基于蟻群算法的計算機考試組卷系統開發

關鍵詞：蟻群算法；優化組合；計算機考試；考試組卷

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）03-0064-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

傳統的考試組卷方式，如隨機組卷或人工組卷，往往難以保證試卷的難度、知識點的覆蓋面和均衡性，這在一定程度上影響了考試的公正性和有效性。隨著教育信息化的發展，對考試系統的智能化、自動化水平提出了更高要求，需要更加科學、高效的組卷方法來滿足這一需求[1]。

蟻群算法作為一種模擬自然界螞蟻覓食行為的優化算法，在解決組合優化問題上展現出優良的性能。該算法通過模擬螞蟻的信息素釋放和感知機制，以及正反饋效應，能夠在復雜的解空間中找到最優解，非常適用于解決考試組卷這一典型的組合優化問題[2]。

1 關鍵技術

1.1 蟻群算法

蟻群算法屬于群體智能算法的一種，通過模擬螞蟻群體的覓食行為來解決優化問題。在現實生活中，螞蟻能夠在復雜的環境中找到從蟻巢到食物源的最短路徑，這主要歸功于它們釋放和感知信息素的能力。蟻群算法將這種生物行為轉化為數學模型，用于解決各種優化問題[3]。

在蟻群算法中，螞蟻的行走路徑代表優化問題的可能解，整個螞蟻群體的所有路徑構成優化問題的解空間。通過模擬螞蟻的覓食行為和信息素更新機制，算法能夠在解空間中找到最優解。隨著時間的推移和螞蟻的多次往返，較優路徑上的信息素濃度會逐漸增加。信息素的累積和更新是算法迭代的關鍵過程，它引導螞蟻群體逐漸收斂到最優解。算法的終止條件通常是滿足一定的迭代次數、找到滿足精度要求的最優解或達到預設的計算時間后終止[4]。

蟻群算法的優點具有分布式計算、自組織性和魯棒性等特點，能夠處理復雜的優化問題；但也可能面臨收斂速度慢、易陷入局部最優等問題，需要通過參數調整和策略優化來改進算法性能[5]。蟻群算法作為一種模擬自然界螞蟻覓食行為的優化算法，通過模擬螞蟻的信息素釋放和感知機制以及正反饋效應，在解空間中找到最優解，在許多領域都有廣泛的應用，如旅行商問題、車輛路徑問題等。

1.2 Java Web框架

對于網絡業務系統的開發，常常采用Java Web技術，這些技術采用的框架開源免費，能夠對業務進行快速開發。綜合對比分析之后，此系統采用SSM框架[6]。這種框架是標準的MVC開發模式，其中MyBatis 框架負責對數據信息的持久化與創建操作，SpringMVC與Spring框架負責對整個業務框架的組合與處理，以此完成相關業務的操作。

目前對于信息平臺的實現，已有的技術路線實現方式較多。根據業務處理的需要，技術人員可以采用PHP技術、ASP.NET技術、Java技術等進行實現。同時，對于Java技術而言，其包括的開源框架也較多。綜合考慮圖書館管理系統的開發業務與工作，本系統選用SSM的開源框架組合進行開發。這框架主要包括Spring 框架、MyBatis 框架與Spring MVC框架[7]，以此能夠完成圖書館管理系統前后端的設計操作過程，對各類計算機考試系統相關的數據信息進行存儲與管理。結合業務處理的需要，用戶能夠在前端進行相應的操作。

2 系統需求分析

2.1 業務流程分析

教師用戶可以通過對系統的操作實現題庫管理、試卷管理、組卷管理與系統管理等功能模塊的操作，整個業務處理過程流程如圖1所示。

從圖1可以看出，計算機組卷的主要流程：第一步，進行題庫日常的管理，教師用戶能夠對不同類型的題目進行增加、刪除與維護操作；第二步，重點進行組卷操作，用戶能夠查看組成的試卷。

