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基于 python 實作的中小學隨機化分班演算法（思路、實作、代碼以及打包好的可執行檔案）

2020-09-19 13:12:07 後端開發

文章目錄

    • 0. 請勿轉作商用！有問題可以添加QQ470585226
    • 1. 代碼運行情況
    • 2. 需要提供的excel格式
    • 3. 最終結果
    • 4. 演算法實作
    • 5. 代碼
    • 6. 下載地址

0. 請勿轉作商用！有問題可以添加QQ470585226

1. 代碼運行情況

    *****************************************************
    
    代碼會自動分配所有學生到每個班，并自動生成每個班級的表格

    1. 每個班級男女生數量盡可能平均
    2. 每個班級每個分段人數盡可能相等
    3. 每個班級之間的所有科目平均分盡可能相近
    4. 允許對每個人預設班級

    * 分班采用隨機演算法，每次運行會嘗試 20 次計算挑選最小值，多次運算代碼可能會得到不同的結果

    *****************************************************
    
    需要提供的excel表格內的列大致分為三段：


    (姓名 性別)         (語文 數學 英語 科學 總分)    (預設班級)
    1. 姓名、性別等資訊 ；      2. 成績 ；          3. 預設班級

    *****************************************************
    
    1. 姓名、性別等資訊: 可以添加 '姓名' '學號' 等資訊，這些資訊不會影響結果
                       資訊的順序沒有影響，但是此段內容最后一列必須是性別
                       '性別' 的值只能是 '男' 或者 '女'
    
    2. 成績：順序無關，但是必須以總分結尾
    
    3. 預設班級: 可選是否存在，需要預設分分班的人后面用數字標明需要分班到哪個班級即可
                注意此列需要使用阿拉伯數字即 1,2,3,4...
                且預設班級的數值應該是 [1,分班數量] 區間內的數字
                不可以超過分班數量 

    *****************************************************

    舉例1：姓名 性別 語文 數學 英語 科學 總分 預設班級

    舉例2：學號 姓名 性別 數學 語文 英語 科學 總分 預設班級

    舉例3：姓名 學號 性別 語文 數學 科學 英語 總分

    *****************************************************

    此專案開源僅僅是為了交流學習，請自覺遵守法律以及道德規范，請勿將其用于商業用途！
    有任何問題可以聯系QQ470585226

                                            ---by jnxxhzz
                                            杭州二中白馬湖學校

2. 需要提供的excel格式

在這里插入圖片描述
這里 列 A , B A,B A,B 為第一部分內容，列 C D E F G CDEFG CDEFG 為第二部分內容，列 H H H 為可選內容

  1. 其中第一部分內容必須以 "性別"列 結尾，前面的內容可以隨意增加，順序無關
  2. 其中第二部分內容必須跟在 “性別” 列之后，全部為每門課的成績分數，以 "總分"列結尾，其中課程數量可以隨意增加，順序無關
  3. 其中第三部分內容為可選內容，若需要預設班級則添加此列，在需要預設班級的人后面標上班級即可，注意若需要分為 6 6 6 個班，預設班級的數字范圍應該是 1 ～ 6 1\sim6 1～6

3. 最終結果

最侄訓在代碼目錄下生成 F i n a l l _ p l a n . x l s Finall\_plan.xls Finall_plan.xls 檔案，檔案內即為最終方案，每個班級的名單以及全校的總情況
在這里插入圖片描述
在這里插入圖片描述

4. 演算法實作

代碼整體采用的是隨機化演算法
主要步驟分 5 5 5 步

  1. 將所有人按分數排序

  2. S S S 型分班將所有人分成對應需求的 n e e d _ c l a s s need\_class need_class 個班級（即按照 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2 , 1..... 1,2,3,4,5,6,6,5,4,3,2,1..... 1,2,3,4,5,6,6,5,4,3,2,1..... 的順序分班），同時將所有人打上分段標記（即 l e v e l level level 也就是排名前多少人分為一段,此處默認選擇 n e e d _ c l a s s need\_class need_class 超過 30 30 30 的最小倍數）

