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Trabajo de Título







UNIVERSIDAD CIENCIAS DE LA INFORMÁTICA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y NEGOCIOS

APLICACIÓN DE APOYO A LA GESTIÓN DE HORARIOS PARA

EL COLEGIO PIAMARTA

Álvaro Dagoberto Aguilar Escobar

Juan Enrique Bello Vergara

Claudia Inés Cornejo Castro

Darío Antonio Díaz Videla

Milton Rodrigo González Quiroz

Eduardo Cristian Llanquileo Bravo
2006

UNIVERSIDAD CIENCIAS DE LA INFORMÁTICA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y NEGOCIOS
APLICACIÓN DE APOYO A LA GESTIÓN DE HORARIOS PARA

EL COLEGIO PIAMARTA

Trabajo de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Título de Ingeniero de Ejecución en Informática.


Alumno :

Álvaro Dagoberto Aguilar Escobar

Juan Enrique Bello Vergara

Claudia Inés Cornejo Castro

Darío Antonio Díaz Videla

Milton Rodrigo González Quiroz

Eduardo Cristian Llanquileo Bravo



Profesor Guía :


José Miguel Santibáñez A.


16 de Diciembre de 2006

Agradecimientos

A nuestras familias por el apoyo y comprensión en todo nuestro período de estudio

A nuestros compañeros y profesores que nos apoyaron
Resumen.
Los objetivos fueron crear una aplicación que apoyará la asignación de horarios para el colegio Piamarta y que disminuyera el tiempo de esta tarea. Los horarios se conformarán con la mejor combinación de los recursos, de tiempos libres, ofrecidos por un grupo de docentes y los requerimientos de los niveles, de cursos, definidos en una malla de asignaturas.

El problema de asignación de horarios, es un problema clasificado como NP-Completo, para los cuales no existe un algoritmo de tiempo polinomial determinístico que solucione el problema. Se buscaron modelos heurísticos que fueran apropiados en la implementación de una solución. Se decidió usar algoritmos genéticos, estos ofrecen encontrar soluciones válidas, quizás no las más óptimas, en un tiempo reducido, si se compara con los métodos tradicionales de búsqueda de combinaciones.

El método de resolución del problema fue establecer una población de posibles soluciones, generadas en forma totalmente aleatoria, luego se introducen estos en un ciclo de cruces, mutaciones, evaluaciones y selecciones, que permitirá ir mejorando el puntaje general de la población hasta llegar a cumplir con un criterio o un tiempo determinado de proceso.
El resultado del trabajo de título fue la creación de una aplicación que implemente un algoritmo genético para resolver el problema de asignación de horarios del colegio Piamarta. Al implementar esta aplicación y hacer pruebas de funcionamiento, se concluye que se entregarán soluciones válidas aceptadas por el cliente y que serán de gran ayuda en este proceso.

Abstract.

The aims were to create an application which would support the allocation of timetables for Piamarta College and which would decrease  the time taken  in this task. The timetables will be adapted using the best combination of resources and free time presented by a group of teaching staff and the requirements of course levels presented by a network of subjects.

  The problem in the assigning of timetables is classified as NP-Complete for which an algorithm of fixed polinomial time to solve the problem does not exist. For this reason we looked within the heuristic model for some algorithm which would be appropriate to the implementation of a solution. It was therfore decided to use genetic algorithms.

These offer the finding of valid solutions, althoufh maybe not the most optimum ones, in a shorter time, when compared to traditional methods of search combinations.  

The method of resolving the problem was to establish a population of possible solutions, generated in a totally fortuitous form, later introducing these in a cycle of crosses, mutations, evaluations and selections allowing us to improve the general score of the population until fulfilling a criteria or a determined process time.

 

The result of the degree work was the creation of an application which would implement a genetic algorithm for the purpose of solving timetable allocations in Piamarta College.

In implementing this application and in doing operational tests we concluded that valid solutions, acceptable to the client can be submitted and which will be of great help in this process.

Tabla de Contenido.

