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基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现摘要 摘要 题库系统的建设和运用是促进教学技术改革和提高教学效率的一项重要工作。本 文结合中学教育对题库系统的实际需求，从保障系统的安全性和提高成卷的质量这两 个角度出发，运用基于角色的访问控制( r o l eb a s e d a c c e s sc o n t r o l ，r b a c ) 技术和遗 传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) ，对网络环境下的多学科通用题库系统进行了设计与 实现。 本文分析了传统访问控制的不足，在对r b a c 9 6 访问控制模型进行详细研究的 基础上，基于r b a c 0 模型结构，设计了题库系统的访问控制实现方案，从而方便了 用户权限的管理，保证了角色的最小权限原则，加强了系统的安全性。在组卷算法的 设计上，本文研究了遗传算法的原理及其在组卷问题上的应用方式，针对传统二进制 染色体编码方式下产生的个体因携带信息量不足而影响算法执行效率的问题，提出了 一种二进制与字符混合的分段的编码方案，这种编码方案在一定程度上提高了初始解 的适应度，加快了算法搜索速度，提高了算法效率。本文对采用这种编码方案的遗传 算法在处理组卷问题上的具体操作过程进行了详细的介绍。 在上述研究的基础上，本文对系统总体结构、系统流程、功能模块划分等进行了 设计，并最终完成了系统的代码实现。所开发的题库系统目前已被应用于我校教学中， 并产生了良好的效果。 关键词：题库、访问控制、组卷算法、r b a c 、g a 作者：李良 指导教师：朱艳琴 a b s t r a c tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f l t e mb a n kb a s e d0 1 1r b a ca n dg a a b s t r a c t t h eb u i l d i n ga n da p p l i c a t i o no fq u e s t i o nb a n ks y s t e mi sa n i m p o r t a n tw o r ki n p r o m o t i n gi n n o v a t i o no f t e a c h i n gt e c h n o l o g ya n de n h a n c e st e a c h i n ge f f i c i e n c y t h i sa r t i c l e ， c o m b i n i n gt h ea c t u a lr e q u e s to fs e c o n d a r ye d u c a t i o nf o rt h eq u e s t i o nb a n ks y s t e ma sw e l l a st h et w oa n g e l so f s a f e g u a r d i n gs y s t e ms e c u r i t ya n di m p r o v i n ge x a m i n a t i o np a p e rq u a l i t y , h a sc a r r i e do nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fg e n e r a lm u l t i - d i s c i p l i n a r yq u e s t i o nb a n ku n d e r t h en e t w o r ke n v i r o n m e n tb yu t i l i z i n gr o l eb a s e da c c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dg e n e t i c a l g o r i t h m s t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ei n s u f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a la c c e s sc o n t r 0 1 b a s e do nt h e t h o r o u g hs t u d yo fr b a c 9 6a c c e s sc o n t r o lm o d e la n dr b a c om o d e ls t r u c t u r e ，t h i sa r t i c l e h a sd e s i g n e dt h er e a l i z a t i o ns c h e m ef o rt h eq u e s t i o nb a n ks y s t e ma c c e s sc o n t r o l ，w h i c hh a s f a c i l i t a t e du s e r sj u r i s d i c t i o nm a n a