基于退火算法的分布式計算機考試系統(tǒng)設(shè)計

汪守斌 張秋菊

摘? 要： 為了提高分布式計算機應用考試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出依賴并行組合模擬退火算法的分布式計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計方法。構(gòu)建分布式計算機應用考試系統(tǒng)的信息傳輸模型，采用信道均衡控制方法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的人機交互控制，采用并行組合模擬退火算法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的資源信息調(diào)度，采用并行組合模擬退火尋優(yōu)方法進行收斂性控制，實現(xiàn)分布式計算機應用考試系統(tǒng)的資源傳輸控制，建立分布式計算機應用考試系統(tǒng)的信息均衡輸出調(diào)度模型，結(jié)合負載均衡控制方法，進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的可靠性控制。在總線開發(fā)協(xié)議下進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的軟件開發(fā)，結(jié)合.NET Framework的應用程序進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的人機交互設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的應用程序加載和內(nèi)存優(yōu)化管理，實現(xiàn)計算機應用考試系統(tǒng)開發(fā)。仿真結(jié)果表明，采用該方法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和均衡性。

關(guān)鍵詞： 并行組合; 模擬退火算法; 分布式系統(tǒng); 計算機應用考試; 人機交互; 信息調(diào)度

中圖分類號： TN02?34; TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）21?0165?05

Design of distributed computer examination system based on annealing algorithm

WANG Shoubin， ZHANG Qiuju

（Zhengzhou University of Industrial Technology， Zhengzhou 451150， China）

Abstract： A design method of distributed computer application examination system based on parallel combined simulated annealing algorithm is proposed to improve the stability of the distributed computer application examination system. The information transmission model of the system is built. The human?computer interaction control of the system is performed by channel equilibrium control method. The resource information scheduling of the system is performed by parallel combined simulated annealing algorithm. The parallel combined simulated annealing optimization method is used for convergence control to realize the resource transmission control of the system. The information balance output scheduling model of the system is established. In combination with the load balancing control method， the reliability control of the system is realized. The software of the system is developed on the basis of bus development protocol， and the human?computer interaction design of the system is performed with the application program of .Net Framework. The application program loading and memory optimization management of the system are realized， so as to achieve the computer application examination system development. The simulation results show that the stability and balance of the designed system are improved with this method.

Keywords： parallel combination; simulated annealing algorithm; distributed system; computer application examination; human?computer interaction; information scheduling

0? 引? 言

隨著信息化考試技術(shù)的發(fā)展，需要設(shè)計智能化的分布式計算機應用考試系統(tǒng)。采用分布式網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計的方法，進行計算機應用考試系統(tǒng)的組網(wǎng)考試設(shè)計，實現(xiàn)遠程自動化考試，提高計算機應用考試的信息化水平和人工智能水平。研究計算機應用考試系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計方案，在促進計算機應用考試的智能性方面具有重要意義[1]。國內(nèi)有學者提出基于B/S構(gòu)架，利用Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)在線考試系統(tǒng)[2]，但該方法系統(tǒng)響應時間開銷較長。針對上述問題，本文考慮到對計算機應用考試系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計是建立在對考試信息的優(yōu)化調(diào)度和信息傳輸控制基礎(chǔ)上，采用信道均衡調(diào)度方法，進行計算機應用考試系統(tǒng)的考試信息傳輸和調(diào)度，本文構(gòu)建依賴并行組合模擬退火算法的分布式計算機應用考試系統(tǒng)[3]，采用并行組合模擬退火算法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的資源信息調(diào)度。首先分析了系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架，然后進行并行組合模擬退火算法設(shè)計，并開發(fā)設(shè)計分布式計算機應用考試系統(tǒng)的軟件，最后進行仿真實驗分析，展示了本文方法在提高分布式計算機應用考試系統(tǒng)的智能性方面的優(yōu)越性能。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架

