Tài liệu Giải bài toán lập lịch theo tín chỉ dùng giải thuật tìm kiếm Tabu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ   NGUYỄN ĐỨC VIỆT GIẢI BÀI TOÁN LẬP LỊCH THEO TÍN CHỈ SỬ DỤNG GIẢI THUẬT TÌM KIẾM TABU LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ   NGUYỄN ĐỨC VIỆT GIẢI BÀI TOÁN LẬP LỊCH THEO TÍN CHỈ SỬ DỤNG GIẢI THUẬT TÌM KIẾM TABU Nghành: Chuyên nghành: Mã số: Công nghệ thông tin Kỹ thuật phần mềm 60480103 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ NGUYÊN KHÔI Hà Nội – 2014 Lời cảm ơn Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Nguyên Khôi đã tận tâm hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài luận văn này. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi đến quý thầy cô ở khoa Công nghệ Thông tin, phòng Đào tạo trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, dồn bao công sức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho các học viên cao học như tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Tuy đã có những cố gắng nhất định, tiếp cận với thực tế để tìm hiểu và áp dụng khoa học vào cuộc sống, nhưng do thời gian và trình độ còn nhiều hạn chế nên luận văn này khó tránh khỏi các thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn. Sau cùng, tôi xin kính chúc quý thầy cô trong khoa Công nghệ Thông tin cũng như Ban Giám đốc Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau. Trân trọng. Hà Nội, ngày 11 tháng 08 năm 2014 Học viên Nguyễn Đức Việt 4 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lê Nguyên Khôi. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc Học viên Nguyễn Đức Viêt MỤC LỤC Lời cảm ơn ........................................................................................................................... 3   Lời cam đoan ........................................................................................................................ 4   MỤC LỤC ............................................................................................................................ 5   DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 7   DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................................8   DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................9   MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 10   1.   Lý do chọn đề tài: ............................................................................................................... 10   2.   Mục đích nghiên cứu........................................................................................................... 10   3.   Nhiệm vụ nghiên cứu .......................................................................................................... 11   4.   Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................................... 11   5.   Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................... 11   Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH HIỆN NAY VÀ CÁC CÁCH TIẾP CẬN .......................................................................................................................... 12   1.1 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường phổ thông (School timetabling) ............................. 13   1.2 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại học (University timetabling) ........................... 13   1.3 Bài toán lập lịch thi (Examination timetabling) ................................................................... 14   1.4 Bài toán lập lịch theo tín chỉ ................................................................................................ 