Capítulo Nº 1: Introducción. 1

Capítulo Nº 2: Objetivos. 2

2.1 Objetivo General. 2

2.2 Objetivos Específicos. 2

Capítulo Nº 3: Marco Teórico. 3

3.1 Ámbito del Problema. 3

3.2 Metodología Empleada. 3

3.3 Aplicación del Modelo. 5

3.3.1 Comunicación con el Cliente. 5

3.3.2 Planificación. 6

3.3.3 Análisis de Riesgo. 7

3.3.4 Ingeniería y Construcción. 8

3.3.5 Evaluación del Cliente. 8

3.4 Aplicación del Método Métrica Versión 3 en la Gestión del Proyecto. 9

3.5 Aplicación de la Metodología OMT++ Simplificado. 11

3.6 Tecnologías Utilizadas. 12

3.7 Problema de Asignación de Horarios. 13

3.7.1 NP-Completo. 15

3.8.1 Introducción. 18

3.9 Algoritmos Genéticos. 20

3.9.1 Introducción. 20

3.9.2 Resolución de un Algoritmo Genético. 21

3.10 Conclusión. 24

Capítulo Nº 4: Plan de Aplicación. 25

4.1 Descripción de la Situación Actual. 25

4.2 Necesidades. 26

4.3 Ámbito. 26

4.4 Alcance. 26

4.5 Responsables. 27

4.5.1 Responsables Colegio 27

4.5.2 Equipo de Trabajo 27

4.6 Fechas Propuestas para el Proyecto. 28

4.7 Catalogación de Requisitos. 30

4.8 Antecedentes. 31

4.9 Catálogo de Normas de Trabajo. 32

4.10 Arquitectura Tecnológica. 33

4.11 Conclusión 34

Capítulo Nº 5: Estudio de Viabilidad. 35

5.1 Establecimiento del Alcance del Proyecto. 35

5.1.1 Estudio de la Solicitud. 35

5.1.2 Identificación del Alcance de la Aplicación 37

5.1.3 Especificación del Alcance del Estudio de Viabilidad. 41

5.2 Estudio de la Situación Actual. 42

5.2.1 Realización del Diagnóstico de la Situación Actual. 42

5.3 Definición de Requisitos del Proyecto. 43

5.3.1 Identificación de las Directrices Técnicas y de Gestión. 43

5.4 Estudio de Alternativas de Solución. 44

5.4.1 Preselección de Alternativas de Solución. 44

5.4.2 Descripción de las Alternativas de Solución. 45

5.4.3 Impacto y Costo Beneficio. 48

5.5 Valoración de las Alternativas. 51

5.5.1 Estudio de los Riesgos. 51

5.6 Selección de la Solución. 53

5.6.1 Evaluación de las Alternativas y Selección. 53

Capítulo Nº 6: Resolución del Problema 54

6.1 Resumen 54

6.2 Introducción 55

6.3 Aproximación al algoritmo genético en el problema de asignación. 58

6.4 Representación del Problema 59

Capítulo Nº 7: Análisis de la Problemática. 70

7.1 Definición de la Aplicación. 70

7.1.1 Glosario de Términos. 70

7.1.2 Modelo de Negocio. 71

7.1.3 Catálogo de Negocio. 72

7.1.4 Catálogo de Requisitos. 73

7.1.5 Catálogo de Normas. 73

7.1.6 Catálogo de Usuarios Participantes. 74

7.1.7 Catálogo de Usuarios Finales. 74

7.1.8 Equipos de Trabajo. 74

7.1.9 Plan de Trabajo. 76

7.1.10 Modelo de Dominio. 77

7.2 Establecimiento de Requisitos. 77

7.2.1 Diagrama de Casos de Uso. 77

7.2.3 Catálogo de Casos de Uso. 81

Tabla 28: Casos de Uso.7.2.4 Descripción de Casos de Uso Extendidos (OMT++). 81

7.2.5 Requerimientos Funcionales. 87

7.2.6 Requerimientos no Funcionales. 89

7.3 Identificación de Sub-Aplicaciones de Análisis. 93

7.3.1 Determinación de sub aplicación de análisis. 93

DFD Nivel 0: 93

7.3.2 Integración de sub-aplicaciones de análisis. 95

7.4 Análisis de Clases. 96

