Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.26 MB, 33 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
<small>Phan Thị Thúy</small>
HÀ NỘI -2015
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2"><small>Luan van duoc hoan thanh tai:</small>
<small>HỌC VIEN CONG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG</small>
<small>Người hướng dẫn khoa học: ...Tién sĩ Dương Thăng Long</small>
<small>Phản biện Ï:...-.-. CC 02201020000 212 11 11 vn ng nh ng nh nà kh nh ren</small>
<small>Phản biện 0) c0 0000220011211 ĐH n ng ĐK nnn nh nh kh rê</small>
<small>nghệ Bưu chính Viễn thơng</small>
<small>Vào lúc: ... gid</small>
<small>Có thé tìm hiểu luận văn tại:</small>
<small>- Thư viện của Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">Hiện nay, giáo dục nước ta ngày càng phát triển, có nhiều trường học và số
lượng học sinh, sinh viên ngày càng tăng. Vì vậy, việc lập kế hoạch đào tạo cho các
<small>trường học là một công việc quan trọng. Đặc biệt, từ năm 2010, Bộ Giáo dục và Đào</small>
tạo đã chính thức yêu cầu các trường đại học và cao đắng “chuyền sang đảo tạo theo hệ thống tín chỉ” khiến việc lập kế hoạch đảo tạo trong trường đại học, cao đăng có nhiều thay đơi và trở thành một gánh nặng.
đã có rất nhiều các phương pháp được đưa ra dé giải quyết như giải thuật nhánh cận, giải thuật leo đồi, giải thuật luyện thép, giải thuật xấp xi... Tuy nhiên, các giải thuật
này thường không có tính tổng qt và chỉ áp dụng hiệu quả đối với các trường hợp đặc
Trong những năm gần đây, đã có nhiều phát triển phong phú của giải thuật di truyền đã mang đến những phương pháp mới khá hay và linh hoạt dé giải quyết bài tốn xếp lịch học, trong đó có phương pháp tiếp cận giải thuật di truyền cho bài toán xếp lịch học với tham số ràng buộc mềm được áp dụng theo độ đo mờ. Với đề tài “Phương pháp tiếp cận giải thuật di truyền cho bài tốn xếp lịch học trong đảo tạo tín chỉ với tham số ràng buộc mờ dựa trên đại số gia tử” em xin mạnh dạn nghiên cứu va giới thiệu một phương pháp cho việc giải các bài toán xếp lịch đào tạo tín chỉ cho các
<small>trường đại học.</small>
<small>2. Mục đích nghiên cứu</small>
Nghiên cứu, tìm hiểu giải thuật di truyền và phương pháp áp dung dé giải quyết bài toán xếp lịch. Nghiên cứu về bài toán xếp lịch, phân tích các ràng buộc với tham số ràng buộc mềm được áp dụng theo độ đo mờ và ứng dụng giải thuật để giải quyết một
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">và xây dựng ứng dụng hiệu quả và thiết thực.
<small>Phương pháp nghiên cứu</small>
dụng giải thuật di truyền cho bài toán lập lịch.
Nghiên cứu các mơ hình lý thuyết, các thuật tốn kết hợp lập trình thử nghiệm trên máy tính. Đưa vào ứng dụng trong thực tế để so sánh và đánh giá hiệu quả của
<small>phương pháp.</small>
Giới thiệu bài toán lập lịch, trình bày các khái niệm, định nghĩa liên quan đến lớp bài tốn lập lịch. Trình bày các kiến thức cơ sở về giải thuật di truyền, tập mờ và
Chuong 2 giai quyét bai toán xép lịch hoc với tham số ràng buộc mờ dựa trên đại số gia tử bang việc mã hóa cá thể, đánh giá độ phù hợp và trình bày các giải thuật di truyền áp dụng.
toán cụ thé.
Đánh giá phần mềm sau khi thử nghiệm với bài toán mẫu và bài toán xếp lịch
học thực tiễn.
