自动排课系统的设计与实现
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排课问题从数学上讲，是一个在时间、教师、学生和教室四维空间，以教学计划和各种特殊要求为约束条件的组合规划问题，其实质就是解决各因素之间的冲突。我们分析了国内外对排课问题的研究，根据高职院校的教学体制的特点，采用了化整为零的思想及优先级算法。该算法通过划分等价类、计算优先级等方法降低了课程调度的算法复杂性，从而可以以较快的速度获得较为满意的排课结果。
本文采用Rational统一过程（RUP）为软件开发方法，以统一建模语言（UML）为分析设计描述语言，以淄博职业学院的排课业务为对象进行需求分析，对计算机排课系统进行了系统设计，具体分析设计了用户管理、自动排课、课程管理、课表查询、课表输出等功能模块。
本文介绍了系统开发的背景和国内外排课问题的发展现状，简要描述了系统需要解决的主要问题和系统的开发模式，对系统的需求分析和架构设计进行了详细描述，对系统部分功能的实现进行了介绍，并对教学计划和排课算法两个关键问题进行描述。
在国内，对排课问题的研究始于20世纪80年代初期。例如，西南交通大学在分析高校课表编排所遵循的基本原则和模糊性原则的基础上，定义了课元之间，关于教师的相关关系和关于自然班的相关关系，提出以课元相关运算和课元的候选时空片计算为核心的计算机排课算法；延边大学根据高校课程表的制作特点，设计了计算机自动排课的数据结构与算法；沈阳电力高等专科学校研制了基于Client/Server的开放式智能排课系统；山西大学在总结排课工作经验的基础上，提出了一种解决问题的形式化描述，在这种想法上实现了基于知识推理的排课系统；大连理工大学的智能教学组织管理与课程调度系统，清华大学的TISER系统等等，所有这些系统都是模拟手工排课过程，以“班”为单位，运用启发式函数来进行编排的。但是这些课表编排系统往往比较依赖于各个学校的教学体制，不宜于进行广泛推广。
Keywords:Automatic course scheduling, Algorithm, Priority, Equivalent, Time mode
第1章 绪论
1.1
2002年7月，经山东省政府批准，教育部备案，由原淄博商业学校、淄博市化工学校、淄博市城建中专和淄博市工贸中专四所学校合并组建淄博职业学院。在学院的教学管理工作中，排课是教学管理中最基本、最重要、同时也是最复杂的管理工作之一。目前，我院的排课主要采用手工编排方法。一般是由经验丰富的教务人员在学期末依据人才培养方案、教学计划等资料集中时间、精力进行编排，协调出现的各种矛盾，在这个基础上再由排课专家反复检查合理性，修正课表，直至符合要求为止。
近几年，随着我院招生人数的持续增加，教师规模的不断扩大，手工排课的缺点就越来越突出。排课实际过程中涉及数十个院系和部门、数千教师，上万学生、教师跨系上课和班级合班上课等复杂情况，排出合理的课表需要耗费大量的时间，且排出的课表调整起来困难。同时因为人的思维的随意性，排课表时非常灵活，没有严格的工作步骤，所以人工排出的课表随意性大。
Various functions such as treatment , the school timetable inquiry and the form for report output studied the main content designing that is to use a computer to realize the school timetable arrangement , the basis data by thesis, that the class wielding the computer row replace the tradition by hand to arrange class , improves row class efficiency, makes complying with of educational administration handling crew extricate self in strenuous row class job , improve availability of educational administration personnel , also at the same time also play arrive at active role to administrative standardization of teaching.