  3. 調整預設班級，若有人存在預設班級而本人不在對應班級，則跟對應班級同 l e v e l level level 的人交換，后序所有交換中不允許交換有預設班級的人

  4. 調整每個班級的男女數量（四種情況分別配平，交換男女時保證只能交換同分數段的人）

    1. 男女都超過高平均值的兩個班級互換
    2. 女生超過高平均值的班級和男生超過低平均值的班級互換 （男生班級人數會變成高平均值）
    3. 男生超過高平均值的班級和女超過低平均值的班級互換 （女班級人數會變成高平均值）
    4. 女生低于低平均值的班級和女生等于高平均值班級互換 （男生班級人數會變成低平均值）

  5. 隨機調整，每次隨機挑選兩個班，分別列舉兩個班的人，若兩人 p 1 , p 2 p1,p2 p1,p2 滿足條件：

    1. 性別相同
    2. l e v e l level level 相同
    3. 沒有預設班級
    4. 隨機在 c h e c k 1 check1 check1 和 c h e c k 2 check2 check2 中挑選一種，若能滿足則交換
      c h e c k 1 : check1: check1: 按兩個班級的每門課平均分差值是否變小決定是否交換
      c h e c k 2 : check2: check2: 按總極差（即所有班級中同一門課的最高平均分減最低平均分之和）是否變小決定是否交換

    以上交換共執行 1000 1000 1000 次，多次測驗發現一般最多只能交換幾十次,所以一千次一定能使得誤差無法再變小,但是因為演算法完全隨機，所以在任何一次步驟不同都會導致不同的結果，所以考慮隨機調整 20 20 20 次最終選擇誤差最小的那一次作為答案,當然 20 20 20 次可以根據計算機運行速度以及所需求效率來進行調整，一般一兩秒就可以產生結果

5. 代碼

  1. 將所有人按分數排序
	r = Read_Ex()
    all_students = r.read_excel()
    all_students = sorted(all_students, key=itemgetter('總分'), reverse = True)
    need_class = int(input("請輸入分班數："))
  1. S S S 型分班將所有人分成對應需求的 n e e d _ c l a s s need\_class need_class 個班級（即按照 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2 , 1..... 1,2,3,4,5,6,6,5,4,3,2,1..... 1,2,3,4,5,6,6,5,4,3,2,1..... 的順序分班），同時將所有人打上分段標記（即 l e v e l level level 也就是排名前多少人分為一段,此處默認選擇 n e e d _ c l a s s need\_class need_class 超過 30 30 30 的最小倍數）
# 初始化每個班級
    finall_class = []
    every_class = []
    for i in range(need_class):
        temp_map = {'男':0,'女':0}
        temp_list = []
        finall_class.append(temp_list)
        every_class.append(temp_map)

    # 計算分段人數
    every_level = (int)(20 / need_class) * need_class
    if every_level < 20:
        every_level = every_level + need_class
    
    # 蛇形分班 & 標記分段
    now_class_number = 0
    flag = 1
    level_numebr = 1
    now_level_number = 0
    now_every_level = every_level

    boys_number = 0   # 記錄男生數量
    girls_number = 0  # 記錄女生數量

    every_level_two = 0

    for i in range(len(all_students)):
        # 記錄男女生數量
        if all_students[i]['性別'] == '男':
            boys_number = boys_number + 1
            every_class[now_class_number]['男'] = every_class[now_class_number]['男'] + 1
        else:
            girls_number = girls_number + 1
            every_class[now_class_number]['女'] = every_class[now_class_number]['女'] + 1

        # 標記分段
        all_students[i]['分段'] = level_numebr
        now_level_number = now_level_number + 1
        if now_level_number >= now_every_level:
            if i + 1< len(all_students) and all_students[i + 1]['總分'] == all_students[i]['總分']:
                now_every_level += need_class
            else:
                now_level_number = 0
                level_numebr = level_numebr + 1
                every_level_two = every_level_two + 1
                if every_level_two >= 2:
                    now_every_level = now_every_level + every_level
                    every_level_two = 0

