NGHIÊN cứu một số THUẬT TOÁN xếp LỊCH xây DỰNG ỨNG DỤNG xếp THỜI KHÓA BIỂU CHO TRƯỜNG THPT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TỐN XẾP LỊCH XÂY DỰNG ỨNG DỤNG XẾP THỜI KHÓA BIỂU CHO TRƢỜNG THPT Giảng viên hƣớng dẫn: PGS TS VŨ THANH NGUYÊN THS NGUYỄN ĐĂNG KHOA Sinh viên thực : KHƢƠNG SĨ TOÀN 07520363 LÊ NGUYỄN TẤN ĐẠT 07520076 Lớp: CƠNG NGHỆ PHẦN MỀM 02 Khóa: 2007-2012 TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 MỞ ĐẦU Trong bối cảnh nay, nhu cầu sử dụng Internet nhƣ việc kinh doanh, trao đổi, mua bán, học tập, làm việc, nghiên cứu, giải trí v v…trên máy tính vô hạn Việc sử dụng ứng dụng cho nhu cầu thực tế nhiều Các ứng dụng CNTT trnên phổ biến công việc học tập Hiện trƣờng THPT việc ứng dụng ứng dụng CNTT để quản lý, xếp trở nên phổ biến Với việc trƣờng ngày đông học sinh việc sở vật chất trƣờng phải tăng lên tƣơng ứng Công việc xếp lịch học giảng dạy cho học sinh giáo viên trở nên nặng nề rắc rối ngƣời xếp lịch tay Tại trƣờng THPT Tam Phú KP5 Phƣờng Tam Phú Quận Thủ Đức gặp trƣờng hợp nhƣ Việc có nhiều lớp học, học sinh, giáo viên…đã làm nhân viên gặp khó khăn Vì việc cấp thiết xây dựng phần mềm có khả tự động xếp thời khóa biểu, phân cơng giảng dạy cho tồn trƣờng Chính nhóm đề tài luận văn tốt nghiệp chúng tơi xin đƣợc trình bày báo cáo luận văn tốt nghiệp : Nghiên cứu số thuật tốn xếp lịch xây dựng chƣơng trình xếp thời khóa biểu ứng dụng cho trƣờng THPT Tam Phú LỜI CẢM ƠN Chúng xin chân thành cảm ơn Khoa Công nghệ Phần Mềm, trƣờng Đại học Công Nghệ Thơng Tin, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi tốt cho học tập suốt năm qua thực đề tài tốt nghiệp Chúng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Vũ Thanh Nguyên thầy Nguyễn Đăng Khoa tận tình, nhiệt tình hƣớng dẫn, bảo chúng tơi suốt q trình thực đề tài Chúng tơi xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô Khoa Công nghệ Phần Mềm tận tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức quý báu năm học vừa qua Chúng xin chân thành cảm ơn phòng kế hoạch trƣờng THPT Tam Phú cung cấp cho nhiều thông tin quý báu để thực xây dựng đề tài Chúng xin chân thành cảm ơn Cha Mẹ động viên, ủng hộ vật chất lẫn tinh thần suốt quãng đƣờng đại học chúng Chúng xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ ủng hộ anh chị, bạn bè trình thực khóa luận Mặc dù cố gắng hồn thành khóa luận phạm vi khả cho phép nhƣng chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong nhận đƣợc thơng cảm, góp ý tận tình bảo q Thầy Cơ bạn NHẬN XÉT (Của giảng viên hƣớng dẫn) ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… TpHCM, ngày … tháng …… năm …… Giảng viên hƣớng dẫn [Ký tên ghi rõ họ tên] NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… TpHCM, ngày … tháng …… năm …… Giảng viên phản biện [Ký tên ghi rõ họ tên] ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT Tên Đề Tài: Nghiên cứu số thuật toán xếp lịch Ứng dụng xây dựng chƣơng trình xếp thời khóa biểu cho trƣờng