模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)實驗室建設(shè)設(shè)想

摘要：實驗教學工作是高等學校人才培養(yǎng)體系的重要組成部分。闡述了構(gòu)建模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)實驗室的必要性與迫切性，針對模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)課程體系的特點，提出構(gòu)建以工程教育為主導(dǎo)的模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)一體化實驗室，并介紹了綜合實驗設(shè)計。該實驗室的構(gòu)建可以讓學生得到從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行的一整套工程實踐，有助于增強學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：實驗教學；CDIO；工程教育；模式識別與智能系統(tǒng)；一體化

作者簡介：張佳（1980-），女，北京人，北京理工大學自動化學院，實驗師。（北京 100081）

基金項目：本文系北京市教育委員會共建項目專項項目（項目編號：XK100070532）的研究成果。

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0181-02

實驗教學是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的一個重要途徑，[1]特別是在培養(yǎng)理工科學生實踐能力和創(chuàng)新精神、提升學生的工程素質(zhì)方面有著不可替代的作用。[2]由于近年來高校規(guī)模的迅速擴張，教學資源緊張的矛盾更加突出，生源結(jié)構(gòu)的多樣化也使得高校的實驗教學組織更加困難，各校在實驗室建設(shè)和管理方面也存在一些薄弱環(huán)節(jié)，這些因素都導(dǎo)致了實驗教學的弱化傾向，對大學生創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)的培養(yǎng)十分不利。[3]因此，加強實驗教學的力度，提高大學生的科技創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)成為高校教學改革的重要任務(wù)。

目前，北美已經(jīng)出現(xiàn)了構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行為一體的CDIO工程教育改革模式。CDIO教學大綱提出了對工程師能力方面的要求。CDIO教學模式的特點是主動式和經(jīng)驗式學習，并通過穩(wěn)健的質(zhì)量評估過程不斷予以改進。[4]

為加快培養(yǎng)造就一批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟和社會發(fā)展需求的各類工程科技人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家、實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化奠定堅實的人力資源優(yōu)勢，教育部在61所高校組織實施了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”。[5]我國的教育行政主管部門、大學和教師同時也開展了一系列的工程教育改革，旨在培養(yǎng)符合社會需要的工程技術(shù)人才。

一、構(gòu)建實驗室的必要性

“模式識別與智能系統(tǒng)”二級學科以各種傳感器為信息源，以信息處理與模式識別的理論技術(shù)為核心，以數(shù)學方法與計算機為主要工具，研究對各種媒體信息進行處理、分類和理解的方法，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造具有某些智能特性的系統(tǒng)。[6]

從全國各高校來看，西安理工大學的“模式識別”實驗課是以MATLAB為工具，以“總體概率密度分布的非參數(shù)方法”、“感知器準則算法”等為實驗內(nèi)容。北京信息科技大學的“模式識別”實驗課是以MATLAB為工具，以“貝葉斯最小錯誤分類器設(shè)計”、“Fisher準則”等為實驗內(nèi)容。江蘇科技大學電子信息學院的“智能控制技術(shù)”實驗課設(shè)置了“模糊控制與傳統(tǒng)PID控制的性能比較”、“神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制仿真研究”等基于MATLAB的仿真實驗。鄭州大學的國家級精品課程“智能控制基礎(chǔ)”配套的實驗課是以“虛擬現(xiàn)實與虛擬實驗室”、“典型擺問題的模糊控制仿真”為實驗內(nèi)容。綜上所述，我國高校中這兩門課程的實驗課較少，且大多是用MATLAB、Simulink等工具進行的針對某一知識點的仿真驗證性、演示性實驗，缺乏以提高學生工程實踐性、創(chuàng)新性為目的綜合性實驗。

目前，北京理工大學還沒有建設(shè)“模式識別與智能系統(tǒng)”的專業(yè)教學實驗室，無法為學生提供相關(guān)的實驗環(huán)境和工程實踐機會。然而，當今時代是一個對高等教育，尤其是對高等工程教育過程日益關(guān)注的時代，培養(yǎng)卓越工程師型的人才是高等學校最重要的任務(wù)。因此，必須為學生提供工程實踐的環(huán)境，構(gòu)建專業(yè)教學實驗室，設(shè)計一體化的實驗課程計劃，將工程知識和實踐能力有效結(jié)合。