分布式計算機應用考試系統(tǒng)的設(shè)計主要分為系統(tǒng)控制算法設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)模塊化設(shè)計、分布式組網(wǎng)設(shè)計以及考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計等。采用多模塊控制的方法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)和調(diào)度，構(gòu)建分布式計算機應用考試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)控制模型，采用TCP/IP協(xié)議進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的以太網(wǎng)開發(fā)，在B/S構(gòu)架協(xié)議下進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的Web知識共享設(shè)計。計算機應用考試系統(tǒng)的信息處理單元包括考試信息管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、考試信息分類檢索模塊等[4]，在計算機應用考試信息查詢模塊中，通過數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)庫級聯(lián)構(gòu)造，建立計算機應用考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)終端，根據(jù)上述分析，構(gòu)建了計算機應用考試系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

根據(jù)圖1的分布式計算機應用考試系統(tǒng)的總體設(shè)計，進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的功能模塊化分析，在B/S構(gòu)架體系下，進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的終端管理設(shè)計，建立知識信息管理庫，進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的統(tǒng)計信息分析，采用進程管理方法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)造和人機交互控制[5]，采用VIX總線協(xié)議進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的總線傳輸和進程管理。在嵌入式ARM中建立數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，實現(xiàn)分布式計算機應用考試系統(tǒng)的Web集成控制，在IPv4/IPv6雙棧網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下，進行計算機應用考試系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)上述分析，構(gòu)建計算機應用考試系統(tǒng)的功能模塊如圖2所示。

2? 并行組合模擬退火算法

2.1? 計算機考試系統(tǒng)的資源信息調(diào)度

為了實現(xiàn)分布式計算機應用考試系統(tǒng)的資源優(yōu)化調(diào)度，需要首先構(gòu)建分布式計算機應用考試系統(tǒng)的資源負載均衡控制模型，采用并行組合模擬退火算法，進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)交叉編譯和變異控制[6]，在約束的收斂條件下進行并行組合模擬退火控制，模擬退火的速度和位置關(guān)系為：

[vt=wvt-1+c1rand1（）?（pbest-xt-1）+c2rand2（）?（gbest-xt-1）]? ?（1）

[xt=xt-1+vt] （2）

式中：[vt]是計算機考試系統(tǒng)資源調(diào)度模擬退火的衰減速度;[xt]是計算機考試系統(tǒng)的資源分布適應度值;[c1]和[c2]是操作算子常數(shù)，一般取[c1=c2=2];[rand1（）]和[rand2（）]是[0，1]之間的標準正態(tài)分布隨機數(shù)，對計算機考試系統(tǒng)的資源分布特征量進行組合分解，建立計算機考試系統(tǒng)資源調(diào)度的適應度模型，對于每個[Xi]，構(gòu)建計算機考試系統(tǒng)資源特征分布式重組函數(shù)，為：

[li（k）=（1-ρ）li（k-1）+γf（xi（k））Pij（k）]? ?（3）

式中：[f]是[xi]適應度函數(shù);[Pij（k）]表示[k]時刻第[i]個計算機考試系統(tǒng)傳輸節(jié)點的負載。

在最優(yōu)學習速率進化下，進行計算機考試系統(tǒng)資源傳輸控制，得到第[j]個模擬退火通道的變異概率，按適應度進行排序[7]，通過ICMIC混沌控制，得到適應度函數(shù)為：

[minQ 12QΩ-PΩ2F+μQ*]? ? ? ? （4）

采用并行組合模擬退火算法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的資源信息調(diào)度，采用并行組合模擬退火的方法進行收斂性控制[8]，在無約束條件下，[μ]值的選取應滿足：

[QΩ-PΩ2F=（Ω）σ2]? ? ? ? （5）

設(shè)[μ=（n1+n2）pσ]，[n1]，[n2]是搜索的后期階段資源調(diào)度節(jié)點的距離，采用相關(guān)性約束的方法，得到計算機應用考試系統(tǒng)的資源分布間隔為：

[dist（i，j）=k=1d（xik-xjk）2+（f（xi）-f（xj））2]? （6）

考慮全局優(yōu)化問題min[{f（x）}]， 采用模擬退火方法進行優(yōu)化搜索，得到最優(yōu)值：

[MdistFg=i=1Ndist（i，F(xiàn)g）N] （7）

在搜索過程中對尚未更新的節(jié)點進行均勻遍歷，提高模擬退火搜索的全局尋優(yōu)能力，由此構(gòu)建計算機考試系統(tǒng)的資源信息調(diào)度模型[9]。