        # 分班
        finall_class[now_class_number].append(all_students[i]);
        now_class_number = now_class_number + flag
        if now_class_number >= need_class or now_class_number < 0:
            now_class_number = now_class_number - flag
            flag = -flag
  1. 調整預設班級，若有人存在預設班級而本人不在對應班級，則跟對應班級同 l e v e l level level 的人交換，后序所有交換中不允許交換有預設班級的人
     # 調整預設班級
    if book_key.count('預設班級') != 0:
        for i in range(need_class):
            for p1 in range(len(finall_class[i])):
                go_class = finall_class[i][p1]['預設班級']
                if go_class != '' and i != int(go_class) - 1:
                    go_class = int(go_class) - 1
                    for p2 in range(len(finall_class[go_class])):
                        if finall_class[i][p1]['性別'] == finall_class[go_class][p2]['性別']:
                            finall_class[i][p1], finall_class[go_class][p2] = finall_class[go_class][p2], finall_class[i][p1]
                            break
  1. 調整每個班級的男女數量（四種情況分別配平，交換男女時保證只能交換同分數段的人）
def change_sex():
    # print(every_boys_number1," ", every_girls_number1)
    # print(every_boys_number2," ", every_girls_number2)

    # 對男女超過平均值的班級配平男女

    # 1. 男女都超過高平均值的兩個班級互換
    for boys_id in range(need_class):
        while every_class[boys_id]['男'] > every_boys_number2:
            once_flag = 0
            for girls_id in range(need_class):
                if boys_id != girls_id and every_class[girls_id]['女'] > every_girls_number2:
                    # 在 boys_id 班和 girls_id 班中尋找 分段 相同的男女生交換
                    for boy in range(len(finall_class[boys_id])):
                        if finall_class[boys_id][boy]['性別'] == '男' \
                        and ((book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[boys_id][boy]['預設班級'] == '') or book_key.count('預設班級') == 0):
                            for girl in range(len(finall_class[girls_id])):
                                if finall_class[girls_id][girl]['性別'] == '女' \
                                and ((book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[girls_id][girl]['預設班級'] == '') or book_key.count('預設班級') == 0) \
                                and finall_class[boys_id][boy]['分段'] ==  finall_class[girls_id][girl]['分段']:
                                    finall_class[boys_id][boy], finall_class[girls_id][girl] = finall_class[girls_id][girl],finall_class[boys_id][boy]
                                    every_class[boys_id]['男'] = every_class[boys_id]['男'] - 1
                                    every_class[boys_id]['女'] = every_class[boys_id]['女'] + 1
                                    every_class[girls_id]['男'] = every_class[girls_id]['男'] + 1
                                    every_class[girls_id]['女'] = every_class[girls_id]['女'] - 1
                                    once_flag = 1;
                                    break
                        if once_flag == 1:
                            break
                if once_flag == 1:
                    break
            if once_flag == 0:
                break
    # 2. 女生超過高平均值的班級和男生超過低平均值的班級互換 （男生班級人數會變成高平均值）
    for girls_id in range(need_class):
        while every_class[girls_id]['女'] > every_girls_number2:
            once_flag = 0
            for boys_id in range(need_class):
                if boys_id != girls_id and every_class[boys_id]['男'] > every_boys_number1:
                    # 在 boys_id 班和 girls_id 班中尋找 分段 相同的男女生交換
                    for boy in range(len(finall_class[boys_id])):
                        if finall_class[boys_id][boy]['性別'] == '男'\
                        and ((book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[boys_id][boy]['預設班級'] == '') or book_key.count('預設班級') == 0):
                            for girl in range(len(finall_class[girls_id])):
                                if finall_class[girls_id][girl]['性別'] == '女' \
                                    and ((book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[girls_id][girl]['預設班級'] == '') or book_key.count('預設班級') == 0) \
                                    and finall_class[boys_id][boy]['分段'] ==  finall_class[girls_id][girl]['分段']:
                                    finall_class[boys_id][boy], finall_class[girls_id][girl] = finall_class[girls_id][girl],finall_class[boys_id][boy]
                                    every_class[boys_id]['男'] = every_class[boys_id]['男'] - 1
                                    every_class[boys_id]['女'] = every_class[boys_id]['女'] + 1
                                    every_class[girls_id]['男'] = every_class[girls_id]['男'] + 1
                                    every_class[girls_id]['女'] = every_class[girls_id]['女'] - 1
                                    once_flag = 1;
                                    break
                        if once_flag == 1:
                            break
                if once_flag == 1:
                    break
            if once_flag == 0:
                break
    # 3. 男生超過高平均值的班級和女超過低平均值的班級互換 （女班級人數會變成高平均值）
    for boys_id in range(need_class):
        while every_class[boys_id]['男'] > every_boys_number2:
            once_flag = 0
            for girls_id in range(need_class):
                if boys_id != girls_id and every_class[girls_id]['女'] > every_girls_number1:
                    # 在 boys_id 班和 girls_id 班中尋找 分段 相同的男女生交換
                    for boy in range(len(finall_class[boys_id])):
                        if finall_class[boys_id][boy]['性別'] == '男'\
                        and ((book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[boys_id][boy]['預設班級'] == '') or book_key.count('預設班級') == 0):
                            for girl in range(len(finall_class[girls_id])):
                                if finall_class[girls_id][girl]['性別'] == '女' \
                                    and ((book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[girls_id][girl]['預設班級'] == '') or book_key.count('預設班級') == 0) \
                                    and finall_class[boys_id][boy]['分段'] ==  finall_class[girls_id][girl]['分段']:
                                    finall_class[boys_id][boy], finall_class[girls_id][girl] = finall_class[girls_id][girl],finall_class[boys_id][boy]
                                    every_class[boys_id]['男'] = every_class[boys_id]['男'] - 1
                                    every_class[boys_id]['女'] = every_class[boys_id]['女'] + 1
                                    every_class[girls_id]['男'] = every_class[girls_id]['男'] + 1
                                    every_class[girls_id]['女'] = every_class[girls_id]['女'] - 1
                                    once_flag = 1;
                                    break
                        if once_flag == 1:
                            break
                if once_flag == 1:
                    break
            if once_flag == 0:
                break      