g e m e n t ，g u a r a n t e e dt h es m a l l e s tj u r i s d i c t i o np r i n c i p l eo f r o l e ，s t r e n g t h e n e dt h es y s t e ms e c u r i t y i nt h ed e s i g no fg r o u p i n ge x a m i n a t i o np a p e r a l g o r i t h m ，t h i sa r t i c l es t u d i e st h eg e n e t i ca l g o r i t h m sp r i n c i p l ea n di t sa p p l i c a t i o nm o d ei n g r o u p i n ge x a m i n a t i o np a p e r i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e m d u et oau n i tf r o mu n d e rt r a d i t i o n a l b i n a r yv a l u e dc h r o m o s o m ee n c o d i n gm e t h o d ，w h i c hc a r r i e si n s u f f i c i e n ti n f o r m a t i o nb u tt o a f f e c tt h ea l g o r i t h mc o n d u c te f f i c i e n c y , t h i sa r t i c l ep r o p o s e so n ek i n do fm i x e ds u b s e c t i o n e n c o d i n gm e t h o do fb i n a r ya n dc h a r a c t e r t h i sk i n do fc o d es c h e m e ，t os o m ed e g r e e ， e n h a n c e st h ei n i t i a ls o l u t i o nf i t n e s s ，a c c e l e r a t e st h ea l g o r i t h ms e a r c hs p e e da n di m p r o v e s a l g o r i t h me f f i c i e n c y t h i sa r t i c l eg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h eo p e r a t i o np r o c e s so f t h eg e n e t i ca l g o r i t h m so f t h i sc o d es c h e m et r e a t i n gw i t l lg r o u p i n ge x a m i n a t i o np a p e r b a s e do nt h ea b o v es t u d y , t h i sa r t i c l ec o n d u c t st h ed e s i g no fw h o l es y s t e ms t r u c t u r e ， s y s t e mf l o w , f u n c t i o nm o d u l ed i v i s i o na n d s oo na n de v e n t u a l l yc o m p l e t e st h es y s t e mc o d e r e a l i z a t i o n a tp r e s e n tt h ed e v e l o p e dq u e s t i o nb a n ks y s t e mh a sb e e na p p l i e di no u rs c h o o l s t e a c h i n gp r o g r a m ，a n dh a sp r o d u c e dt h eg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：q u e s t i o nb a n k ，a c c e s sc o n t r o l ，a l g o r i t h mo f g r o u pe x a m i n a t i o np a p e r ，r b a c ， g a w r i t t e nb y ：l i l i a n g s u p e r v i s e db y ：z h uy a n q i n i i y9 5 6 3 2 3 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本沦文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名虏莨 学位论文使用授权声明 日期：兰! ! ：! ! ：筝 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 沧文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 引言 引言 随着教学改革进程的不断深化，教学要求的不断提高，传统的出卷考试方式已经 无法适应目前中小学阶段基础教育的需求。