2.2? 并行組合模擬退火尋優(yōu)

在上述構(gòu)建計算機考試系統(tǒng)的資源信息調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，進行并行組合模擬退火尋優(yōu)控制[10]，得到模擬退火算法更新公式為：

[xt+1id=ωxtid+c1r1（pad-xtid）+c2r2（pgd-xtid）pad=1mi=1mpid]? （8）

式中：[pad]為多波束模擬退火尋優(yōu)的平均值，得到趨于穩(wěn)態(tài)條件下計算機考試系統(tǒng)資源最優(yōu)聚類解的概率密度函數(shù)為[q（xikxik-1）]，計算機考試系統(tǒng)資源調(diào)度的樣本更新集為[xikNi=1]。對第[i]維的計算機考試資源進行標準模擬退火尋優(yōu)控制，采用計算機考試資源信息的均衡調(diào)度方法[11]進行模糊控制和均衡設(shè)計，其中[1

[V={viji=1，2，…，c，j=1，2，…，s}]? ? ? ? ?（9）

假設(shè)模擬退火的相移速度[Vi=vi1，vi2，…，vidT]和位置[Xi=xi1，xi2，…，xidT]，在優(yōu)化的聚斂目標函數(shù)下，得到并行組合模擬退火的尋優(yōu)函數(shù)為：

[Jm（U，V）=k=1ni=1cμmik（dik）2Xi=Ximin+cXi?Ximax-Ximin] （10）

采用優(yōu)化的模擬退火控制方法進行計算機考試資源的負載均衡調(diào)度，其中第[i]個調(diào)度通道表示為[Xi=（xi1，xi2，…，xiD）]，在均衡鏈路集中得到模擬退火的概率分布函數(shù)為[pi=（pi1，pi2，…，piD）]，也稱為[pbest]。根據(jù)計算機考試系統(tǒng)的資源信息調(diào)度的自適應控制方程為：

[vid=wV+（c1+c2）rand（）（pid-xid）]? （11）

[xid=xid+vid] （12）

式中：[w]為慣性權(quán)重;[c1]和[c2]為加速常數(shù)。綜上分析，建立分布式計算機應用考試系統(tǒng)的信息均衡輸出調(diào)度模型[12]，得到均衡控制的更新公式如下：

[vt+1id=wvtid+c1r1（pid-xtid）+c2r2（pid-xtid）xt+1id=xtid+vt+1id]? （13）

在迭代搜索過程中，通過自適應尋優(yōu)，實現(xiàn)對分布式計算機應用考試資源的分布式調(diào)度和均衡控制。

3? 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計與實現(xiàn)

在上述進行了計算機考試資源調(diào)度和均衡控制模型設(shè)計的基礎(chǔ)上，依賴并行組合模擬退火算法，進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。在總線開發(fā)協(xié)議下進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的軟件開發(fā)，結(jié)合Access和Excel工具進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)[13]，為業(yè)務(wù)管理層提供考試資源信息，在交叉編譯層進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的文件級模塊化調(diào)度，構(gòu)建計算機應用考試系統(tǒng)的分布式體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

采用實時傳輸協(xié)議RTP進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)人機交互控制，在ZigBee組網(wǎng)協(xié)議下，進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計，基于SIP協(xié)議、RTP協(xié)議進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的用戶交互[14]，綜上分析，得到系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)流程如圖4所示。

4? 仿真測試

為了測試本文設(shè)計的分布式計算機應用考試系統(tǒng)在實現(xiàn)考試資源的優(yōu)化調(diào)度中的應用性能，進行仿真測試，實驗采用Matlab 7進行模擬退火算法設(shè)計，采用嵌入式ARM Cortex?M0作為模擬控制終端進行計算機應用考試系統(tǒng)的人機交互設(shè)計，采用ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的用戶交互網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[15]，設(shè)置計算機考試資源的采樣樣本集為2 000，模擬退火的迭代步數(shù)為2 000，資源調(diào)度的嵌入維數(shù)為4，時延為0.23 ms，根據(jù)參數(shù)設(shè)定，進行計算機應用考試資源調(diào)度，得到模擬退火的尋優(yōu)狀態(tài)分布如圖5所示。