15   1.5 Ưu điểm của phương thức đào tạo theo tín chỉ .................................................................... 17   1.6 Các cách tiếp cận hiện nay ................................................................................................... 18   Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM ..................................21   2.1 Xung đột tối thiểu (Min-conflict) ........................................................................................ 21   2.2 Thuật giải mô phỏng luyện kim (Simulated Annealing) ..................................................... 21   2.3 Thuật giải leo đồi (Hill-climbing) ........................................................................................ 22   2.4 Tìm kiếm Tabu (Tabu search).............................................................................................. 22   2.5 Thuật giải di truyền (Genetic Algorithm) ............................................................................ 23   6 2.6 Kết luận ................................................................................................................................ 23   Chương 3: CƠ SỞ TÌM KIẾM TABU ............................................................................... 24   3.1 Lược Sử Về Tabu Search ..................................................................................................... 24   3.1.1 Giới Thiệu ..................................................................................................................... 24   3.1.2 Tabu Search – Một Dạng Meta-heuristic ...................................................................... 25   3.1.3 Các Giai Đoạn Phát Triển Của Tabu Search ................................................................. 25   3.2 Nguyên Lý Chung Của Tabu Search ................................................................................... 26   3.3 Cách Sử Dụng Bộ Nhớ ........................................................................................................ 27   3.3.1 Một Minh Họa ............................................................................................................... 28   3.4 Chiến Lược Tăng Cường (Intensification) và Chiến Lược Đa Dạng (Diversification) ...... 30   3.5 Lập Trình Với Bộ Nhớ Tương Thích (Adaptive Memory Programming)........................... 31   3.6 Các Nhân Tố Của Bộ Nhớ Tương Thích ............................................................................. 31   Chương 4: BÀI TOÁN LẬP LỊCH THEO TÍN CHỈ ......................................................... 33   4.1 Các khái niệm ...................................................................................................................... 33   4.2 Mô hình của bài toán............................................................................................................ 35   4.3 Các ràng buộc cứng.............................................................................................................. 36   4.4 Các ràng buộc mềm ............................................................................................................. 36   4.5 Ví dụ minh họa: ................................................................................................................... 37   4.6 Hướng tiếp cận cho bài toán ................................................................................................ 38   4.6.1 Bước 1: Khởi tạo lời giải ban đầu ngẫu nhiên .............................................................. 39   4.6.2 Bước 2: Cải thiện chất lượng lời giải bằng giải thuật tìm kiếm Tabu ........................... 