本發(fā)明涉及教學(xué)管理領(lǐng)域，特別是一種高效智能的排課方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在學(xué)校教學(xué)管理工作中，排課一直是一項(xiàng)極其繁重且非常重要的工作，一個(gè)完善的排課方案是保證教學(xué)秩序正常進(jìn)行的前提和基礎(chǔ)。而隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大、教學(xué)資源緊缺以及教學(xué)形式多樣化等一系列現(xiàn)象，實(shí)際排課過程中碰到的約束條件及規(guī)則沖突也是越來越強(qiáng)，而傳統(tǒng)的手工排課方法要么耗時(shí)很久，要么很難出一個(gè)比較完善的排課方案。

排課問題是經(jīng)典的NP完全問題，目前也產(chǎn)生了很多排課的方法及思路，如基于貪心算法、基于回溯算法、基于遺傳算法等等。貪心算法雖然時(shí)間復(fù)雜度比較低，但是比較容易出現(xiàn)局部最優(yōu)，也可能找不到可行解；回溯算法雖然有通用解題法之稱，但走不通就退回再走的思路注定了需要較長的時(shí)間；而遺傳算法需要通過生成大量的初始值后再不斷的優(yōu)勝劣汰，需要消耗大量的空間，而沒有主動(dòng)依據(jù)條件生成課表，存在一定的隨機(jī)性，也導(dǎo)致大量時(shí)間的浪費(fèi)。

本發(fā)明針對(duì)教學(xué)管理領(lǐng)域中的排課問題進(jìn)行了算法和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，先利用模擬人工排課的快速排課方法快速生成初始課程表，再利用迭代逼近的深度優(yōu)化排課方法進(jìn)行深度優(yōu)化。經(jīng)實(shí)踐，該方法和系統(tǒng)能夠高效智能的生成完善的課程表，大大降低了學(xué)校排課任務(wù)的工作量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是，在現(xiàn)有技術(shù)背景下，提出一種高效智能的排課方法及系統(tǒng)主要針對(duì)教學(xué)管理中的排課問題進(jìn)行了算法和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，先利用模擬人工排課的快速排課方法快速生成初始課程表，再利用迭代逼近的深度優(yōu)化排課方法進(jìn)行深度優(yōu)化。該方法和系統(tǒng)能夠高效智能的生成完善的課程表，大大降低了學(xué)校排課任務(wù)的工作量。

本發(fā)明技術(shù)方案是，一種模擬人工排課的快速排課方法，包括：

步驟一：對(duì)數(shù)據(jù)庫中的班級(jí)、學(xué)科、課程、周課時(shí)、老師、教室等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和用戶設(shè)定的約束規(guī)則進(jìn)行預(yù)處理，生成一張排課用的基礎(chǔ)表：先對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)生成基礎(chǔ)表，再根據(jù)用戶約束規(guī)則對(duì)基礎(chǔ)表中的標(biāo)記進(jìn)行更新。

步驟二：定義排課優(yōu)先規(guī)則，約束條件強(qiáng)的優(yōu)先，對(duì)各個(gè)班級(jí)、各個(gè)學(xué)科、各門課程進(jìn)行排課前的優(yōu)先級(jí)排序，生成排課優(yōu)先級(jí)順序表。

步驟三：從排課優(yōu)先級(jí)順序表中依次取出待排的班級(jí)和學(xué)科，先從排課用的基礎(chǔ)表中生成候選時(shí)間集，再按照約束規(guī)則在基礎(chǔ)表中選擇周課時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間集合，并將所選時(shí)間集合標(biāo)記更新至排課用的基礎(chǔ)表。這里，約束規(guī)則一方面根據(jù)用戶設(shè)定的“一定”>“盡量”>“無設(shè)定”，另一方面，在可選時(shí)間集合內(nèi)，盡可能挑選比較分散的時(shí)間集合，如一周3節(jié)課，優(yōu)先選擇每天1節(jié)課且、不連續(xù)3天上課的時(shí)間集合。

步驟四：依次取出待排的班級(jí)和學(xué)科循環(huán)進(jìn)行步驟三，直到排課優(yōu)先級(jí)順序表中所有班級(jí)的學(xué)科排課完畢，該方法快速生成了初始課程表。

進(jìn)一步，本發(fā)明公開一種迭代逼近的深度優(yōu)化排課方法，包括：

步驟一：定義目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)f(S)，初設(shè)總迭代次數(shù)c_a，初設(shè)未發(fā)生變更的次數(shù)c_b，用于新解舊解的比較依據(jù)及迭代終止條件。目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)f(S)綜合考慮未排學(xué)科課時(shí)數(shù)、課程均勻分布程度、老師上課均勻程度等因素。

