Agenda

20.04.23 1

Abschlusspräsentation

Studienprojekt:

Stundenplanerstellungmit evolutionären Algorithmen

Abt. Formale KonzepteStudiengang Softwaretechnik SS 2000 und WS 2000/2001

20.04.23 2

Agenda

Zielsetzung Stundenplanerstellung als

Optimierungsproblem Evolutionäre Algorithmen Problemlösung mit evol. Algorithmen Erfahrungsaustausch

20.04.23 3

Zielsetzung

Kunde (K. Weicker): Optimierung mit einem

evolutionärem Algorithmus Portabilität

(Plattformunabhängigkeit) Multilinguale Benutzeroberfläche Festpreisprojekt (495.200,- DM) Produktvision

Erstellung von Veranstaltungsplänen

20.04.23 4

Zielsetzung

Projekteigentümer (Prof. V. Claus): Experimentierplattform für weitere

Forschungsarbeiten im Bereich EA

Erstellung von Universitätsstundenplänen

20.04.23 5

Zielsetzung

Zielgruppe (Schulen): Hohe Qualität der Stundenpläne Kontrollmöglichkeiten Manuelle Manipulation

Erstellung von Schulstundenplänen

20.04.23 6

Zielsetzung

Projektteam: Erfahrungen im

Softwareengineering:u.a. kommerzielles Prozessmodell

Einhaltung der Planung Hohe Qualität der Stundenpläne Wirtschaftliches Produkt

Erstellung von Veranstaltungsplänen? Universitätsstundenplänen? Schulstundenplänen?

20.04.23 7

»Stammdaten«Lehrer, Klassen, Räume

feste Termine

Lehrauftrag

Oberfläche zurDateneingabe

Problembeschreibung(XML-Datei)

Visualisierung

Stundenplan

Stundenplan(XML-Datei)

Automatische Optimierung

Manuelle Manipulation

Systemüberblick

20.04.23 8


feste Termine

Lehrauftrag



Visualisierung

Stundenplan




Systemüberblick

20.04.23 9


feste Termine

Lehrauftrag



Visualisierung

Stundenplan




Systemüberblick

20.04.23 10


feste Termine

Lehrauftrag



Visualisierung

Stundenplan




Systemüberblick

20.04.23 11

Agenda



20.04.23 12


feste Termine

Lehrauftrag



Visualisierung

Stundenplan




Ausgangsdaten

20.04.23 13


feste Termine

Lehrauftrag



Visualisierung

Stundenplan




Ausgangsdaten

20.04.23 14

Lehrauftrag

Fach Wochenstunden

Klasse/Lehrer

M 5 5a/Müller

E 4 5a/Hartwig

… … …

… … …

… … …

20.04.23 15


feste Termine

Lehrauftrag



Visualisierung

Stundenplan




Ausgangsdaten

20.04.23 16

Stundenplanerstellung

5a 5b 5c 5d

Mo 8.00

D102

E105

M103

M104

Mo9.00

M102

D105

SpTH1

SpTH2

Mo.10.00

E103

R104

Mu110

Mu111

Lehrauftrag Verplante StundenFach WoStd

.Klasse/Lehrer

M 5 5a/Müller

E 4 5a/Hartwig

...ein kombinatorisches Optimierungsproblem

20.04.23 17

Stundenplanerstellung

Fach

WoStd.

Klasse/Lehrer

Verletzung harter Bedingungen

Verl. weicher Bedingungen (Güte)

Status

M 5 5a/Müller Ja 1.3 Verplant

E 4 5a/Hartwig nein 4.0 Teilweise verplant(2/4)

… … … … … …

… … … … … …

...ein kombinatorisches Optimierungsproblem

20.04.23 18

Randbedingungen

Harte Randbedingungen beachten: Lehrer nur an einem Ort zur selben Zeit Klasse nur an einem Ort zur selben Zeit Raumgröße ausreichend für Klasse Lehrer verfügbar Klasse verfügbar ...

Verletzung dieser Bedingungen führt zu ungültigem Stundenplan

20.04.23 19

Randbedingungen

Weiche Randbedingungen beachten: Minimierung von Hohlstunden für Klassen Minimierung von Hohlstunden für Lehrer Minimale / maximale Anzahl von

Doppelstunden Freie Tage für Teilzeitlehrkräfte Verteilung der Veranstaltungen ...