THPT Giáo viên hƣớng dẫn: PGS Ts Vũ Thanh Nguyên Ths Nguyễn Đăng Khoa Thời gian thực hiện: (từ ngày nhận đề tài đến ngày 20/8/2012 ) Sinh viên thực hiện: Khƣơng Sĩ Toàn 07520363 Lê Nguyễn Tấn Đạt 07520076 Loại đề tài: Tìm hiểu nghiên cứu thuật tốn xây dựng ứng dụng Nội Dung Đề Tài: Nghiên cứu số thuật tốn xếp thời khóa biểu Xây dựng phần mềm xếp thời khóa biểu cho trƣờng TPHP Tam Phú Có thể áp dụng cho trƣờng THPT khác Kế Hoạch Thực Hiện:  15/03/2012 – 15/4/2012: Xây dựng ý tƣởng tìm hiểu thuật tốn tơ màu o Khƣơng Sĩ Tồn: Tìm hiểu thơng tin THPT Tam Phú mơ hình hóa ứng dụng xếp thời khóa biểu o Lê Nguyễn Tấn Đạt: Nghiên cứu thuật toán tô màu  Mục tiêu kế hoạch chi tiết cho đề tài  15/4/2012 – 15/05/2012: Thiết kế liệu xây dựng xếp lịch bán tự động o Khƣơng Sĩ Toàn : Thiết kế liệu, xây dựng bán tự động o Lê Nguyễn Tấn Đạt: Nghiên cứu giải thuật di truyền  15/05/2012 – 15/06/2012: phát triển thêm cho chƣơng trình o Khƣơng Sĩ Tồn : Áp dụng tự động xếp lịch o Lê Nguyễn Tấn Đạt: Áp dụng tự động xếp lịch  15/06/2012 – 15/07/2012: sửa lỗi phát triển phần mềm o Khƣơng Sĩ Toàn : sửa lỗi phát triển phần mềm o Lê Nguyễn Tấn Đạt: sửa lỗi phát triển  07 20 – 08 20 2: viết báo cáo hoàn thiện o Khƣơng Sĩ Toàn : viết báo cáo hoàn thiện o Lê Nguyễn Tấn Đạt: viết báo cáo hoàn thiện Xác nhận GVHD Ngày tháng năm 2012 SV Thực MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trang Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 u cầu Chƣơng THUẬT TỐN TƠ MÀU VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 2.1 Giới thiệu thuật tốn tơ màu 2.2 Thuật tốn tơ màu xếp thời khóa biểu 2.3 Giới thiệu giải thuật di truyền 10 2.4 Giải thuật di truyền xếp thời khóa biểu 11 Chƣơng PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG SẮP XẾP THỜI KHÓA BIỂU 15 3.1 Giới thiệu trƣờng THPT Tam Phú 15 3.2 Môi trƣờng ứng dụng phần mềm 17 3.3 Mơ hình hóa 17 3.3.1 Mơ hình 1-tier, 3-layers 17 3.3.2 Sơ đồ luồng liệu 19 3.3.3 Sơ đồ lớp mức phân tích 27 3.3.4 Thiết kế liệu 27 3.4 Các ràng buộc phần mềm 33 3.4.1 Các ràng buộc cứng 33 3.4.2 Các ràng buộc mềm 35 3.5 Các chức chƣơng trình 35 3.6 Một số thuật tốn quan trọng phần mềm 36 3.6.1 Thuật tốn phân cơng giáo viên 36 3.6.2 Thuật tốn phân phòng dùng chung 38 3.6.3 Thuật tốn xếp thời khóa biểu 39 3.7 Một số hình ảnh phần mềm Chƣơng CÁC VẤN ĐỀ XẢY RA VÀ HƢỚNG GIẢI QUYẾT 39 47 4.1 Các vấn đề xảy trình phát triển 47 4.2 Hƣớng giải 47 Chƣơng KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ 49 5.1 Ƣu điểm 49 5.2 Khuyết điểm 49 5.3 Hƣớng phát triển 50 5.4 Nhận xét chung kết đạt đƣợc 50 5.5 So sánh phần mềm xắp sếp thời khóa biểu cho trƣờng THPT Tam Phú (Smart Schedule) phần mềm TKB APPLICATION SYSTEM 6.5 50 PHỤ LỤC 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH BẢNG 3.1 Thuật giải di truyền mẫu BẢNG 3.1 Tình hình học sinh trƣờng Tam Phú BẢNG 3.2 Tình hình giáo viên trƣờng Tam Phú BẢNG 3.3 Table School BẢNG 3.4 Table Class BẢNG 3.5 Table Teacher