基于退火算法的分布式計算機考試系統設計

汪守斌 張秋菊

摘? 要： 為了提高分布式計算機應用考試系統的穩定性，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設計方法。構建分布式計算機應用考試系統的信息傳輸模型，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的資源信息調度，采用并行組合模擬退火尋優方法進行收斂性控制，實現分布式計算機應用考試系統的資源傳輸控制，建立分布式計算機應用考試系統的信息均衡輸出調度模型，結合負載均衡控制方法，進行分布式計算機應用考試系統的可靠性控制。在總線開發協議下進行分布式計算機應用考試系統的軟件開發，結合.NET Framework的應用程序進行分布式計算機應用考試系統的人機交互設計，實現系統的應用程序加載和內存優化管理，實現計算機應用考試系統開發。仿真結果表明，采用該方法進行分布式計算機應用考試系統設計，提高了系統的穩定性和均衡性。

關鍵詞： 并行組合; 模擬退火算法; 分布式系統; 計算機應用考試; 人機交互; 信息調度

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的發展，需要設計智能化的分布式計算機應用考試系統。采用分布式網絡組網設計的方法，進行計算機應用考試系統的組網考試設計，實現遠程自動化考試，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的開發設計方案，在促進計算機應用考試的智能性方面具有重要意義[1]。國內有學者提出基于B/S構架，利用Access數據庫實現在線考試系統[2]，但該方法系統響應時間開銷較長。針對上述問題，本文考慮到對計算機應用考試系統的開發設計是建立在對考試信息的優化調度和信息傳輸控制基礎上，采用信道均衡調度方法，進行計算機應用考試系統的考試信息傳輸和調度，本文構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[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的資源信息調度。首先分析了系統的總體設計構架，然后進行并行組合模擬退火算法設計，并開發設計分布式計算機應用考試系統的軟件，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的智能性方面的優越性能。

1? 系統總體設計構架

分布式計算機應用考試系統的設計主要分為系統控制算法設計、網絡模塊化設計、分布式組網設計以及考試系統的數據庫設計等。采用多模塊控制的方法進行分布式計算機應用考試系統的嵌入式開發和調度，構建分布式計算機應用考試系統的網絡組網控制模型，采用TCP/IP協議進行分布式計算機應用考試系統的以太網開發，在B/S構架協議下進行分布式計算機應用考試系統的Web知識共享設計。計算機應用考試系統的信息處理單元包括考試信息管理模塊、數據庫模塊、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，通過數據中心網絡進行數據庫級聯構造，建立計算機應用考試系統的數據處理中心服務終端，根據上述分析，構建了計算機應用考試系統的總體設計構架如圖1所示。

根據圖1的分布式計算機應用考試系統的總體設計，進行分布式計算機應用考試系統的功能模塊化分析，在B/S構架體系下，進行分布式計算機應用考試系統的終端管理設計，建立知識信息管理庫，進行分布式計算機應用考試系統的統計信息分析，采用進程管理方法進行分布式計算機應用考試系統的數據庫構造和人機交互控制[5]，采用VIX總線協議進行分布式計算機應用考試系統的總線傳輸和進程管理。在嵌入式ARM中建立數據中心服務器，實現分布式計算機應用考試系統的Web集成控制，在IPv4/IPv6雙棧網絡協議下，進行計算機應用考試系統的功能結構分析，根據上述分析，構建計算機應用考試系統的功能模塊如圖2所示。

2? 并行組合模擬退火算法

2.1? 計算機考試系統的資源信息調度

為了實現分布式計算機應用考試系統的資源優化調度，需要首先構建分布式計算機應用考試系統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]是計算機考試系統資源調度模擬退火的衰減速度;[xt]是計算機考試系統的資源分布適應度值;[c1]和[c2]是操作算子常數，一般取[c1=c2=2];[rand1（）]和[rand2（）]是[0，1]之間的標準正態分布隨機數，對計算機考試系統的資源分布特征量進行組合分解，建立計算機考試系統資源調度的適應度模型，對于每個[Xi]，構建計算機考試系統資源特征分布式重組函數，為：

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

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

在最優學習速率進化下，進行計算機考試系統資源傳輸控制，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的資源信息調度，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[μ=（n1+n2）pσ]，[n1]，[n2]是搜索的后期階段資源調度節點的距離，采用相關性約束的方法，得到計算機應用考試系統的資源分布間隔為：