Verletzung dieser Bedingungen reduziert Qualität des Stundenplans

20.04.23 20

Verteilung der Veranstaltungen

Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

20.04.23 21


Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

20.04.23 22


Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

Mo Di Mi Do Fr

8.00

9.00 Ek

10.00

11.00 Ek

12.00

20.04.23 23


Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

Mo Di Mi Do Fr

8.00

9.00 Ek

10.00

11.00 Ek

12.00

20.04.23 24

Varianz und Standardabweichung

Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

Mo Di Mi Do Fr

8.00 Ek

9.00

10.00

11.00

12.00 Ek

Mo Di Mi Do Fr

8.00

9.00 Ek

10.00

11.00 Ek

12.00

Qualität: 1.0 Qualität: 2.0

Qualität: 4.5

5a 5b

5c

20.04.23 25

Aufbau einer Veranstaltung

<event id=”xxx” constraints... >

<section id=”xx” name=”abcde” size=””>

<involvedTeachers />

<involvedClasses />

<requiredRoomFeatures />

<preferredRoomFeatures />

</section>

<section id=”xy” name=”fghij” size=””>

...

</section>

</event>

20.04.23 26


<event id=”378” hoursPerWeek=”5” minDouble=”0”

maxDouble=”1” borderPlacement=”prefer”

fortnightPlacement=”forbid”

noonBreakPlacement=”forbid” concurrentEvent=”233”>

...

</event>




<involvedClasses />



</section>


...

</section>

</event>

20.04.23 27


<section id=”1” name=”kath. Rel.” size=”17”>


<involvedClasses />



</section>




<involvedClasses />



</section>


...

</section>

</event>

20.04.23 28


<involvedTeachers>

<involvedTeacher teacher-ref=”We” />

<involvedTeacher teacher-ref=”Hu” />

</involvedTeachers>

<involvedClasses>

<involvedClass class-ref=”5a” />

<involvedClass class-ref=”5b” />

<involvedClass class-ref=”5c” />

</involvedClasses><event id=”xxx” constraints... >



<involvedClasses />



</section>


...

</section>

</event>

20.04.23 29


<requiredRoomFeatures>

<feature id=”Klassenzimmer” />

<feature id=”Unterstufe” />

</requiredRoomFeatures>

<preferredRoomFeatures>

<feature id=”Musik” />

<feature id=”Tommelwirbel” />

</preferedRoomFeatures>




<involvedClasses />



</section>


...

</section>

</event>

20.04.23 30

Aufbau einer Veranstaltung<event id=”378” hoursPerWeek=”5” minDouble=”0” maxDouble=”1” borderPlacement=”prefer”

fortnightPlacement=”forbid” noonBreakPlacement=”forbid” concurrentEvent=”233”>

<section id=”1” name=”kath. Rel.” size=”17”>

<involvedTeachers>

<involvedTeacher teacher-ref=”Fi” />

</involvedTeachers>

<involvedClasses>

<involvedClass class-ref=”5a” />


</involvedClasses>


<feature name=”Klassenzimmer” />


</section>

<section id=”2” name=”ev. Rel.” size=”34”>

<involvedTeachers>

<involvedTeacher teacher-ref=”We” />

</involvedTeachers>

<involvedClasses>


</involvedClasses>


<feature id=”Klassenzimmer” />


<preferredRoomFeatures>

<feature id=”Musik” />

</preferedRoomFeatures>

</section>

</event>

20.04.23 31

Lösungen des Stundenplanproblems

• Vielzahl von möglichen Lösungen

• deterministischer Algorithmus schwer zu entwickeln

Anwendung eines evolutionären Ansatzes

20.04.23 32

Demonstration

20.04.23 33

Agenda



20.04.23 34

Evolutionärer Ansatz

Idee: Orientierung an der Evolution der Natur

Anpassung von Individuen an die natürliche Umwelt

20.04.23 35

Ablauf der Evolution

Selektion Rekombination

Bewertung

Mutation

Initialpopulation

20.04.23 36

Population

• Besteht aus Individuen

• Initialpopulation kann zufällig gewählt werden

AE

C

Evolution der Individuen

B D

20.04.23 37

Rekombination

Kreuzung zweier Individuen

Vater

Kind

Mutter

20.04.23 38

Mutation

Veränderung der einzelnen Individuen

1 2 3 4 1 3 2 4

Individuum A Individuum A´

20.04.23 39

Bewertung und Selektion

6

4

1

2

8

3

7

5

6

8

7

5

Generation n Generation n+1

20.04.23 40

Ablauf der Evolution

Selektion Rekombination

Bewertung

Mutation

Initialpopulation

20.04.23 41

Agenda



20.04.23 42

V M V M

Repräsentationsformen

Genotyp

Phänotyp

V M V M

Vererbungsveranlagungen der Eltern

Augenfarbe des Kindes

20.04.23 43

Ausgangsstundenplan

Fach WoStd.

