基于蚁群算法的机房信息管理系统设计①

(闽江学院，福建 福州 350108)

0 引 言

随着现代教育资源的日趋紧张，如何有效的利用现有教学资源，合理安排高校计算机机房教学，是当前思考的一个重要问题。同时伴随着计算机机房的应用，加强对计算机机房设备的维护，以及做好计算机机房的考勤管理等，也是发挥计算机机房作用的重要途径。针对上述思考的问题，很多学者进行了研究。如丁花阳则提出采用ASP.NET对运动课程进行排课，实现了网络排课安排[1]；张艳红(2015)[2]则提出采用遗传算法等对机房课程进行排课，进而大大提高了高校机房排课的智能化。本文则在以上研究的基础上，结合机房管理的相关，提出一个综合性的机房管理系统，并引入智能算法对机房排课进行优化，以提高计算机机房管理系统的实用性。

1 系统整体架构设计

架构的搭建是保障系统运行的基础，也是根本。从搭建模式来讲，目前主流的模式主要包含B/S和C/S模式。其中C/S模式为两层架构，这种模式的优势在于可提高客户端的响应速率，及时对后台进行访问，但是维护成本较高；B/S模式为三层架构，将业务逻辑层从服务器中分离，单独作为一层。这样的优势在于不需要对客户端进行升级，而只需要对应用程序进行更新，即可实现升级。因此，该系统采用B/S三层架构模式，将整个机房管理系统分为数据层、业务层和表现层。具体架构如图1所示。

图1 系统整体架构设计

在该系统架构搭建中，以SQL Server作为数据库，业务层与数据库之间的连接采用ADO.NET数据访问技术。在表现层，分别针对教师、机房管理员和学生设置三类不同的业务程序，以满足不同角色的业务需求。

2 系统功能模块设计

结合机房管理的相关业务，以及系统构建的角色，将该系统的不同角色用例设计为如图2所示。

图2 系统整体角色用例分析

通过图2的角色用例看出，系统管理员拥有所有功能的操作权限，学生只拥有课程信息管理和上机信息管理两个模块的操作权限。在课程信息模块中，教师可进行课程查询、课程优化和临时课程预约管理；学生可进行课程查询。在上机信息管理中，学生可查询上机缴费信息、剩余费用信息、上机时间等；教师可实时查看学生上机情况。由此，结合以上的分析，将系统功能模块设计为如图3所示。

图3 系统功能模块

系统管理。该模块下包含系统登录、系统注册、系统注销、数据管理四个部分。前三个子模块主要用于用户身份验证，后一模块主要用于对系统后台的数据管理和维护，包括数据备份、数据删除等；课程信息管理。课程优化模块，主要是对学校整个计算机机房课程的优化安排，以提高计算机机房的应用效率；课程预约是方便教师临时用计算机机房而做出的预约；基本信息管理。该模块主要对用户的基本信息资料进行管理。当新生在报到后，该系统就可以把学生的信息添加到系统数据库中，当对部分转学的学生，则还是需要注册才能使用；设备信息管理。该模块主要是对计算机机房的相关设备进行管理。所以在该模块中，主要对计算机设备进行添加和维护信息进行查看等功能模块；上机信息管理。该模块主要用于学生和教师对上机方面的相关信息进行查询，包括上机时间、缴费情况等；值班管理。该模块主要负责对计算机房的值班管理安排和查询等。

3 系统详细设计

3.1 系统登录模块设计

登录模块是保障系统安全的第一步。用户首先通过主界面点击登录功能，然后通过数据库引擎与后台数据库交互，最后通过比对验证用户的合法性。具体登录流程可以用图4流程图表示。

图4 系统登录流程图

3.2 排课优化模块设计

3.2.1 排课问题描述

影响机房排课的因素很多，约束条件也多。在约束条件中，不仅要考虑机房的作为和学生的数量，同时还要考虑班级与机房的资源的配置安排等。归纳起来，在机房排课安排中，要考虑课程因素、教师因素、安排时间因素、机房因素等[3-5]。