7.5 Elaboración del Modelo de Datos. 97

7.5.1 Elaboración del Modelo Conceptual de los Datos. 97

7.5.2 Elaboración del Modelo Lógico de los Datos. 97

7.5.3 Normalización del modelo lógico de los datos. 98

7.5.4 Diccionario de Datos. 100

7.5.5 Especificación de Necesidades de Migración y Carga Inicial de Datos. 107

7.6 Especificación del Plan de Pruebas. 107

7.6.1 Definición del Alcance de las Pruebas. 108

7.6.2 Definición de Requisitos del Entorno de Pruebas. 108

7.6.3 Definición de las Pruebas de Aceptación de la Aplicación. 109

Capítulo Nº 8: Diseño de la Problemática. 110

8.1 Descripción y Objetivos. 110

8.1.1 Definición de la Arquitectura de la Aplicación. 110

8.1.2 Catálogo de Excepciones. 111

8.1.3 Especificación de Estándares y Normas de Diseño y Construcción. 111

8.2 Diseño de Casos de Uso Reales 112

8.2.1 Identificación de Clases Asociadas a un Caso de Uso. 112

8.2.2 Diseño de la Realización de los Casos de Uso. 113

8.2.3 Revisión de la Interfaz de Usuario. 114

8.2.4 Revisión de Sub-Aplicaciones de Diseño e Interfaces. 115

8.3 Diseño De Clases. 116

8.3.1 Identificación de Clases Adicionales. 116

8.3.2 Diseño de Asociaciones y Agregaciones. 117

8.3.3 Identificación de Atributos de las Clases. 118

8.3.4 Identificación de Operaciones de las Clases. 119

8.3.5 Diseño de la Jerarquía. 120

8.4 Diseño de la Arquitectura de Módulos de la Aplicación. 121

8.4.1 Diseño de Módulos del Aplicación. 121

8.5 Diseño Físico de Datos. 122

8.5.1 Diseño del Modelo Físico de Datos. 122

8.5.2 Especificación de los Caminos de Acceso a los Datos. 123

8.6 Especificación Técnicas Plan de Pruebas. 124

8.6.1 Especificación del Entorno de Pruebas. 124

8.7 Establecimiento de Requisitos de Implantación. 125

8.7.1 Catálogos Requisito para el Usuario. 125

8.7.2 Catálogo de Requisito para Implementación. 125

Capítulo 9: Instalación y Desinstalación de GENHOR. 126

9.1 Introducción. 126

9.2 Requisitos del Sistema. 127

9.3 Instalación GENHOR. 128

9.4 Desinstalación. 146

9.5 Descargas. 152

Capitulo Nº 10: Manual de Usuario. 154

10.1 Introducción 154

10.2 Bienvenida 155

10.3 Registro de Usuarios 156

10.4 Opción: Proyecto – Nuevo 158

158

10.5 Opción: Proyecto – Abrir 160

160


161

10.6 Opción: Proyecto - Salir 162


162

10.7 Opción: Parámetros - Usuarios 163

10.8 Opción: Parámetros - Cursos 165

165

10.9 Opción: Parámetros - Asignaturas 167

167

10.10 Opción: Parámetros - Profesores 169

170

10.11 Opción: Parámetros – Niveles 172

173

173

10.12 Opción: Parámetros - Ciclos 175

175

10.13 Opción: Parámetros - Parámetros Generales 177

178

10.14 Opción: Proceso - Iniciar 180

180

10.14 Opción: Proceso - Iniciar 182

183

10.15 Opción: Informes - Profesores 184

184

10.16 Opción: Informes - Horario por Curso. 186

186

10.17 Opción: Informes - Horario por Profesor 188

10.18 Opción: Informes - Horarios Generales 191

Capítulo Nº 11: Conclusiones. 192

11.1 De los Objetivos 192

11.2 Del Desarrollo del Trabajo 193

11.3 Del Futuro del Proyecto 195

Capítulo Nº 12: Referencias Bibliográficas. 196


Índice de Ilustraciones.