如何有效利用现有校园网络资源，建立一 个安全高效的题库系统作为一项促进学校教学技术改革和提高教学效率的重要课题， 越来越受到各中小学校的重视。 本文从中学教育对题库系统的实际需求出发，在兼顾题库访问的安全性和组卷的 智能性基础上，将基于角色的访问控制( r o l eb a s e d a c c e s sc o n t r o l ，r b a c ) 技术和遗 传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) 结合运用于题库系统的设计中，设计与实现了一个 网络环境下的通用题库系统。 本文首先对现有的几种题库系统进行了分析，结合目前中小学校对题库系统的实 际需求，找出其不足之处，主要有两点：1 、在系统构成上，现有的题库系统多为单 机版，不适应目前网络化需求；2 、在组卷策略上，现有题库系统组卷算法智能性和 组卷效率都有待提高。随后，针对这些不足，提出本文的设计思想。 接着，在全面考虑系统需求的基础上，对系统进行总体设计，包括：系统结构与 流程的设计、系统功能模块的设计和各子功能模块的设计。 由于本文设计的是一个网络环境下的多学科通用题库系统，因此访问的安全性问 题是设计中必须考虑的问题之一。本文设计采用基于角色的访问控制技术来解决用户 权限指派问题，即以角色为桥梁，用户通过角色获取相应的权限，将用户与权限相对 独立开来，从而解决了非法用户的侵入或合法用户误操作对系统带来的安全隐患。由 于采用了基于角色的访问控制，使得系统对于权限的管理更为方便有效，也更容易实 现权限最小原则，从管理的角度提高了系统的安全性。同时，因基于角色的访问控制 本身所具有的对角色和权限管理的灵活性，也为系统将来进行功能的扩充带来了极大 的方便。 组卷策略是本文设计的另一个重点问题。组卷问题是一个多重约束条件下的组合 优化问题，可以描述为一个目标函数和一组约束条件的组合l ”，而遗传算法是一种借 鉴生物自然选择和进化机制发展起来的高度并行、随机、自适应搜索算法口】。由于遗 引言 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 传算法具有并行性、自学习性、健壮性和易于实现等特点，非常适合处理多目标的优 化问题，因此，将遗传算法应用于组卷问题，能有效提高组卷的智能性和搜索效率。 本文研究了遗传算法的原理及其在组卷问题上的应用方式，针对传统二进制染色体编 码方式下产生的个体因携带信息量不足而影响算法执行效率的问题，提出了一种二进 制与字符混合的分段的编码方案，这种编码方案在一定程度上提高了初始解的适应 度，加快了算法搜索速度，提高了算法效率。本文对采用这种编码方案的遗传算法在 处理组卷问题上的具体操作过程进行了详细的介绍。 文章的最后，对系统中的主要功能模块的实现过程做了介绍，给出了系统运行的 几个主要界面和相应的代码描述。 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 第一章绪论 1 ，1 课题背景及来源 第一章绪论 随着计算机技术的飞速发展，现代教育思想和教学手段的不断变革，越来越多的 计算机技术被引入教学过程，并形成了多种多样的智能计算机教学系统。其中，计算 机辅助的题库系统作为智能计算机教学系统的核心，越来越受到人们的重视。题库系 统是保证考试或测验题目具有较高质量、保持水平稳定、更好地达到教学目的的重要 手段。 传统考试的组织管理方式不仅工作任务繁重，而且对于试卷的标准化程度、难易 程度、涉及知识点的多少等方面问题难以进行很好地控制。如何提高教学质量，规范 考试过程，尽量减少人为因素对考试的影响，使考试更具有客观性、科学性，是教育 界多年来追求的目标。利用计算机自动生成试卷，并通过积累逐步形成有效的试题库， 能使得试题和试卷的管理变得高效而便捷，对于提高教学效率，有效利用资源和使试 卷管理逐步走向正规化、自动化都将起到十分重要的作用。 虽然现在已经开发出一些题库系统和计算机辅助考试系统，但是这些题库系统的 开发和使用对象往往是各大专院校，真正能够在中小学校中推广运用的目前为数不 多。根据对本人所在地区的2 l 所初级中学( 其中省级示范初中1 3 所) 和8 所高级中 学( 其中省“三星级”以上5 所) 的调查发现，还没有学校拥有能够真正运用于日常 教学考试中的题库系统。这些学校的日常考试一般都是采用人工组卷，由出卷老师根 据教学要求从各种参考资料中选取适当的试题，或者手写或者计算机排版，形成一份 试卷，试卷的知识结构分布，区分度和难易程度控制全凭出卷老师个人的教学经验。 考试完毕，试卷也就被丢弃，下次进行相关章节的教学和测试时，又得重复上述组卷 过程。少部分学校建有所谓的资源库，但是只能整张试卷上传，有一定的试卷收集备 份功能，但是不能实现试题的自动重组。个别学校采购过题库系统，但是这种题库系 统都为单机版，不能实现数据共享、集中管理，更不能实现学生在局域网内进行自我 评测，因此实际应用价值不大。 