BestCanteenMaker - nazwa programu oddaje główną funkcję jaką program ma wykonywać (tworzenie projektów stołówek).
Celem programu jest stworzenie i wyświetlenie użytkownikowi różnych konfiguracji stołówek bazując na podanych wymaganiach. Program, po dostarczeniu odpowiednich danych w formie graficznej, rozpocznie spersonalizowane pod użytkownika wyświetlanie kolejnych modeli stołówek – dążac do znalezienia najlepszego możliwego rozmieszczenia obiektów na sali.
Cel programu jest zawsze ten sam (co zostało opisane w powyższym akapicie), natomiast sam wynik może róznic sie znaczaco zależnie od ustalonego budżetu, standardu komfortu, wielkości sali czy też innych, podanych przez osobę obsługujacą program, parametrów.
- Umożliwienie użytkownikowi wprowadzenia do programu bardzo szczegółowych wymagań dotyczacych parametrów stołówki i samego działania programu
- Sprawdzanie poprawności wprowadzanych danych
- Wyświetlanie użytkownikowi modeli z poszczególnych faz pracy programu. Szybkość oraz automatyzacja wyświetlania będą zależne od użytkownika
- Wyznaczenie najlepszego rozwiązania zgodnego z podanymi wymaganiami
- Obsługa programu za pomocą przystepnego interfejsu graficznego
- Możliwosc wywołania instrukcji obsługi programu opisujacej w sposób dokładny parametry wejściowe oraz działanie programu
Program obsługiwany jest poprzez graficzny interfejs użytkownika (który został stworzony w bibliotece Swing).
W menu głównym użytkownik ma do wyboru 3 przyciski:
- "Nowa stołówka" - rozpoczęcie procedury generowania stołówki
- "Instrukcja" - wyświetlenie instrukcji obsługi programu
- "Wyjście" - opuszczenie programu
Panel ten zawiera instrukcję obsługi programu.
Panel ten zawiera 6 pól tekstowych, do których należy wprowadzić wymiar odpowiedniej ściany stołówki. Każde pole opisane jest odopwiednią etykietą, a rysunek znajdujący się ponad polami tekstowymi przedstawia które ściany w generowanej stołówce odpowiadają poniższym etykietom. Podczas wprowadzania danych przeprowadzana ich jest ich walidacja. W razie podania niepoprawnych danych wyświetlany jest odpowiedni komunikat i uniemozliwione jest przejście do następnej części etapu generowania stołówki.
W panelu tym wprowadzamy parametry określające generowaną przez nas stołówkę. Panel ten również zawiera walidację wprowadzanych danych.
Przy wprowadzeniu wartosci 0 w polu Iterations speed program bedzie działał w trybie manualnego przewijania.
Wizualizacja rozpoczyna się po kliknięciu przycisku start i automatycznie przewija się z ustalonym w poprzenim oknie tempem.
Wizualizacja rozpoczyna się po kliknięciu przycisku start, ale żwby zobaczyć następny projekt należy kliknąć przycisk next. Aby przewijanie odbywało się w sposób manualny, należy wprowadzić wartość 0 w polu Iterations w poprzednim etapie pracy programu.
Program możemy uruchomić poprzez podwójne kliknięcie w plik BCM.jar, albo za pośrednictwem wiersza poleceń po wpisaniu komendy javac -jar BCM.jar. Po uruchomieniu programu w oknie wyświetla sie menu główne. Aby utworzyć projekt szkolnej stołówki, należy wybrać w menu opcję Nowa stołówka. Następnie w oknie wyświetli sie panel w którym należy podać wymiary stołówki. Po wprowadzeniu wymiarów klikamy przycisk Next i jeżeli wszystkie wprowadzone dane były poprawne, wyświetli się kolejny panel w którym musimy wprowadzić parametry. Jeżeli w polu Iterations speed wprowadziliśmy wartość 0, program bedzie działał w trybie manualnego przewijania, w przeciwnym razie wyniki będą automatycznie przewijane w ustalonym przez nas odstepie czasu. Po wprowadzeniu danych należy kliknąć przycisk Submit, po czym zostanie wyżwietlony panel wyświetlajacy wyniki ukazujący wygenerowane projekty stołówek.
