Stundenplan V4

Ein Windows-Desktop-Programm (WPF, .NET 10) zur automatischen Erstellung von Schul-Stundenplänen. Die Unterrichtsverteilung wird aus einer Excel-Arbeitsmappe gelesen, mit dem CP-SAT-Solver von Google OR-Tools verplant und wahlweise wieder nach Untis zurückgespielt.

• Framework: .NET 10 (net10.0-windows), WPF
• Namespace: Stundenplan_V2
• Abhängigkeiten: Google.OrTools 9.15.6755, ClosedXML 0.105.0
• Datenbasis: eine Excel-Datei mit u. a. den Blättern UV (Unterrichtsverteilung), StD (Lehrer-Stammdaten), PM (Parameter), FT (freie Tage/Stunden), ZWL/ZWK (Zeitwünsche Lehrer/Klassen).

Der Ablauf wird über das Hauptfenster in nummerierten Schritten geführt: Excel einlesen → Zeitwünsche → (optional) UV aus Untis importieren → fixieren/ ignorieren → PM-Parameter → Stundenplanerstellung → Plan-Editor → Lösung sichern → verbessern → nach Untis exportieren → Klassen-/Lehrerpläne erzeugen.

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Schneller Algorithmus: Google OR-Tools (CP-SAT)

Kern der Planung ist der CP-SAT-Solver aus Google OR-Tools. Die Belegung wird als Constraint-Programming-Modell formuliert: Für jeden Unterrichtsblock b und jeden Zeitslot s gibt es eine Boolean-Variable x[b,s] (Block liegt in diesem Slot: ja/nein). Der Solver sucht daraus die zulässige Belegung mit dem besten Zielfunktionswert.

• Aufruf über eine austauschbare Solver-Schnittstelle (ISolver / OrToolsSolver), die intern StundenplanEngine.Planen(...) startet. Alle Parameter (Zeitlimit, Gewichte, Strafen, Verbote, Lösungsanzahl) kommen aus dem StundenplanInput-Objekt, das aus den Excel-Blättern befüllt wird.
• Konfigurierbares Zeitlimit pro Lauf (ZeitlimitSekunden, Standard 30 s) – der Solver liefert innerhalb dieser Zeit die beste gefundene Lösung.
• Mehrere, echte verschiedene Lösungen: Über einen SolutionCollector und einen Mindest-Hamming-Abstand (MindestAbstandLösungenBloecke) werden nahezu identische Lösungen unterdrückt, sodass wirklich unterscheidbare Varianten ausgegeben werden.
• Fortschritt & Abbruch: Der Lauf meldet laufend seinen Fortschritt (SolverFortschritt) und lässt sich jederzeit über ein CancellationToken abbrechen. Ein Live-Export schreibt den jeweils besten Zwischenstand periodisch in nummerierte Excel-Dateien.
• Diagnose bei Unlösbarkeit: Meldet der Solver INFEASIBLE, läuft eine stufenweise Diagnose, die die harten Regeln einzeln prüft und den auslösenden Lehrer bzw. das auslösende Kriterium benennt.

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Lehrertausch

Das Programm kann Lehrer innerhalb einer Gruppe gegeneinander tauschen, um bessere Pläne zu finden, als es die feste Zuordnung erlauben würde.

• Steuerung über das LTKZ (Lehrer-Tausch-Kennzeichen) in der UV: Ein LTKZ besteht aus Zahl + Buchstabe (z. B. 5a, 5b, 5c). Alle Einträge mit gleicher Zahl bilden eine Tauschgruppe; jeder Buchstabe ist eine Rolle (ein Lehrer mit seinen Blöcken). Innerhalb einer Gruppe darf jede Rolle gegen jede andere getauscht werden (z. B. 5a↔5b).
• Zwei Phasen pro Lauf:
  • Phase 1 – ohne Tausch: die besten Lösungen mit der Original-Zuordnung (AnzahlLösungenOhneTausch).
  • Phase 2 – mit Tausch: die aussichtsreichsten Tausch-Kombinationen werden bewertet und durchgerechnet (AnzahlLösungenMitTausch). Eine Kombination kann auch mehrere gleichzeitige Tausche enthalten (z. B. 5a↔5b und 1a↔1b).
• Ergebnis: Am Ende stehen die besten Pläne ohne und mit Tausch nebeneinander zur Auswahl; jede Tauschvariante ist im Log und in der Diagnose nachvollziehbar beschriftet. Sind Klassen bereits ohne Tausch unlösbar, wird Phase 2 übersprungen.

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Harte Constraints je Kriterium

Viele Kriterien wirken standardmäßig nur als Strafe in der Zielfunktion (weiche Regel). Sie lassen sich aber gezielt zu echten harten Constraints hochstufen – teils global über das PM-Blatt, teils pro Lehrer über eigene „hart"-Spalten im StD-Blatt. Jedes gesetzte Flag ist eine zusätzliche Bedingung, die der Solver zwingend einhalten muss.

Immer harte (strukturelle) Regeln:

• Klassenregel – pro Slot höchstens eine Belegung je Klasse. Ausnahmen: gleiches, nicht-leeres KKK (Klassen-Kollisions-Kennzeichen) erlaubt Koexistenz; A-/B-Wochengruppen kollidieren nie.
• Fachraum-Limit – pro Slot höchstens N Blöcke je Fachgruppe (raumbezogen), ebenfalls A-/B-Wochen-bewusst.
• Zeitwünsche −3 – mit −3 gesperrte Slots für Lehrer bzw. Klassen sind hart blockiert.