第一章绪论 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 另一方面来说，目前大多数中小学都已经建成了比较完备的校园网络硬件体系： 基本上教师办公室都配备了计算机，有的学校还专门为教师配备了笔记本电脑；校内 所有的计算机都能通过接入校园网，实现资料查询和信息共享；学校一般都建有自己 的校园网应用服务器。因此，从硬件角度来说，目前，中小学校已经有建设网络型题 库系统的硬件基础。 鉴于以上几方面原因，本文在考虑访问安全性和组卷搜索技术基础上，设计并实 现了一个基于网络的多学科通用题库系统。该系统采用基于角色的访问控制技术，加 强系统的安全性，并采用具有自适应全局寻优和良好收敛特性的遗传算法，提高组卷 的智能性。该系统的应用将大幅度提高学校的教学效率，并为学校将来实现智能计算 机教学系统和网络教学打下良好的基础。 1 2 国内外研究现状和发展方向 1 2 1 国外在题库建设方面的发展 在国外，大型题库的建设是在二次世界大战后开始进行研究的。在标准化测试发 展的初期，即本世纪二、三十年代以前，并没有提出题库的问题。 四十年代中期以后，由于战后科学技术和经济的迅猛发展，竞争变得日益激烈， 对各类专业人员和劳动者的知识和能力水平提出了更高的要求，考试获得了前所未有 的大规模发展。考试次数的增多，命题工作量的增大，对考试的要求日益严格，考试 的命题工作亟待更新。客观，准确、高效率地评估人员的专业知识和能力水平，不仅 成为教育部门，而且是经济和管理部门的一项重要工作。 六十年代后，计算机技术的迅速发展，也为高质量、大容量、高智能化题库的产 生提供了必要条件。题库正是为了适应考试事业大规模发展和考试进一步科学化、标 准化的需要而发展起来的。当前，不少发达国家的专业考试机构都已经建立起了大规 模的试题库，比较著名的有美国的t o e f l 、g r e 、g m a t ；新加坡的化学标准化考 试题库等。 4 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现第一章绪论 1 2 2 国内在题库建设方面的现状 在国内，八十年代初期，随着标准化考试在我国的实施与推广，题库建设也被提 上了教学改革的日程。很多大学以及考试机构都在酝酿或开始建设题库，并取得了可 喜的进步。但是，这时的题库存在很大的不足，大部分题库是整卷库、卡片库或者是 简单地将试题储存在计算机中的“题库”，不能满足教学发展的需要。 进入九十年代，计算机技术以及网络技术的发展给题库系统建设带来了新的动 力。1 9 9 0 年由国家教委考试中心牵头，召开了国内第一次教育考试题库理论研讨会， 探索建立符合我国教育考试实际情况的题库理论和方法。在这以后的十多年时间里， 试题库的理论和技术研究得到了更快更全面的发展，在试题库的框架结构、模型建立 和组卷算法上都获得了很大的进展。 目前题库系统大致可分为三类：基于单机；基于局域网；基于w e b 。基于单机 的系统已经逐渐被淘汰，其缺点是题库的建立和维护非常困难，考试完全采用传统方 式进行，效率不高；基于局域网的题库系统通常用于比较严格的考试，并作为网络考 试系统的主要模块，如职业技能考试、行业考试等：基于w e b 的题库系统通常用于 网络教学系统和学生自测。相对来说，在网络应用日趋发展的今天，基于w e b 的题 库系统是目前的开发主流。 国内现也有很多已经建成并投入应用的题库系统，除了各高校自己开发研制的各 种专业考试题库外，还有相当一部分由计算机公司开发的题库系统。以下介绍几个比 较典型的题库系统，用以说明国内题库系统的研究现状： l 、鹏博士在线考试系统及题库录入系统 它是由成都鹏博士科技股份有限公司设计研制的一套基于浏览器的易学易用的 产品。系统功能包括：用户管理、试题录入、题库管理、智能组卷( 手工调卷) 、考 试监控、网上考试、网上练习、成绩分析，其中试题录入分为两大部分， 网上浏览 器录入和联机客户端录入( 适合于复杂的如公式图片的录入) 。该系统的特点：支持 联机考试、支持多媒体格式、试题属性丰富、分析手段比较齐全、可提供远程练习。 该系统的主要缺点在于对试题库没有维护功能，考试的结果对试题的参数不能回溃修 改。 2 、中教育星网络智能题库 5 第一章绪论 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 中教育星网络智能题库是基于w e b 形式的智能题库系统，能够和学校现有 的主页或其它基于w e b 形式的应用结合在一起，能够满足单机、网络教室、校园网、 网校和城域教育网等各种应用环境的需要。该系统由各学科题库、题库管理、智能组 卷几部分组成，共组织试题约3 0 万题，其目标是给学校提供一个网络化的题库管理 和试卷自动生成系统。系统主要缺点是题库中的试题没有淘汰优选机制，只是简单的 按照曾经抽选与否淘汰试题。 3 、科教2 0 0 0 网络考试系统 由成都北斗星信息技术发展有限公司开发研制，系统具有教学题库管理、自动试 卷生成、网上测验、网上练习、自动成绩统计分析等多项功能，全面覆盖教学过程中 练习、测验、教学效果信息反馈的所有环节。自带题库，含高中、初中、小学各科试 题1 0 余万道，系统试题库可以自由扩充。系统通过提高测验考试的效率、增强测验 考试的反馈效果、揭示学生知识能力的局部缺陷，使教与学都更有针对性，从而来提 高学校的教学水平。