Użytkownik przed rozpoczęciem działania programu musi zdefiniować parametry potrzebne do stworzenia modeli stołówek. Wymagane parametry to:
- Wymiary stołówki;
- Ilość miejsc na stołówce;
- Budżet;
- Liczba iteracji;
- Szybkość wyświetlania poszczególnych iteracji lub wybór manualnego przełączania (*);
- Liczba osobników w pokoleniu (*);
- Współczynnik krzyżowania (*);
- Współczynnik mutacji (*).
(*) – parametry opcjonalne.
Graficzna cześć projektu została zrealizowana przy pomocy biblioteki Swing. Jest ona najpopularniejszą biblioteką graficzną Javy i umozliwia bardzo szybkie tworzenie graficznego interfejsu użytkownika.
- Inicjacja – w tym miejscu algorytm tworzy pewna populacje poczatkowa. W programie BCM w tym miejscu generowane sa współrzedne rozstawienia poszczególnych elementów stołówki. Liczba osobników danej populacji ustawiana jest przez uzytkownika poprzez interfejs graficzny.
- Ocena przystosowania – tutaj algorytm sprawdza czy osiagniety rezultat jest zgodny z naszymi oczekiwaniami – w przypadku programu BCM sprawdzane jest, czy została osiagnieta odpowiednia liczba miejsc, czy cena wykonania stołówki jest zgodna z zamierzeniami oraz jak wysoki jest komfort rozstawienia miejsc z punktu widzenia uzytkownika. W punkcie tym wyliczamy w jakim stopniu (w ilu procentach) otrzymany wynik – osobniki danego pokolenia - jest zgodny z oczekiwanymi rezultatami.
- Sprawdzenie warunku zatrzymania – w tym punkcie sprawdzane jest, czy algorytm moze juz zakonczyc prace. Zakonczenie pracy algorytmu moze nastapic wówczas, gdy ocena przystosowania osobników danej populacji wynosi okreslona na poczatku wartosc (np. 90%), albo – tak jak w przypadku programu BCM – po okreslonej liczbie iteracji, która jest podawana poprzez interfejs graficzny.
- Selekcja – tutaj algorytm wybiera najlepsze osobniki danej populacji, aby nastepnie poddac je
operacji krzyzowania. Osobniki te stana sie rodzicami nastepnej populacji, której to przekaza
swoje geny – własnie dlatego jest to bardzo wazny element algorytmu. Najbardziej popularne
metody selekcji populacji rodzicielskiej to:
- metoda ruletki – budujemy wirtualne koło w którym kazdemu z osobników przyporzadkowany jest wycinek proporcjonalny do stopnia dostosowania wyliczonego za pomoca funkcji oceny, poniewaz lepiej dostosowane osobniki posiadaja wiekszy wycinek koła, wieksze jest prawdopodobienstwo, ze to one zostana wylosowane,
- selekcja turniejowa – wybieramy w sposób losowy kilka osobników, sposród których wybieramy jednego najlepiej dostosowanego; czynnosc powtarzamy, az do zbudowania całej populacji,
- selekcja rankingowa – szeregujemy wszystkich osobników według ich stopnia przystosowania wyliczonego na podstawie funkcji oceny,
- Operacje genetyczne – w punkcie tym tworzone jest kolejne pokolenie. Na wybranych w
poprzednim podpunkcie rodzicach wykonujemy nastepujace operacje:
- krzyzowania – operacja ta polega na utworzeniu nowego kodu genetycznego na podstawie kodu genetycznego dwóch rodziców. Mozna na przykład wybrac punkt przeciecia (zwykle srodek) genów obydwu rodziców, a nastepnie połaczyc dwie powstałe połówki w dwa nowe osobniki,
- mutacja – operacja ta polega na zmianie jednego z losowo wybranych chromosomów na przeciwny. W programi BCM mutacja polega na zamianie losowo wybranego chromosomu z chromosomem innego losowo wybranego osobnika danej populacji. Jej celem jest wprowadzenie róznorodnosci w populacji. Czestotliwosc wystepowania mutacji nie powinna byc jednak zbyt duza (ok. 0,05) , gdyz zbyt duzy współczynnik moze doprowadzic do powstawania wielu negatywnych rozwiazan.