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">Bài tốn lập lịch có thể được định nghĩa một cách chung nhất là bài toán cấp
<small>phát nguồn lực, tài nguyên đề thực hiện tập hợp các công việc trong một chuỗi các tiến</small>
<small>trình trên cơ sở thời gian, tài nguyên và các ràng buộc đã được định san. Vì vậy việc</small>
lập lịch được xem như tìm kiếm một giải pháp tối ưu trong các điều kiện hạn chế. Người lập lịch có gắng thử đến mức tối đa sự sử dụng các cá thể, máy móc, nguồn lực, tối thiêu thời gian dé hồn thành tồn bộ q trình sắp xếp lịch.
loại: Ràng buộc cứng và ràng buộc mềm. Những ràng buộc cứng phải chắc chắn được đáp ứng và thỏa mãn. Những ràng buộc cứng này bao gồm những yêu cầu sau đây:
(HI) Không được phép phân bổ một tài nguyên (giảng viên, phòng học) cho các sự
<small>kiện khác nhau (lớp tín chỉ) trong cùng một thời điêm.</small>
(H2) Các phòng học được gán cho một sự kiện (lớp tín chỉ) phải nằm trong bộ nguồn tài nguyên phù hợp dành cho sự kiện đó. Theo đó, một sự kiện được tơ chức trong một phịng phải có cơ sở hạ tang phù hợp dé có thé tổ chức sự kiện, ví dụ lớp học phịng
<small>máy, lớp học hội trường, v. v.</small>
(H3) Một sự kiện (lớp tín chỉ) chỉ được phân cơng một giảng viên nếu người đó có đủ
<small>(H4) Giảng viên chỉ được phân công giảng dạy trong những khe thời gian có mặt làm</small>
việc tại trường, và sẽ được xác lập trước khi xếp lịch.
Mặt khác, các ràng buộc mềm với mong muốn thỏa mãn ở mức độ càng cao càng tốt và đáp ứng cho càng nhiều ràng buộc càng tốt, nhưng nó khơng phải là bắt
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">mềm thường được xem xét trong các nghiên cứu và triển khai như sau:
<small>(S1) Phân công giảng viên vào lớp sao cho chuyên môn giảng dạy ở lớp của giảng viên</small>
là ở mức chuyên gia càng cao càng tốt.
(S2) Ưu tiên phân công thời gian cho giảng viên đạt được mong muốn đã xác định.
(S3) Dam bảo yếu tô cân bằng cho các giảng viên khi phân công, tức số lớp tối thiểu và tối đa được phân công cần được ưu tiên.
(S4) Nên ưu tiên xếp các lớp tín chỉ có ràng buộc tiên quyết về chuyên môn vào cùng
một khe thời gian. Điều này nhằm làm tăng khả năng đăng ký cho nhiều sinh viên đối
với lịch được xếp.
(S5) Khả năng đăng ký học của mỗi sinh viên đối với lịch được xếp là cao nhất có thé. Điều này đặc biệt đáp ứng cho việc tổ chức đào tạo tin chỉ, lịch học các lớp tín chỉ được sắp xếp trước, sau đó sinh viên sẽ đăng ký tham gia học, thay vì cách xếp lịch
Ngoài ra, tùy theo đặc thù tổ chức đào tạo và yêu cầu của từng trường, các ràng buộc mềm có thé được điều chỉnh, bổ sung cho phù hợp với thực tẾ.
(4) ) Š-a<i<p¿zo fm(hị x) = fm(x), với vee X
(5) Xịt g Mh) = ava YP, uh) = 8, với œ8 > 0 và z+ 8 =1
Định lý 2. [3] Cho X = (X, G, H, <) là DSGT tuyến tinh. Ta có các phát biểu sau:
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">(1) Với t# eX, A(x) là tập sắp thứ tự tuyến tính.
(2) Nếu G là tập sắp thứ tự tuyến tính thì H(G) cũng là tập sắp thứ tự tuyến tính. Trong DSGT tuyến tính, bố sung thêm vào hai phép tính 2 và Ø với ngữ nghĩa
DSGT tuyến tính đầy đủ.