虽然该系统可以扩充题库，但是还是没有引入相应的淘汰更新机 制，而且分析统计功能相对较弱。 1 2 3 组卷策略概述 题库在运用时，我们需要输入一些查询参数，系统将根据这些参数抽出最适合参 数要求的试题，组成能够实际使用的试卷，定义这种查询参数以及对这些参数进行变 换算法，我们称之为组卷策略【3 l 。组卷策略的实质是将对于人来说比较直观明了的组 卷参数变换成计算机能够直接操作的试题属性项，然后根据这些属性项，在题库中抽 取试题组成试卷。 组卷策略的优劣直接关系到成卷的质量和效率，是试题库设计的重要性能指标。 目前采用的组卷策略大致有以下几种 4 1 1 5 1 1 6 l ： 1 、优选权法 在选题组卷的开始阶段，由于各项属性都有较大的取值范围，故指标间的牵制问 题不会立即反映出来，但随着被选试题数的增加，取值范围逐步缩小，矛盾便会随之 产生。例如，会出现一道待选试题使某项指标达到预定值，但使另项指标超过预定值 的现象。为了避免这种情况，可采用优先权的方法进行选题。优选权要考虑的主要因 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 第一章绪论 素有以下四个方面： ( 1 ) 数量n ：试题库中某类试题的数量越少者，选题的范围就越小，越需优先 考虑。 ( 2 ) 题型的平均分数a ：试题库中某类试题的平均分数越大者，与指标匹配的 难度就越大，越需要提前选择。 ( 3 ) 完成率c ：试卷某类试题的当前完成率c 越低者，越到后面的完成率将会 越低，故要尽早考虑。 ( 4 ) 累计值与指标值差距r ：某类试题累计值( 已选中) 与指标值之问的差距越 大，说明越需要补充，优先权就应越高。 综合四方面因素，可以用下式来表示一道试题的优先权： p = a x ( 1 - c ) x r ，n 每选中一题，上述因素就要发生变化，因此在选下一道试题时，要对优选权重新 进行计算与排列。 2 、误差补偿法 在实际组卷过程中，由于指标间的相互牵制，以及试题库题量的有限性，往往很 难使这些指标都百分之百的满足。如果把指标卡死，有时仅仅是为了一分之差，计算 机要不断筛选，甚至进入到无休止的循环。如果允许一定的误差，就可以减少许多不 必要的循环搜索，提高组卷的效率和成功率。例如整卷总分是一个全局指标，显然， f 选出一组试题的必须满足只这个指标值( 设fi 为第i 题的分数值) ；但各类型试题 芦i 的分数指标与各内容试题的分数指标一般还是允许有一定的上下浮动。误差补偿的策 略是这样的：当某一指标的累计值出现正误差+ 时( 选中试题的累计值超过了指标 值) ，如果这个+ 是在充许的范围内，则放弃为满足该指标的继续搜索，接受当前 结果，而让那些尚未达到指标值且又允许存在一定负误差的指标作相应减少，总量为 ；出现负误差一时( 选中试题的累计值没有达到指标值，但题库中己没有符合各 项指标的试题可选) ，则让那些尚未达到指标值且又允许存在一定正误差的指标作相 应增加，总量为，由此保证指标的平衡和试卷的满意度。 3 、有控随机策略 随机满足某指标的试题可能有多个，也有时，某试题可能适合多种选题情况。 7 第一章绪论 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 为了均匀选取试题，又保证同一份试卷不出现相同试题，可采取有控随机策略。事先， 设计好一个运算速度快，周期长，分布均匀的随机数发生器。当有t = t1 ，t2 ， t 。个试题满足选题条件时，该发生器产生一个伪随机数序例，先随机选中t i ，然后 将ti 设置一个标志。在依次选取下一道题时，据此就可以避开已经被选取的那些试 题。 4 、回溯法 依据前述策略所选取的试题，虽然满足了当前的要求，但随着选题数的增加，指 标之间的约束度越来越大，很可能会出现要么超出误差范围，要么徘徊不前的现象。 这说明随机选中的某道试题可能不是最优的，可采取回溯的策略，以获取其它更优的 试题。回溯法往往是行之有效的，充分利用这一方法一般都能成功地生成试卷。例如， 在选择填空类型题时，可能会有多道填空题满足当前要求，但这些填空题的其它属性 值不同，如有的是数据库方面的内容，有的是操作系统方面的内容，有的难度为一般 有的难度为较难。假定我们原先选取的是一道难度为一般的数据库的填空题，但现在 继续选题发生了困难，那就向前回溯，重新选取另一道难度为较难的数据库的填空题 ( 以试卷的难度指标允许为前提) ，用改变当前已选试题集的难度值的方法来打破僵 局，以便选题组卷工作继续进行下去。 通过以上的这些组卷策略虽然都能最终组出试卷，但是它们都相应存在不足或缺 点。例如采用随机选取法有时能够抽出一组令用户满意的试题，不过它随机选取试题 的范围过大，无法确定目前条件下哪些区域能够抽取合适的试题，反而可能在那些已 经证明是无法抽取合适试题的区域内反复选题，进行大量无效操作而进入死循环，导 致组卷失败；回溯法组卷成功几率较高，但它是以牺牲大量时间为代价的。 本文设计采用遗传算法来实现自动组卷。遗传算法由于其自身所具有的并行性、 自学习性、易于实现等特点，相对来说更加适合用来处理组卷类问题，是本文研究的 一个重点。 1 2 4 题库建设的发展趋势 随着现代科学技术的发展，各种科研成果在教育领域中得到广泛的应用，使得教 学手段、方法、观念、形式、思想及理论都发生了变革【7 1 。