- Utworzenie nowej populacji – w punkcie tym algorytm tworzy obiekty powstałe na podstawie operacji genetycznych wykonanych w poprzednim punkcie.
- Wybór najlepszych osobników – ta czesc algorytmu wykonywana jest gdy warunek zatrzymania został spełniony. Wówczas sposród otrzymanych osobników wybierany jest ten o najlepszym stopniu przystosowania. W programie BCM prezentowane sa wszystkie osobniki z koncowej populacji.
Matrix – dynamiczna struktura danych zrealizowana jako jednowymiarowa tablica imitujaca za pomoca odpowiednich metod dwuwymiarowa macierz. Macierz zrealizowana jest za pomoca tablicy typu double.
Coordinates – obiekty tej klasy przechowują współrzędne punktów w przestrzeni dwuwymiarowej.
W tej sekcji zostana opisane poszczególne pakiety oraz zawarte w nich klasy i ich metody.
W tym pakiecie znajduja sie klasy odpowiedzialne za implementacje podstawowych elementów graficznego interfejsu uzytkownika.
- BCMFrame – klasa ta implementuje główne okno programu.
- Menu – klasa ta odpowiedzialna jest za implementacje panelu wyswietlajacego menu główne programu.
- DimensionsInputPanel – klasa zawierajaca implementacje panelu w którym uzytkownik ma wprowadzac wymiary stołówki.
- ParametersInputPanel – klasa implementujaca panel w którym uzytkownik wprowadza parametry dotyczace generowanych projektów stołówek.
- Visualizer – w klasie tej znajduje sie implementacja panelu wyswietlajacego kolejne projekty stołówek wraz z opisem.
W tym pakiecie znajduja sie klasy które maja za zadanie implementowac logike aplikacji – algorytm genetyczny. Przez wydzielenie tego pakietu jako odrebnej całosci, oddzielamy czesc graficzna programu od jego logiki. Dzieki takiemu podejsciu, w pózniejszym czasie bedzie bardzo łatwo mozna utworzyc nowy interfejs graficzny i bez zmian w kodzie programu odpowiadajacym za algorytmy podłaczyc go do logiki.
- BCM – w klasie tej znajduja sie wywołania metod pozostałych klas danego pakietu, których połaczenie umozliwia realizacje podstawowych załozen algorytmów genetycznych.
- Individual – klasa ta reprezentuje pojedynczego osobnika danej populacji. Wykorzystuje ona macierz (klasa „Matrix”) aby przechowywac współrzedne konkretnych obiektów na tworzonej „mapie” stołówki, oraz współrzedne konkretnych obiektów przechowywane w listach których typy sa z kolei tworzone na podstawie klas zawartych w pakiecie „canteencomponents”.
- Population – klasa ta ma za zadanie utworzyc okreslona liczbe osobników – obiektów klasy Individual. Liczba osobników danej populacji do utworzenia podana jest przez uzytkownika poprzez graficzny interfejs.
- FitnessCounter – klasa ta przechowuje metody odpowiedzialne za liczenie współczynnika dostosowania osobników danej populacji do poczatkowych załozen.
- GeneticAlgorithm – klasa ta przechowuje metody potrzebne do realizacji algorytmu genetycznego, miedzy metody innymi odpowiedzialne za wybór odpowiednich rodziców nowej populacji.