步驟二：對(duì)課程表S0，隨機(jī)選擇某些班級(jí)的某些學(xué)科，依據(jù)模擬人工排序的快速排課方法，對(duì)這些學(xué)科進(jìn)行重排，獲得新的課程表S1。

步驟三：計(jì)算f(S0)與f(S1)，若S1優(yōu)于S0，則用S1替換S0，若S1差于S1，則以極小概率a用S1替換S0。這里，以小概率的將差解替換優(yōu)解，可以跳出局部最優(yōu)的情況。

步驟四：重復(fù)上兩步(步驟二和步驟三)，直到總迭代次數(shù)>c_a或者S0未發(fā)生變更的次數(shù)>c_b，則停止，最終S0為該學(xué)校的深度優(yōu)化課程表。

本發(fā)明公開一種高效智能的排課系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)源模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、模擬人工排課的快速排課模塊、迭代逼近的深度優(yōu)化排課模塊。

所述數(shù)據(jù)源模塊，用于錄入學(xué)校的基礎(chǔ)信息及用戶自定義的排課規(guī)則。學(xué)?；A(chǔ)信息包含學(xué)校信息、班級(jí)信息、老師信息、學(xué)科信息、課程信息、教室信息等等；用戶自定義的排課規(guī)則如某學(xué)科某時(shí)間一定、優(yōu)先或者不排課，某老師某時(shí)間是否排課，是否設(shè)置連堂課和合班課等等。

所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成排課用的基礎(chǔ)信息表，并根據(jù)用戶規(guī)則對(duì)基礎(chǔ)信息進(jìn)行標(biāo)記設(shè)定。其中包括兩個(gè)個(gè)子模塊：數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)子模塊、標(biāo)記設(shè)定子模塊。所述數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)子模塊，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成排課用的基礎(chǔ)信息表，包含班級(jí)、學(xué)科、老師、學(xué)科周課時(shí)數(shù)、上課時(shí)間段、連堂時(shí)間段、上下午時(shí)間段、標(biāo)記1、標(biāo)記2、…、標(biāo)記n、排課標(biāo)記等等。所述標(biāo)記設(shè)定子模塊，對(duì)用戶設(shè)定的“一定”、“盡量”、“一定不”進(jìn)行標(biāo)記，如默認(rèn)0，“一定”記為2，“盡量”記為1，“一定不”記為-1，對(duì)其他連堂課、合班課等規(guī)則采用類似的規(guī)則分別進(jìn)行標(biāo)記。通過所述兩個(gè)子模塊可以生成排課用的基礎(chǔ)信息表。

所述模擬人工排課的快速排課模塊，利用模擬人工排課的快速排課方法，快速生成盡可能滿足規(guī)則的課程表。

所述迭代逼近的深度優(yōu)化排課模塊，利用迭代逼近的深度優(yōu)化排課方法，對(duì)快速生成的課程表進(jìn)行深度優(yōu)化，迭代出一個(gè)最優(yōu)的課程表。

有益效果：本發(fā)明提出一種高效智能的排課方法，先利用模擬人工排課的快速排課方法快速生成初始課程表，再利用迭代逼近的深度優(yōu)化排課方法進(jìn)行深度優(yōu)化。本發(fā)明方法和系統(tǒng)能夠高效智能的生成完善的課程表，大大降低了學(xué)校排課任務(wù)的工作量，課程表的安排更加合理科學(xué)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的模擬人工排課的快速排課方法的流程示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的迭代逼近的深度優(yōu)化排課方法的流程示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的高效智能的排課系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

在本發(fā)明中，在對(duì)學(xué)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、標(biāo)記等預(yù)處理后，通過模擬人工排課的快速排課方法快速生成初始課程表，再通過迭代逼近的深度優(yōu)化排課方法進(jìn)行深度優(yōu)化，迭代出一個(gè)完善的課程表，大大降低了學(xué)校排課任務(wù)的工作量。

參閱圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的模擬人工排課的快速排課流程，具體步驟為：

步驟11：對(duì)數(shù)據(jù)庫中的班級(jí)、學(xué)科、老師等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和用戶設(shè)定的約束規(guī)則進(jìn)行預(yù)處理，生成一張排課用的基礎(chǔ)表。先對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)生成基礎(chǔ)表，再根據(jù)用戶規(guī)則對(duì)基礎(chǔ)表中的標(biāo)記進(jìn)行更新。在本發(fā)明實(shí)施例中，預(yù)處理后的排課基礎(chǔ)表字段包括：班級(jí)ID、學(xué)科ID、教師ID、學(xué)科周課時(shí)數(shù)、周-時(shí)段ID、周ID、時(shí)段ID、連堂課時(shí)段ID、上下午時(shí)段ID、優(yōu)先排標(biāo)記、連堂課標(biāo)記、最終排課標(biāo)記。其中：