人工智能和网络技术在教 g 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 第一章绪论 育领域的应用使得题库系统出现了新的需求： l 、分布式网络技术的要求 目前开发的题库系统，越来越有趋向大型化的特点，采用分布式的结构在所难免。 同时，远程教育、远程在线测试等需求的发展，也要求分布式技术的运用。 2 、智能化的要求 智能化是题库系统的必然要求，只有提高题库的智能性，才能更好地运用于教学 教育之中，降低人工干预的花费。 3 、安全性的要求 网络数据库的安全隐患主要来自于外部网络攻击和内部用户越权操作，因此，安 全设计是网络数据库必须要考虑的问题。访问控制服务在解决网络数据库安全问题上 有着其他安全服务所不可替代的作用，是目前研究的方向。 1 3 本文的主要工作和组织结构 本文关于题库设计的工作主要在两个方面： 1 、采用基于角色的访问控制( r b a c ) 技术提高题库的安全性能。在分析传统 访问控制技术不足的基础上，运用目前比较流行的r b a c 访问控制来解决用户的权 限指派问题，设计了本系统中r b a c 的实现方案，从而降低了权限管理的复杂度， 提高了系统的安全性： 2 、运用遗传算法设计组卷策略提高题库的智能性。分析和研究了遗传算法的原 理及其在组卷问题上的运用方式，在此基础上提出一种编码改进方案来减少组卷的误 差项、提高组卷搜索效率，并对采用这种编码方案的遗传组卷算法进行详细的描述。 本文后续章节的组织结构如下： 第二章：分析系统需求，并给出本系统的总体设计思想，并对各个功能模块做简 要介绍。 第三章：简要分析d a c 和m a c 的不足，在深入研究r b a c 访问控制技术的基 础上，设计了其在本系统中的实现方案。 第四章：介绍遗传算法基本原理和操作，分析了遗传算法在组卷问题上的般运 用方式，在此基础上改进编码方案，提出了采用二进制与字符混合的分段的编码方案， 9 第一章绪论 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 并设计了一种段内成对变异方法于之相适应，从而提高遗传算法的搜索能力。 第五章：给出系统的具体实现，介绍系统主要功能模块的实现过程。 最后，对目前的研究工作予以总结，并指出需要进一步完善的部分及今后的研究 发展方向。 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 题库系统从产生至今已经有了非常大的发展，近年来，随着网络技术和智能计算 技术的快速发展，题库系统也向着网络化和智能化方向不断迈进。本章将从分析系统 需求出发，对题库系统的总体架构、功能模块设置等进行总体设计。 2 1 系统总体设计 2 1 1 系统需求分析 本文的设计目标是：充分利用网络的优势，在现有校园网基础上，设计一套题库 系统，一方面有效存贮和管理试题资源，另一方面采用智能组卷，提高成卷质量和教 学效率。根据这样的要求，本题库系统应具备如下特点： 1 、具有适合网络运行的结构： 2 、能方便有效的进行试题库的管理，如：查询、添加、修改、删除等； 3 、能根据用户需求自动成卷； 4 、有较高的安全性能。 2 i 2 系统的主要实现技术 1 ) a s p 解决方案 a s p 技术是当今比较流行的i n t e m e t 解决方案，它是一套服务器端的对象模型， 用户可以通过脚本代码( v b s e r i p t 或j s c r i p t ) 访问a s p 对象的各种方法和属性，来 操作服务器端的数据，将操作结果以动态h t m l 代码格式发送到用户的浏览器上， 再由浏览器解释、显示操作结果。 2 ) 三层b s 模型【8 1 1 9 1 三层b s 结构是将网络交互过程中应用的三部分表示部分、应用逻辑部分和 数据访问部分进行明确的分割，使其在逻辑上各自独立，并单独加以实现，以此构成 第二章系统总体设计 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 浏览器端、服务器端和数据库服务端。这种结构方式有效利用网络优势，增强了客户 端和服务器端的灵活性和可扩展性。 3 ) 遗传组卷算法 遗传算法是一种借鉴生物自然选择和进化机制发展起来的高度并行、随机、自适 应搜索算法，由于其具有健壮性，特别适合于处理传统搜索算法解决不好的复杂的非 线性问题。遗传算法运用于系统组卷，能有效提高搜索的效率和成卷的质量。 4 ) r b a c 访问控制 b r a c 访问控制是基于角色的访问控制技术，它在权限配置中加入了“角色”的 概念，用角色作为中间桥梁将用户和权限联系起来。r b a c 访问控制可以有效的限制 用户对资源的访问，防止非法用户的入侵和合法用户误的操作对系统造成的损害，是 目前网络安全服务的一个热门研究方向。 2 1 3 系统逻辑结构与流程设计 系统逻辑架构设计如图2 1 所示，采用三层结构从逻辑上将系统分为表示层、功 能层和数据层。 表示层是系统的用户接口部分，它担负着用户与系统间进行对话的功能。用户通 过浏览器输入访问请求和获得访问结果。 功能层是系统实现具体业务处理功能的部分，它接受用户输入信息，调用相应的 功能模块进行处理，并将结果返回到用户。主要功能模块包括：用户身份认证、访问 控制、查询修改试题库和实现组卷等。 