<small>1.3.3. Định lượng ngữ nghĩa của DSGT</small>
Giải thuật di truyền cũng như các thuật tốn tiễn hố đều được hình thành dựa trên một quan niệm được coi là một tiên đề phù hợp với thực tế khách quan. Đó là quan niệm “Q trình tiễn hố tự nhiên là q trình hồn hảo nhất, hop lý nhất và tự nó đã
tốt hơn thế hệ trước.
Giải thuật di truyền dựa vào q trình tiễn hố trong tự nhiên nên các khái nệm và thuật ngữ của nó đều có liên quan đến các thuật ngữ của di truyền học:
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8"><small>Mã hóa nhi phan</small>
<small>Mã hóa sử dụng hốn vi</small>
Khởi tạo quần thể ban đầu là bước đầu tiên trong giải thuật di truyền. Thông thường dé khởi tạo quần thể trong bải toán tối ưu, ta tạo ra một cách ngẫu nhiên các lời giải có thé (thường là các lời giải thỏa mãn ràng buộc của bài toán nhưng chưa biết là
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">đại lượng cần tối ưu đã là tối ưu hay chưa). Tuy vào từng bài tốn cụ thé mà ta có các
<small>phương pháp khởi tạo khác nhau. Ví dụ trong bài tốn BDMST, ta sẽ sinh ngẫu nhiên</small>
các DBST cịn trọng số thì có thé chưa quan tâm đến.
Chất lượng của quần thể ban đầu càng cao thì lời giải mà giải thuật di truyền
trong quần thể ban đầu có trọng số càng thấp thì càng tốt. Do đó, trong nhiều giải thuật di truyền, thường sử dụng các giải thuật đã có dé giải bài tốn mà cho kết qua khá tốt dé khởi tao quan thé ban đầu.
Việc đánh giá cá thé (là biéu diễn lời giải ứng viên của bài toán) nhằm xác định mức độ tốt xấu của lời giải tương ứng đối với bài tốn. Thơng thường dé đánh giá cá thé, ta sử dung mot ham dé tính tốn ra một giá trị thực với mục đích đo lường độ phù
<small>hop của lời giải (fitness). Giá tri của hàm là giá tri độ phù hop.</small>
Hai lớp ham fitness thường được xem xét thiết kế sử dụng: một là hàm fitness không thay đổi cho mọi đánh giá cá thé; hai là hàm fitness có thé thay đối cấu trúc tính tốn trong q trình tiễn hóa.
Việc định nghĩa rõ ràng một hàm fitness là không đơn giản trong nhiều trường hợp và thường được thực hiện lặp đi lặp lại nếu lời giải ứng viên sinh bởi GA là không biểu diễn trực tiếp những ý đáp số của bài toán cần. Trong một số trường hop, nó là rat khó hoặc khơng thé đưa ra ngay cả với một dự đốn về những gì cần định nghĩa cho hàm fitness. Các thuật toán di truyền tương tác giải quyết khó khăn này bằng cách đưa đánh giá độ phù hợp cá thê của GA cho các bộ phận bên ngoài (thường là con người).
<small>1.4.2.4. Phương pháp chọn lọc</small>
Trong giải thuật di truyền quá trình chọn lọc tuỳ thuộc vào hàm mục tiêu, với những cá thé nào có hàm mục tiêu cao sẽ đại diện cho những cá thé tốt, thích nghi với mơi trường và có xác suất chọn lọc lớn. Tốn tử này có thể được xem như là quá trình
chọn lọc trong tự nhiên. Dưới đây là một số phương pháp chọn lọc:
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10"><small>Chọn lọc tỷ lệ</small>
Cơ chế lựa chọn theo bánh xe Roulet được thực hiện bằng cách quay bánh xe
bằng cách sau :
= Phát sinh ngẫu nhiên một số r trong khoảng [0,1].
