Информационная модель задачи составления расписаний для вуза Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.02

ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЗАДАЧИ СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЙ ДЛЯ ВУЗА

© 2013 г. А.Н. Иванченко, А.Ю. Абухания

Иванченко Александр Николаевич - канд. техн. наук, про- Ivanchenko Alexander Nikolaevich - Candidate of Technical

фессор, кафедра «Программное обеспечение вычислитель- Sciences, professor, department «Software Computer Engineer-

ной техники», Южно-Российский государственный техни- ing», South Russia State Technical University (Novocherkassk

ческий университет (Новочеркасский политехнический Polytechnic Institute). E-mail: [email protected] институт). E-mail: [email protected]

Абухания Амер Юсеф - аспирант, кафедра «Программное Abu hania Amer - post-graduate student, department «Software

обеспечение вычислительной техники», Южно-Российский Computer Engineering». South Russia State Technical Univer-

государственный технический университет (Новочеркас- sity (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: am27er@

ский политехнический институт). E-mail: [email protected] gmail.com

Выполняется разработка компьютерной информационной модели задачи составления расписания учебных занятий для вуза. Описывается состав информационных таблиц, их структура и взаимосвязи. Ключевые слова: расписание занятий вуза; компьютерная информационная модель; рабочий учебный план.

In the article we are developing computing information model for scheduling problem of the university. Describe the table components, their structure and linked relations.

Keywords: university course scheduling; computer-based information model; working curriculum.

В предыдущей статье [1] авторами выполнена формализация задачи составления расписания учебных занятий для вуза, выявлены основные параметры, исследованы взаимосвязи между ними (т.е. фактически построена математическая модель), а также разработана общая схема решения данной задачи.

Учитывая большой объем набора параметров, наличие сложных логических и количественных зависимостей между ними, а также возможность получения решения задачи приемлемого качества и в разумные сроки только с помощью компьютера, необходимым последующим шагом является создание компьютерной информационной модели задачи. Заметим, что под компьютерной информационной моделью (КИМ) подразумевается набор величин (данных), содержащий всю необходимую информацию об исследуемых объектах и процессах, а также отношениях (связях) между ними, логически и физически организованный в виде базы данных (БД), хранящейся в памяти компьютера и находящейся под управлением системы управления базами данных (СУБД) [2 - 5].

Реализация данного шага позволит не только обеспечить удобную форму предоставления данных программному приложению, реализующему перебор допустимых вариантов расписания и поиск среди них наилучшего, но и создает «информационную платформу» для реализации необходимых функций по использованию хранящихся в КИМ данных различными категориями пользователей.

Основу КИМ, ее «центральную» часть, составляют 4 таблицы, соответствующие основным множествам, использованным для представления расписания в математической модели:

- «Расписание» (С0) - таблица, строки которой соответствуют «элементарным процессам» (учебным занятиям) и содержат тройки: «деятельность» (учебная единица), «ресурс» (аудитория) и «временной интервал» (таймслот);

- «Аудитории» (С1) - таблица для хранения информации об аудиторном фонде вуза;

- «Таймслоты» (С2) - таблица, представляющая множество временных интервалов («пар») в периоде планирования (например, двухнедельный период планирования может содержать 84 пары);

- «Учебные единицы» (С3) - таблица, представляющая множество учебных единиц (строк всех оперативных учебных планов вуза).

На рис. 1 показаны связи между центральными таблицами, а также представлена роль «жестких» ограничений в этой информационной модели. Каждому из пяти рассмотренных в [1] ограничений соответствует таблица (Ш - H5), содержащая «запрещенные» пары:

- H1 содержит пары (аудитория, таймслот), соответствующие состоянию «недоступности» аудиторий в определенные временные интервалы;

- Ж содержит пары (учебная единица, таймслот), соответствующие состоянию «недоступности» преподавателя, который обеспечивает выполнение данной учебной единицы, в определенный временной интервал;

- Ж содержит пары (учебная единица, учебная единица), соответствующие несовместимым («зависимым») учебным единицам (в двух учебных единицах присутствует либо один и тот же преподаватель, либо один и тот же студент);

- H4 содержит пары (учебная единица, аудитория), запрещающие назначение заданной аудитории для проведения занятия, несоответствующего учебной единице (например, лекция не может проводиться в химической лаборатории);

- Ж содержит пары (аудитория, аудитория), запрещающие использование указанных аудиторий в соседних таймслотах для «зависимых» учебных единиц в силу их географической удаленности (невозможен переход студента или преподавателя между этими аудиториями за время перерыва между учебными парами).

Для полноты представления информационной модели задачи составления расписания необходимо рассмотреть вспомогательные таблицы и справочники, дополняющие центральные таблицы СО - С3 необходимыми данными и связями и раскрывающие содержательную сторону.

Так, таблица «Аудитории» (рис. 2) ссылается на таблицы «Учебные корпуса» (¿¿41), «Классы вместимости аудиторий» (¿42), «Виды аудиторий» (¿43) и «Подразделения вуза» (¿44), что позволяет представить полную характеристику аудитории.

Таблица «Таймслоты» (рис. 3) использует данные таблиц «Номера недель» (ST1), «Номера дней недели» (ST2), «Номера учебных пар» (ST3) и «Номера смен» (ST4), которые в совокупности характеризуют конкретный временной интервал с необходимой степенью детализации.