40   4.7 Định dạng tập tin dữ liệu CSV đầu vào: .............................................................................. 44   4.8 Khảo sát và thống kê kết quả thực nghiệm thực tế .............................................................. 45   4.9 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả của phần mềm Open Course Timetable ............. 47   KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 49   TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................50   7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12   Ký hiệu / Chữ viết tắt AI AMP CS CSP CSV GA LP MC MCRW OR SA TS Dạng đầy đủ / Ý nghĩa Artificial Intelligent Adaptive Memory Programming Constraint Satisfaction Constraint Satisfaction Problem Comma-separated values Genetic Algorithms Linear Programming Min-conflict Min-conflict Random Walk Operation Research Simulated Annealing Tabu Search 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 - Mô tả cách tính của hàm mục tiêu ........................................................... 38   Bảng 2 – Bảng mô tả ánh xạ tập dữ liệu và mô hình hệ thống ................................ 45   Bảng 3 – Ví dụ ánh xạ từ tập dữ liệu vào mô hình hệ thống ................................... 45   Bảng 4 – Thống kê kết quả thực nghiệm ................................................................. 46   Bảng 5 – So sánh giữa phần mềm vTimeTabler và Open Course TimeTabler ....... 47   9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 – Biểu diễn khái niệm bài toán sắp thời khóa biểu ...................................... 13   Hình 2 – Bốn chiều Tabu Search ............................................................................. 28   Hình 3 – Bài toán cây tối ưu minh họa .................................................................... 29   Hình 4 – Tăng cường và Đa dạng ............................................................................ 30   Hình 5 – Mối quan hệ giữa Giảng viên, Lớp học và Môn học ................................ 33   Hình 6 – Khởi tạo lời giải ngẫu nhiên ban đầu ........................................................ 39   Hình 7 – Sơ đồ cài đặt giải thuật.............................................................................. 42   Hình 8 – Phép chuyển mới....................................................................................... 43   Hình 9 – Biểu đồ minh họa quá trình tìm kiếm lời giải ........................................... 46   10 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Bài toán lập lịch luôn là một bài toán cổ điển thuộc lớp bài toán NP-khó. Từ lâu đã thu hút được sự quan tâm, nghiên cứu và phát triển của nhiều tổ chức giáo dục, các nhà khoa học bởi tính ứng dụng cao và độ phức tạp của nó. Các bài toán lập lịch thường rất phong phú, đa dạng bởi các ràng buộc và yêu cẩu của từng doanh nghiệp, tổ chức, trường học. Trong nhiều thập niên qua đã có rất nhiều các phương pháp giải được đưa ra. Tuy nhiên, tính hiệu quả của lời giải cho lớp bài toán vẫn còn nhiều bàn cãi. Bài toán lập lịch có thể được dịnh nghĩa là một bài toán tìm kiếm chuỗi tối ưu để thực hiện một tập các hoạt động chịu tác ñộng của một tập các ràng buộc cần phải được thỏa mãn. Người lập lịch thường cố gắng thử đến mức tối đa sự sử dụng các tài nguyên nhân lực, vật lực, máy móc và tối thiểu thời gian đòi hỏi để hoàn thành toàn bộ quá trình nhằm sắp xếp lịch tối ưu nhất. Vì thế bài toán lập lịch là một vấn đề rất khó để giải quyết. Những năm gần đây, đã có nhiều hướng phát triển phong phú của các giải thuật nhằm đưa ra lời giải tốt nhất cho bài toán này. Với đề tài “Giải bài toán lập lịch theo tín chỉ sử dụng giải thuật tìm kiếm Tabu”, khóa luận mạnh dạn nghiên cứu một phương