計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)的模擬退火算法研究[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;內(nèi)容摘要：針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)存在的任務(wù)并發(fā)擁堵問題，提出一種基于并行組合模仿退火算法的分布式計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)，以便提升分發(fā)效率和訪問容量。該系統(tǒng)采取B/S構(gòu)造，解決了傳統(tǒng)C/S構(gòu)造適用性較差的問題。設(shè)計(jì)中將考試的分發(fā)效勞進(jìn)行拆分，并使用模仿退火算法對(duì)分配方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化經(jīng)過考慮到了效勞器數(shù)量、考生數(shù)量和位置信息等約束條件。除此之外，結(jié)合遺傳算法和模仿退火算法進(jìn)行組合改良，提升了并行性和收斂速度。算法仿真測(cè)試結(jié)果表示清楚，提出的改良算法具有更好的快速收斂性能。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了提出的設(shè)計(jì)在大規(guī)?？荚噾?yīng)用中的可行性和運(yùn)行效率。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;本文關(guān)鍵詞語：模仿退火算法；計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試；分配方案優(yōu)化；B/S構(gòu)造；仿真測(cè)試；并行性驗(yàn)證[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;0引言[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界范圍內(nèi)的廣闊高校均不斷退出各種在線考試系統(tǒng)，無紙化、互聯(lián)網(wǎng)化的考試系統(tǒng)正成為當(dāng)下教育領(lǐng)域研究的熱門之一[1-2]。現(xiàn)前階段，針對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的相關(guān)課程考試系統(tǒng)已經(jīng)不少，但是大多數(shù)仍然采取C/S架構(gòu)，需要在所有的客戶端上安裝考試軟件，并要適用于各種客戶端設(shè)備，這對(duì)軟件開發(fā)的難度和后期維護(hù)工作量都是較大的考驗(yàn)，導(dǎo)致應(yīng)用成本居高不下[3]。除此之外，當(dāng)應(yīng)用于大規(guī)?？荚嚽闆r時(shí)，由于學(xué)生數(shù)量較多、時(shí)間較為集中、效勞器資源有限等問題，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生并發(fā)沖突、無法訪問和延遲卡頓等不良現(xiàn)象，需要增長(zhǎng)軟硬件投入來有效改善此問題[4]。最近，文獻(xiàn)[5]提出了面向中小學(xué)的基于UML的網(wǎng)絡(luò)分布式考試系統(tǒng)軟件，可視化效果突出。文獻(xiàn)[6]提出的在線考試系統(tǒng)采取了基于ASP，Access數(shù)據(jù)庫及B/S構(gòu)造的技術(shù)，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)考試系統(tǒng)，提升了工作效率。文獻(xiàn)[7]提出一種基于遺傳算法的高校在線考試系統(tǒng)，但是僅僅限于試題的多樣性組卷。這些設(shè)計(jì)均無法有效解決大規(guī)模應(yīng)用的并發(fā)和效率問題。因而，采取B/S構(gòu)造設(shè)計(jì)了分布式考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，給出了系統(tǒng)重要功能模塊以及任務(wù)流程，并設(shè)計(jì)基于組合模仿退火算法的計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試任務(wù)分發(fā)實(shí)現(xiàn)方法，提升了系統(tǒng)的并行性和運(yùn)行效率，緩解了大規(guī)模應(yīng)用的并發(fā)擁堵問題。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;1系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;1.1分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;根據(jù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試的功能性需求，分布式考試系統(tǒng)應(yīng)該具有基本的試題庫和在線考試功能。試題庫應(yīng)該包含Word，Windows，Excel，PowerPoint，Email和Web網(wǎng)頁等主題內(nèi)容。本文設(shè)計(jì)的分布式在線考試系統(tǒng)采取B/S構(gòu)造，解決了傳統(tǒng)C/S構(gòu)造適用性較差的問題，其網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行構(gòu)造示意圖如此圖1所示。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;1.2系統(tǒng)重要功能模塊以及任務(wù)流程[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;分布式計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)的配置基礎(chǔ)是學(xué)生的客戶機(jī)，數(shù)量為n，n∈{1，2，…，N}。所有的客戶機(jī)均通過互聯(lián)網(wǎng)連接到系統(tǒng)Web效勞器，也就是分布式計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)端。分布式計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)的所有試題文件均保存在數(shù)據(jù)庫效勞器中，供Web效勞器直接搜索和讀取。分布式計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)如此圖2所示，包含用戶注冊(cè)、登錄、成就查詢、在線考試、系統(tǒng)設(shè)置等。其中，系統(tǒng)設(shè)置能夠?qū)Ψ植际娇荚嚨臅r(shí)間、學(xué)生信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;本文采取Spring技術(shù)[8]搭建分布式計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)的工作流程，任務(wù)工作流程如此圖3所示。學(xué)生在登錄后首先選擇試卷，履行下載和生成試卷文件夾操作。學(xué)生答題后進(jìn)行交卷，系統(tǒng)開始履行評(píng)分和保存操作。試卷的分發(fā)和收溝通程是大規(guī)模應(yīng)用時(shí)發(fā)生擁堵問題的節(jié)點(diǎn)，因而，設(shè)計(jì)了基于組合模仿退火算法的計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試任務(wù)分發(fā)實(shí)現(xiàn)方法，以提升系統(tǒng)的并行性和運(yùn)行效率，減少大規(guī)模應(yīng)用的擁堵現(xiàn)象。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;2基于組合模仿退火算法的計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試任務(wù)分發(fā)[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;2.1模仿退火算法的原理[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;作為一種啟發(fā)式隨機(jī)搜索經(jīng)過，模仿退火算法來源于固體退火原理[9-11]。研究人員通常采取固體退火模仿組合優(yōu)化問題，在常溫時(shí)到達(dá)基態(tài)，算法終止時(shí)的當(dāng)下解即為所得近似最優(yōu)解。