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硕士论文开题报告论文名称： 国航乘务排课管理系统的设计与实现姓 名： 王昱学 号：GS0421827专 业：软件工程与管理所属院系：北航软件学院 学院指导老师：黄河企业指导教师：王志明企业指导老师单位：中国国际航空公司 论文起止时间： 2006年12月2007年11月2006年11月目录1.研究背景及意义1矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖賃軔朧碍鳝绢。课题来源1聞創沟燴鐺險爱氇谴净祸測樅锯鳗鲮。课题意义1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟婭骒東戇鳖納。2.国内外相关研究的现状分析1酽锕极額閉镇桧猪訣锥顧荭钯詢鳕驄。国外研究现状1彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑诒尔肤亿鳔简。国内研究现状2謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔點鉍杂篓鳐驱。对比分析2厦礴恳蹒骈時盡继價骚卺癩龔长鳏檷。3.研究目标和内容2茕桢广鳓鯡选块网羈泪镀齐鈞摟鳎饗。研究目标2鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴縈诘聾諦鳍皑。研究内容2籟丛妈羥为贍偾蛏练淨槠挞曉养鳌顿。4.关键技术和解决方案3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴買闥龅绌鳆現。4.1 系统总体解决方案3渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦鋇絨钞陉鳅陸。4.2 排课管理系统功能模块4铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡缝勵罴楓鳄烛。4.2.1 用户权限维护4擁締凤袜备訊顎轮烂蔷報赢无貽鳃闳。4.2.2 基础信息维护4贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷鯛汉鼉匮鲻潰。4.2.3 排课4坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚跻馱釣缋鲸鎦。4.2.4 统计和查询5蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘籜葦繯颓鲷洁。4.3 关键技术及解决途径5買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄届嬌擻歿鲶锖。4.3.1 问题描述：5綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴飙钪麦蹣鲵殘。4.3.2 时间表问题6驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦諑琼针咙鲲鏵。4.2.3 可行解和最优解6猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑献鵬缩职鲱样。4.3.4 自动排课与手工排课6锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔嗚訝摈馍鲰钵。4.3.5 模型描述7構氽頑黉碩饨荠龈话骛門戲鷯瀏鲮晝。4.3.6 算法7輒峄陽檉簖疖網儂號泶蛴镧釃邊鲫釓。4.3.7 自动排课实现流程9尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅瀝纰縭垦鲩换。5.预期的研究成果形式及创新点9识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒侬减攙苏鲨运。研究成果9凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴铍賄鹗骥鲧戲。技术指标10恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦聰櫻郐燈鲦軫。6.论文工作计划10鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫摇饬缗釷鲤怃。7.主要参考文献10硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹鸶胶据实鲣赢。11 / 13研究背景及意义课题来源目前我参加的项目是开发中国国际航空股份有限公司（以下简称国航）乘务训练中心的排课管理系统。