    # 4. 女生低于低平均值的班級和女生等于高平均值班級互換 （男生班級人數會變成低平均值）
    for girls_id in range(need_class):
        while every_class[girls_id]['女'] < every_girls_number1 and every_class[girls_id]['男'] > every_boys_number1:
            once_flag = 0
            for boys_id in range(need_class):
                if boys_id != girls_id and every_class[boys_id]['男'] < every_boys_number2 and every_class[boys_id]['女'] > every_girls_number1:
                    # 在 boys_id 班和 girls_id 班中尋找 分段 相同的男女生交換
                    for boy in range(len(finall_class[girls_id])):
                        if finall_class[girls_id][boy]['性別'] == '男'\
                            and ((book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[girls_id][boy]['預設班級'] == '') or book_key.count('預設班級') == 0):
                            for girl in range(len(finall_class[boys_id])):
                                if finall_class[boys_id][girl]['性別'] == '女' \
                                    and ((book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[boys_id][girl]['預設班級'] == '') or book_key.count('預設班級') == 0) \
                                    and finall_class[boys_id][girl]['分段'] ==  finall_class[girls_id][boy]['分段']:

                                    finall_class[boys_id][girl], finall_class[girls_id][boy] = finall_class[girls_id][boy],finall_class[boys_id][girl]
                                    every_class[boys_id]['男'] = every_class[boys_id]['男'] + 1
                                    every_class[boys_id]['女'] = every_class[boys_id]['女'] - 1
                                    every_class[girls_id]['男'] = every_class[girls_id]['男'] - 1
                                    every_class[girls_id]['女'] = every_class[girls_id]['女'] + 1
                                    once_flag = 1;
                                    break
                        if once_flag == 1:
                            break
                if once_flag == 1:
                    break
            if once_flag == 0:
                break
  1. 隨機調整 , c h e c k 1 check1 check1和 c h e c k 2 check2 check2 的實作
# 按兩個班級的每門課平均分差值是否變小決定是否交換
def check1(max_class_id, p1, min_class_id, p2):
    all_range1 = 0
    for subject in score_key:
        all_range1 = all_range1 + abs(every_class[max_class_id][subject] - every_class[min_class_id][subject])

    all_range2 = 0
    for subject in score_key:
        all_subject = '總分' + subject
        
        temp1_ave = every_class[max_class_id][all_subject] - finall_class[max_class_id][p1][subject] + finall_class[min_class_id][p2][subject]
        temp1_ave = temp1_ave / len(finall_class[max_class_id])

        temp2_ave = every_class[min_class_id][all_subject] - finall_class[min_class_id][p2][subject] + finall_class[max_class_id][p1][subject]
        temp2_ave = temp2_ave / len(finall_class[min_class_id])

        all_range2 = all_range2 + abs(temp2_ave - temp1_ave)

        # print(all_range1, all_range2)

    if all_range2 < all_range1:
        return True
    else:
        return False

# 按總極差變小決定是否交換
def check2(max_class_id, p1, min_class_id, p2):
    all_range = 0
    all_range1 = 0
    for subject in score_key:
        all_range1 = all_range1 + abs(every_class[max_class_id][subject] - every_class[min_class_id][subject])

    all_range2 = 0
    for subject in score_key:
        all_subject = '總分' + subject
        
        temp1_ave = every_class[max_class_id][all_subject] - finall_class[max_class_id][p1][subject] + finall_class[min_class_id][p2][subject]
        temp1_ave = temp1_ave / len(finall_class[max_class_id])

        temp2_ave = every_class[min_class_id][all_subject] - finall_class[min_class_id][p2][subject] + finall_class[max_class_id][p1][subject]
        temp2_ave = temp2_ave / len(finall_class[min_class_id])

        if temp1_ave > temp2_ave:
            temp1_ave, temp2_ave = temp2_ave, temp1_ave
        max_score = temp2_ave
        min_score = temp1_ave
        for i in range(need_class):
            if i != max_class_id and i != min_class_id:
                if max_score < every_class[i][subject]:
                    max_score = every_class[i][subject]
                if min_score > every_class[i][subject]:
                    min_score = every_class[i][subject]
        all_range = all_range + max_score - min_score
    # print(all_range1, all_range2)
    return all_range


def change_people(max_class_id, min_class_id, subject):
    global finall_all_range
    for p1 in range(len(finall_class[max_class_id])):
        # 在高分班級中選出高于該科目平均分的人 finall_class[max_class_id][p1]
        if finall_class[max_class_id][p1][subject] > every_class[max_class_id][subject]:
            for p2 in range(len(finall_class[min_class_id])):
                # 預設班級的人不允許交換
                if (book_key.count('預設班級') != 0 and finall_class[max_class_id][p1]['預設班級'] == '' and finall_class[min_class_id][p2]['預設班級'] == '') \
                   or book_key.count('預設班級') == 0:
                    # 在低分班級中選出低于該科目平均分的人 finall_class[min_class_id][p2]
                    if finall_class[max_class_id][p1]['性別'] == finall_class[min_class_id][p2]['性別'] \
                        and finall_class[max_class_id][p1]['分段'] == finall_class[min_class_id][p2]['分段'] \
                        and finall_class[min_class_id][p2][subject] < every_class[min_class_id][subject]:
                        
                        # 計算交換后總極差
                        choice_check = int(random.random() * 2)
                        checkok = False
                        if choice_check == 1:
                            checkok = check1(max_class_id, p1, min_class_id, p2)
                        else:
                            temp_all_range = check2(max_class_id, p1, min_class_id, p2)
                            if temp_all_range < finall_all_range:
                                checkok = True
                        # print(temp_range, finall_all_range)
                        # 若交換后極差變變小則交換
                        if checkok == True:
                            finall_class[max_class_id][p1], finall_class[min_class_id][p2] = finall_class[min_class_id][p2], finall_class[max_class_id][p1]
                            finall_all_range = cal_ave()

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