pháp mới cho việc giải các bài toán lập lịch cho mô hình các đơn vị, các cơ sở đào tạo có hình thức tổ chức, hoạt động giống với các Trung tâm Đào tạo Chứng chỉ Quốc tế theo Tín chỉ. 2. Mục đích nghiên cứu Bài toán lập lịch đã từ lâu trở thành một bài toán nổi tiếng và thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu, nhiều chuyên gia trong các lĩnh vực liên quan. Sự “nổi tiếng” của bài toán này không chỉ được đo bởi độ phức tạp của vấn đề, mà còn ở tính thực tiễn, khả năng áp dụng rất cao trên thực tế. Do đó mục tiêu của luận văn là: Nghiên cứu kỹ thuật của giải thuật tìm kiếm Tabu cho bài toán lập lịch theo tín chỉ. Luận văn sẽ xem xét áp dụng kỹ thuật này vào việc xây dựng chương trình lập lịch cho mô hình một trung tâm đào tạo theo tín chỉ. 11 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu, tìm hiểu giải thuật tìm kiếm Tabu và trên cơ sở đó tiếp cận để giải bài toán lập lịch, sắp xếp thời khóa biểu cho mô hình giảng dạy trong các trung tâm đào tạo theo tín chỉ hiện nay. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu bài toán lập lịch và các hướng giải quyết truyền thống Tìm hiểu về giải thuật tìm kiếm Tabu Ứng dụng thuật giải tìm kiếm Tabu vào bài toán lập lịch Xây dựng ứng dụng lập thời khóa biểu cho các trung tâm đào tạo theo tín chỉ 5. Phương pháp nghiên cứu Dựa trên tài liệu thu thập từ nhiều nguồn (tài liệu, bài báo do giảng viên hướng dẫn cung cấp, sách, báo, tạp chí, internet…) tổng hợp, phân tích và trình bày lại theo sự hiểu biết của bản thân Mở rộng các cách tiếp cận trước đây trên cơ sở phân tích đặc thù bài toán cần giải quyết để đưa ra những ý kiến, đề xuất cải tiến hợp lý. Ứng dụng những kết quả dựa trên nghiên cứu trên vào thực tế.   12 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH HIỆN NAY VÀ CÁC CÁCH TIẾP CẬN Bài toán lập lịch luôn là một bài toán khó, mang tính khoa học đồng thời tính thực tiễn cũng rất cao. Không chỉ Việt Nam mà trên toàn cầu từ lâu việc lập lịch đã trở thành một vấn đề có tính thời sự, một bài toán gây được sự chú ý, quan tâm của nhiều người. Bài toán lập thời khóa biểu là một nhánh của bài toán lập lịch trong đó đưa ra một chuỗi các sự kiện (thông thường là các môn học, bài giảng hoặc các môn thi) và bao gồm các giáo viên và học viên trong một khoảng thời gian định trước và thỏa mãn một tập hợp các ràng buộc của từng loại thời khóa biểu khác nhau. Mỗi bài toán có các tính chất riêng, khi sắp lịch thi bài toán đặt ra là phải đáp ứng được yêu cầu về thời gian (như không được trùng hay quá sát nhau) giữa các lần thi liên tiếp của cùng một học sinh, sinh viên. Còn khi sắp lịch cho trường phổ thông thì chúng ta cần quan tâm giờ rảnh mà giáo viên đăng ký và các tiết trống giữa giờ học của học sinh đóng vai trò rất quan trọng cho việc đánh giá kết quả của thời khóa biểu. Đối với đại học, bài toán cần giải quyết cũng là việc tránh xung đột giữa các thành phần tham gia trong thời khóa biểu (giáo viên, lớp học, phòng học và thiết bị). Vì thế, mục tiêu cuối cùng của người sắp thời khóa biểu là tạo ra một thời khóa biểu với ít xung đột nhất. Cũng đã có các khảo sát về bài toán sắp thời khóa biểu. Như việc đưa ra tổng quan các vấn đề về sắp thời khóa biểu thuộc ba dạng ta đã đề cập ở trên của Schaerf, 1995 [1]. Các khảo sát về sắp lịch thi Carter & Laporte, 1996 [2] và sắp lịch cho trường đại học Carter & Laporte, 1998 [3] Bardadym, 1996 [4]. 