BẢNG 3.6 Table Teacher_Busy BẢNG 3.7 Table Subject BẢNG 3.8 Table Subject_Property BẢNG 3.9 Table Faculty BẢNG 3.10 Table Charge BẢNG 3.11 Table Division BẢNG 3.12 Table Class_Schedule BẢNG 3.13 Table Room BẢNG 3.14 Table Public_Room BẢNG 3.15 Table Public_Room_Division BẢNG 3.16 Table Special_Subject BẢNG 3.17 Table Parameter BẢNG 5.1 Bảng so sánh Smart Schedule TKB APPLICATION SYSTEM 6.5 BẢNG PHỤ LỤC Các toán tử chung cho thuật giải di truyền Chƣơng 4: CÁC VẤN ĐỀ XẢY RA VÀ HƢỚNG GIẢI QUYẾT 4.1 Các vấn đề xảy trình phát triển Vấn đề trùng tiết: chƣơng trình tự động xếp thời khóa biểu, u cầu đặt khơng đƣợc xếp lớp học môn tiết, giáo viên không đƣợc dạy nhiều lớp tiết, phòng dùng chung khơng đƣợc sử dụng nhiều lớp tiết Vấn đề hợp lý thời khóa biểu: ngồi việc khơng bị trùng tiết, ta cần phải xếp thời khóa biểu cách thơng minh hợp lý, ví dụ ngày mà xếp tiết tốn liên tiếp khó cho học sinh Vì vậy, việc hợp lý hóa thời khóa biểu yêu cầu tất yếu Vấn đề phân công cho giáo viên: yêu cầu đặt phải phân công đều, tránh tình trạng giáo viên dạy nhiều tiết, giáo viên dạy q Các giáo viên khơng đƣợc dạy nhiều số tiết tối đa qui định tuần Giáo viên chủ nhiệm lớp phải đƣợc phân cơng dạy mơn lớp Vấn đề phân cơng bán tự động: u cầu đặt ngƣời dùng phân công giáo viên cho vài lớp-mơn, sau chƣơng trình tự động phân cơng tiếp cho lớpmơn lại Vấn đề xếp thời khóa biểu bán tự động: tƣơng tự nhƣ phân công bán tự động Ngƣời dùng xếp tiết cho vài lớp-mơn chƣơng trình xếp tiết cho lớp-mơn lại Tuy nhiên, sau sử dụng thuật tốn tơ màu, lớp-mơn đƣợc chia thành nhóm, nên phức tạp việc phân công bán tự động Vấn đề lịch bận giáo viên: số giáo viên bận vào số tiết tuần, xếp thời khóa biểu tự động, không đƣợc xếp lớp-môn vào tiết bận giáo viên dạy lớp-mơn Vấn đề giao diện: form nhập liệu cần phải đơn giản, tiện dụng thể đƣợc kỹ thuật lập trình Các form phân cơng, xếp thời khóa biểu thủ cơng cần phải trực quan tiện dụng 4.2 Hƣớng giải Vấn đề trùng tiết: sử dụng thuật tốn tơ màu, hai lớp-mơn có liên hệ có lớp giáo viên phòng dùng chung, khơng xếp chung nhóm tiết Vấn đề hợp lý thời khóa biểu: sử dụng giải thuật di truyền Mỗi cách xếp thời khóa biểu cá thể, độ thích nghi cá thể số ràng buộc mềm mà cách xếp thõa mãn (các ràng buộc mềm ràng buộc làm cho thời khóa biểu hợp lý) Dùng giải thuật di truyền để tìm cá thể có độ thích nghi cao Vấn đề phân cơng cho giáo viên: phân công cho giáo viên chủ nhiệm lớp trƣớc Sau xét tới lớp-mơn cần đƣợc phân giáo viên, tìm danh sách giáo viên dạy mơn đó, chọn giáo viên có số tiết dạy phân cho giáo viên Vấn đề phân cơng bán tự động: chƣơng trình phân cơng cho lớp-môn chƣa đƣợc phân công Những lớp-môn phân công bỏ qua tự động phân công Vấn đề xếp thời khóa biểu bán tự động: sử dụng thuật tốn tơ màu để phân nhóm cho lớp-mơn, sau xét lớp-mơn đƣợc xếp tiết, tất lớpmơn nhóm với đƣợc xếp vào chung tiết với Cuối áp dụng giải thuật di truyền cho lớp-mơn lại( chƣa đƣợc xếp tiết) Vấn đề lịch bận giáo