该管理系统主要为了适应国航乘务训练中心工作的需要而开发的，包括系统管理、数据准备、自动排课、手工排课、课表、统计分析、各项查询等功能模块。该系统属于C/S和B/S的混合模式，后台数据库采用SQL Server 2000，客户端的开发编程语言为PowerBuilder 9.0和Java。我负责排课算法的设计和排课管理系统的部分设计工作，并完成相关的文档撰写。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖輛埙鵜蔹鲢幟。课题意义结合自身的学习、工作实际，我所要研究的课题是排课算法的设计与基于PowerBuilder 9.0、SQL Server2000、Java 的排课管理系统的设计与实现。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩纷釓鄧鳌鲡貼。随着国航航班生产任务的不断加大，相应的乘务员培训任务也随之不断增长。同时，由于培训资源（包括教室、教具、教员）的有限性，以及培训任务的动态性，对乘务员培训的排课过程和排课水平提出了越来越高的要求，也极大地增加了乘务培训中心教务管理人员的排课工作的难度。因此，国航乘务培训中心迫切需要一个强大的排课管理系统来提升排课工作的效率，提高中心领导的管理和决策水平。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘慶獷緞瑋鲟将。国内外相关研究的现状分析国外研究现状排课问题是一个典型的时间表（timetable）问题。由于存在着很强的应用背景，在国外，时间表问题的理论研究一直是计算机算法领域一个比较热门的领域。时间表问题从二十世纪六十年代开始，就有学者对其进行研究。早期，许多研究者通过模拟人工排课的方式来解决时间表问题，所有这样的方法，都可以被称为“直接的启发式算法”，这种算法的主要特点是：逐步的增加，通过把课一门一门依次地排入到课表中，最终来完成课表，每次排的时间，都是选择未排课中约束条件最多（或者优先级最高）的课。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉馴鸨撟鉍鲞谣。后来，许多运筹学中的算法被应用在时间表问题中，例如：整数规划（integer programming）、网络流（network flow）、染色问题（graph coloring）等等。谚辞調担鈧谄动禪泻類谨觋鸾帧鲜奧。再后来，一些搜索算法，特别是应用在人工智能领域的算法也被引入到时间表问题中，在这些人工智能算法中，包括：模拟退火算法（simulated annealing）、塔布搜索算法（tabu search）、遗传算法（genetic algorithms）、受限算法（constraint satisfaction）。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩癱恳迹见鲛請。国内研究现状在国内，时间表问题的理论研究也是近年来的热点之一，也取得了很多成果。不过由于很多因素的制约，相比较国外的研究进展，国内一般来说相对滞后。而且国内的软件企业成功开发出解决时间表问题的软件系统的案例比较少见。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库圆鍰缄鹗鲚圆。对比分析对于排课算法来说，主要参考国外对时间表问题的研究成果，并针对国航乘务训练中心的实际情况，设计一套符合国航乘务训练中心实际情况的排课算法。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞阕簣择睜鲔诌。对于排课管理系统的设计和开发，我们决定采用SQL Server2000作为后台数据库。在设计和开发排课管理系统过程中，由于我们比较熟悉排课业务，有理由相信能够开发出结构合理、功能完善的排课管理系统。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛覲僨鴛鋅鲒嗚。研究目标和内容研究目标针对国航乘务训练中心的实际情况，设计出比较合适的排课算法（时间表问题），并设计出相应的排课管理系统。研究内容研究内容由两部分组成，第一部分是如何设计排课算法，即如何解决国航乘务训练中心的时间表问题；第二部分是如何设计国航乘务训练中心的排课管理系统，包括权限设置、课程管理、班级管理、工作日历管理、手工排课、自动排课、调课、课表查询、以及各种统计报表、根据班级产生的各类财务报表等功能。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷涨负這恻鲑觶。对于排课算法的设计，需要根据国航乘务训练中心的实际业务情况，建立有针对性的排课问题模型，设置模型的软硬约束，然后根据问题的特点，设计一套合适的算法流程来实施这个模型。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻減栖綜诉鲐卺。