国外研究人员从20世纪50年代就开始对课表编排问题的数学模型、解的存在性以及计算机求解算法等问题进行了研究。1962年Gotlieb提出了课表编排问题的数学模型，使之成为数学家和计算机应用专家共同研究的课题。由于实际中遇到种种难题，并未能取得满意成果。1976年Bondy提出了一个简单的排课表问题，将问题归结为一个图的边染色问题，并且对提出的简单排课表问题给出了一个算法。但实际教学活动中提出的排课表问题远非如此简单，且由于它必须满足各种复杂约束条件而使这种算法实际上是无能为力的。1976年Even等人证明了课表问题属于NP完全类问题，把人们对计算机编排课表的复杂性的认识提高到了理论的高度。进入20世界90年代以后，国外对课表问题的研究仍然十分活跃，比较有代表性的有印度的Vastapur大学管理学院的Arabinda Tripathy、加拿大Montreal大学的Jean Aubin和Jacques Ferland等。目前，国外解决课表问题的方法主要有：模拟手工排课法、图论方法、拉格朗日松弛法、二次分配型法等。
计算机由于具有运算速度快、处理能力强等特点，在教学工作中得到了普及应用。用计算机来代替劳动强度大、工作效率低的手工排课势在必行。为了解决手工排课的问题，我院决定通过信息化手段来提高教务管理水平，用计算机排课来代替传统的手工排课。
1.2
计算机排课，它是把排课问题化为计算领域的有约束的时空组合优化问题进行求解的。它对课表上的时间进行了分片和编号处理，使分成的每个时间片和每个教室空间组合，构建了一个个大小不等的时空组合块，并根据求解规则，对每个教学计划进行时空组合块分配，并且分配的组合，必须在目标空间中表现出良好的人为满意度。
摘பைடு நூலகம்
随着高职院校招生人数的持续增加，教师规模的不断扩大，手工排课的缺点就越来越突出。而采用计算机排课，教学中的信息可以一目了然，对于优化学生的学习进程，评估每位教师对教学的贡献，领导合理决策等都具有重要的意义。
本论文所研究设计的主要内容是使用计算机实现课表的编排、基础数据的处理、课表的查询和报表的输出等多种功能，运用计算机排课代替传统的手工排课，提高排课效率，使教务管理人员的从繁重的排课工作中解脱出来，提高教务人员的工作效率，同时也对教学管理的规范化也起到积极的作用。
And the thesis has set forth the consumer need who adopt a computer to arrange class, according to good duty universities and colleges teaching programme , the automation has been ordered from the computer every school term course design plan, describes that to teaching programme the generated algorithm have been in progress. And have introduced the algorithmic row class design design with realization , the data base and have come true detailedly.Aspect such as dividing , reducing algorithm complexity resembling in time choice flexibility , preferential step calculation , equivalence has carried out detailedanalysis. Apply be geared to the needs of marriage partner technology to row class system, the algorithm analysis having discussed that row class realizes process and key, the cause that conflict produces , has given out a problem resolving a scheme.
We have analysed the large amount of home and abroad research to row class problem according to teaching of tall duty universities and colleges system characteristic. When designing an algorithm, have managed algorithmic complexity for reducing a course , has adopt the thought breaking up the whole into parts and the preferential step algorithm. Be an algorithm's turn to be able to gain comparatively satisfied row class result with quicker speed thereby by the fact that method such as dividing the equivalence kind , calculating preferential step has reduced the algorithm complexity that the course manages greatly. At the same time, pay attention to whose conflict solving also very much in designing algorithmic process.
关键词：Rational统一过程RUP、统一建模语言UML、计算机自动排课、等价类、优先级、时间模式
ABSTRACT
The number continuing for increases by with the fact that tall duty universities and colleges enrolls new students , teacher scale ceaselessness expands , the shortcoming arranging class by hand is more and more outstanding. But adopt a computer to arrange class, information in teaching can be clear at a glance , study a course to optimizing a student's, the contribution appraising every place teacher to teaching, leads the rational decision-making to wait to have important significance.
Row of class problem talks on secondary mathematics , is that a combination taking teaching programme and various peculiar request as constraint condition in time , teacher , student and classroom four-dimensional space, plans a problem , whose essence is to resolve the conflict between every factor.
本文采用Rational统一过程（RUP）为软件开发方法，以统一建模语言（UML）为分析设计描述语言，以淄博职业学院的排课业务为对象进行需求分析，对计算机排课系统进行了系统设计，具体分析设计了用户管理、自动排课、课程管理、课表查询、课表输出等功能模块。
本文介绍了系统开发的背景和国内外排课问题的发展现状，简要描述了系统需要解决的主要问题和系统的开发模式，对系统的需求分析和架构设计进行了详细描述，对系统部分功能的实现进行了介绍，并对教学计划和排课算法两个关键问题进行描述。
在国内，对排课问题的研究始于20世纪80年代初期。例如，西南交通大学在分析高校课表编排所遵循的基本原则和模糊性原则的基础上，定义了课元之间，关于教师的相关关系和关于自然班的相关关系，提出以课元相关运算和课元的候选时空片计算为核心的计算机排课算法；延边大学根据高校课程表的制作特点，设计了计算机自动排课的数据结构与算法；沈阳电力高等专科学校研制了基于Client/Server的开放式智能排课系统；山西大学在总结排课工作经验的基础上，提出了一种解决问题的形式化描述，在这种想法上实现了基于知识推理的排课系统；大连理工大学的智能教学组织管理与课程调度系统，清华大学的TISER系统等等，所有这些系统都是模拟手工排课过程，以“班”为单位，运用启发式函数来进行编排的。但是这些课表编排系统往往比较依赖于各个学校的教学体制，不宜于进行广泛推广。
Keywords:Automatic course scheduling, Algorithm, Priority, Equivalent, Time mode
第1章 绪论
1.1
2002年7月，经山东省政府批准，教育部备案，由原淄博商业学校、淄博市化工学校、淄博市城建中专和淄博市工贸中专四所学校合并组建淄博职业学院。在学院的教学管理工作中，排课是教学管理中最基本、最重要、同时也是最复杂的管理工作之一。目前，我院的排课主要采用手工编排方法。一般是由经验丰富的教务人员在学期末依据人才培养方案、教学计划等资料集中时间、精力进行编排，协调出现的各种矛盾，在这个基础上再由排课专家反复检查合理性，修正课表，直至符合要求为止。
近几年，随着我院招生人数的持续增加，教师规模的不断扩大，手工排课的缺点就越来越突出。排课实际过程中涉及数十个院系和部门、数千教师，上万学生、教师跨系上课和班级合班上课等复杂情况，排出合理的课表需要耗费大量的时间，且排出的课表调整起来困难。同时因为人的思维的随意性，排课表时非常灵活，没有严格的工作步骤，所以人工排出的课表随意性大。
Various functions such as treatment , the school timetable inquiry and the form for report output studied the main content designing that is to use a computer to realize the school timetable arrangement , the basis data by thesis, that the class wielding the computer row replace the tradition by hand to arrange class , improves row class efficiency, makes complying with of educational administration handling crew extricate self in strenuous row class job , improve availability of educational administration personnel , also at the same time also play arrive at active role to administrative standardization of teaching.
