第二次结对编程作业——毕设导师智能匹配

结对名单：031402224 彭巍 031402233 郑扬涛

一、问题描述

编码实现一个毕设导师的智能匹配的程序

输入:

1. 30个老师（包含带学生数的要求的上限，单个数值，在[0,8]内）
2. 100个学生（包含绩点信息），每个学生有5个导师志愿（志愿的导师可以重复但不能空缺）

输出:

1. 导师和学生间的匹配信息（一个学生只能有一个确认导师，一个导师可以带少于等于其要求的学生数的学生）
2. 未被分配到学生的导师
3. 未被导师选中的学生

二、问题分析

学生角度:
根据学生对导师喜爱的程度，将五个志愿按照优先级排序,优先考虑志愿靠前的导师
对于每个学生有 (student_{i}:choice_{1}>choice_{2}>choice_{3}>choice_{4}>choice_{5})

导师角度:
由于输入数据只有 绩点 这一评价标准，故每个导师在所有选他的学生中优先考虑绩点高的
(后期可以根据学生的专业知识修养、兴趣方向（学生想从事哪方面的研究）、创新能力等等综合信息来形成评价标准）
对于每个导师有 (teacher_{i}:student_{1}>student_{2}>student_{3}>...>student_{n})

由于导师的分配会因为学生的偏好造成导师志愿的分布不均匀，这可能会导致有些学生分配不到导师，或者有的导师没有分配到学生，这就需要一些算法对此加以控制以达到最优匹配。

三、采用的算法

由于笔者有参加ACM竞赛，看到这个问题联想到图论中的 稳定婚姻问题(Stable marriage problem) 。查找了相关的文献资料后，发现导师分配问题是属于该问题的一个变形。而对于该问题，通常用 Gale-Shapley 算法来解决。

Gale-Shapley 算法简称 G-S 算法，也被称为延迟接受算法。该算法由 Gale 和 Shapley 提出，他们研究学校申请与婚姻稳定的匹配问题，并用 G-S算法得到了稳定的匹配， 这种匹配是帕累托最优。该算法只需在信息完全且充分的情况下，选择的双方按照自己的偏好进行排序，且一方先进行选择即可得出最优稳定匹配。

Gale-Shapley 算法的核心思想：
在信息对称且完全的情况下， 存在需要相互选择的集合 (T = left {T_{1}, T_{2}, T_{3}, ..., T_{m} ight }) 与 (S = left {S_{1}, S_{2}, S_{3}, ..., S_{n} ight })， 集合 (S) 中的个体 (S_{i}) 对 (T) 中的个体存在偏好如 (S_{i} = left {T_{2}, T_{1}, T_{5}, ..., T_{m} ight })，表示对于 (S_{i}) 的第一选择为 (T_{2})，第二选择为 (T_{1})，第三选择为 (T_{5})，依次类推。 (T) 中个体 (T_{r}) 对 (S) 中的个体存在偏好 (T_{r} = left {S_{6}, S_{3}, ..., S_{n} ight })。 让 (S) 对 (T) 做出选择，即发出信息（如申请学校或求婚）。 当 (T) 接收信息的容量低于自己的需求量 (K) 时，全部暂时接受。 当 (T) 的接收信息容量超过自己需求量 (K) 时，(T) 根据自己的偏好从中进行选择，暂时接受其中处于偏好前面的 (K) 个，拒绝其他。被拒绝个体根据自己的第二偏好进行选择，并发出信息。若第二偏好的 (T_{r}) 未饱和，则暂时接受。若第二偏好的 (T_{r}) 饱和， 则 (T_{r}) 对包括上次选择的所有给自己发出信息的人按照偏好再次进行选择，并确定暂时接受的人和拒接的人。 被拒绝的人按照偏好顺序再次选择下一个偏好，依次类推……直到没有人剩下，整个匹配结束。 作为发出信息选择的一方占相对优势，被选择的一方占相对劣势。 但是随着选择次数的增多，稳定匹配时发出信息的一方会越处于偏好后方，而被选择的一方会越处于偏好前方。

四、算法步骤

根据原始的 Gale-Shapley 算法, 我们稍加修改后即可适用于原问题。

分配步骤：

按照学生在数据中的顺序根据当前志愿分配导师，若导师的学生数未满则直接把此学生分配给该导师；否则将此学生和已分配给该导师的学生中绩点最低的那个学生比较，若是此学生的绩点低于绩点最低的那个学生，则进入下一轮分配（下一轮分配考虑此生的下一个志愿）；否则如果此学生的绩点高于绩点最低的那个学生，则将此生分配给该导师，绩点最低的那个学生则不再属于该导师，并将该学生的状态改为未分配。一直循环上述步骤，直到考虑了所有学生的所有志愿。

