基于web技術(shù)和人工智能算法的高校智能排課系統(tǒng)研究

張慧寧

（廣東石油化工學院，廣東 茂名525000）

0 引言

實驗室排課一直就是實驗室管理者的一項經(jīng)常性工作，然而大學實驗室儀器設(shè)備種類繁多，用途和性質(zhì)都各有不同給資源調(diào)度帶來了一定的困難。 各學科又都面臨著諸如實驗室資源使用緊張等問題。 所以，如何利用先進的信息技術(shù)，實現(xiàn)對實驗室排課工作有效、合理的管理，是實驗室系統(tǒng)的建設(shè)者和實驗管理職能部門需要考慮的重點問題。

1 現(xiàn)狀以及問題

各高校目前都有自己的排課系統(tǒng)，但各系統(tǒng)設(shè)計中都沒有考慮到各學科實驗室性質(zhì)不同、實驗儀器設(shè)備使用狀態(tài)的差異、大型設(shè)備與小型設(shè)備能支持同時參與實驗的學生人數(shù)不同等情況，而是將實驗課以一個一個的課室為單位實行課程排列，與多媒體課室做同樣的排課處理，這樣必然會導(dǎo)致資源使用不合理，約束性大；同時沒有專門的實驗排課系統(tǒng)，也更加凸顯了實驗室資源無法統(tǒng)一調(diào)度、易用性較差等矛盾。

合理的資源安排同時也反映在排課的模式上， 然而傳統(tǒng)意義上的排課模式單一， 沒有根據(jù)實際情況彈性排課， 導(dǎo)致實驗人員工作量過大，造成人力資源的浪費，排課需要花費的時間過長，無法應(yīng)對突發(fā)情況而重新對實驗室進行排課，這些都是實驗室管理人員需要面對的問題。

傳統(tǒng)的實驗室排課系統(tǒng)多數(shù)基于整數(shù)單目標規(guī)劃求近似最優(yōu)解的方法，并逐漸朝著多目標規(guī)劃和啟發(fā)式算法框架下前進，傳統(tǒng)意義上的排課主要缺點表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）全校實行統(tǒng)一的排課方法，模式單一，實驗課與理論課沒有辦法做到分開排列，無法兼顧實驗需求，靈活性差。

2）沒有按照專業(yè)、班級的特點，在實驗集中的時間彈性排課，因工作量過大而影響實驗室管理人員的工作效率，加大了工作人員的心理排斥力。

3）傳統(tǒng)的功能制模式已不能適應(yīng)教學模式轉(zhuǎn)變的需要，跟不上實驗課程的各種變化。

4）沒有考慮到班級學生人數(shù)與實驗室可用儀器設(shè)備數(shù)量匹配度，無法彈性操作。

5）排課需要花費的時間過長，傳統(tǒng)的排課算法決定了硬件資源的占用量大，占用率高，直接導(dǎo)致的問題就是無法應(yīng)對突發(fā)情況而重新對實驗室進行排課，以適應(yīng)實際需要。

目前的實驗室排課系統(tǒng)仍然存在不少的技術(shù)缺陷，需要苛刻的環(huán)境、昂貴的設(shè)備、漫長的時間等代價作為彌補，不能很好滿足當前高校需求。 目前排課系統(tǒng)的發(fā)展趨勢正朝著高實時性、高準確性以及高抗干擾性等方面發(fā)展。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，近年來，人工智能算法也被用來解決實驗人員排課問題。

2 實時排課系統(tǒng)的設(shè)計

本文探討設(shè)計了一個實驗室實時智能排課系統(tǒng)，前端頁面設(shè)計采用php+html 動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)設(shè)計， 服務(wù)器端采用wampserver， 運行于windows server 2008 服務(wù)器系統(tǒng)。 系統(tǒng)可實現(xiàn)由用戶自主輸入信息的同時，從數(shù)據(jù)庫中讀取已有的存儲信息：包括班級數(shù)量、每個實驗課的各種請求、班級人數(shù)、課程覆蓋要求、課程分配情況以及分配的時間長度下，根據(jù)不同的使用情況，結(jié)合算法分析計算出最優(yōu)方案進行智能排課，同時給出約束性滿足情況以及排課需要的各項性能指標，最后返回實驗室排課序列。系統(tǒng)設(shè)計能夠有效地改善以往排課系統(tǒng)軟件中諸多弊端，是實驗室專用排課系統(tǒng)，節(jié)省時間、人力資源和物力資源。

2.1 系統(tǒng)功能建模

系統(tǒng)在設(shè)計的時候使用了功能建模。功能建模是指在業(yè)務(wù)建模的基礎(chǔ)上，梳理出業(yè)務(wù)體系所在的問題域的層次關(guān)系，確定系統(tǒng)邊界，明確關(guān)系接口，劃分不同的子系統(tǒng)，確定各個子系統(tǒng)之間的功能，按照“系統(tǒng)—子系統(tǒng)—功能—程序”的思路編排，且需說明解決哪部分業(yè)務(wù)以及功能間的關(guān)系。

系統(tǒng)采用功能建模的好處：

1）可靠性高、易用性強、準確率高無沖突；

2）實時性強，計算時間短，信息回饋速度快；

3）求解的質(zhì)量高，能滿足大多數(shù)約束性請求；

4）能應(yīng)付各種突發(fā)狀況，彈性適應(yīng)能力強；

5）系統(tǒng)可維護性強，擴展性好，瀏覽方便。

2.2 關(guān)鍵算法合理化探討

系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中快速提取配套資源信息，使用帶約束性的機制從新生成初始解值，以達到最佳的初始值效果，為下一步算法處理作好準備。 讀取完數(shù)據(jù)后采用混合型算法進行數(shù)據(jù)分析。 混合型算法通過對數(shù)據(jù)解空間的分離，然后分別進行搜索，得到各個解空間的局部最優(yōu)解后，再對各個解進行綜合匹配，使最終結(jié)果臨近最優(yōu)解。該方法兼顧了時間效率以及結(jié)果質(zhì)量，同時結(jié)合啟發(fā)式算法框架對系統(tǒng)開展進一步優(yōu)化處理。 通過結(jié)合這些算法設(shè)計出來的系統(tǒng)彈性適應(yīng)能力強，能從容應(yīng)對實驗課程的突發(fā)請求以及課時變更，而對原有的實驗室排課列表只造成很小的影響。

3 結(jié)論

本文從實驗室排課這一角度出發(fā)， 提出了一個智能排課系統(tǒng)，應(yīng)用主流的web 技術(shù)，通過使用人工智能算法，在系統(tǒng)使用時智能地分析計算出最優(yōu)解，使系統(tǒng)在使用時實時性和準確性都比較高，不僅在一定程度上規(guī)范了實驗室管理員和教師的排課工作， 提高排課效率，同時也為本單位教學實驗部實施課程調(diào)度管理提供依據(jù)。

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