13 Người (a) (b) Lớp học Sự kiện Thời gian Giáo viên Buổi học Địa điểm Môn học Phòng học Hình 1 – Biểu diễn khái niệm bài toán sắp thời khóa biểu Khái niệm được thể hiện bằng hình hộp, các quan hệ là các đường nối các hình hộp đó. Các khái niệm và các quan hệ giữa các khái niệm đó trong một bài toán lập lịch được mô tả tổng quát ở hình (a) và được mô tả cụ thể hơn ở hình (b) 1.1 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường phổ thông (School timetabling) Bài toán lập thời khóa biểu cho trường phổ thông hay bài toán phân chia giáo viên, lớp học trong một tuần đối với tất cả các môn học của một trường học. Với ba tập hợp cho trước là tập giáo viên, tập lớp học và tập tiết học và một ma trận ràng buộc số bài giảng một giáo viên được phân công dạy một lớp. Bài toán yêu cầu phân chia các bài giảng vào các tiết sao cho không giáo viên hay lớp học nào có cùng một bài giảng trong cùng một thời gian và mỗi giáo viên đều có một số lượng nhất định các bài giảng với mỗi lớp học. 1.2 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại học (University timetabling) Bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại học là bài toán lập lịch cho các bài giảng (lectures) vào từng khóa học với một số lượng phòng học và tiết học cho trước. Điểm khác biệt chính với bài toán lập thời khóa biểu trường phổ thông là đặc trưng của các khóa học ở trường đại học, các sinh viên tham dự khóa học, trong khi các lớp học ở trường phổ thông được tạo bởi tập hợp các học sinh và có thể coi như là một thực thể đơn. Ở các trường đại học, hai khóa học khác nhau có thể có trùng sinh viên tham dự và điều đó có thể tạo ra xung đột và sẽ không thể lập lịch được 14 trong cùng một tiết học. Thêm vào đó, các giáo viên ở trường phổ thông luôn dạy nhiều hơn một lớp trong khi ở trường đại học một giảng viên thường chỉ dạy một vài khóa học hay một vài môn học trong một kỳ. Cuối cùng, với bài toán trường đại học kích cỡ các phòng học chiếm một vai trò quan trọng trong khi với bài toán trường phổ thông vấn đề này là không quan trọng bởi vì trong hầu hết các trường phổ thông mỗi lớp có một phòng học riêng. 1.3 Bài toán lập lịch thi (Examination timetabling) Bài toán lập lịch thi tương tự như bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại học nhưng ta cần phân biệt sự khác nhau giữa hai bài toán này. Bài toán lập lịch thi có những đặc điểm khác sau đây: • Chỉ có một kỳ thi cho mỗi một môn thi. • Các điều kiện xung đột nói chung là hạn chế. Thực tế, chúng ta có thể chấp nhận một sinh viên có thể bỏ qua một bài giảng do sự chồng chéo các môn học; nhưng không có sinh viên nào được phép bỏ qua một kỳ thi hết môn đã học vì nếu sinh viên không qua được kỳ thi này coi như trượt môn đó. • Và một số ràng buộc khác như hầu hết một sinh viên sẽ chỉ có một môn thi trong một ngày và không có nhiều quá các môn thi liên tiếp nhau với một sinh viên. • Thời gian thi của các môn thi có thể khác nhau, ngược lại với bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại học thì thời gian học được tính bằng tiết (45 – 50 phút tùy quy định của trường). • Có thể có nhiều hơn một môn được thi trong một phòng nhưng lại thì không thể có nhiều bài giảng được diễn ra trong một phòng tại một thời điểm.   15 1.4 Bài toán lập lịch theo tín chỉ Trước hết để xây dựng được mô hình bài toán lập lịch theo tín chỉ ta cần phải tìm hiểu và trả lời được câu hỏi “Tín chỉ là gì?” Có rất nhiều định nghĩa về tín chỉ, khoảng 60 định nghĩa khác nhau, có định nghĩa coi trọng khía cạnh định tính, có định nghĩa coi trọng khía cạnh định lượng, có định nghĩa nhấn mạnh vào chuẩn đầu ra của sinh viên, có định nghĩa lại nhấn mạnh vào các mục tiêu của chương trình học. Một định nghĩa về tín chỉ được các nhà quản lý và nhà nghiên cứu giáo dục ở Việt Nam biết đến nhiều nhất có lẽ là của học giả người Mỹ gốc Trung Quốc James Quann thuộc ĐH Washington. Cách hiểu của ông về tín chỉ được theo bảo dịch của Bộ Giáo dục và Đào tạo như sau: “Tín chỉ học tập là một