国外研究人员从20世纪50年代就开始对课表编排问题的数学模型、解的存在性以及计算机求解算法等问题进行了研究。1962年Gotlieb提出了课表编排问题的数学模型，使之成为数学家和计算机应用专家共同研究的课题。由于实际中遇到种种难题，并未能取得满意成果。1976年Bondy提出了一个简单的排课表问题，将问题归结为一个图的边染色问题，并且对提出的简单排课表问题给出了一个算法。但实际教学活动中提出的排课表问题远非如此简单，且由于它必须满足各种复杂约束条件而使这种算法实际上是无能为力的。1976年Even等人证明了课表问题属于NP完全类问题，把人们对计算机编排课表的复杂性的认识提高到了理论的高度。进入20世界90年代以后，国外对课表问题的研究仍然十分活跃，比较有代表性的有印度的Vastapur大学管理学院的Arabinda Tripathy、加拿大Montreal大学的Jean Aubin和Jacques Ferland等。目前，国外解决课表问题的方法主要有：模拟手工排课法、图论方法、拉格朗日松弛法、二次分配型法等。
计算机由于具有运算速度快、处理能力强等特点，在教学工作中得到了普及应用。用计算机来代替劳动强度大、工作效率低的手工排课势在必行。为了解决手工排课的问题，我院决定通过信息化手段来提高教务管理水平，用计算机排课来代替传统的手工排课。
1.2
计算机排课，它是把排课问题化为计算领域的有约束的时空组合优化问题进行求解的。它对课表上的时间进行了分片和编号处理，使分成的每个时间片和每个教室空间组合，构建了一个个大小不等的时空组合块，并根据求解规则，对每个教学计划进行时空组合块分配，并且分配的组合，必须在目标空间中表现出良好的人为满意度。
摘பைடு நூலகம்
随着高职院校招生人数的持续增加，教师规模的不断扩大，手工排课的缺点就越来越突出。而采用计算机排课，教学中的信息可以一目了然，对于优化学生的学习进程，评估每位教师对教学的贡献，领导合理决策等都具有重要的意义。
本论文所研究设计的主要内容是使用计算机实现课表的编排、基础数据的处理、课表的查询和报表的输出等多种功能，运用计算机排课代替传统的手工排课，提高排课效率，使教务管理人员的从繁重的排课工作中解脱出来，提高教务人员的工作效率，同时也对教学管理的规范化也起到积极的作用。
And the thesis has set forth the consumer need who adopt a computer to arrange class, according to good duty universities and colleges teaching programme , the automation has been ordered from the computer every school term course design plan, describes that to teaching programme the generated algorithm have been in progress. And have introduced the algorithmic row class design design with realization , the data base and have come true detailedly.Aspect such as dividing , reducing algorithm complexity resembling in time choice flexibility , preferential step calculation , equivalence has carried out detailedanalysis. Apply be geared to the needs of marriage partner technology to row class system, the algorithm analysis having discussed that row class realizes process and key, the cause that conflict produces , has given out a problem resolving a scheme.
We have analysed the large amount of home and abroad research to row class problem according to teaching of tall duty universities and colleges system characteristic. When designing an algorithm, have managed algorithmic complexity for reducing a course , has adopt the thought breaking up the whole into parts and the preferential step algorithm. Be an algorithm's turn to be able to gain comparatively satisfied row class result with quicker speed thereby by the fact that method such as dividing the equivalence kind , calculating preferential step has reduced the algorithm complexity that the course manages greatly. At the same time, pay attention to whose conflict solving also very much in designing algorithmic process.
关键词：Rational统一过程RUP、统一建模语言UML、计算机自动排课、等价类、优先级、时间模式
ABSTRACT
The number continuing for increases by with the fact that tall duty universities and colleges enrolls new students , teacher scale ceaselessness expands , the shortcoming arranging class by hand is more and more outstanding. But adopt a computer to arrange class, information in teaching can be clear at a glance , study a course to optimizing a student's, the contribution appraising every place teacher to teaching, leads the rational decision-making to wait to have important significance.
Row of class problem talks on secondary mathematics , is that a combination taking teaching programme and various peculiar request as constraint condition in time , teacher , student and classroom four-dimensional space, plans a problem , whose essence is to resolve the conflict between every factor.