模仿退火算法的計(jì)算流程為：[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;1〕設(shè)定初始溫度T，產(chǎn)生初始值i，限定解狀況S；[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;2〕在k=1，2，…，L迭代中，反復(fù)履行步驟3〕～步驟6〕；[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;3〕產(chǎn)生新解i′；[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;4〕根據(jù)如下公式評(píng)估能量函數(shù)ΔE：[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;pagenumber_ebook=116，pagenumber_book=108[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;式中C(i)表示評(píng)估函數(shù)。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;5〕假如ΔE＜0，那么設(shè)定i′替換當(dāng)下解，否則，根據(jù)概率設(shè)定i′替換當(dāng)下解；[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;6〕判定終止條件能否知足，是則迭代終止，輸出當(dāng)下解，否則，進(jìn)行降溫，T逐步減少，且T→0，然后履行步驟2〕。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;2.2組合模仿退火算法[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;通過上述模仿退火算法流程分析，能夠看出其部分優(yōu)化能力和并行性較強(qiáng)，但是全局搜索能力較差，導(dǎo)致收斂性欠好。而經(jīng)典的遺傳算法把握總體的能力較強(qiáng)，因而，提出將模仿退火算法和遺傳算法相結(jié)合，在模仿退火算法的迭代操作之前，首先履行遺傳算法的選擇、穿插和變異經(jīng)過，也就是在遺傳算法的穿插操作后面增長(zhǎng)模仿退火的降溫操作。組合模仿退火算法的改良流程如此圖4所示。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;2.3目的函數(shù)[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;考試分發(fā)效勞中的分配方案不是一個(gè)單目的的優(yōu)化問題，而應(yīng)該是一個(gè)多目的優(yōu)化求解問題。因而，本文將其進(jìn)行拆分并使用組合模仿退火算法進(jìn)行優(yōu)化。本文結(jié)合權(quán)重系數(shù)法，考慮到了效勞器數(shù)量、考生數(shù)量和位置信息等約束條件，設(shè)計(jì)基于組合模仿退火算法的考試任務(wù)分發(fā)的總目的函數(shù)如下：[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;pagenumber_ebook=117，pagenumber_book=109[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;式中：ω1為效勞器數(shù)量V1約束條件的權(quán)值因子；ω2為考生數(shù)量V2約束條件的權(quán)值因子；ω3為位置信息V3約束條件的權(quán)值因子。其中，效勞器數(shù)量、考生數(shù)量和位置信息等約束條件的計(jì)算方式和文獻(xiàn)[7]一致。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;3.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;為了驗(yàn)證提出的組合模仿退火算法的有效性，在Matlab仿真環(huán)境下進(jìn)行了模仿實(shí)驗(yàn)。本文所有實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行環(huán)境均為Windows7系統(tǒng)下的Matlab2015b，處理器為Intel?CoreTMi5-3210MCPU@2.50GHz，內(nèi)存為8GB。在本文實(shí)驗(yàn)經(jīng)過中，設(shè)置最大迭代次數(shù)為2000，穿插概率為0.3，變異概率為0.02，退火初始溫度為50℃，退火因子k=0.95。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;3.2仿真結(jié)果分析[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;將單一模仿退火算法和本文組合模仿退火算法在Matlab仿真環(huán)境下，使用簡(jiǎn)單的二維測(cè)試函數(shù)進(jìn)行了比照實(shí)驗(yàn)。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;從圖5能夠看出，本文組合模仿退火算法已成功找出了最優(yōu)解。從圖6能夠看出，相比于單一模仿退火算法，本文方法能夠較快地找到全局最優(yōu)解，反映出改良的模仿退火算法的快速收斂性能。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;3.3分布式性能驗(yàn)證[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于組合模仿退火算法的考試任務(wù)分發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在集群環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)的履行效率進(jìn)行了比照。將無并行分發(fā)的考試系統(tǒng)和基于組合模仿退火算法的考試系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行比較。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，能夠看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增大，獲得的加速效果越來越顯著。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;從表1能夠看出，隨著樣本文件的增大，兩者的運(yùn)行時(shí)間均緩慢上升，但從上升速度方面來看，本文算法優(yōu)于無并行分發(fā)的考試系統(tǒng)。在同等大小樣本集下，本文算法相比無并行分發(fā)的考試系統(tǒng)，在大規(guī)模分布式任務(wù)上表現(xiàn)更好。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;3.4系統(tǒng)詳細(xì)實(shí)現(xiàn)[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;本文對(duì)提出基于組合模仿退火算法的計(jì)算機(jī)應(yīng)用考試系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)現(xiàn)，在某大型植物園林場(chǎng)景中進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。選擇“進(jìn)入在線考試系統(tǒng)〞，即可進(jìn)入在線考試系統(tǒng)的登錄界面，選擇考試題目開始測(cè)試，如此圖7所示。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;4結(jié)束語[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;本文提出將考試的分發(fā)效勞進(jìn)行拆分，并使用模仿退火算法對(duì)分配方案進(jìn)行了優(yōu)化，針對(duì)模仿退火算法存在的缺點(diǎn)，結(jié)合遺傳算法進(jìn)行了改良，有利于提升尋優(yōu)精度和運(yùn)行速度。除此之外，結(jié)合權(quán)重系數(shù)法，引入效勞器數(shù)量、考生數(shù)量和位置信息等約束條件，設(shè)計(jì)了考試分發(fā)任務(wù)的總目的函數(shù)。仿真環(huán)境下的函數(shù)測(cè)試和系統(tǒng)詳細(xì)