Ilustración 1: Esquema del Proceso de “Modelo en Espiral” 5

Ilustración 2: nicializar Aleatoriamente una Población. 21

Ilustración 3: Cruce de Soluciones. 22

Ilustración 4: Mutación de Soluciones. 22

Ilustración 5: Selección de Población. 23

Ilustración 6: Representación de un Módulo. 56

Ilustración 7: Representación de un Módulo y Gen 60

Ilustración 8: Representación de Cromosoma para los Horarios. 61

Ilustración 9: Patrón Clásico de Cruce. 66

Ilustración 10: Patrón Intercalado de Cruce. 66

Ilustración 11: Modelo de Negocio. 71

Ilustración 12: Plan de Trabajo. 76

Ilustración 13: Modelo de Dominio. 77

Ilustración 14: Casos de Uso Parámetro Docente. 78

Ilustración 15: Casos de Uso Parámetros Ramos. 78

Ilustración 16: Casos de Uso Parámetros Establecimiento. 79

Ilustración 17: Casos de Uso Parámetros de Proyecto. 80

Ilustración 18: Requerimientos Funcionales. 88

Ilustración 19: Requerimientos no Funcionales. 89

Ilustración 20: DFD Nivel 0. 93

Ilustración 21: DFD Nivel 1. 94

Ilustración 22: Diagrama de Paquetes. 95

Ilustración 23: Análisis de Clases. 96

Ilustración 24: Elaboración del Modelo Conceptual de los Datos. 97

Ilustración 25: Elaboración del Modelo Lógico de los Datos. 98

Ilustración 26: Normalización del Modelo Lógico de los Datos. 99

Ilustración 27: Arquitectura de la Aplicación. 110

Ilustración 28: Diagrama de Transición. 112

Ilustración 29: Diagrama de Tiempos. 113

Ilustración 30: Modelo de Comunicación 115

Ilustración 31: Diagrama de Clases Adicionales. 116

Ilustración 32: Asociaciones y Agregaciones. 117

Ilustración 33: Atributos de las Clases. 118

Ilustración 34: Diseño de Módulos de la Aplicación 121

Ilustración 35: Modelo Físico de Datos. 122

Ilustración 36: Caminos de Acceso a los Datos. 123

Ilustración 37: CD de Instalación. 128

Ilustración 38: Selección de idioma. 129

Ilustración 39: Asistente de Instalación GenHor. 130

Ilustración 40: Licencia GenHor. 131

Ilustración 41: Selección de Componentes. 132

Ilustración 42: Lugar de Instalación. 133

Ilustración 43: Carpeta en el Menú Inicio. 134

Ilustración 44: Instalando GenHor. 135

Ilustración 45: Microsoft .NET FrameWork 2.0 no encontrado. 136

Ilustración 46: Iniciando instalación Framework 2.0 137

Ilustración 47: Asistente de instalación de Framework 2.0 138

Ilustración 48: Error de instalación, Microsoft Windows Installer 3.0 139

Ilustración 49: Contrato de Licencia de Framework 2.0 140

Ilustración 50: Instalación de componentes de Framework 2.0 141

Ilustración 51: Instalación Completa. 142

Ilustración 52: Asistente de Instalación Completado. 143

Ilustración 53: GENHOR en el menú inicio. 144

Ilustración 54: Carpeta de componentes instalados de GENHOR 145

Ilustración 55: Desinstalación GenHor rm menú inicio. 146

Ilustración 56: Selección de idioma. 147

Ilustración 57: Asistente de Desinstalación GenHor. 148

Ilustración 58: Directorio a Desinstalar. 149

Ilustración 59: Desinstalando componentes GENHOR. 150

Ilustración 60: Asistente de Desinstalación Completado. 151

Ilustración 61: Bienvenida de GENHOR. 155

Ilustración 62: Registrar Usuario. 157

Ilustración 63: Nuevo Proyecto. 158

Ilustración 64: Abrir Proyecto. 160

Ilustración 65: Salir de la aplicación GENHOR. 162

Ilustración 66: Mantenedor Usuario. 163

Ilustración 67: Mantenedor Curso. 165

Ilustración 68: Mantenedor Asignatura. 167

Ilustración 69: Mantenedor Profesores. 170

Ilustración 70: Mantenedor Nivel. 173

Ilustración 71: Mantenedor Ciclo. 175

Ilustración 72: Mantenedor Parámetros Generales. 178

Ilustración 73: Iniciar Proceso. 180

Ilustración 74: Iniciar Proceso. 183

Ilustración 75: Informe de Profesor. 184

Ilustración 76: Informe de Curso. 186

Ilustración 77: Informe por Profesor. 189

Ilustración 78: Informe Horarios Generales. 191


Índice de Tablas.