排课管理系统的设计主要包括系统需求分析、系统功能设计、系统数据库设计等工作。关键技术和解决方案4.1 系统总体解决方案拟在SQL Server2000平台上构建数据库；采用PowerBuilder 9.0开发C/S的客户端，采用Java开发B/S的客户端。针对国航乘务训练中心的实际情况，建立的排课管理系统的总体系统框架如图1所示。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼鏗穎報嚴鲍蝇。图1方案中，基础数据平台部分都采用PowerBuilder 9.0开发，在基础数据平台的系统设计中，采用面向对象的方法来分析排课业务逻辑，并充分考虑设计的完整性、一致性以及可扩展性。 挤貼綬电麥结鈺贖哓类芈罷鸨竇鲋鑿。排课子系统是整个排课管理系统的核心部分，在该子系统中，对于手工排课，需要设计一个所见即所得的操作界面，来方便排课员的排课工作。对于自动排课，需要建立自动排课模型，并设计出符合排课模型特点的排课算法。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈極嚕辫鏢鲈蕆。排课管理系统的设计和开发工作除了要在最大程度上满足客户要求的同时，必须还要考虑到该客户端的可扩展性。这就要求在设计、开发过程中引入设计模式的概念，使得开发出的前端分析工具能够尽量做到软件复用。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫麩适绲挝鲅偬。4.2 排课管理系统功能模块用户权限维护排课统计和查询基础信息维护班级信息管理教员缺勤管理教室占用管理工作日历管理自动排课手工排课调课查询统计根据教员查询根据时间查询根据班级查询通过WEB浏览器来查询模拟收入统计教员课时课时费统计资源利用率统计课程信息管理乘务排课管理系统.裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺递灿扰谂鲂茎。4.2.1 用户权限维护在用户权限维护中，主要包括用户的增删、修改，以及对每一用户权限的分配等功能模块4.2.2 基础信息维护在基础信息维护中，包括课程信息管理、班级信息管理、教员信息管理、教员缺勤和教室占用信息管理、工作日历管理五个功能模块。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁絛鯛鱧俁鱿親。4.2.3 排课在排课中，包括手工排课、自动排课、调课三个功能模块。4.2.4统计和查询统计和查询中主要包括课表查询、统计功能等模块。4.3 关键技术及解决途径在设计与实现排课管理系统程中，工作量会很大，涉及到的关键技术也会较多，现概述其解决途径如下。在排课算法的设计过程中，首先需要建立排课模型，模型包括对问题的描述，建立硬约束和软约束；然后根据模型的特点，建立一个适合模型的算法和流程。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧恒蟬轅紗鱼臚。4.3.1问题描述：乘务训练中心的排课不同于各类大专院校，各类学校的排课是对全院所有班级在一周内进行课程安排，排课前各类资源（包括教师、教员、学员）都是处于空闲状态。这类的时间表问题，对象较为确定，时间段较小。但乘务训练中心的课程有其自身的特点：骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙骠弒綈閶魉齠。各种班培训周期长短不一，有的班历时长达3个月，有的班一天就结束了。课程安排不是半年一次，是一个月一次，每个月所开班是根据一线需要和一线的人员情况而定的，没有固定的模式。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉貿锕戧晋魇缫。培训中心的每一位教员不仅在中心上课，还需要不断在一线飞行，排课时资源并非空缺。几乎所有班都要用到运动舱，而运动舱只有一个，造成资源紧张。由于各种原因，经常出现某些班在排完课后，临时推迟开班时间，造成所排班变化极大。许多班中的课程较多，一般来说都是上完一门课后再上另一门课，某些课程是有先后顺序的，即有些课程是另一些课程的基础课。有些课程则没有基础课，可安排在任意位置。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類碍穑鳓责髌鹊。某些班会临时出现，不在排课期内，而且不论资源是否短缺，一定要在某个时间前完成培训。4.3.2 时间表问题国航乘务培训中心的自动排课问题虽然复杂但还是一个时间表（Timetable）问题。时间表问题实际上是要在一定的时间段内，为一系列的课程、时间片、教员、教学场地寻找一个匹配关系，同时，这个匹配关系要满足各种类型的限制条件。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬奧伛辊刪髋綠。