Таблица «Учебные единицы» имеет более сложные иерархические связи (рис. 4) и содержит непосредственные ссылки на три таблицы: «Оперативные учебные планы групп» (SU1), «Названия учебных дисциплин» (SU2) и «Преподаватели» (SU3). Одна из них - SU2 является справочником и содержит перечень всех учебных дисциплин, изучаемых в вузе. Таблица SU3 является справочником преподавателей, который, в свою очередь, использует 4 вспомогательных справочника: «Должности преподавателей» (SU7), «Ученые звания» (SU8), «Ученые степени»

(SU9) и «Подразделения вуза» (SA4) для представления места работы преподавателя.

Содержательная сторона таблицы «Оперативные учебные планы групп» раскрывается в двух таблицах-справочниках: «Учебные группы» (SU4), которая дает полную характеристику всех учебных групп вуза в контексте [1], и «Виды учебных занятий» (SU5). Кроме того, для характеристики типа учебной группы используется небольшая справочная таблица «Типы учебных групп» (SU6), содержащая перечень возможных вариантов реализации принципа группового обучения (поток, академическая группа, подгруппа и пр.).

Рассмотрим вопросы формирования «статической» части информационной модели, т.е. наполнения данными справочных и информационных таблиц, а также таблиц «жестких» ограничений. В [1] этому посвящены этапы 1 и 2 общей схемы решения задачи составления расписания. Заметим, что заполнение большинства справочных таблиц не вызывает затруднений и сводится к тривиальному перечислению соответствующих информационных сущностей с использованием экранных форм простой структуры. К числу таких таблиц относятся: SA1 - SA4, ST1 - ST4, SU2, SU3, SU5 - SU9. Отметим лишь, что при формировании таблицы «Подразделения» (SA4) целесообразно устанавливать зависимости «предок - потомок» между подразделениями, что позволит отразить в этой таблице иерархическую организационную структуру вуза.

Рис. 1. Связи между центральными таблицами и таблицами ограничений

Рис. 2. Таблица «Аудитории» и ее справочники

Рис. 3. Таблица «Таймслоты» и ее справочники

Будем считать, что эти информационные объекты представлены соответствующими таблицами «Основные образовательные программы» (51) и «Рабочие учебные планы» (52) (рис. 5).

Показанная на рис. 5 пунктирная линия обозначает отношение использования данных, а не связь между таблицами базы данных в обычном понимании. При этом сам алгоритм извлечения информации из 52 для использования ее в SU1 является достаточно сложным и может быть реализован только с участием человека.

SA4. Подразделения

Рис. 4. Таблица «Учебные Прокомментируем оставшиеся вне указанного перечня таблицы SU4 и SU1. Таблица «Учебные группы» ^Ш) играет существенную роль в информационной модели, так как в ней находят отражение управленческие решения, принимаемые учебным отделом вуза (или деканатами) для реализации принципа группового обучения: объединение академических групп в лекционные потоки или их разбиение на подгруппы для лабораторных занятий. Эти решения принимаются с учетом многих факторов: численности академических групп, вместимости аудиторий, близости образовательных программ и др. В связи с этим экранная форма для работы с таблицей SU4 должна обеспечивать необходимый уровень информационной поддержки пользователя.

Рис. 5. Взаимосвязь РУП и ООП

Таблица «Оперативные учебные планы групп» ^и1) является наиболее сложной из вспомогательных таблиц, и последовательность ее формирования должна предусматривать как автоматические, так и «ручные» действия. Так, информация в эту таблицу должна заноситься из рабочего учебного плана, который, в свою очередь, является составной частью основополагающего для вуза документа - основной образовательной программы направления (специальности).

Поступила в редакцию

шицы» и ее справочники

Например, при формировании оперативного учебного плана для «смешанного» лекционного потока по дисциплине «Физика», включающего несколько академических групп, обучающихся по разным ООП, потребуется проводить анализ и выборку данных сразу из нескольких РУП.

Литература

1. Иванченко А.Н., Абухания А.Ю. О постановке задачи составления расписаний для вуза // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 6. C. 9 - 13.

2. Семенюта И.С. Методика анализа информационной структуры базы данных автоматизированной системы составления расписаний // Научный журн. КубГАУ. 2011. №73(09). URL: http://ej.kubagro.ru/2011/09/pdf/06.pdf (дата обращения: 30.04.2013).

3. Aldasht M.M., Saheb M.H., Najjar I., Tamimi M.H., Takru-ri T.O. University course scheduling using parallel multi-objective evolutionary algorithms [электронный ресурс] / Journal of Theoretical and Applied Information Technology. 2010. Vol 22. № 2. P. 129 - 136. URL: http://www.jatit.org/ volumes/research-papers/Vol22No2/8Vol22No2.pdf (дата обращения: 30.04.2013).

4. Заманова Э.Э. Модель системы принятия решений при составлении учебного расписания [электронный ресурс] // Системы обработки информации. 2011. № 7(97). C. 12 - 15. URL: http://archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/soi/ 2011_ 7/0_Zaman.pdf (дата обращения: 30.04.2013).

5. Завьялов А.М., Новиков А.В. Автоматизация задачи составления учебного расписания [электронный ресурс] // Системный анализ в науке и образовании : электрон. журн. 2009. № 1. URL: http://www.sanse.ru/archive/12 (дата обращения: 30.04.2013).

16 апреля 2013 г.