Tabla 1: Responsables Colegio. 27

Tabla 2: Equipo de Trabajo. 27

Tabla 3: Fechas Propuestas para el Proyecto. 29

Tabla 4: Requisitos. 30

Tabla 5: Antecedentes. 31

Tabla 6: Normas de Trabajo. 32

Tabla 7: Objetivos. 36

Tabla 8: Requisitos. 36

Tabla 9: Estructura Organizativa. 38

Tabla 10: Usuarios Responsables Establecimiento. 39

Tabla 11: Usuarios Responsables Dirección. 39

Tabla 12: Usuarios Responsables. 40

Tabla 13: Plan de Trabajo. 41

Tabla 14: Normas. 43

Tabla 15: Comparativa de Soluciones. 48

Tabla 16: Impacto y Costo Beneficio. 48

Tabla 17: Valores. 50

Tabla 18: Riesgos al Adquirir un Paquete de SW. 51

Tabla 19: Riesgos del Colegio al Adquirir Aplicación GenHor. 52

Tabla 20: Definición de formulas a utilizar 62

Tabla 21: Glosario de términos. 70

Tabla 22: Negocio. 72

Tabla 23: Requisitos. 73

Tabla 24: Catálogo de Normas. 73

Tabla 25: Usuarios Participantes. 74

Tabla 26: Usuarios Finales. 74

Tabla 27: Equipos de Trabajo. 75

Tabla 28: Casos de Uso.7.2.4 Descripción de Casos de Uso Extendidos (OMT++). 81

Tabla 29: Ingresar horas disponibles Docentes.Nombre del caso de uso 82

Tabla 30: Ingresar parámetros académicos de los ramos.Nombre del caso de uso 83

Tabla 31: Ingresar horario de salida.Nombre del caso de uso 84

Tabla 32: Ingresar horario de ramos Inamovibles.Nombre del caso de uso 85

Tabla 33: Abrir Proyecto.Nombre del caso de uso 86

Tabla 34: Crear Proyecto.Nombre del caso de uso 86

Tabla 35: Iniciar Proceso. 87

Tabla 36: Identificación de Sub-Aplicaciones de Análisis. 92

Tabla 37: Diccionario de Datos. 106

Tabla 38: Especificación Plan de Pruebas. 107

Tabla 39: Alcance de las Pruebas. 108

Tabla 40: Pruebas de Aceptación del Aplicación. 109

Tabla 41: Excepciones. 111

Tabla 42: Estándares y Normas de Diseño y Construcción. 111

Tabla 43: Interfaz de Usuario. 114

Tabla 44: Identificación de Operaciones de las Clases. 119

Tabla 45: Diseño de la Jerarquía. 120

Tabla 46: Especificación del Entorno de Pruebas. 124

Tabla 47: Requisito para el Usuario. 125

Tabla 48: Requisito para Implementación. 125

Tabla 49: Registrar Usuario 157

Tabla 50: Nuevo Proyecto. 159

Tabla 51: Abrir Proyecto. 161

Tabla 52: Mantenedor Usuario. 164

Tabla 53: Mantenedor Curso. 166

Tabla 54: Mantenedor Asignatura. 168

Tabla 55: Mantenedor Profesores. 171

Tabla 56: Mantenedor Nivel. 174

Tabla 57: Mantenedor Ciclo. 176

Tabla 58: Mantenedor Parámetros Generales. 179

Tabla 59: Iniciar proceso 181

Tabla 60: Iniciar proceso. 183

Tabla 61: Informe de Curso. 187

Tabla 62: Informe por Profesor. 190
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