đại lượng đo toàn bộ thời gian bắt buộc của một người học bình thường để học một môn cụ thể, bao gồm: 1. Thời gian lên lớp; 2. Thời gian ở trong phòng thí nghiệm, thực tập hoặc các phần việc khác đã được quy định ở thời khoá biểu; 3. Thời gian dành cho đọc sách, nghiên cứu giải quyết vấn đề, viết hoặc chuẩn bị bài...; đối với môn học lý thuyết một tín chỉ là một gìờ lên lớp (với 2 giờ chuẩn bị bài) trong tuần và kéo dài trong một học kỳ 15 tuần; đối với các môn học ở sudio hay phòng thí nghiệm, ít nhất là 2 giờ trong một tuần (với 1 giờ chuẩn); đối với các môn tự học, ít nhất là 3 giờ trong một tuần. “ Theo cách hiểu của PGS.TS Hoàng Văn Vân khoa sau ĐH – ĐH Quốc gia Hà Nội như sau: “Tín chỉ là đại lượng dùng để đo khối lượng kiến thức, kỹ năng của một môn học mà người học cần phải tích luỹ trong một khoảng thời gian nhất định thông qua các hình thức: 1. Học tập trên lớp; 2. Học tập trong phòng thí nghiệm, thực tập hoặc làm các phần việc khác (có sự hướng dẫn của giáo viên); 3. Tự học ngoài lớp như đọc sách, nghiên cứu, giải quyết vấn đề hoặc chuẩn bị bài... Tín chỉ còn được hiểu là khối lượng lao động của người học trong một khoảng thời gian nhất định trong những điều kiện học tập tiêu chuẩn.” Như vậy, có 7 điểm cần phải làm rõ từ định nghĩa về tín chỉ này. Thứ nhất, hoạt động dạy - học theo tín chỉ được tổ chức theo ba hình thức: lên lớp, thực hành, và tự học. Trong ba hình thức tổ chức dạy - học này, hai hình thức đầu được tổ chức có sự tiếp xúc trực tiếp giữa giáo viên và sinh viên (giáo 16 viên giảng bài, hướng dẫn, sinh viên nghe giảng, thực tập dưới sự hướng dẫn của giáo viên...), hình thức thứ ba không có sự tiếp xúc giữa giáo viên và sinh viên (giáo viên giao nội dung để sinh viên tự học, tự nghiên cứu, tự thực hành). Ba hình thức tổ chức dạy - học này tương ứng với ba kiểu giờ tín chỉ: giờ tín chỉ lên lớp, giờ tín chỉ thực hành và giờ tín chỉ tự học. Theo đó, một giờ tín chỉ lên lớp bao gồm 1 tiết (50 phút) giáo viên giảng bài và 2 tiết sinh viên tự học, tự nghiên cứu ở nhà; một giờ tín chỉ thực hành bao gồm 2 tiết giáo viên hướng dẫn, điều khiển và giúp đỡ sinh viên thực hành, thực tập; và một giờ tín chỉ tự học bao gồm 3 tiết sinh viên tự học, tự nghiên cứu, tự thực hành theo những nội dung giáo viên giao và những gì sinh viên thấy cần phải nghiên cứu hoặc thực hành thêm (những hoạt động học tập này có thể được thực hiện ở nhà hoặc ở trong phòng thí nghiệm, trong studio...). Thứ hai, trong ba hình thức tổ chức dạy - học, cụ thể là trong ba kiểu giờ tín chỉ, lượng kiến thức sinh viên thu được có thể khác nhau nhưng để thuận tiện cho việc tính toán (giờ chuẩn cho giáo viên, kinh phí cho từng môn học, nhân lực để phục vụ cho dạy - học...), ba kiểu giờ tín chỉ này được coi là có giá trị ngang nhau. Thứ ba, có hai thuật ngữ dễ gây nhầm lẫn: đó là, một giờ tín chỉ (a credit hour) và một tín chỉ (a credit). Trong các tài liệu nghiên cứu của các nhà nghiên cứu Âu - Mỹ, hai thuật ngữ này thường được sử dụng thay cho nhau, chỉ chung một giá trị. Trong cách hiểu của chúng tôi, tín chỉ và giờ tín chỉ là hai khái niệm có nội dung khác. Theo đó, một tín chỉ gồm 15 giờ tín chỉ, thực hiện trong một học kỳ, kéo dài 15 tuần, mỗi tuần 01 giờ tín chỉ. Thứ tư, có thể có những môn học chỉ gồm một kiểu giờ tín chỉ, nhưng có thể có những môn học gồm nhiều hơn một kiểu giờ tín chỉ. Trong mọi trường hợp, công thức tính cho mỗi môn học là không đổi: 1+ 0 + 2 cho môn học thuần lý thuyết, 0+ 2 + 1 cho môn học thuần thực hành, thực nghiệm, và 0+ 0 + 3 cho môn học thuần tự học. Thứ năm, người học trong phương thức đào tạo theo tín chỉ được cấp bằng theo hình thức tích lũy đủ tín chỉ, và đánh giá theo thang điểm