viên: xếp lớp-mơn có giáo viên bận trƣớc, khơng xếp vào tiết bận giáo viên Vấn đề giao diện: thiết kế form nhập liệu dƣới dạng datagridView Các form phân cơng xếp thời khóa biểu thủ cơng dƣới dạng ma trận, có comboBox để chọn giáo viên, môn học Chƣơng 5: KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ 5.1 Ƣu điểm Phần mềm đảm bảo xác thời khóa biểu tránh trƣờng hợp trùng lặp thông tin cải thiện thời gian lập lịch Có hai phƣơng thức xếp lịch tự động bán tự động Tùy vào yêu cầu ngƣời sử dụng Thời gian tính tốn, tự động phân cơng, xếp lịch nhanh Phần mềm quản lý thông tin trƣờng học nhƣ lớp học, môn học, giáo viên… Các thông tin nhập liệu ban đầu đƣợc kiểm tra sửa lỗi thông báo lỗi cho ngƣời dùng Phần mềm xây dựng bảng phân công giảng dạy phƣơng thức tự động bán tự động Phần mềm có chức tự động phân cơng phòng học tự động bán tự đơng phòng học dung chung(Phòng tin học ) quản lý phòng học cố định dung chung Phần mềm có chức linh hoạt ràng buộc cứng mềm tùy vào yêu cầu nhà trƣờng(Ví dụ: Tùy vào yêu cầu trƣờng mà ngƣời sử dụng điều chỉnh tiết Chào cờ vào ngày nào) Phần mềm đƣợc xây dựng với sỡ liệu SQLSERVER nhƣng tƣơng thích với ứng dụng văn phòng nhƣ EXCEL Phần mềm có chức báo cáo thống kê có sử dụng Crytal Report nhằm mục đích thuận lợi cho việc in ấn báo cáo Phần mềm đƣợc xây dựng chủ yếu cho trƣờng học khối THPT nhƣng sử dụng cho loại hình trƣờng học khác tính linh động sở liệu Giao diện trƣc quan dễ sử dụng Có thể mở rộng thêm chức khác tảng phần mềm 5.2 Khuyết điểm Chƣa tƣơng tác đƣợc với nhiều dạng liệu nhƣ Xml, Access…(sẽ mở rộng) Chƣa có nhiều chức mở rộng Chƣa có báo cáo thơng kê chi tiết thời khóa biểu, lớp học… Chƣa có chức xắp sếp thời khóa biểu cho trƣờng hợp tách lớp ghép lớp Chƣa hỗ trợ đa ngôn ngữ Chƣa hỗ trợ lớp học hai buổi 5.3 Hƣớng phát triển Hỗ trợ đa ngôn ngữ Mở rộng chức khác quản lý nhiều mảng khác trƣờng học Thực ghép lớp, tách lớp Lớp học hai buổi buổi 5.4 Nhận xét chung kết đạt đƣợc Phần mềm thực đƣợc yêu cầu đƣợc giao có mở rộng thêm chức khác Việc thực nghiên cứu thuật tốn gặp khó khăn nhƣng thực ứng dụng vào phần mềm thành công 5.5 So sánh phần mềm xắp sếp thời khóa biểu cho trƣờng THPT Tam Phú (Smart Schedule) phần mềm TKB APPLICATION SYSTEM 6.5 Phần mềm TKB APPLICATION SYSTEM 6.5 công ty công nghệ Tin Học Nhà Trƣờng Địa chỉ: Trung Hòa Nhân Chính-Cầu Giấy –Hà Nội Website: www.vnschool.net TKB APPLICATION SYSTEM 6.5 Smart Schedule Quản lý thông tin trƣờng học: Giáo viên, lớp học… Có Có Thực phân cơng giảng dạy tự động Có Có Thực phân cơng giảng dạy bán tự động Có Có Thực xếp thời khóa biểu tự động Có Có Thực xếp thời khóa biểu bán tự động Khơng Có Phân cơng quản lý phòng học tự động bán tự động Khơng Có Phân cơng lớp học buổi Có Khơng Tách ghép lớp Không Không Báo cáo thống kê chi tiết Có Có(hạn chế) Hỗ trợ chức với MS OFFICE Có Có(hạn chế) Đa ngơn ngữ Có Khơng Các ràng buộc mềm Có Có(hạn chế) Mức độ tiện dụng giao diện nhập liệu Bình thƣờng