= Néur< qi thi chon nhiễm sắc thé wị; ngược lại thì chọn nhiễm sắc thé thứ ¡ (2 <
<small>i < pop_size ) sao cho qj. Sr Š q;.</small>
lần. Điều này phù hợp với lý thuyết lược đồ: Các nhiễm sắc thé tốt nhất thì có nhiều bản sao, nhiễm sắc thể trung bình thì khơng đổi ,, nhiễm sắc thể kém thì chết di .
Chọn lọc xếp hạng
Cơ chế lựa chọn xếp hạng được mô tả như sau:
= Sắp xép các nhiễm sắc thé trong quan thé theo độ thích nghỉ từ thấp đến cao.
= Đặt lại độ thích nghi cho quan thé đã sắp xếp theo kiểu: nhiễm sắc thé thứ nhất
<small>có độ thích nghi là 1, NST thứ hai có độ thích nghi là 2, . v. v., NST thứpop_size có độ thích nghi là pop_size.</small>
Theo phương pháp này việc một NST được chọn nhiều lần như trong lựa chọn theo kiểu bánh xe Roulet đã giảm đi. Nhưng nó có thé dẫn đến sự hội tụ chậm và NST có độ thích nghi cao cũng khơng khác may so với các NST khác.
Chọn lọc theo cơ chế lấy mẫu ngẫu nhiên Cơ chế lựa chọn:
tiên đặt ngẫu nhiên trong khoảng [0,1/N]
= Với một điểm chon, NST gần với nó nhất về bên phải sẽ được chọn.
Phương pháp này có đặc điểm là các điểm chọn được phân bồ đều trên trục số, do đó sẽ
<small>gân với điêm xứng đáng được chọn</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">7 Lay một số NST trong quần thể, NST nao có độ thích nghi cao nhất được chọn. = Lap lại thao tác trên ý lần.
<small>1.4.2.5. Phương pháp lai ghép</small>
Lai ghép là việc trao đổi gen giữa các nhiễm sắc thé của hai bố mẹ. Trong trường hợp đơn giản, ta có thể nhận ra quá trình này bằng cách cắt hai chuỗi gen của bố mẹ tại một vị trí được chọn ngẫu nhiên và hốn đơi hai phần đi sẽ tạo hai cá thể con
Lai ghép đơn điểm cắt :
=» Từ đầu NST đến vị trí k, NST con sao chép từ cha, phần còn lại sao chép
Lai ghép hai điểm cắt :
" Hai điểm cắt được chon.
= Từ đầu cho đến điểm cắt thứ nhất được sao chép từ cha, từ điểm cắt thứ nhất đến điểm cắt thứ hai sao chép từ mẹ và phần còn lại sao chép từ cha.
<small>Ví dụ :</small>
<small>Cha : 111 01101 01</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12"><small>" Xây dung NST mới: Duyệt qua mặt na, bit có gia tri một thì sao chép gentại vị trí đó từ NST cha sang con, bit có giá tri 0 thì sao chép từ me.</small>
= Mặt nạ được phát sinh ngẫu nhiên đối với từng cặp cha mẹ.
Lai ghép số học: NST con được tạo thành bằng cách thực hiện một phép tốn logic
<small>Ví dụ :</small>
Phương pháp lai ghép sẽ tạo ra các cá thể con có sự thừa kế các thuộc tính của bố, me. Nhưng đối với phương pháp đột biến thì q trình sẽ có thé sinh ra cá thé con có thé khơng mang tính trang của bố, mẹ. Đột biến có thé sinh cá thé con có thé tốt hơn hoặc xấu hơn cá thể bố mẹ của nó, xác suất đột biến xảy ra thấp hơn lai ghép và đột
biến góp phần làm tăng quá trình hội tụ. Có nhiều phương pháp đột biến, tuỳ thuộc và
quá trình biểu diễn nhiễm sắc thể mà ta vận dụng đột biến phù hợp. Ta sẽ tìm hiểu một số phương pháp đột biến như: Đột biến đảo ngược (Inversion Mutation), đột biến chèn (Insertion Mutation), đột biến thay thế (Displacement Mutation), đột biến tương hỗ (Reciprocal Exchange Mutation), đột biến chuyên dịch (Shift Mutation), ...