数据层是系统的数据库系统，用以存贮数据信息，解释并执行从功能层发送过来 的对数据的查询、更新和删除等操作指令，实现对数据的管理。 系统流程简述： 1 ) 对登录用户进行身份验证； 2 ) 合法用户通过访问控制器获得相应的功能模块操作权限； 3 ) 用户在所获得的功能模块( 权限) 范围内，提出访问，操作请求； 4 ) 应用服务器接受用户请求，查询、操作数据库，获得相应结果并返还给用户。 1 2 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 第二章系统总体设计 表示层 2 2 系统功能设计 图2 1 系统流程图 根据前面的设计要求，系统设置了用户管理、访问控制、试题管理、试卷管理四 大功能模块，如图2 2 所示： 图2 2 系统总体功能结构图 第= 章系统总体设计 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 2 2 1 用户管理模块 这是系统实现对用户进行管理的模块。用户使用系统前，首先需要注册；注册用 户获得管理员认证以后，方可登录系统。系统管理员通过操作用户信息库，可以对注 册用户资料进行修改，或注销某个用户。 2 2 2 访问控制模块 系统采用基于角色的访问控制( r b a c ) 技术，对用户的操作权限进行限制，防 止非法用户的入侵和系统用户操作不当带来的系统危害。用户登录以后，系统识别用 户所属角色，根据角色分配相应的操作权限。本系统中，一个权限对应于一个数据库 操作功能模块，用户获得一个权限也就是获得一个操作数据库的功能模块的入口。 访问控制模块中的权限管理由用户角色分配和角色权限分配两个模块共同构成， 它是r b a c 访问控制的权限管理工具，提供给各级管理员进行权限管理的工具，通 过这个两个模块，系统管理员可以修改角色信息，修改角色的权限赋予信息等，部门 管理员( 这里指教研组管理员) 可以设定本组成员并赋予相应的角色。 2 2 3 试题管理模块 试题管理模块由试题查询、试题编辑与维护、试题输出三个子功能模块构成。 1 ) 试题查询 如图2 3 所示，试题查询子模块中提供两种查询模式：一般查询和高级查询。一 般查询可根据系统提供的查询选项进行单项查询，如按章节查询、按题型查询等；高 级查询中用户可以输入查询条件，单个条件或者组合条件的查询。 图2 3 试题查询子模块 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现第二章系统总体设计 2 ) 试题编辑与维护 如图2 4 所示，该子功能模块为用户提供试题添加与删除，试题属性修改功能。 图2 4 试题编辑与维护子模块 3 ) 试题输出 如图2 5 所示，试题库中的数据除了可以提供试卷生成系统使用之外，还可以根 据用户的要求输出到屏幕或者输出打印。 2 2 4 试卷管理模块 图2 5 试题输出予模块 试卷管理模块主要实现组卷功能，本系统设计利用遗传算法实现按用户输入要求 自动生成试卷。生成的试卷可以做两种处理：存储或输出。由组卷算法自动生成的试 卷输出到显示屏进行再编辑或者直接输出到打印机：也可以将该试卷存储在单独的试 卷库中，以备日后的查询或使用。 2 3 开发和运行环境 本系统是一个以计算机网络为基础，以数据库管理和维护为中心的题库系统。我 们采用w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r + i i s 5 0 来构成系统的服务器端”o h l ”，用户端采用一般的 m 浏览器，数据库系统选用a c c e s s 2 0 0 0 来实现。 系统采用a s p 技术开发，程序代码选用v b s c r i p t 编写，页面编辑和程序代码编 第二章系统总体设计 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 写选用了m a e r o m e d i ad r e a m w e a v e rm x2 0 0 4 网页制作编辑器。 v b s c r i p t 语言是微软公司推出的一种面向对象程序设计语言，是m i c r o s o f t v i s u a l b a s i c 的一个子集，是基于v i s u a lb a s i c 的脚本编写语言。这种脚本语言可用于创建客 户端的脚本程序，并处理页面上的事件及生成动态内容。另外，v b s c r i p t 还可以与 a s p 中的a d o 技术结合，实现数据库管理和网上数据交互等功能，所以v b s c r i p t 特别适合于i n t e m e t 应用程序的开发。 d r e a m w e a v e rm x2 0 0 4 是一款专业的h t m l 编辑器，用于对w 曲站点、w e b 页和w e b 应用程序进行设计、编码和开发。d r e a m w e a v e r 具有所见即所得的可视化 编辑功能，d r e a m w e a v e r 还包括许多与编码相关的工具和功能，支持使用服务器语 言( 例如a s p 、a s p n e t 、c o l d f u s i o n 标记语言( c f m l ) 、j s p 和p h p ) 生成支持 动态数据库的w e b 应用程序。 2 4 本章小结 本章首先从网络试题库的实际需求出发，分析了系统应该具备的主要功能。