二、綜合實驗設(shè)計

“模式識別與智能系統(tǒng)”專業(yè)教學實驗室應(yīng)以工程教育為主導(dǎo)，開發(fā)一體化、綜合性實驗課程，保證學生能夠全天候、多學期的在實驗室進行實驗、鞏固知識，提高學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力及團隊合作能力，進而提高本科工程教育的質(zhì)量，培養(yǎng)合格的工程技術(shù)人才。因此，本文提出了3套綜合實驗系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)進行實驗的設(shè)計。

1.光電跟蹤轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)實驗

光電跟蹤轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)是在科研項目中設(shè)計的一套自制設(shè)備，包括精密伺服平臺（雙向轉(zhuǎn)臺）、圖像采集卡、DSP和仿真器、數(shù)據(jù)采集卡、直流伺服驅(qū)動器和計算機等部分。其中的精密伺服平臺包含了CCD攝像機、鏡頭和測角板。其總體框圖見圖1。

該實驗裝置可以開設(shè)如下三類實驗：一是轉(zhuǎn)臺的伺服控制實驗。轉(zhuǎn)臺是一種常見的被控對象，常常要求精確、穩(wěn)定、快速控制，常用的控制方法有經(jīng)典PID控制、智能控制以及非線性控制。二是目標跟蹤（計算機視覺）實驗。轉(zhuǎn)臺帶有高清彩色CCD攝像機和電動變焦鏡頭，可以實時采集到清晰圖像，經(jīng)圖像采集卡傳輸給計算機，進行目標檢測與識別。對采集回來的視頻流，可以通過各種圖像處理算法進行邊緣或角點檢測，分析其輪廓和背景等；對于運動目標還可以進行實時跟蹤。三是視覺伺服實驗。設(shè)備檢測到感興趣的目標后，需要給轉(zhuǎn)臺發(fā)送一個控制命令，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺跟隨目標轉(zhuǎn)動，進行實時目標跟瞄，以期使得目標始終保持在視場的正中心位置。視覺伺服需要考慮圖像處理和轉(zhuǎn)臺伺服的銜接，即如何根據(jù)圖像特征實時規(guī)劃轉(zhuǎn)臺的運動。視覺伺服控制器的設(shè)計除了經(jīng)典PID控制、現(xiàn)代控制理論外，還有任務(wù)函數(shù)法、圖像雅可比矩陣法、各種智能控制方法等。

2.小型光電跟蹤成像系統(tǒng)實驗

該實驗所用的是REVS-50M小型光電跟蹤成像系統(tǒng)，由手動靶標、圖像采集設(shè)備、激光測距設(shè)備、轉(zhuǎn)臺、計算機五部分組成。各組成部分之間的關(guān)系如圖2所示。

操作人員控制手動靶標運動，運動信息通過圖像采集設(shè)備傳送到計算機中并進行處理，然后將處理得到的控制信號輸入到轉(zhuǎn)臺，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺對手動靶標的實時跟蹤，同時激光測距設(shè)備隨時對靶標的距離進行測量。但系統(tǒng)在運行過程中具有如下問題：一是靶標須放置在純白的背景前，一旦人進入到攝像頭的可視范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)臺會放棄跟蹤靶標，而錯誤的跟蹤與靶標顏色相近或比靶標顏色更深的人；二是轉(zhuǎn)臺對靶標進行跟蹤時，存在反應(yīng)速度慢、抖動大等問題。為了解決以上問題，可開設(shè)如下實驗內(nèi)容，讓學生在開放的環(huán)境下解決實際系統(tǒng)中存在的問題。

（1）光電跟蹤系統(tǒng)的圖像處理。轉(zhuǎn)臺跟蹤靶標時，要利用圖像處理技術(shù)對攝像頭獲取的圖像進行分割，將靶標提取出來。系統(tǒng)中采用的是閾值分割法，這是最基本的圖像分割方法，特別適用于目標和背景占據(jù)不同灰度級范圍的圖像?？梢越Y(jié)合“模式識別”、“智能控制基礎(chǔ)”等專業(yè)課程，讓學生用更高級的圖像分割方法進行圖像處理，如基于區(qū)域生長分割、基于遺傳算法分割等，以改進分割效果。