Wahlweise hart schaltbare Kriterien:

• Freie Tage je Lehrer: −3 = hart (mind. N freie Tage garantiert), −2 = Wunsch (nur Strafe, hart nur bei aktivem „Verbot −2").
• Freie Stunden / freies Band je Lehrer (Teilband, z. B. 5.–11. Stunde), analog mit −3/−2.
• Zeitwünsche −2 – global per „Verbot −2-Verletzungen" hart statt nur bestraft.
• Späte Doppelstunden – per „Verbot späte Doppelstunden" ganz untersagen.
• Später Tag → späterer Beginn am Folgetag je Lehrer (StD-Spalte „Gewicht Spät-Früh"): Hat ein Lehrer an einem Tag späte Stunden, soll er am Folgetag nicht zu früh beginnen. −3 = hart, −2 = Strafe. Die Schwellen sind global im PM-Blatt einstellbar („Spätgrenze Vortag", „Frühgrenze Folgetag") und die Regel greift nur oberhalb einer Stundenzahl am Vortag („Schwelle Std./Tag Vortag"). Verstöße werden in der Infeasibility-Diagnose (lehrerspezifisch), in „Plan prüfen", in der Diag-Tabelle und im Plan-Editor (Warnung beim Ziehen) dokumentiert.
• Lehrer-Stammdatenregeln (StD, „…hart"-Spalten), pro Lehrer einzeln:
  • HohlWoche hart – Wochensumme der Hohlstunden ≤ Sollwert.
  • Folge hart – nie mehr als N Stunden am Stück.
  • Std./Tag hart – kein Tag mit mit mehr oder weniger Unterrichtsstunden als im angegebenen Bereich.
  • DoppelHohl hart – keine zwei Hohlstunden in Folge.
  • DreifachHohl hart – keine drei oder mehr Hohlstunden in Folge.
  • Verbot Bad units – späte pädagogische Einheiten dieses Lehrers hart verboten.

Nur als Strafe wirkende Kriterien (Zielfunktion, über PM gewichtet): frühe/späte Doppelstunden, späte pädagogische Einheiten („bad units"), Anzahl freier Tage, Hohlstunden / Doppel- / Dreifach-Hohlstunden, Stundenfolge, Einzelstunden, späte LK-Stunden, Hauptfächer zu spät, Fächer-Doppelstunden am selben Tag, zu früher Beginn nach einem späten Vortag (Spät-Früh, −2) sowie zu wenige nutzbare Hohlstunden (NuHo).

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Untis-Anbindung: UV-Export und Stundenplan-Reimport

Das Programm arbeitet nahtlos mit dem Untis-DIF-Format (GPU002.TXT, 46 Felder, Trennzeichen ;) zusammen – in beide Richtungen.

UV aus Untis importieren (Schritt 6)

Eine aus Untis exportierte GPU002.TXT wird in das UV-Blatt eingelesen (ImportiereInUv). Mehrere Untis-Zeilen derselben U-Nr und desselben Lehrers (eine Zeile je Klasse) werden dabei zu einer UV-Zeile mit kommagetrennten Klassen zusammengeführt. Zeichensatz (UTF-8/ANSI) wird automatisch erkannt.

UV nach Untis exportieren (Schritt 7)

Die UV lässt sich als Untis-kompatible GPU002.TXT zurückschreiben (GpuExporter). Kurznamen und Räume werden dabei automatisch Untis-konform bereinigt (verbotene Zeichen entfernt, Raum-Alternativen von Komma auf ~ umgestellt); jede Bereinigung wird protokolliert.

Fertigen Stundenplan zurück nach Untis („ZZ-Trick")

Damit der erzeugte Plan in Untis landet, ohne dessen echte UV zu verändern, nutzt das Programm einen Dummy-Lehrer-Trick:

• Zu jeder verplanten U-Nr wird eine zusätzliche GPU002-Zeile mit dem Dummy-Lehrer ZZ<UNr> erzeugt (Wochenstunden auf 0), begleitet von einer Zeitwunsch-Datei GPU016_ZZ.TXT, die den ZZ-Lehrern die belegten Slots als Zeitwünsche vorgibt. Beide Dateien werden zusammen in Untis importiert – der Plan „schnappt" dort auf die gewünschten Zeiten ein.
• Im GPU-Quelle-Modus wird eine bestehende GPU002.TXT sogar byte-identisch durchgeschrieben (inkl. BOM, Zeilenenden, Zeichensatz) und nur um die ZZ-Zeilen ergänzt. So entstehen beim Reimport keine ungewollten Mini-Änderungen an der Original-UV.

Weitere Untis-nahe Exporte

Zeitwünsche-Import (ZeitwunschExporter → Blätter ZWL/ZWK), ein kompakter Unr-Plan (Slot → U-Nrn) sowie Abweichungs- und Fixierungs-Exporte runden die Anbindung ab.

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Kurzüberblick der Bedienschritte (Hauptfenster)

1. Excel-Datei einlesen · 2. Zeitwünsche einlesen/exportieren · 6. UV als GPU importieren · 7. UV als GPU exportieren · 8. Gezielt fixieren/ignorieren ·
2. PM-Parameter bearbeiten · 10. Stundenplanerstellung · 11. Plan-Editor ·
3. Lösung sichern · 14. Lösung verbessern · 15. Minimale Änderungen (Solver) · 18.–20. Klassen- und Lehrerpläne erzeugen · 21. Stammdaten (StD) bearbeiten.