流程图：

伪代码：

function Matching {
    Initialize all s ∈ Student and t ∈ Teacher to free
    while ∃ a free Student s who still has a choice t to choose {
       t = first teacher on s's list to whom s has not yet chose
       if t is free
            distribute(s, t)
       else some pair (s', t) already exists
            if t prefers s to s'
                distribute(s, t)
                set s' to free
            else
                remain(s', t)
        else
            set s to free
    }
}

五、代码实现

实现语言：C++

学生类

struct Student {
    int student_id; // 学生编号
    int teacher_id; // 中选的导师编号
    int cur;        // 当前分配进程正在考虑第cur个志愿
    int want[5];    // 五个志愿
    float point;    // 绩点
};

导师类

struct Teacher {
    int teacher_id; // 导师编号
    int want_num;   // 期望的学生数
    int chose_num;  // 已中选的学生数
    int student_id[10]; // 中选的学生编号
};

分配系统

class DistributeSystem {

    private:
        int student_number; // 学生总人数
        int teacher_number; // 导师总人数
        Student* stu;
        Teacher* tch;

    public:
        // 构造函数与析构函数
        DistributeSystem() {}
        DistributeSystem(int stu_num, int tch_num) {}
        ~DistributeSystem() {}

        // 随机生成导师信息
        void generate_teacher_information() {}

        // 随机生成学生信息
        void generate_student_information() {}

        // 根据导师编号返回他在数组中的下标
        int get_teacher_index(int teacher_id) {}

        // 根据学生编号返回他在数组中的下标
        int get_student_index(int student_id) {}

        // 使用Gale–Shapley算法进行分配
        void distribute() {
            queue<Student> Que; //未分配到导师的学生队列
            for (int i = 0; i < student_number; ++i) {
                Que.push(stu[i]); // 初始都是未分配状态，都加进队列
            }
            while (!Que.empty()) {
                Student& s = stu[get_student_index(Que.front().student_id)];
                Que.pop();
                // 考虑学生s的第cur个志愿（导师为t）
                Teacher& t = tch[get_teacher_index(s.want[s.cur++])];
                if (t.want_num > t.chose_num) { // 如果导师t还有剩余名额，直接中选
                    t.student_id[t.chose_num++] = s.student_id;
                    s.teacher_id = t.teacher_id;
                } else {
                    int min_stu_id = -1; // 导师t中绩点最低的学生编号
                    int pos = -1; // 以及他在导师的中选列表中的下标
                    float min_point = 5.0;
                    for (int i = 0; i < t.chose_num; ++i) { // 在导师t中查找绩点最低的学生编号
                        Student tmp = stu[get_student_index(t.student_id[i])];
                        if (min_point > tmp.point) {
                            min_point = tmp.point;
                            min_stu_id = tmp.student_id;
                            pos = i;
                        }
                    }
                    // 如果导师t不带学生 或者 学生s的绩点比导师t所有已经中选学生的最低绩点还低，那么学生t只好再等下轮
                    if (t.want_num == 0 || s.point < min_point) {
                        if (s.cur < 5) { // 如果五个志愿还没考虑完毕的话，放入队列中继续参与分配
                            Que.push(s);
                        }
                    } else { // 不然学生t就直接替换掉绩点最低的那个学生
                        Student& min_stu = stu[get_student_index(min_stu_id)];
                        min_stu.teacher_id = -1;
                        if (min_stu.cur < 5) { // 被替换掉的学生再放入未分配的队列中去
                            Que.push(min_stu);
                        }
                        t.student_id[pos] = s.student_id;
                        s.teacher_id = t.teacher_id;
                    }
                }
            }
        }

        // 从导师角度查看分配结果
        void get_teacher_result(bool flag) {}

        // 从学生角度查看分配结果
        void get_student_result(bool flag) {}
};

六、代码分析

对于我们的代码，分配的结果概括起来大概是这样：

• 分配导师的时候志愿的顺序很重要，只要绩点不是太低，且自己喜欢志愿顺序靠前，就会分配到自己喜欢的导师
• 分配的轮数越多，越是对导师有利（如果选这个导师的人比较多留下的都是绩点比较高的）