4.2.3 可行解和最优解在某些应用中，时间表问题的目的是要找到任何满足所有限制条件的课表，因此，时间表问题也就可以被看成是一个搜索问题，搜索得到的课表是一个可行解。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应頁諳绞綽髅鱉。在另外一些情况下，时间表问题被看成是一个优化问题，优化的目标是要找到一个课表，该课表满足所有的硬约束，并且对软约束的违背最小，该课表被成为最优解。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺诈機愦頇骧经。在大多数情况下，时间表问题是一个完全的NP问题。一般情况下，问题的目标是要找到可行解。4.3.4 自动排课与手工排课一般来说，自动排课可以大大提高排课的效率和准确性，并且，很有可能找到比较优化的课表。但是，在国航乘务排课问题中，问题的软约束非常的复杂，并且，许多软约束很难用抽象的、数学的语言来描述，如果只采用自动排课算法，不一定能够得到令人满意的结果。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜靈韬鰍椟骥鲚。所以，对于国航乘务教务教学系统来说，首先要实现一个强大的手工排课子系统，在这个子系统中，可以为教务管理人员的手工排课提供强大的支持，例如，明确地显示各种可以利用的资源，冲突提示等。有些无法用自动排课子系统处理的班级就需要用手工排课子系统来完成。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷华缙輅赞骣紆。4.3.5模型描述国航乘务自动排课的模型为：在某个排课时间点（一般是月末），有若干个不同类型的班级的课需要排（这些班级的课一般是在下个月开始）。不同类型的班级具有不同的培训周期，每个班级的每门课程不存在重复性，即每门课都是按照它的学时连续上完。一般来说，排课的最小时间单位是半天（half day），一个上午或一个下午。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻锵咏繞敘骢驗。硬约束（Hard Constraint）为：H1：学生相同的课程不能在同一时间片内上；H2：课程必须在满足授课条件的教学场地内上；H3：在同一时间片内，两门课不能在同一教学场地内发生；H4：在运动大厅中同时上课的班级不能超过3个；软约束（Soft Constraint）为：S1：对某些类型的班级，课程具有先后次序要求；S2：每个班级的课程不能有空闲；S3：每月，教员的课时和课时费要平均；S4：对于复训，同一个星期的主讲老师要轮换；S5：养成班的理论课教室要安排在同一教室；S6：养成班的课程要每天都排；对于满足了所有硬约束的课表，我们就可以称之为可行的课表，如果既满足了所有的硬约束，又满足了所有的软约束，那么就是最优的课表，在可行的课表中，满足的软约束越多，课表的满意度就越高。在自动排课算法中，我们就是要在可行课表中尽量找到满足度更高的课表。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減萵輳慘纈骡窥。4.3.6 算法4.3.6.1 启发式算法启发式算法是通过逐门排课的方法来得到最终的课表，每排一门课，都保证没有冲突产生，当某个时候，待排课程列表中的第一门课无法在不冲突的条件下排入课表时，需要调整已排课的位置。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜椤灣鲳飫骠馁。运用启发式算法的自动排课系统的典型例子是SCHOLA系统，该系统遵循以下三个原则：（1）把最紧急的课程排到最合适的时间上；（2）当某个时间只能被某门课使用，那么把这门课排到这个时间上；（3）当排课无法进行时，调整已排好的课。紧急的课程是指限制条件最多的课程，例如可用的教员很少，课时很多。合适的时间是指在这个时间中，很少有其它课能够排。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟麗鲍轸沩骞硨。SCHOLA系统首先交替使用（1）（2）两个原则来排课，如果排课无法继续进行时，使用原则（3）。原则（1）是系统的核心原则，在不同的情况下，有不同的方法来定义课程的紧急程度和时间的合适程度，使用原则（2）可以减少因使用原则（1）而带来的“错误”，使用原则（3）可以提供有限的后退机制，以使排课继续进行。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應釵蔼绋较骝額。启发式算法是自动排课算法中最早出现，也是最容易想到的算法。启发式算法虽然不能保证找到很好的课表，但是，启发式算法通过总结人工排课的宝贵经验，可以大大加快好课表的搜寻速度。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺缔嵛恽囂骜疯。