Tốt Mức độ tiện dụng giao diện phân công, xếp TKB thủ Bình thƣờng Tốt cơng Thời gian tự động xếp TKB Khá chậm Khá nhanh Bảng 5.1 Bảng so sánh Smart Schedule TKB APPLICATION SYSTEM 6.5 PHỤ LỤC Vài nét tốn xếp lịch Bài tốn xếp lịch có lịch sử phát triển dài, trải qua nhiều thay đổi lớn Kể từ hệ máy tính,ngƣời ta nghĩ đến việc sử dụng máy tính để trợ giúp ngƣời xếp lịch Ban đầu cơng cụ trợ giúp cho việc phân công công việc điều hành phối hợp Sau thực đƣợc phát triển thành công cụ xếp lịch cụ thể Bài toán xếp lịch đƣợc chia thành lớp toán cụ thể sau:  Xếp thời khoá biểu Thƣờng đƣợc sử dụng trƣờng Phổ thông, Đại học  Xếp lịch thi Đƣợc quan tâm kì thi tuyển sinh Đại học thi học kì trƣờng Đại học Cao đẳng  Xếp lịch công tác cán Đƣợc sử dụng chủ yếu quan, tổ chức lớn Giải thuật di truyền Động lực Thuật giải di truyền (GA) cung cấp phƣơng pháp học đƣợc thúc đẩy tƣơng tự với tiến hóa sinh học Thay tìm kiếm giả thuyết từ tổng quát đến cụ thể từ đơn giản đến phức tạp, GA tạo giả thuyết cách lặp việc đột biến việc tái hợp phần giả thuyết đƣợc biết tốt Ở bƣớc, tập giả thuyết đƣợc gọi quần thể đƣợc cập nhật cách thay vài phần nhỏ quần thể cá thể giả thuyết tốt thời điểm Sự phổ biến GA đƣợc thúc đẩy yếu tố sau:  Tiến hóa phƣơng pháp mạnh, thành cơng cho thích nghi bên hệ thống sinh học  GA tìm kiếm khơng gian giả thuyết có phần tƣơng tác phức tạp, ảnh hƣởng phần lên tồn thể độ thích nghi giả thuyết khó mơ hình  Thuật giải GA đƣợc thực song song tận dụng thành tựu phần cứng máy tính mạnh Thuật giải di truyền Bài toán dành cho GA tìm kiếm khơng gian giả thuyết ứng cử để xác định giả thuyết tốt Trong GA “giả thuyết tốt nhất” đƣợc định nghĩa nhƣ giả thuyết tối ƣu hóa đại lƣợng số đƣợc định nghĩa trƣớc cho toán tới, đƣợc gọi độ thích nghi giả thuyết Ví dụ, tác vụ học hỏi toán xấp xỉ hàm chƣa biết cho tập mẫu huấn luyện gồm liệu đầu vào liệu đầu ra, độ thích nghi đƣợc định nghĩa nhƣ độ xác giả thuyết liệu huấn luyện Nếu tác vụ học chiến lƣợc chơi cờ, độ thích nghi số ván thắng chiến lƣợc đấu với chiến lƣợc khác quần thể Quần thể gồm p cá thể Ở lần lặp, quần thể PS đƣợc hình thành từ việc lựa chọn theo xác suất giả thuyết theo độ thích nghi chúng cách thêm vào giả thuyết Các giả thuyết đƣợc tạo cách áp dụng tốn tử lai ghép cho cặp giả thuyết thích nghi cách tạo đột biến điểm đơn hệ giả thuyết kết Quá trình đƣợc lặp giả thuyết thích hợp đƣợc phát Các tốn tử lai ghép đột biến tiêu biểu đƣợc định nghĩa bảng Một thuật giải di truyền mẫu đƣợc mô tả bảng Các đầu vào cho thuật giải bao gồm hàm tính độ thích nghi để tính hạng cho giả thuyết ứng cử, giá trị ngƣỡng đƣợc định nghĩa cấp độ thích nghi chấp nhận để kết thúc thuật giải, kích thƣớc quần thể, tham số định quần thể đƣợc tạo nhƣ nào: phần quần thể bị thay thế hệ tỉ lệ đột biến Lƣu ý thuật giải này, bƣớc lặp qua vòng lặp tạo hệ giả thuyết dựa vào quần hệ Trƣớc tiên, số giả thuyết đƣợc chọn từ quần thể để đƣa vào hệ Những giả thuyết đƣợc chọn theo xác