Klasse/Lehrer

Verletzung harter Bedingungen

Verletzung weicher Bedingungen

Status

Schwimmen

2 13/Landspergis

--- --- Verplant

Veranstaltungsschlange (Event Queue)

= Genotyp

Stundenplantabelle

= Phänotyp

20.04.23 44

Prinzipieller Ablauf der Optimierung

Ausgangsstundenplan Population erstellen Initialisierung der Stundenpläne

Mutation und Rekombination

Bewertung

Selektion

20.04.23 45

Population erstellen

Ausgangsstundenplan

Population

20.04.23 46

Initialisierung der Stundenpläne

Population Initialisierung

20.04.23 47

Initialisierung durch Veranstaltungsschlange

Klassen

Zeit

TimeTableBuilder

Sport 5aBergmiller2 WoStd.

… … …Gk 13Doil2 WoStd.

RaumlisteBedingungen

20.04.23 48


5a ... ... 7b … … … 11d

Mo8.00

Mo9.00

Mo.10.00

TimeTableBuilder

Engl. 5aMüller5 WoStd.

Franz. 7bTrestil5 WoStd.

Ek 11dKautsch2 WoStd.

Bio 5bGertz3 WoStd.

Gesch. 8aLatech2 WoStd.

20.04.23 49


5a ... ... 7b … … … 11d

Mo8.00

Mo9.00

Mo.10.00

Engl.

103



Bio 5bGertz3 WoStd.


TimeTableBuilder


20.04.23 50


5a ... ... 7b … … … 11d

Mo 8.00

Mo9.00

Mo.10.00

Engl.

103


Bio 5bGertz3 WoStd.


Fr.

207

TimeTableBuilder



20.04.23 51


5a ... ... 7b … … … 11d

Mo 8.00

Mo9.00

Mo.10.00

Engl.

103

Bio 5bGertz3 WoStd.


Ek

633

Fr.

207

TimeTableBuilder




20.04.23 52

Genotypmutation

vertauschen




Bio 5bGertz3 WoStd.


20.04.23 53

Genotypmutation




Bio 5bGertz3 WoStd.



Bio 5bGertz3 WoStd.

20.04.23 54

Genotypmutation




Bio 5bGertz3 WoStd.



Bio 5bGertz3 WoStd.

20.04.23 55

Phänotypmutation

Phänotyp-Mutatoren:

Verschieben von Stunden

Entfernen von Stunden

Platzieren von Stunden

20.04.23 56



Gk 12Bergmiller3 WoStd.

Geschi 9aWieland2 WoStd.

Ek 11dGeiger2 WoStd.

Bio 5bSchöning3 WoStd.




Ek 11dGeiger2 WoStd.

Bio 5bSchöning3 WoStd.


Rekombination

Ek 12Linneweber2 WoStd.

Religion 6cDoil2 WoStd.

Sport 8aBartsch2 WoStd.

20.04.23 57

Bewertung

Unverplante /teilweise verplanteVeranstaltungen

Score

ConstraintWatcher

Randbedingung 1

Randbedingung 2

Randbedingung n

Standardabweichung 1

Standardabweichung 2

Standardabweichung n

20.04.23 58

Selektion

Verletzungen 137 102 193

20.04.23 59

Selektion

Verletzungen 137 102 193

137 102 102Verletzungen

20.04.23 60

Ergebnis

20.04.23 61

Demonstration

20.04.23 62

Agenda



20.04.23 63

Projektverlauf und Erfahrungen

Ist/Soll-Daten

Probleme

Tips

Verbesserungsmöglichkeiten

20.04.23 64

Ist-Daten: Grösse

Entwicklung der Produktgrösse

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

6.6.

00

21.6

.00

19.7

.00

20.1

0.00

17.1

1.00

8.1.

01

23.1

.01

10.2

.01

19.2

.01

Ende I1 Ende I2 EndeE1

EndeE2

EndeC1

n/a EndeC2

EndeC3

EndeT1

Zeit

LO

C

Total Product Size

Custom Component Size

Test Driver Size

COTS Size

Polynomisch (Total Product Size)

20.04.23 65

Produktgrösse nach Metaklasse

0,00

2000,00

4000,00

6000,00

8000,00

10000,00

12000,00

14000,00

16000,00

6.6.00 21.6.00 19.7.00 20.10.00 17.11.00 8.1.01 23.1.01 10.2.01 19.2.01

Ende I1 Ende I2 Ende E1 Ende E2 Ende C1 n/a Ende C2 Ende C3 Ende T1

Zeit

LO

C

COTS

TestDriver

Import

EA

EAPhenotypeMutator

Model

ConstraintWatcher

CacheObject

FrameworkClass

View

Dialog

BP

Ist-Daten: LOC / MetaClass

20.04.23 66

Entwicklung der Produktkomplexität

0

50

100

150

200

250

6.6

.00

21

.6.0

0

19

.7.0

0

20

.10

.00

17

.11

.00

8.1

.01

23

.1.0

1

10

.2.0

1

19

.2.0

1Ende I1 Ende I2 Ende

E1Ende

E2Ende

C1n/a Ende

C2Ende

C3Ende T1

Zeit

An

zah

l Kla

ss

en

Number of custom classes

Polynomisch (Number of customclasses)