●學(xué)科周課時(shí)數(shù)：每個(gè)班級(jí)每個(gè)學(xué)科每周上的課時(shí)數(shù)

●關(guān)于時(shí)段相關(guān)ID：周ID為1～5，時(shí)段ID為1～n(n表示該班級(jí)每天n堂課)，周-時(shí)段ID為周ID和時(shí)段ID的交叉集合(共5*n個(gè)時(shí)段集合)，連堂課時(shí)段ID為1～3(若早上4節(jié)下午2節(jié))，上下午時(shí)段ID為1～2(1表示上午，2表示下午)

●關(guān)于優(yōu)先排標(biāo)記：-1～2，取值根據(jù)用戶設(shè)定的規(guī)則，2表示“一定排”，1表示“盡量排”，-1表示“一定不排”，用戶無設(shè)定規(guī)則時(shí)默認(rèn)0

●關(guān)于連堂課標(biāo)記：0～1，1表示連堂課方式上課，0表示無連堂課

●最終排課標(biāo)記：排課過程中更新，0表示未排，1表示已排

生成的基礎(chǔ)表中，每個(gè)班級(jí)每個(gè)學(xué)科每個(gè)時(shí)段均生成記錄，即每個(gè)班級(jí)每個(gè)學(xué)科5*n條記錄，優(yōu)先排標(biāo)記、連堂課等用戶規(guī)則標(biāo)記按用戶設(shè)定規(guī)則更新，最終排課標(biāo)記初始默認(rèn)為0，排課過程中更新。

步驟12：定義排課優(yōu)先規(guī)則，約束條件強(qiáng)的優(yōu)先，對(duì)各個(gè)班級(jí)各個(gè)學(xué)科進(jìn)行排課前的優(yōu)先級(jí)排序，生成排課優(yōu)先級(jí)順序表。在本發(fā)明實(shí)施例中，排課優(yōu)先級(jí)順序表字段包括：班級(jí)ID、學(xué)科ID、教師ID、學(xué)科周課時(shí)數(shù)、主副課標(biāo)記、優(yōu)先排標(biāo)記、連堂課標(biāo)記、老師周課時(shí)數(shù)、老師互斥標(biāo)記、教室數(shù)量、優(yōu)先排標(biāo)記計(jì)數(shù)、排序優(yōu)先級(jí)標(biāo)記。其中：

●主副課標(biāo)記：主課記為1，副科記為0

●老師周課時(shí)數(shù)：每個(gè)老師每周上的課時(shí)數(shù)

●老師互斥標(biāo)記：部分老師不能同時(shí)上課，如存在互斥老師，則記為1，否則為0

●教室數(shù)量：學(xué)校能夠支持同時(shí)上課的教室數(shù)量

●優(yōu)先級(jí)標(biāo)記計(jì)數(shù)：優(yōu)先排標(biāo)記>0的時(shí)段集合計(jì)數(shù)

●排序優(yōu)先級(jí)標(biāo)記：根據(jù)定義的排課優(yōu)先規(guī)則生成的排課優(yōu)先級(jí)，在本發(fā)明實(shí)施例中按照如下規(guī)則：教室數(shù)量(升序)>連堂課標(biāo)記(倒序)>主副課標(biāo)記(倒序)>優(yōu)先排標(biāo)記(倒序)>優(yōu)先級(jí)標(biāo)記計(jì)數(shù)(升序)>老師互斥標(biāo)記(倒序)>老師周課時(shí)數(shù)(倒序)。

步驟13：從排課優(yōu)先級(jí)順序表中依次取出待排的班級(jí)和學(xué)科，先從排課用的基礎(chǔ)表中生成候選時(shí)間集，再按照約束規(guī)則選擇周課時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間集合，并將所選時(shí)間集合標(biāo)記更新至排課用的基礎(chǔ)表。在本發(fā)明實(shí)施例中，選擇時(shí)間集合的方法如下：

●將每天的可選時(shí)間集合按照優(yōu)先級(jí)標(biāo)記倒序，主課按照連堂課時(shí)段ID升序，副課按照連堂課時(shí)段ID倒序，再隨機(jī)排序，得到每天的有序可選時(shí)間集合；