suất, xác suất giả thuyết đƣợc tính bởi: Pr(hi )   Fitness(hi ) p j 1 Fitness(h j ) Vì vậy, xác suất để giả thuyết đƣợc chọn tỉ lệ với độ thích nghi tỉ lệ nghịch với độ thích nghi giả thuyết cạnh tranh khác quần thể Một cá thể hệ đƣợc chọn để đƣa vào quần thể hệ kế tiếp, cá thể thêm vào đƣợc tạo dùng toán tử lai ghép Lai ghép, đƣợc định nghĩa chi tiết phần kế tiếp, lấy hai giả thuyết từ hệ tạo hai giả thuyết cách kết hợp phần hai giả thuyết cha Các giả thuyết cha đƣợc chọn theo xác suất từ quần thể tại, sử dụng hàm xác suất đƣợc cho phƣơng trình Sau cá thể đƣợc tạo từ hoạt động lai ghép này, quần thế hệ có đủ số lƣợng thành viên mong muốn Lúc này, phân số m cá thể đƣợc chọn cách ngẫu nhiên, tất đột biến ngẫu nhiên đƣợc thực để thay đổi cá thể Thể giả thuyết Các giả thuyết GA thƣờng đƣợc thể dƣới dạng chuỗi bit, để chúng dễ dàng đƣợc thực toán tử di truyền: đột biến lai ghép Các giả thuyết đƣợc thể chuỗi bit phức tạp Ví dụ, tập luật if-then dễ dàng đƣợc thể theo cách này, cách chọn cách thức mã hóa luật để phân bố chuỗi riêng cho điều kiện trƣớc điều kiện sau luật Các ví dụ thể luật hệ thống GAs đƣợc mô tả Hooland (1986); Grefenstette (1988); DeJong et al (1993) Để thấy luật if-then đƣợc mã hóa chuỗi bit nhƣ nào, trƣớc tiên xem sử dụng chuỗi bit nhƣ để mô tả ràng buộc giá trị thuộc tính đơn Để lấy ví dụ, xem xét thuộc tính Outlook, thuộc tính lấy giá trị ba giá trị: Sunny, Overcast Rain Một cách rõ ràng để thể ràng buộc cho Outlook dùng chuỗi bit có chiều dài 3, vị trí bit tƣơng ứng với ba giá trị Đặt giá trị vài vị trí để thuộc tính đƣợc phép lấy giá trị tƣơng ứng Ví dụ, chuỗi 010 thể ràng buộc Outlook phải lấy giá trị thứ hai giá trị này, Outlook = Overcast Một cách tƣơng tự, chuỗi 011 thể ràng buộc tổng quát cho phép hai giá trị có thể, Outlook = Overcast  Rain Chú ý 111 thể ràng buộc tổng quát nhất, không quan tâm giá trị giá trị mà thuộc tính giữ Đƣa phƣơng pháp để thể ràng buộc thuộc tính đơn, liên kết ràng buộc nhiều thuộc tính dễ dàng đƣợc thể cách nối chuỗi bit tƣơng ứng Ví dụ, xem xét thuộc tính thứ hai, Wind, lấy giá trị Strong Weak Điều kiện trƣớc luật chẳng hạn nhƣ, (Outlook = Overcast  Rain)  (Wind = Strong) đƣợc thể chuỗi bit có chiều dàl sau: Outlook Wind 011 10 Các điều kiện sau luật (chẳng hạn nhƣ PlayTenis = yes) đƣợc thể theo kiểu tƣơng tự Vì vậy, tồn luật đƣợc mơ tả móc nối chuỗi bit mô tả điều kiện đầu, với chuỗi bit mô tả điều kiện sau luật Ví dụ, luật IF Wind = Strong THEN PlayTennis = yes đƣợc thể chuỗi Outlook Wind PlayTennis 111 10 10 bit mô tả ràng buộc “không quan tâm” Outlook , hai bit mô tả ràng buộc Wind, hai bit cuối mô tả điều kiện sau luật (ở giả sử PlayTennis lấy giá trị Yes No) Chú ý chuỗi bit thể luật chứa chuỗi cho thuộc tính khơng gian giả thuyết, chí thuộc tính khơng bị ràng buộc điều kiện trƣớc Điều tạo chuỗi bit có chiều dài cố định để thể luật, chuỗi vị trí cụ thể mơ tả ràng buộc thuộc tính cụ thể Đƣa cách thể cho luật đơn, thể tập luật