七、结果评估

为了评估该算法的实际效果，笔者随机生成了 10000 个样本对其进行测试。

样本约定：

• 导师的人数在 30 ~ 100 人之间
• 学生的人数为导师的 1 ~ 4 倍

将 10000 个样本分为 10 组，每组 1000 个，得到的结果如下表所示：

学生未分配率：

样本组数	最好情况	最坏情况	平均情况
1	0.0000%	22.4806%	1.5869%
2	0.0000%	16.9675%	1.5230%
3	0.0000%	20.1681%	1.6781%
4	0.0000%	18.6992%	1.7076%
5	0.0000%	18.2609%	1.5168%
6	0.0000%	28.0000%	1.6612%
7	0.0000%	18.7500%	1.5338%
8	0.0000%	18.0180%	1.6950%
9	0.0000%	21.1180%	1.6605%
10	0.0000%	22.5131%	1.7302%
平均	0.0000%	20.4975%	1.6293%

学生中选志愿顺序：

样本组数	最好情况	最坏情况	平均情况
1	1.03030	2.00000	1.43622
2	1.05714	2.08264	1.42591
3	1.01818	2.01935	1.43242
4	1.02941	2.07207	1.43448
5	1.02857	1.97177	1.42840
6	1.04110	2.14433	1.43085
7	1.00000	2.04717	1.42317
8	1.06796	2.04819	1.43239
9	1.02041	2.15789	1.43456
10	1.02273	2.03759	1.43417
平均	1.03158	2.05810	1.43126

分析：

从上面可以看出，该算法的总体效果非常好。
对于学生未分配率来说，在最好情况下，所有学生都能得到分配。而在最坏情况竟然达到20%左右，这个数据一开始令笔者较为吃惊！后来在调试的过程中，将最坏情况下的输入数据进行输出查看，发现基本上都是出现在 学生的数量为导师的3倍多到4倍左右 以及 导师所期望带的学生数较少 这种极限数据情况下。对于通常情况，基本上学生的未分配率保持在1.6%左右。另一方面，对于学生中选的志愿，最好情况能够保证在第一志愿即可录取，而最差情况下也能够第二志愿录取。当然，没中选的学生是没有统计到该数据当中的（因为落选了，中选志愿更无从谈起）。

八、小结与感受

vvxyz: 总的来说这次作业抱了大腿，搭档是ACM的大神，这次编程的思路基本是按照搭档的思路走的，代码主要是搭档编写的，我们结对编程的时候，基本就是搭档是主力，我在旁边辅助，帮他纠正一些细节上的错误，改bug的时候帮助分析错误。这次结对编程的代码并没有很多难理解的地方，但是编程的过程中感受到了搭档强大清晰的逻辑思维以及扎实的c++基本功，这是值得我学习与思考的地方。

orzyt: 其实本次作业一开始搭档是想用 Java 配合数据库来写的，但由于我平常都是用C++来写算法，因此搭档为了配合我，后来就订下用C++编写。这里对搭档说一声感谢！对于此次结对编程题目，很切合实际，因为上学期我们刚刚经历过学生选导师这一环节。然后我是把这次作业当做一道ACM算法题目来写的（栋哥不要打我...），但是嘛，这次不只是为了AC这么简单。为了代码的规范性，以及更容易维护，我将算法的主要功能都封装在DistributeSystem类中。然后不得不说的就是debug的过程！在结对编程的第一天，我将代码的整体框架编写完毕，本地测试了学生数=100，导师数=30，以及其他几组数据，查看结果基本上符合预期，就将代码推送到git上去了。第二天，为了更好地评估该算法的实际效果，于是我就随机生成了一万个测试样本（详情见第七节），然后基本上程序跑着跑着就奔溃了。于是开始了漫长的debug过程，花费了一个晚上，进行各种花式调试，最终发现是 程序不能正确处理 导师期望数为0 的这种情况！！吐血...总之，在此次结对编程中，从建模、查文献、实现算法、样本测试一步步走过来，收获还是挺大的！

九、结对过程的闪光点

• 能够对原问题进行抽象建模
• 搭档之间相互支持鼓励，能够进行有效的沟通交流
• 懂得查找相关参考文献、学术论文等资料

十、代码仓库

点击查看：Distribute System

十一、参考文献

1. Wikipedia. 稳定婚姻问题(Stable marriage problem)
2. D. Gale and L. S. Shapley. College Admissions and the Stability of Marriage
   
3. 向 冰,刘文君. 硕士研究生与导师的双向选择的最优匹配.
4. 刘汝佳, 陈锋. 算法竞赛入门经典--训练指南