Ist-Daten: Komplexität

20.04.23 67

Mittlere Anzahl Zeilen pro Metaklasse

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

6.6.00 21.6.00 19.7.00 20.10.00 17.11.00 8.1.01 23.1.01 10.2.01 19.2.01

Ende I1 Ende I2 Ende E1 Ende E2 Ende C1 n/a Ende C2 Ende C3 Ende T1

Zeit

LO

C

BP

Dialog

View

FrameworkClass

CacheObject

ConstraintWatcher

Model

EAPhenotypeMutator

EA

Import

TestDriver

COTS

Avg. LOC / MetaClass

20.04.23 68

Ist-Daten: Aufwand

Aufwand geschätzt 495200,00 DMentspricht 2476,00 hbei Stundenlohn 200,00 DM/h

Kosten Stand 15.02.2001 503566,67 DMentspricht 2517,83 hDifferenz 1,69 %

Produktivität geschätzt 7,78 LOC/hProduktivität Ist 5,56 LOC/hDifferenz 39,90 %

20.04.23 69

IST-Daten: Arbeitsauslastung

Arbeitsauslastung:

durchschnittliche Arbeitszeit 314,73 h

Standardabweichung 113,25 h

20.04.23 70

Ist-Daten: Verteilung

Gesam t Verte ilung

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

Aufwand

20.04.23 71

Technische Probleme

Speicherbedarf pro Individuum ca. 1,3 MB

20.04.23 72

Personelle Probleme

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

Mai 00 Jun 00 Jul 00 Aug 00 Sep 00 Okt 00 Nov 00

Assessmnetteam's workloadunderrun [h]

Projectmanagementteam's workloadunderrun [h]

EA team'sworkloadunderrun [h]

Developmentteam's workloadunderrun [h]

milestonelatenesssumme(daysdelay)/#Milestone this month

20.04.23 73

Strategien zur Bewältigung von Problemen

Problem Strategie

Ressourcenverfügbarkeit Fix Jours, Max. Anzahl Fehltage definieren

Planbarkeit Vor Urlauben Arbeit ableisten und Arbeit im Team präsentieren, von Betreuer bestätigen lassen.

Prozess- oder Produktqualität zu gering Iterative Entwicklung

Symtom: „Am Anfang muss ja nicht jeder so viel machen“

Teams sind zu groß für Koordination Zwei Teil-Teams - Informatik-Problem- Anwendungsoberfläche

20.04.23 74

Problem Strategie

Qualitätssicherung funktioniert nicht von Anfang an Tester integrieren

Simultanes arbeiten nicht möglich Architekturbeschreibungen und Meta-Modelle ermöglichen Transparenz und verteiltes Arbeiten

Strategien zur Bewältigung von Problemen

20.04.23 75

Tip: Beschreiben der Entwicklungs- und der Zielorganisationen

KenntnisseWeiterbildungswünscheErwartungen einzelner an das Projekt / das Team

Entwicklungsorganisation

ZielorganisationVorkenntnisse

20.04.23 76

Tip: Organisation

20.04.23 77

Tip: Arbeitsumgebung(1)

MS PoolWerkzeuge

CVSMS Office 2000JBuilder 4.0Together J

RUP: Dokumentenvorlagen, Arbeitsanleitungen Dokumentenablagesystem

20.04.23 78


20.04.23 79


20.04.23 80

Tip: Zeitplanung

Semesterferien frei – als Pufferzeit ca. 40 Stunden/Arbeitsmonat

Inkrementelle Auslieferung Datenmodell, Import, EA globale Suche Visualisierung, EA lokale Suche Manipulation, EA Tuning

20.04.23 81

Bitte Bitte nicht!

Verbesserung der Vorbildung * Iterative Prozessmodelle

* OOA* OOD* OOP* Werkzeugverwendung

Java-Technologien zu stark forcieren

(Ressourcenbedarf)

Forderungen (1)

20.04.23 82

Forderungen (2)

Bitte Bitte nicht!

Verbesserung der Infrastruktur - Assessments- Projektmanagementwerkzeuge- zentrale Zeiterfassung-Testwerkzeuge- Prozessmodellbeschreibungen- Konfigurationsmanagement

-Zwei Gruppen wieder zusammenführen

- verbessern der VorbildungIterative Prozessmodelle

OOAOODOOPWerkzeugverwendung

20.04.23 83

Offene Punkte bei der Projektdurchführung

Projektabbruch Umgang mit

„Keine Zeit Syndrom“ und „Projektmoral“ Verantwortung und Macht Fix-Jours Nachweise über Arbeitspakete

Bewertung schwierig und nicht transparent

Agenda

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