A, B, C, D, F trong đó F là mức chưa đạt yêu cầu phải học và thi lại tín chỉ đó. Thứ sáu, định nghĩa tín chỉ trên mới đo năng lực học tập của người học thông qua thời lượng và số lượng tín chỉ được tích luỹ, nó chưa đo được mục tiêu hay chất lượng đầu ra của quá trình học tập. Tuy nhiên người học được cấp bằng 17 không chỉ phụ thuộc vào số tín chỉ mà họ tích lũy đủ mà còn phụ thuộc vào điểm trung bình chung quy định cho từng thời kỳ, từng kiểu văn bằng (cử nhân, thạc sĩ, tiến sĩ). Những quy định này phần lớn là do từng trường ĐH quyết định. Cuối cùng, thứ bảy, khác với phương thức đào tạo truyền thống, phương thức đào tạo theo tín chỉ xem tự học như là một thành phần hợp pháp trong cơ cấu giờ học của sinh viên: ngoài việc nghe giảng và thực hành trên lớp, sinh viên được giao những nội dung để tự học, tự thực hành, tự nghiên cứu; những nội dung này được đưa vào thời khoá biểu để phục vụ cho công tác quản lý và phải đưa vào nội dung các bài kiểm tra thường xuyên và bài thi hết môn học. 1.5 Ưu điểm của phương thức đào tạo theo tín chỉ Thứ nhất, việc tự học, tự nghiên cứu của sinh viên được coi trọng được tính vào nội dung và thời lượng của chương trình. Đây là phương thức đưa giáo dục ĐH về với đúng nghĩa của nó, người học tự học, tự nghiên cứu, giảm sự nhồi nhét kiến thức của người dạy, và do đó phát huy được tính chủ động, sáng tạo của người học. Thứ hai, chương trình được thiết kế theo phương thức đào tạo tín chỉ bao gồm một hệ thống những môn học thuộc khối kiến thức chung, những môn học thuộc khối kiến thức chuyên ngành, những môn học thuộc khối kiến thức cận chuyên ngành. Mỗi khối lượng kiến thức đều có số lượng môn học lớn hơn số lượng các môn học hay số lượng tín chỉ được yêu cầu. Sinh viên có thể tham khảo giáo viên hoặc cố vấn để chọn những môn học phù hợp với mình, để hoàn thành một văn bằng và để phục vụ cho nghề nghiệp tương lai của mình. Thứ ba, sinh viên được cấp bằng khi đã tích luỹ đầy đủ số lượng tín chỉ do trường ĐH quy định; do vậy họ có thể hoàn thành những điện kiện để được cấp bằng tuỳ theo khả năng và nguồn lực của mình. Thứ tư, phản ánh được những mối quan tâm và những yêu cầu của người học như là những người sử dụng kiến thức và nhu cầu của các nhà sử dụng lao động trong các tổ chức quản lý kinh doanh và tổ chức quản lý hành chính nhà nước. 18 Thứ năm, phương thức đào tạo này sẽ tạo được sự liên thông giữa các cơ sở đào tạo ĐH trong nước và nước ngoài. Bên cạnh những ưu điểm cho giáo viên và sinh viên còn có các lợi ích cho các nhà quản lý giáo dục. Vì nó vừa là thước đo khả năng học tập của người học, vừa là thước đo hiệu quả của giáo viên; là cơ sở để các trường ĐH tính toán ngân sách chi tiêu, nguồn nhân lực; và là cơ sở để báo các số liệu của trường cho các cơ quan cấp trên và các đơn vị liên quan. Một khi thước đo giờ tín chỉ được phát triển và kiện toàn, việc sử dụng nó như là một phương tiện giám sát bên ngoài, để báo cáo và quản lý hành chính hữu hiệu hơn. Chính vì thế mà đào tạo theo tín chỉ có sức hấp dẫn với các nước trên thế giới trong đó có Việt Nam. Ngày nay, trong xu thế hội nhập vừa tạo ra thời cơ đồng thời vừa là thách thức đối với nước ta trên lĩnh vực Giáo dục - Đào tạo. Việt Nam đang trên đà phát triển vì vậy cần có tư duy mới để bứt phá đưa đất nước phát triển điều đó phụ thuộc rất nhiều vào giáo dục nước nhà, tạo ra con người chủ động, tích cực, sáng tạo. Muốn vậy, cần có hệ thống giáo dục hợp lý, để nâng cao chất lượng Giáo dục - Đào tạo cho hệ thống trung học chuyên nghiệp (THCN), CĐ, ĐH cần chuyển đổi từ phương thức đào tạo theo niên chế sang đào tạo theo hệ thống tín chỉ. Phương thức đào tạo này có ý nghĩa to lớn trong việc hội nhập và tiến dần đến