cách móc nối thể chuỗi bit luật riêng biệt Trong thiết kế mã hóa chuỗi bit cho vài khơng gian giả thuyết, thật hữu ích để xếp cho chuỗi bit tuân thủ theo cú pháp để thể giả thuyết đƣợc định nghĩa tốt Để mơ tả, ý cách mã hóa luật đoạn trên, chuỗi bit 111 10 11 thể luật có điều kiện trƣớc khơng ràng buộc thuộc tính mục tiêu PlayTennis Nếu tránh xem xét giả thuyết này, mƣợn cách mã hóa khác (ví dụ phân bố bit cho điều kiện sau để định giá trị Yes No), thay đổi toán tử di truyền để tránh cách tƣờng minh việc xây dựng chuỗi bit nhƣ thế, đơn giản gán độ thích nghi thấp cho chuỗi bit nhƣ Các toán tử di truyền Những hệ sau GA đƣợc định tập toán tử tái hợp đột biến cá thể đƣợc chọn từ quần thể Các toán tử GAs tiêu biểu để thực giả thiết chuỗi bit đƣợc mô tả bảng 3.2 Các toán tử tƣơng ứng với phiên đƣợc ý tƣởng hóa hoạt động di truyền tiến hóa sinh học Hai toán tử phổ biến lai ghép đột biến Toán tử lai ghép tạo hai từ hai chuỗi cha cách chép bit đƣợc chọn lựa từ cha Bit vị trí i đƣợc chép từ bit vị trí i hai cha Chọn lựa cha phân phối bit cho vị trí i đƣợc định thêm vào chuỗi mặt nạ lai ghép Để minh họa, xem xét toán tử lai ghép điểm đơn (singlepoint) đầu bảng 4.1 Xem xét hai trƣờng hợp Con lấy năm bit từ cha thứ sáu bit lại từ cha thứ hai, mặt nạ lai ghép 11111000000 xác định lựa chọn cho vị trí bit Con thứ hai dùng mặt nạ lai ghép, nhƣng đổi vai trò hai cha Do đó, chứa bit khơng đƣợc dùng Trong lai ghép điểm đơn, mặt nạ lai ghép luôn đƣợc xây dựng cho bắt đầu với chuỗi chứa n giá trị liên tục, đƣợc theo sau số giá trị cần thiết để hoàn chỉnh chuỗi Cách tạo cá thể có n bit đầu đƣợc phân phối cha bit lại cha thứ hai Mỗi lần toán tử lai ghép điểm đơn đƣợc áp dụng, điểm lai ghép n đƣợc chọn ngẫu nhiên, mặt nạ lai ghép đƣợc tạo áp dụng Các chuỗi ban đầu Mặt nạ lai ghép Các cá thể Lai ghép điểm đơn: 11101001000 11111000000 00001010101 11101010101 00001001000 Lai ghép điểm kép: 11101001000 00111110000 00001010101 11001011000 00101000101 Lai ghép đồng nhất: 11101001000 00001010101 00111110000 10001000100 01101011001 Đột biến điểm: 11101001000 11101011000 Bảng phụ lục Các toán tử chung cho thuật giải di truyền Trong lai ghép hai điểm, cá thể đƣợc tạo thay đoạn trung gian cá thể cha vào chuỗi cha thứ hai Nói cách khác, mặt nạ lai ghép chuỗi bắt đầu với n0 trị 0, đƣợc theo sau chuỗi liên tục n1 trị 1, đƣợc theo sau số trị cần thiết để hoàn chỉnh chuỗi Mỗi lần toán tử lai ghép hai điểm đƣợc áp dụng, mặt nạ đƣợc tạo cách chọn ngẫu nhiên số nguyên n0 n1 Thí dụ, ví dụ đƣợc bảng 4.1 cá thể đƣợc tạo dùng mặt nạ với n0 = n1 = Nhƣ lai ghép trƣớc, hai cá thể đƣợc tạo cách hốn đổi vai trò hai cá thể cha Lai ghép đồng kết hợp bit đƣợc lấy mẫu đồng từ hai cá thể cha, nhƣ đƣợc minh họa trong bảng Trong trƣờng hợp này, mặt nạ lai ghép đƣợc tạo nhƣ chuỗi bit ngẫu nhiên với bit đƣợc chọn ngẫu nhiên độc lập với bit khác Thêm vào toán tử tái kết hợp - tạo cá thể cách kết hợp phần hai cá thể cha, loại toán tử thứ hai tạo cá thể từ cá thể cha Cụ thể toán tử đột biến tạo thay đổi ngẫu nhiên nhỏ cho chuỗi bit cách chọn bit vị trí ngẫu nhiên, thay đổi giá trị Đột biến thƣờng đƣợc thực sau lai ghép đƣợc áp dụng nhƣ giải thuật mẫu bảng 2.1 Một vài hệ thống GA mƣợn thêm vài toán tử, toán tử đặc biệt đƣợc chuyên biệt hóa cho biểu diễn giả thuyết cụ thể đƣợc sử dụng hệ thống.Ví dụ, Grefenstette et al (1991) mô tả hệ thống học tập luật điều khiển robot Nó sử dụng đột biến lai ghép với toán tử để chuyên biệt hóa luật Hàm thích nghi chọn lọc Hàm thích nghi định nghĩa tiêu chuẩn để xếp hạng giả thuyết tiềm ẩn để chọn lọc chúng theo xác suất để đƣa vào quần thể hệ Nếu tác vụ học luật phân loại, hàm thích nghi thơng thƣờng có thành phần cho điểm độ xác phân loại luật tập mẫu huấn luyện đƣợc cho Thƣờng tiêu chuẩn khác đƣợc bao hàm, chẳng hạn nhƣ độ phức tạp mức độ tổng quát luật Một cách tổng quát hơn, giả thuyết chuỗi bit đƣợc hiểu nhƣ thủ tục phức tạp (ví dụ, chuỗi bit thể tập chọn lọc, luật if-then đƣợc móc xích với nhau, để điều khiển thiết bị robot ), hàm thích nghi đo hiệu suất tổng thủ tục kết hiệu suất luật riêng biệt Trong thuật giải GA mẫu đƣợc bảng 2.1, xác suất để giả thuyết đƣợc chọn đƣợc cho tỉ số độ thích nghi với độ thích nghi thành viên khác quần thể tại, nhƣ thấy phƣơng trình (2 ) Phƣơng pháp thƣờng đƣợc gọi chọn lọc tỉ lệ độ thích nghi, chọn lọc vòng roulette Các phƣơng pháp khác dùng độ thích nghi để chọn lọc giả thuyết đƣợc đề xuất Ví dụ, chọn lọc kiểu vòng thi đấu, hai giả thuyết đƣợc chọn ngẫu nhiên từ quần thể Với vài xác suất p đƣợc định nghĩa trƣớc hai cá thể cáng phù hợp đƣợc chọn với xác suất (1 – p) giả thuyết phù hợp đƣợc chọn Sự chọn lọc theo vòng thi đấu thƣờng tạo quần thể khác nhiều so với chọn lọc tỉ lệ với độ thích nghi (Goldberg Deb 1991) Trong phƣơng pháp chọn lọc theo hạng, giả thuyết quần thể đƣợc xếp theo độ thích nghi Xác suất để giả thuyết đƣợc chọn tỉ lệ với hạng danh sách xếp độ thích nghi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thanh Hà, Ứng dụng thuật toán tơ màu để giải tốn xếp lịch, Báo Tin học nhà trƣờng [2] PGS-TS Randy Ribler, Giới thiệu giải thuật di truyền tính tốn tiến hóa, Đại học Lynchburg,VA,USA [3] Tập thể tác giả, Một số thuật tốn bản, Đại học Cơng Nghệ Thơng Tin-Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh ... hiểu nghiên cứu thuật tốn xây dựng ứng dụng Nội Dung Đề Tài: Nghiên cứu số thuật tốn xếp thời khóa biểu Xây dựng phần mềm xếp thời khóa biểu cho trƣờng TPHP Tam Phú Có thể áp dụng cho trƣờng THPT. .. TIẾT Tên Đề Tài: Nghiên cứu số thuật toán xếp lịch Ứng dụng xây dựng chƣơng trình xếp thời khóa biểu cho trƣờng THPT Giáo viên hƣớng dẫn: PGS Ts Vũ Thanh Nguyên Ths Nguyễn Đăng Khoa Thời gian thực... nghiệp xây dựng phần mềm xếp thời khóa biểu cho trƣờng THPT( cụ thể THPT Tam Phú) Dựa thuật toán xếp lịch nhƣ tơ màu, di truyền số thuật tốn khác 1.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài tìm hiểu, nghiên