基于Java和遗传算法的高校排课教学系统分析与设计

田 杰，胡秋霞，梁茜茜

（1.西安航空学院计算机学院，西安　710077；2.西北农林科技大学信息工程学院，杨凌　712100）

1　引言

在教学工作中，课程表是教学工作的领导的方针，排课教学系统能够有效地组织老师教课，合理地安排时间，提高工作效率。排课过程是要把有限的资源合理地进行安排，故不合理的排课课表会给教学工作带来很多的烦恼和问题，而且降低了工作效率。如何在满足教学要求条件下，合理配置教师，教室等资源并且符合各方面的排课要求，是一项十分复杂的工作。计算机由于运算速度快，处理操作能力强，耗时少，因此大量被运用在排课系统中。遗传算法为一种优化算法，可以很好地解决排课系统中的多目标优化问题，故基于遗传算法的排课系统得到了广泛的应用[1]。本文拟基于Java[2]和SQL Server[3]，采用遗传算法来解决大学排课问题，为高校的排课问题提供了一定的参考性。

2　基于JAVA和遗传算法的排课教学系统设计

2.1　系统架构模式

该系统采用B/S（Browser/Server），即浏览器/服务器组成结构模式。设定了两大模块，其中基本信息模块中包括教师、教室、基本课程和班级信息各个子模块。排课信息模块中有基于遗传算法的自动排课信息模块，按照班级可以打印课表操作的模块，按照老师查询条件可以打印出网页查询表格。教务处每个学期教学任务模块设置和在一个固定班级固定课程由固定老师上课的设定操作模块。

2.2　数据库概念结构设计

采用E-R图（Entity Relationship Diagram）即实体-关系图的方法进行数据结构分析，如图1所示。

图1　E-R图

2.3　排课系统中遗传参数分析与设计

2.3.1编码及初始种群

不同的编码方式会影响效率的高低，在排课问题中可以将每一个教师的课程表设计看成染色体，采用二进制编码。基因组成是排课初始种群生成，针对软性约束要求有老师要求时间地点的优先排到课表中，将剩下的老师在用系统的随机函数插入，初始种群大小为20。

2.3.2适应度函数

确定适应度函数必须满足可行性解和人性要求约束，满足的程度越好越适用。每条染色体的适应度函数计算如下：

式中，K1At(t(Si))+K1Az(t(St))x(i)表示体育课自习课等期望值；Bt(t(St))表示课程离散度的期望值；K1K2K3表示影响的参数。

2.3.3检测与消除冲突

（1）教师冲突问题分析：一个教师只能同一个时间片段，在一个班级里上课。（2）教室冲突问题分析：一个教室不能有多门课程，在相同时间里。人工设置的编码方式可以跳过此冲突。（3）班级冲突问题分析：一个班级不能在相同的时间段里有多门课程。人工设置的编码方式可以跳过此冲突。

2.3.4选择、交叉、变异运算

选择运算是产生优良种群的中间产物阶段，根据排课问题的硬性要求和软性约束下选择复制的过程，选择算子取值0.8。交叉运算是将父代中染色体基因片段在交叉点进行互换操作，常用的有单点交叉和双点交叉操作。本系统采用的是单点交叉操作，取值0.15。在两个父代的交叉点进行互换操作。变异算子是系统生成下一代种群的方式和方法，变异算子取值范围一般是0.001和0.2之间。本系统取0.01，单点变异法。

2.4　界面设计

排课教学系统设计中使用MyEclipse Java Enterprise技术进行开发。Tomcat服务器配置，测试过程中需要首先打开服务器，在浏览器上进行调试和运行，Microsoft SQL Server 2008数据库提供相应的数据技术支持。包括登录模块、整体框架布局测试、智能排课、人工调整操作模块页面、教师及班级课表打印窗口班级课程表打印视图窗口和教师课程表打印的界面设计。

3　结束语

该系统中采用B/S（Browser/Server）结构，利用MyEclipse Java Enterprise技术进行开发。详细设计了系统的登录模块、整体框架布局、智能排课模块、人工调整模块、打印功能模块，界面友好，但算法运行时间长，下一步需要继续改进。

[1]李建丽.基于遗传算法的排课系统研究[D].哈尔滨工程大学，2013.

[2]郑晓梅.一个基于Eclipse的通用Java程序插桩工具[J].计算机科学，2017，11A（44）：534-537.

[3]马万成，袁铁江，张恒等.基于VC++与SQL Server数据库的风电场有功出力的仿真软件实现[J].计算机科学，2011，7（38）：139-144.