2.2 功能需求分析

在計算機考試組卷系統中，整個系統處理的業務流程是進行題庫、試卷與組卷業務的管理，具體用例圖如圖2所示。

對于整個計算機組卷系統而言，其核心的管理內容包括題庫管理、組卷管理、試卷管理、系統管理，其中組卷管理主要采用蟻群算法來實現。

需求階段是對題庫管理的流程、功能與過程進行詳細闡述，以便編碼人員根據這些確定的用戶流程來完成整個題庫管理功能的設計與實現操作。整個題庫管理的重點用例描述如表1所示。

針對整個題庫管理的用例描述中，明確給出了詳細的處理過程。在登錄系統處理信息之前，需要對系統驗證的信息進行正確錄入，之后按照要求完成整個數據處理更新的過程，并對數據信息進行存儲與日常管理。

2.3 系統非功能需求

在整個計算機考試組卷系統的設計中，除了重點考慮系統功能需求外，還需要對整個系統的非功能需求進行確定，以此為用戶提供良好的體驗。其中，非功能需求中重點關注系統的性能指標與安全性指標方面的內容。針對系統的性能分析，核心的衡量指標在于并發性、響應時間等內容，具體如下：

1） 系統響應時間：在整個計算機考試組卷系統的設計中，性能指標是重要的內容。核心在于各個模塊對于業務的處理時間應滿足用戶的操作需求。整個業務模塊的平均處理時間應在3秒以內；系統內部的模型處理與數據統計時間最長不應超過5秒，以為用戶提供良好的使用體驗。

2） 系統并發性：對于整個系統而言，需要重點考慮較多人數訪問時的穩定性。這需要專業化的工具模擬多用戶訪問，記錄整個系統的穩定性與相關性能。整個系統應滿足并發訪問千人時，系統能夠穩定可靠地對用戶的訪問進行響應。

3 系統設計與應用

對整個計算機考試組卷系統進行技術選型分析后確定，題庫管理、試卷管理、組卷管理、系統管理等主要功能采用Java Web技術實現，以滿足整個系統功能日常的操作需要。通過便捷化、友好化的設計體驗，有效提升用戶使用便利性。整個系統的核心在于采用蟻群算法進行組卷。整個系統分析設計架構分為三層，這三層從上到下依次為用戶層、業務邏輯層與數據層。詳細內容如下所述。

結合圖3的具體內容能夠看出，每一層的主要工作內容如下：

1） 用戶層。此層主要與不同類型的用戶角色進行交互，因此系統的便利性、友好性成為系統設計的首要目標。在整個系統的業務審批處理中，功能的快速流轉處理旨在滿足用戶的操作體驗。系統的主要功能是進行組卷操作，以便用戶更好地進行操作。

2） 業務邏輯層。整個系統處理的邏輯核心在于此層。題庫管理、試卷管理等業務功能結合用戶的操作菜單來完成管理，處理結果存儲在數據庫之中。整個業務邏輯層處理的核心在于利用蟻群算法進行組卷，快速實現各類試卷的組合。

3） 數據層。整個業務模塊處理的核心數據信息存儲在此層。題庫管理、試卷管理、組卷管理與系統管理等主要的數據信息存儲在系統的業務數據庫之中。每一次用戶操作之后，存儲的數據信息會進行更新，之后這些更新的數據會顯示在系統前端頁面之中。

4 結束語

整個計算機考試組卷系統的技術架構主要采用Java Web框架與蟻群算法。這些平臺架構采用開源的方式進行開發。系統采用的數據庫具備良好的安全性，能夠對各類考試相關的數據進行存儲與管理，滿足日常人們對考試業務處理的需求。蟻群算法具有分布式計算、信息正反饋和啟發式搜索的特點，非常適合解決組卷這一復雜的組合優化問題。通過模擬螞蟻的信息素機制，蟻群算法能夠在眾多可能的試卷組合中找到最優解，滿足預設的難度、知識點覆蓋等要求。