W pakiecie tym znajduja sie klasy odpowiedzialne za implementacje dynamicznych struktur danych, uzywanych przez program do przeprowadzania obliczen oraz przechowywania danych.
- Matrix - klasa ta przechowuje implementacje macierzy jako dynamicznej struktury danych.
- Coordinates - obiekty tej klasy przechowują współrzędne punktów w przestrzeni dwuwymiarowej.
Pakiet ten zawiera klasy które reprezentuja poszczególne obiekty stołówki.
- CanteenComponents – klasa po której dziedzicza pozostałe klasy z danego pakietu, reprezentujace poszczególne obiekty stołówki.
- Chair – klasa reprezentujaca krzesło, zawiera współrzedne, typ, koszt, jego wymiary oraz odpowiednie metody dostepowe,
- Table – klasa reprezentujaca stół, zawiera współrzedne, typ, koszt, jego wymiary oraz odpowiednie metody dostepowe,
- Lamp - klasa reprezentujaca pojedynczy element oswietlenia, zawiera współrzedne, koszt oraz odpowiednie metody dostepowe,
- Door – klasa reprezentujaca drzwi, zawierajaca współrzedne, wymiary, koszt oraz odpowiednie metody dostepowe,
- Shop - klasa reprezentujaca sklep, zawierajaca współrzedne, wymiary, koszt oraz odpowiednie metody dostepowe,
- Window - klasa reprezentujaca pojedyncze okno, zawierajaca współrzedne, typ, koszt oraz odpowiednie metody dostepowe,
Dzieki takiemu podejsciu bardzo łatwo mozna podłaczyc graficzny interfejs uzytkownika lub zastapic go innym. Do wygenerowania projektu potrzebne sa jedynie metody zawarte w głównej klasie logiki - „BCM”. Za pomoca metody „generateProjects()” generujemy obiekty na podstawie danych podanych przez interfejs graficzny i umieszczonych w niej za pomoca statycznych metod dostepowych, a nastepnie rezultat - wygenerowane współrzedne obiektów stołówek, bedacych najlepszymi osobnikami poszczególnych populacji - pobieramy za pomoca odpowiedniej metody dostepowej z listy „bestIndividualInEachIterationPopulation” zawartej w klasie BCM.
Metoda ta słuzy do wyboru osobników populacji rodzicielskiej, która bedzie brała dalszy udział w ewolucji. Czesc ta jest bardzo wazna, gdyz to od niej w głównej mierze bedzie zalezec czy ewolucja osobników bedzie przebiegała prawidłowo. Ciekawym rozwiazaniem jest wykorzystanie w tej metodzie petli w której generujemy losowa liczbe i szukamy takiego osobnika który miesci sie w danym przedziale, przechowywanym w tablicy rankingTab - im wiecej punktów komfortu posiada osobnik, tym wiekszy przedział zajmuje i tym wieksze jest prawdopodobienstwo, ze zostanie on wylosowany.
for(int j=0 ; j<populationSize ; j++){
randomNumber = r . next Int ( 1 0 0 ) ;
for(int i=0 ; i<rankingTab.length ; i++){
if(randomNumber <= rankingTab[i]){
numberIndividual = i;
break;
}
}
parentPopulationIndividualsNumber [j] = numberIndividual;
}
Program w poprawny sposób spełnia poczatkowe załozenia. Współrzedne obiektów wygenerowane z wykorzystaniem algorytmów genetycznych sa liczone bez błedów, a ich pózniejsza wizualizacja odbywa sie prawidłowo. W trakcie pracy skupilismy sie na maksymalnym zrozumieniu potrzeb uzytkownika, a takze na tym, aby program, mimo swojej scisłej dziedziny, mógł byc uzywany przez wszystkich. Prostota, łatwosc nauki korzystania oraz szybkosc działania to główne zalety naszego programu.