3.2.2 机房排课数学模型构建

根据以上描述看出，机房排课问题涉及课程、班级、时间、教师和机房等。要求解机房排课问题，首先构建上述几个因素的集合：课程集合：L={L1,L2,...,Lx}，Li表示第i门课程；班级集合：C={C1,C2,...,Cy}，Ci表示第i个班级；教师集合：T={T1,T2,...,Tm}，Ti表示第i位教师；时间集合：Q={Q1,Q2,...,Qn}，Qn表示第i时间段；机房集合：R={R1,R2,...,RP}，Ri表示第i时间段；

将上述五个因素放入笛卡尔坐标系中，构成一个L×C×T×Q×R的多维坐标。由此，排课问题就是在该坐标中，在各项约束条件下，找到一个最优解的问题。同时由于班级、课程和教师已经确定，所以上述实际的求解就是为每一门课程找到一个时间和机房。所以，要求解的为〈Q,R〉元组。由此，可以将上述的问题看成是一个二分图的匹配问题。

3.2.3 约束条件

在机房排课中，主要就是要考虑机房、班级和教师不能安排在同一时间。因此，在这个约束下，可以将机房排课的约束分为硬约束和软约束两类。其中，硬约束是必须要满足的条件，软约束是在硬约束的前提下的一种优化。而所谓的硬约束必须要满足以下条件：①在相同时间，相同的教师不能在两个以上的机房上课；②在相同时间，相同班级不能上两门不同课程；③机房座位数量必须等于或大于班级人数；④部分教师班级在特定的时间不能安排计算机机房课程。

软约束的条件则是在硬约束的条件下的优化：①1周内上多次课程的班级尽量分开，不安排在同1d；②各课程表尽量分配均匀；③尽量安排设备较好的机房给不同班级上课；

图5 课表查询流程

3.2.4 问题求解

要解决以上的问题，需要采用算法对上述数学问题进行求解。传统的求解方法中，通常采用蚁群算法进行求解。但蚁群算法容易陷入极早收敛的问题。因此在研究中，对传统的蚁群算法进行改进。研究认为传统蚁群算法可能会因为排课不集中，影响最优解时间。所以，在研究中引入变异机制的方式，以提高课程编排的优化，防止课表冲突，防止过早收敛。具体步骤为：

①人工蚂蚁构造

人工蚂蚁能记住自己周游的节点，在排课表中则表示哪些〈Q,R〉节点排过课，哪些没有。

②初始化

将上述构造的m个蚂蚁分布在n个节点上，并将这些节点设定为蚂蚁的禁忌节点。

③节点选择

图6 基本信息界面

图7 课表查询

为避免以往的过早收敛问题，采用自适应选择和动态调整的方式对路径进行选择。具体是按照概率的方式对路径进行选择。

(1)

(2)

上式中，τij(t)表示当前t时刻在路径(i,j)上的信息素；ηij表示蚂蚁从i节点到j节点的启发信息，QRk表示为蚂蚁k的时间-机房分配表，q∈[0,1]。

④信息素更新

当蚂蚁移动到下一个节点后，不仅需要更改禁忌表，还要更新信息素。具体更新公式为：

τij(t+1)=(1-ρ)·τij(t)+ρ·τijk(3)

⑤计算最佳路径

当蚂蚁走完所有节点，则计算最佳的路径。

3.3 课表查询

在系统排课成功后，教师和学生都可对课表进行查询。具体查询重新流程如图5所示[6]。

4 系统实现

4.1 基本信息模块实现

在基本信息管理中，包含学生信息、设备信息、机房信息、教师信息等部分。具体界面如图6所示。

4.2 课表查询界面

通过上述的设计，得到图7所示的课表查询界面。

5 结 语

通过上述的设计看出，通过该智能化机房管理系统，可实现设备维护管理、学生基本信息管理、课程编排等功能。而在上述的设计中，解决了机房管理中最为难的问题，那就是对课程进行优化；其次是借助开发技术，给出部分功能实现的流程和界面。