Đột biến đảo ngược: Tương ứng với nhiễm sắc thé chon, chon ngẫu nhiên một đoạn trong nhễm sắc thé và thực hiện hốn vị đoạn nhiễm sắc thé đó.
Ví dụ: Giả sử vi trí chọn đột biến bat đầu tại 4 có chiều dài 4 như sau: Nhiễm sắc thể: 268173549
<small>Đảo đoạn 268537149</small>
Đột biến chèn: Phương pháp chọn ngẫu nhiên một gen ở vị trí bất kỳ trong nhiễm sắc thể và chèn vào vị trí ngẫu nhiên khác trong cùng nhiễm sắc thê.
Ví dụ: Nhiễm sắc thé: 942538761
<small>Chèn: 942853761</small>
<small>gen và chèn vào vi trí tuỳ ý.</small>
Vidu: Nhiễm sac thé: 942538761 Thay thế đoạn: 953874261
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">Đột biến chuyến dịch: Chọn ngẫu nhiên một gen và chuyển dich gen được
<small>chọn sang trái hoặc sang phải.</small>
Vídụ: Nhiễm sắc thé: 942538761 Chuyền dịch sang trái: 9 4 5 2 3 8 7 6 1 Chuyén dich sang phải: 942358761
Kết thúc cưỡng bức: Ta sẽ thực hiện GA để sinh ra số thế hệ đúng bằng một số đã được cho trước. GA sẽ dừng khi đã tạo đến thế hệ cuối cùng. Sử dụng phương pháp cưỡng bức có thể gây ra lãng phí thời gian nếu như các thế hệ sau gần như không tốt lên. Tuy nhiên, cơ chế kiểm sốt khơng phức tạp.
Kết thúc tự nhiên: Đến một thế hệ nào đó mà hàm thích nghi cho các con trong thế hệ đó khơng tốt hơn thì ta dừng giải thuật.
Phương pháp kết thúc này có cơ chế kiểm sốt phức tạp hơn nhưng biết chính
<small>xác khi nào dừng giải thuật.</small>
<small>Phương pháp vét cạn</small>
Phương pháp leo đơi và luyện thép
<small>Thuật tốn tham lam</small>
Các đặc trưng của giải thuật di truyền so với các phương pháp truyền thống:
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">giá trị của các thơng số. Giải thuật tìm kiếm từ một quần thể các điểm chứ không phải từ một điểm.
Giải thuật chỉ sử dụng thông tin về các tiêu chuẩn tối ưu của hàm mục tiêu chứ
không dùng các thông tin hỗ trợ nào khác.
Giải thuật sử dụng các luật chuyển đổi mang tính xác suất chứ khơng phải là các luật chuyền đơi mang tính xác định.
<small>Giải thuật thường khó cai đặt, áp dụng. Tuy nhiên, không phải lúc nao cũng cho</small>
lời giải chính xác. Một số giải thuật di truyền có thé cung cấp lời giải tiềm năng cho
một bai toán xác định dé người sử dụng lựa chọn.
<small>Trong mơ hình này tôi sử dụng các ký hiệu sau đây:</small>
<small>Các ràng buộc cịn lại có thê được biêu diễn băng các ma trận (gọi là ma trân rang</small>
(H2) Ma trận CxR={ CR,, li=1,n¢, j =l,nạ } xác định mỗi lớp tín chỉ chỉ có thé
<small>phân cơng vào những phòng học nào, giá tri của ma trận nay là {0,1}.</small>
(H4, S2) Ma trận LxT={ L7,, 1k =1,m,,l =1,n; } cho biết mỗi giảng viên có thé có mặt và giảng dạy tại trường vào những khe thời gian nào trong tuần.
</div>