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

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

[MdistFg=i=1Ndist（i，Fg）N] （7）

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

2.2? 并行組合模擬退火尋優

在上述構建計算機考試系統的資源信息調度模型的基礎上，進行并行組合模擬退火尋優控制[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的平均值，得到趨于穩態條件下計算機考試系統資源最優聚類解的概率密度函數為[q（xikxik-1）]，計算機考試系統資源調度的樣本更新集為[xikNi=1]。對第[i]維的計算機考試資源進行標準模擬退火尋優控制，采用計算機考試資源信息的均衡調度方法[11]進行模糊控制和均衡設計，其中[1

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

假設模擬退火的相移速度[Vi=vi1，vi2，…，vidT]和位置[Xi=xi1，xi2，…，xidT]，在優化的聚斂目標函數下，得到并行組合模擬退火的尋優函數為：

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

采用優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度，其中第[i]個調度通道表示為[Xi=（xi1，xi2，…，xiD）]，在均衡鏈路集中得到模擬退火的概率分布函數為[pi=（pi1，pi2，…，piD）]，也稱為[pbest]。根據計算機考試系統的資源信息調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]為慣性權重;[c1]和[c2]為加速常數。綜上分析，建立分布式計算機應用考試系統的信息均衡輸出調度模型[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，實現對分布式計算機應用考試資源的分布式調度和均衡控制。

3? 系統開發設計與實現

在上述進行了計算機考試資源調度和均衡控制模型設計的基礎上，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的優化設計。在總線開發協議下進行分布式計算機應用考試系統的軟件開發，結合Access和Excel工具進行分布式計算機應用考試系統的數據庫管理系統開發[13]，為業務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的文件級模塊化調度，構建計算機應用考試系統的分布式體系結構如圖3所示。

采用實時傳輸協議RTP進行分布式計算機應用考試系統人機交互控制，在ZigBee組網協議下，進行分布式計算機應用考試系統的網絡通信設計，基于SIP協議、RTP協議進行分布式計算機應用考試系統的用戶交互[14]，綜上分析，得到系統的軟件實現流程如圖4所示。

4? 仿真測試

為了測試本文設計的分布式計算機應用考試系統在實現考試資源的優化調度中的應用性能，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的人機交互設計，采用ZigBee技術和GPRS技術進行分布式計算機應用考試系統的用戶交互網絡設計[15]，設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為2 000，資源調度的嵌入維數為4，時延為0.23 ms，根據參數設定，進行計算機應用考試資源調度，得到模擬退火的尋優狀態分布如圖5所示。

分析圖5得知，本文方法進行計算機應用考試系統資源調度的均衡性較好，對比文獻[2]方法與本文方法的計算機應用考試系統設計的資源交互性能，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設計，降低了系統的響應時間。

實驗為了檢測本文方法的性能，對比分析本文方法和傳統方法進行計算機應用考試資源信息調度效率以及傳輸控制效率，統計分析物理節點是20個、40個以及60個情況下兩種方法的資源信息調度效率以及傳輸效率，結果分別用表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度效率處于91%～98%范圍中，而傳統方法進行計算機應用考試資源信息的調度效率處于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。綜合分析這些結果能夠得出，相對于傳統方法，本文方法具有較高的計算機應用考試資源信息調度效率以及信息傳輸效率。

為了驗證本文方法的穩定性，在相同實驗環境下，分別采用本文方法和傳統方法進行分布式計算機應用考試系統設計實驗，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的平均中斷概率，結果用表3描述。

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

實驗檢測本文方法和傳統方法進行分布式計算機應用考試系統設計過程中的CPU占用率以及內存占用率情況，檢測本文方法的資源占用率情況，結果用表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設計過程中的平均CPU占用率以及平均內存占用率分別是8.12%以及3.12%;而傳統方法的平均CPU占用率以及平均內存占用率分別是17.6%以及8.6%，對比分析兩項數據能夠明顯得出，相對于傳統方法，本文方法進行分布式計算機應用考試系統設計時耗費的內存資源以及CPU資源更低，說明本文方法具有節約資源的優勢。

5? 結? 語

采用分布式網絡組網設計的方法，進行計算機應用考試系統的組網考試設計，實現遠程自動化考試，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的資源信息調度，采用并行組合模擬退火尋優方法進行收斂性控制，實現分布式計算機應用考試系統的資源傳輸控制，建立分布式計算機應用考試系統的信息均衡輸出調度模型，結合負載均衡控制方法，進行分布式計算機應用考試系統的可靠性控制。研究得知，本文方法進行計算機應用考試系統設計，降低了系統響應時間開銷，提高了系統的穩定性。

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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學、教育大數據。

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。