分析圖5得知，本文方法進行計算機應用考試系統(tǒng)資源調(diào)度的均衡性較好，對比文獻[2]方法與本文方法的計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計的資源交互性能，得到時間開銷對比如圖6所示。分析圖6得知，本文方法進行計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計，降低了系統(tǒng)的響應時間。

實驗為了檢測本文方法的性能，對比分析本文方法和傳統(tǒng)方法進行計算機應用考試資源信息調(diào)度效率以及傳輸控制效率，統(tǒng)計分析物理節(jié)點是20個、40個以及60個情況下兩種方法的資源信息調(diào)度效率以及傳輸效率，結(jié)果分別用表1和表2描述。

分析表1和表2能夠看出，本文方法進行計算機應用考試資源信息的調(diào)度效率處于91%～98%范圍中，而傳統(tǒng)方法進行計算機應用考試資源信息的調(diào)度效率處于68%～88%范圍中;同樣本文方法的資源信息傳輸效率處于90%～98%范圍中，傳統(tǒng)方法的資源信息傳輸效率處于74%～88%范圍中。綜合分析這些結(jié)果能夠得出，相對于傳統(tǒng)方法，本文方法具有較高的計算機應用考試資源信息調(diào)度效率以及信息傳輸效率。

為了驗證本文方法的穩(wěn)定性，在相同實驗環(huán)境下，分別采用本文方法和傳統(tǒng)方法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計實驗，分析不同信噪比情況下不同方法控制后的計算機應用考試系統(tǒng)的平均中斷概率，結(jié)果用表3描述。

由表3可得，本文方法設(shè)計的計算機應用考試系統(tǒng)在不同噪聲環(huán)境下的中斷概率遠遠低于傳統(tǒng)方法。雖然隨著平均信噪比的逐漸提高，兩種方法設(shè)計的計算機應用考試系統(tǒng)的中斷概率都不斷提升，但是本文方法設(shè)計的計算機應用考試系統(tǒng)中斷概率提升緩慢，而傳統(tǒng)方法設(shè)計的計算機應用考試系統(tǒng)中斷概率提升顯著，說明本文方法設(shè)計的計算機應用考試系統(tǒng)抗噪性能強，穩(wěn)定性更高。

實驗檢測本文方法和傳統(tǒng)方法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計過程中的CPU占用率以及內(nèi)存占用率情況，檢測本文方法的資源占用率情況，結(jié)果用表4描述。

分析表4能夠看出：本文方法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計過程中的平均CPU占用率以及平均內(nèi)存占用率分別是8.12%以及3.12%;而傳統(tǒng)方法的平均CPU占用率以及平均內(nèi)存占用率分別是17.6%以及8.6%，對比分析兩項數(shù)據(jù)能夠明顯得出，相對于傳統(tǒng)方法，本文方法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計時耗費的內(nèi)存資源以及CPU資源更低，說明本文方法具有節(jié)約資源的優(yōu)勢。

5? 結(jié)? 語

采用分布式網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計的方法，進行計算機應用考試系統(tǒng)的組網(wǎng)考試設(shè)計，實現(xiàn)遠程自動化考試，提高計算機應用考試的信息化水平和人工智能水平。本文采用并行組合模擬退火算法進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的資源信息調(diào)度，采用并行組合模擬退火尋優(yōu)方法進行收斂性控制，實現(xiàn)分布式計算機應用考試系統(tǒng)的資源傳輸控制，建立分布式計算機應用考試系統(tǒng)的信息均衡輸出調(diào)度模型，結(jié)合負載均衡控制方法，進行分布式計算機應用考試系統(tǒng)的可靠性控制。研究得知，本文方法進行計算機應用考試系統(tǒng)設(shè)計，降低了系統(tǒng)響應時間開銷，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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作者簡介：汪守斌（1984—），男，河南信陽人，碩士，講師，主要研究方向為教育技術(shù)學、教育大數(shù)據(jù)。

張秋菊（1985—），女，河南鄭州人，碩士，講師，主要研究方向為英語教育、教育管理。