trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thơng Thái Ngun mà cịn đáp ứng nhu cầu nhiều sở khác 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ Thông tin Truyền thông (2007), Báo cáo tổng kết công tác năm 2007 chương trình cơng tác năm 2008, Hà Nội Tiếng Anh  Goedkoop J.B., Grioni M., Fuggle J.C (1991), "X-ray dichroism as a probe of the electronic ground state in ultrathin rare-earth overlayers", Phys Rev B 43 (1), pp 1179-1182 Rhydian Marc Rhys Lewis, Metaheuristics for University Course Timetabling, August, 2006 Schaerf, A survey of automated timetabling, Technical Report CSR9567, CWI, Amsterdam, The Netherlands, 1995  Carter, M.W., And G Laporte, Recent developments in practical examination timetabling, in: E.K Burke and P Ross (eds.), Practice and Theory of Automated Timetabling, First International Conference, Selected papers, Lecture Notes in Computer Science 1153, Springer, 1996, 3–21  Carter, M.W., And G Laporte, Recent developments in practical course timetabling, in: E.K Burke and M.W Carter (eds.), Practice and Theory 71 of Automated Timetabling II, Second International Conference, PATAT ’97, Selected papers, Lecture Notes in Computer Science 1408, Springer, 1998, 3–19  Bardadym, V.A , Computer-aided school and university timetabling: The new wave?, in: E.K Burke and P Ross (eds.), Practice and Theory of Automated Timetabling, First International Conference, Selected papers, Lecture Notes in Computer Science 1153, Springer, 1996, 22–45  Steven Minton, Mark D Johnston, Andrew B Philips, and Philip Laird Minimizing conflicts: a heuristic repair method for constraint satisfaction and scheduling problems Artificial Intelligence, 58:161–205, 1992  S Kirkpatrick, C D Gelatt, and M P Vecchi Optimisation by simulated annealing Science, Number 4598, 13 May 1983, 220, 4598:671–680, 1983  Zbigniew Michalewicz and David B Fogel How to Solve It: Modern Heuristics Spinger, 2000  Fred Glover - Manuel Laguna, TabuSearch, Kluwer Academic Publishers, United States of America, 1998  Goldberg, David (1989) Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning Reading, Professional ISBN 978-0201157673 Internet 72 MA: Addison-Wesley  Websitehttp://google.com.vn  Website http://wikipedia.org 73 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… 74 ... mạnh dạn nghiên cứu phương pháp cho việc giải toán lập lịch trường đại học Mục đích nghiên cứu Bài tốn lập lịch từ lâu trở thành toán tiếng thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu, nhiều chuyên... dạy trường đại học Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu toán lập lịch hướng giải truyền thống Tìm hiểu giải thuật tìm kiếm Tabu Ứng dụng thuật giải tìm kiếm Tabu vào tốn lập lịch Xây dựng ứng dụng. .. biểu cho trường đại học toán lập lịch cho giảng (lectures) vào khóa học với số lượng phòng học tiết học cho trước Điểm khác biệt với tốn lập thời khóa biểu trường phổ thơng đặc trưng khóa học trường