●若學(xué)科周課時(shí)n＝1，則隨機(jī)取一天的第一個(gè)時(shí)間；

●若學(xué)科周課時(shí)n＝2，則隨機(jī)取非連續(xù)兩天的第一個(gè)時(shí)間；

●若學(xué)科周課時(shí)n＝3，則隨機(jī)取非連續(xù)三天的第一個(gè)時(shí)間；

●若學(xué)科周課時(shí)n＝4，則隨機(jī)取四天的第一個(gè)時(shí)間；

·若學(xué)科周課時(shí)n＝5，則隨機(jī)取五天的第一個(gè)時(shí)間；

●若學(xué)科周課時(shí)n>5，則先取五天的第一個(gè)時(shí)間，再循環(huán)以上步驟。

步驟14：循環(huán)步驟13，直到排課優(yōu)先級(jí)順序表中所有班級(jí)的學(xué)科排課完畢，該方法快速生成了初始課程表。。

參閱圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的迭代逼近的深度優(yōu)化排課流程，具體步驟為：

步驟21：定義目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)f(S)，總迭代次數(shù)c_a，解未發(fā)生變更的次數(shù)c_b，用于新解舊解的比較依據(jù)及迭代終止條件。目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)f(S)綜合考慮未排學(xué)科課時(shí)數(shù)、課程均勻分布程度、老師上課均勻程度等因素。在本發(fā)明實(shí)施例中，未排學(xué)科課時(shí)數(shù)為A，班級(jí)連續(xù)兩天上同一學(xué)科的課時(shí)數(shù)為B，老師每天課時(shí)數(shù)方差為C，f(S)＝w1*A+w2*B+C。

步驟22：對(duì)課程表S0，隨機(jī)選擇某些班級(jí)的某些學(xué)科，依據(jù)模擬人工排序的快速排課方法，對(duì)這些學(xué)科進(jìn)行重排，獲得新的課程表S1。在本發(fā)明實(shí)施例中，每次選擇某些班級(jí)的某些學(xué)科，共計(jì)k＝所有班級(jí)的所有課程數(shù)*20％個(gè)。

步驟23：計(jì)算f(S0)與f(S1)，若S1優(yōu)于S0，則用S1替換S0，若S1差于S1，則以極小概率a用S1替換S0。這里，以小概率的將差解替換優(yōu)解，可以跳出局部最優(yōu)的情況。

步驟24：重復(fù)上兩步(22-23)，直到總迭代次數(shù)>c_a或者S0未發(fā)生變更的次數(shù)>c_b，則停止，最終S0為該學(xué)校的深度優(yōu)化課程表。

參閱圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括：

數(shù)據(jù)源模塊31、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊32、模擬人工排課的快速排課模塊33、迭代逼近的深度優(yōu)化排課模塊34。

數(shù)據(jù)源模塊31，用于錄入學(xué)校的基礎(chǔ)信息及用戶自定義的排課規(guī)則。學(xué)?；A(chǔ)信息包含學(xué)校信息、班級(jí)信息、老師信息、學(xué)科信息、課程信息、教室信息等等；用戶自定義的排課規(guī)則如某學(xué)科某時(shí)間一定、優(yōu)先或者不排課，某老師某時(shí)間是否排課，是否設(shè)置連堂課和合班課等等。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊32，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成排課用的基礎(chǔ)信息表，并根據(jù)用戶規(guī)則對(duì)基礎(chǔ)信息進(jìn)行標(biāo)記設(shè)定。其中包括兩個(gè)個(gè)子模塊：數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)子模塊321、標(biāo)記設(shè)定子模塊322。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)子模塊321，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成排課用的基礎(chǔ)信息表，包含班級(jí)ID、學(xué)科ID、教師ID、學(xué)科周課時(shí)數(shù)、周-時(shí)段ID、周ID、時(shí)段ID、連堂課時(shí)段ID、上下午時(shí)段ID、優(yōu)先排標(biāo)記、連堂課標(biāo)記、最終排課標(biāo)記。

標(biāo)記設(shè)定子模塊322，對(duì)用戶設(shè)定的“一定”、“盡量”、“一定不”進(jìn)行標(biāo)記，默認(rèn)0，“一定”記為2，“盡量”記為1，“一定不”記為-1，連堂課有設(shè)定記為1，無設(shè)定記為0，最終排課標(biāo)記初始化為0。

模擬人工排課的快速排課模塊33，利用模擬人工排課的快速排課方法，快速生成盡可能滿足規(guī)則的課程表。

迭代逼近的深度優(yōu)化排課模塊34，利用迭代逼近的深度優(yōu)化排課方法，對(duì)快速生成的課程表進(jìn)行深度優(yōu)化，迭代出一個(gè)最優(yōu)的課程表。

以上所述僅為本發(fā)明專利的一種實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明專利，凡在本發(fā)明專利的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均以包含在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。