phương thức đào tạo tiên tiến, tạo nhiều cơ hội cho người học - chủ nhân tương lai của đất nước. 1.6 Các cách tiếp cận hiện nay Bài toán thời khóa biểu nói riêng và các bài toán tối ưu tổ hợp nói chung rất khó giải. Sự khó khăn của chúng được thể hiện ở độ phức tạp tính toán và với những bài toán thuộc lớp NP-khó như vậy thời gian để giải thường tăng theo hàm mũ của kích thước bài toán. Như chúng ta đã biết, trong thuật toán “vét cạn” (brute force) (tìm kiếm theo bề rộng hoặc theo độ sâu), thì về mặt nguyên tắc các phương pháp tìm được nghiệm của bài toán nếu bài toán đó có nghiệm. Song trên thực tế những bài toán NP-khó không thể áp dụng được phương pháp này vì ta phải phát triển một không 19 gian tìm kiếm rất lớn trước khi tìm được lời giải, nhưng do những hạn chế về thời gian tính toán và dung lượng bộ nhớ không cho phép chúng ta làm được điều đó. Bài toán sắp lịch cho trường đại học có mục tiêu chính là việc sắp các phân công giảng dạy hàng tuần. Bài toán này bao gồm việc sắp các phân công giảng dạy vào các tiết theo một cách nào đó mà giảng viên (hay lớp học) có liên quan không được phép tham gia một lúc hai phân công, và các ràng buộc khác cần phải được thỏa mãn. Bài toán này thuộc loại NP-khó và thường được giải quyết bằng các phương pháp Heuristic. Thông thường, người giáo vụ cần phải mất vài ngày để sắp được một thời khóa biểu bằng tay. Mà lời giải còn có thể chứa những kết quả không tốt lắm, ví dụ như việc giáo viên bị trống tiết giữa trong một buổi giảng. Ngoài ra trong quá trình sắp người giáo vụ phải tương tác rất nhiều với giảng viên để thỏa thuận giờ giảng khi xảy ra việc tranh chấp tài nguyên. Bởi lý do ở trên, nhu cầu đặt ra là cần một chương trình sắp thời khóa biểu tự động. Trong hơn bốn mươi năm qua, bắt đầu từ thập niên 60, với Gotlieb (1963) [5] và những người khác, nhiều bài báo có liên quan đến việc sắp thời khóa biểu tự động đã xuất hiện ở các hội nghị và tạp chí khoa học, và các ứng dụng đã bắt đầu được phát triển cho ra các kết quả khá tốt. Các kỹ thuật sơ khai của Schmidt-Strohlein, 1979 [6]; Junginger, 1986 [7] được dựa trên việc giả lập quá trình sắp lịch của con người trong việc giải bài toán. Các kỹ thuật này được gọi là heuristics trực tiếp (direct heuristic) được dựa trên việc mở rộng liên tục (successive augmentation). Nghĩa là, họ sẽ sắp một phần thời khóa biểu, lần lượt từng phân công, cho đến khi tất cả các phân công đã được sắp hoặc không sắp được thêm phân công nào nữa do vi phạm các ràng buộc. Sau này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu áp dụng các kỹ thuật tổng quát hơn trên bài toán này. Do đó ta thấy các thuật toán dựa trên lập trình tuyến tính (integer programming) của Tripathy trong các năm 1984, 1992 [8, 9], luồng mạng (network flow) của Ostermann-de Werra, 1983 [10], và còn những loại khác nữa. Ngoài ra bài toán này cũng được giải quyết bằng cách đưa nó về bài toán nổi tiếng: tô màu đồ thị (graph coloring) của Neufeld-Tartar, 1974 [11]. Gần đây nhất, những tiếp cận dựa trên những hướng nghiên cứu mới bao gồm tôi luyện thép (simulated annealing) (Abramson, 1991 [12]), Tabu search 20 (Costa, 1994 [13]), thuật giải di truyền (genetic algorithms) (Colorni, Dorigo, và Maniezzo, 1992 [14]), thỏa mãn ràng buộc (constraint satisfaction) (Yoshikawa, Kaneko, Nomura và Watanabe, 1994 [15]) và một kết hợp của các phương pháp khác (Cooper và Kingston, 1993 [16]) nhằm tìm ra lời giải “tốt nhất có thể” cho lớp các bài toán NP-khó nói chung và có thể áp dụng riêng cho nhánh bài toán lập lịch được đề cập trong luận văn này. Trong chương 2 chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu chi tiết hơn một vài thuật toán phổ biến hiện nay.