由于启发式算法具有总结手工排课宝贵经验的功能，能够极大地加快好课表的搜索速度，因此在国航乘务教务教学管理信息系统中也将充分使用启发式算法。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮揚銥鯊臘骛韦。根据对经验的总结，在国航乘务排课管理系统中可以应用如下的启发式原则：1、对于能力强的老师，要尽量放在后面排；2、对于使用运动舱的课程，要优先排；4.3.6.2 遗传算法在国航乘务自动排课算法中，我们也将采用遗传算法来搜索更好的、满意度更高的课表。遗传算法的特点是参考了自然生物的进化规律，在排课算法中，利用的“遗传”技巧主要为以下三种：1、随机选择两个父课表；2、通过两个父课表的重组（crossover）来产生子课表，重组的方式为：把一个父课表的左半部分和另一个父课表的右半部分相结合，然后再利用启发式算法来解决重组而产生的冲突；謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘鯽礎輪駭骚獅。3、通过两个父课表的移动操作（mutation）来产生子课表，移动的方式有三种：（a）随机选择某个时间片的一门课程，然后移动这门课程到另外可行的时间片；（b）随机选择两门不同时间片的课程进行交换（要保证交换的结果是可行的）；（c）随机选择三门不同时间片的课程进行交换（也要保证交换的结果是可行的）；呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚趱為練溅骗閻。4、然后把父课表和遗传得到的子课表的满意度进行对比，得出它们中的最优课表。4.3.7 自动排课实现流程自动排课前首先确定本月要排的班，自动排课的思路如下：首先排短期班和使用运动舱的班，最后排长期班。先利用启发式算法得到若干初始解集，所有初始解只需满足硬约束即可，如用启发式算法得不到任何解，说明此班无法在此时间短内安排，解决方法有两种：第一种改变此班的开班时间；第二种在不能改变开班时间的情况下，取消前一班的安排，将此班的排课前置，如还是不行，则再前置此班，直至此班已经调到本月第一的位置，如仍旧没有结果，则说明此班在本月编排有问题，将其标志下来，放为手工处理。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减籩诹戀邻骖灏。在启发式算法得到若干解得情况下，利用遗传算法优化所得解，使所得解尽量满足软约束。如此继续排完所有班级，最后将标记出的未完成班级进行手工排课处理。预期的研究成果形式及创新点研究成果预期的研究成果主要如下。1设计构建出一套合理、高效的排课算法，使其能够适用于国航乘务训练中心的排课需要。2分析设计完成国航乘务训练中心的排课管理系统，实现包括排课、相关权限设置、信息查询与统计的发布等功能，并完成系统分析和设计文档。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶尔摊鲟嫗骓镭。3基于该排课管理系统的开发工作，撰写硕士学位论文。技术指标对应预期的主要研究成果，其功能、性能指标如下。1通过排课管理系统的开发，使得国航乘务训练中心的排课工作的工作量能够减轻，对于一个月的排课任务，至少能减少50%以上的排课工作量。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬颤階躜萵骒潤。2该排课管理系统能够快速提供给各部门需要的各种数据。在对各部门关心的问题进行全面分析的基础上，对排课管理系统的功能权限进行明确的划分，保证系统运行的有效性和可扩展性。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙誑繃纸鯉骐鍔。3、排课管理系统提供权限设置、课程管理、班级管理、工作日历管理、手工排课、自动排课、调课、课表查询、以及各种统计报表、根据班级产生的各类财务报表等功能。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹狰廚怃牺骏沣。论文工作计划2006年11月2007年1月，完成排课算法的设计工作。2007年2月2007年3月，完成排课管理系统数据库的服务器端设计。2007年4月2007年5月，完成客户端的开发工作。2007年6月，开始测试工作，并准备参加中期答辩。2007年7月2007年8月，就系统测试出现的问题以及导师提出的意见，对系统做修改完善，确定最终发布版本。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝吶转鮭钱验锁。2007年9月2007年10月，在导师的指导下，最终完成毕业论文及相关文档。2007年11月，参加毕业答辩。主要参考文献1 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