接着， 根据系统功能需求分析，选择适合的实现技术，给出了系统总体逻辑结构设计和系统 总体流程设计，并对系统功能进行了详细设计。最后，对系统的开发和运行平台做了 简要的介绍。 基于r b a c 和遗传组卷算法的愿库系统的设计与实规第三章r b a c 访问控制的研究与设计 第三章r b a c 访问控制的研究与设计 由于本文设计的题库运行于网络之上，所以题库的安全问题显得尤为重要。访问 控制是解决网络安全问题的一项重要措旌。所谓访问控制，是通过某种方式控制访问 范围、访问能力，限制对关键资源的访问，防止非法用户的侵入或合法用户的误操作 对系统所造成的破坏1 1 2 l 。本章在分析两类传统访问控制( d a c 和m a c ) 的不足的基 础上，着重介绍了基于角色的访问控制，并在此基础上给出了r b a c 在本系统中的 设计方案。 3 1 传统的访问控制类型 访问控制( a c c e s sc o n t r 0 1 ) 就是通过某种途径显式的准许或者限制访问能力及 范围的一种方法。一个安全的网络系统需要可靠的访问控制服务做保证，尤其是当网 络规模比较大和用户数比较多的时候。通过访问控制服务，可以限制用户对关键资源 的访问，防止非法用户的侵入或合法用户的误操作所造成的破坏。 一个完整的访问控制系统一般应包括【1 2 1 ： 主体( s u b j e c t ) ：发出访问操作、存取要求的主动方，通常指用户或者用户的 进程； 客体( o b j e c t ) ：被调用的程序或者欲存取的数据访问； 访问控制政策：一套规则，用以确定主体是否对客体拥有访问权限。 传统的访问控制类型主要有两类【1 2 】【1 3 1 ：自主形访问控制( d i s c r e t i o n a r ya c c e s s c o n t r o l ，d a c ) 和强制性访问控制( m a n d a t o r y a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 。 3 1 1 自主形访问控制( d a c ) d a c 最早出现在2 0 世纪6 0 年代末期的分时系统中，它是根据主体身份或者主 体所属组的身份或者二者的结合，对客体访问进行限制的一种方法，其粒度( 对象的 大小) 是单个用户。当主体具有某种访问权限，同时又拥有将该权限授予其他用户的 第三章r b a c 访问控制的研究与设计 基于r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 权力时，他就能够自行决定将其访问权限直接或者间接地转授给其他主体。目前常用 的操作系统中的文件系统使用的都是d a c ，如u n i x 操作系统和n t 操作系统，可 以在每一项资源对象上直接设置用户的各项权限，也可以针对每一个用户组设定权 限，每一个组对应一定的岗位、职位、职责，而把用户置于一个或多个组中，实现权 限管理。 d a c 有一个明显的缺点是：很难控制已授出去的访问权限。因为这种访问控制 是自主的，它能够控制主体对客体的直接访问，但不能控制主体对客体的间接访问( 利 用访问的传递性，即a 可以访问b ，b 可以访问c ，于是a 可以访问c ) 。虽然这种 自主性为用户提供了很大的灵活性，但同时也带来了严重的安全问题，易遭受特洛伊 木马等旁路攻击。 3 i 2 强卷4 性访问控审q ( m a c ) m a c 最早出现在2 0 世纪7 0 年代，8 0 年代得到普遍应用，其理论基础是b e l l - - l a p a d u t a 计算机模型。其基本思想是通过给主体( 用户) 和客体( 数据对象) 指定 安全级别，并根据安全级别匹配规则来确定某主体是否被准许访问某客体。安全级别 l 包括两个元素：密级( c l a s s i f i c a t i o n ) 和范围( c a t e g o r i e s ) 。主体的安全级别反映 主体的可信度，客体的安全级别反映客体的敏感度。 m a c 主要采用以下规则分别保证信息的机密性和完整性。为了保证信息的机密 性，要求：( 1 ) 无上读，主体仅能读取安全级别受此主体安全级别支配的客体的信息； ( 2 ) 无下写，主体仅能向安全级别支配此主体安全级别的客体写信息。为了保证信 息的完整性，要求：( 1 ) 无下读，主体仅能读取安全级别支配此主体安全级别的客体 写信息；( 2 ) 无上写，主体仅能向安全级别受此主体安全级别支配的客体写信息。上 述规则保证了信息的单向流动。 m a c 优点是能够防止特洛伊木马和隐蔽通道的攻击以及防范用户滥用权限，缺 点是配置粒度大，缺乏灵活性而且强制性太强，使得应用领域比较狭窄，一般只用于 军方等具有明显等级观念的行业或领域。 随着网络技术及其应用的发展，自主形访问控制和强制性访问控制由于其自身的 缺陷，都已经不能很好地解决网络系统的安全问题。当前新兴的基于i n t r a n e t i n t e m e t - g t - r b a c 和遗传组卷算法的题库系统的设计与实现 第三章r b a c 访问控制的研究与设计 的应用系统中，信息不再属于系统的某个用户而多属于某个机构或者部门，访问控制 需要基于雇佣关系( 即用户在系统中的职能) ，而自主形访问控制和强制性访问控制 都是基于用户的机制，它