（2）光電跟蹤系統(tǒng)的目標跟蹤。經(jīng)過圖像處理后，可以求出目標的質(zhì)心，系統(tǒng)用質(zhì)心法對目標進行跟蹤，這種方法同樣也需要被跟蹤物體在純白色背景下運動。對于視覺目標來說，如何選擇有效的目標視覺特征是實現(xiàn)目標魯棒跟蹤的關(guān)鍵，常用的目標特征有顏色、灰度、輪廓及紋理等。因此在本實驗中，可以以靶標的特征選取出發(fā)，根據(jù)靶標與周圍背景紋理的不同，讓學生用基于紋理的方法對目標進行跟蹤，這樣就不會出現(xiàn)由于外界與靶標灰度相近而出現(xiàn)的誤跟蹤現(xiàn)象。

（3）PID控制系統(tǒng)設(shè)計?；诠怆姼櫹到y(tǒng)的PID控制系統(tǒng)設(shè)計實驗可以讓學生設(shè)計系統(tǒng)的PID控制器，控制轉(zhuǎn)臺對靶標進行跟蹤。通過對系統(tǒng)的實際操作，更加直觀的認識PID控制算法。

（4）基于智能控制的光電跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計。學生可以自己選擇并設(shè)計用智能控制方法來替代PID控制，并與傳統(tǒng)的PID控制效果進行比較，加深對自動控制理論和智能控制理論的理解。

3.無人機系統(tǒng)實驗

本實驗選擇加拿大的Draganflyer X6無人機，系統(tǒng)由機載飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控站和地面遙控系統(tǒng)三部分組成。基于該無人機可以設(shè)置三項實驗內(nèi)容：一是基于無人機視頻的運動目標快速跟蹤。運動目標的檢測跟蹤包括運動估計、運動目標檢測方法、運動目標跟蹤方法。本實驗需要學生在無人機上采用合理的檢測算法和跟蹤算法構(gòu)造魯棒的、實時的視頻跟蹤系統(tǒng)。二是飛行控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)是無人機的核心?，F(xiàn)有的幾種飛行控制方法包括傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設(shè)計、非線性動態(tài)逆控制、自適應(yīng)反推控制等。學生可以根據(jù)自身的研究方向以及興趣，選擇合適、可行的控制方法。三是多機編隊協(xié)同控制。編隊飛行的無人機能通過信息共享在飛行中改變原有隊形，自主對突發(fā)事件做出反應(yīng)，在編隊中編入備用的無人機可以保證整個編隊在突發(fā)事件發(fā)生的情況下能夠繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

通過上述三項一體化實驗可以看出，每項實驗都涵蓋了“自動控制理論”、“模式識別”、“圖像處理”、“智能控制理論”等課程的不同知識點。學生在實驗初期，需要廣泛查閱文獻再進行構(gòu)思、設(shè)計，這也強化了對“科技文獻檢索”課程內(nèi)容的實踐。這種課程內(nèi)容的設(shè)置充分體現(xiàn)了專業(yè)教學實驗室實驗課程的綜合性。同時每一項實驗都有多項實驗內(nèi)容，需要多名學生組成一組共同配合進行，有助于提高學生的溝通能力、協(xié)調(diào)能力和團隊合作能力。

三、結(jié)束語

“模式識別與智能系統(tǒng)”專業(yè)教學實驗室主要面向北京理工大學自動化、電氣工程與自動化專業(yè)大學二年級到大學四年級的本科生。該專業(yè)教學實驗室還能以開放實驗的形式面向全校學生全天候開放，讓相關(guān)專業(yè)或?qū)Ρ緦嶒炚n程內(nèi)容有興趣的學生都能參與到實驗室的活動中，最大化地利用實驗室資源。

基于該專業(yè)教學實驗室，本文提出了以工程教育為主導(dǎo)的多學科、綜合性、一體化的實驗教學課程計劃。注重培養(yǎng)學生的動手能力、應(yīng)用工程技術(shù)知識來分析和解決工程實際問題的能力。實驗室建成后，學生可以得到從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運行的一整套工程實踐，有助于幫助學生更好地學習和掌握理論知識，增強動手能力、分析問題和解決問題的能力。經(jīng)過這種學習和培養(yǎng)，有助于學生畢業(yè)后到生產(chǎn)第一線從事設(shè)計、制造、運行、研究和管理工作，成為企業(yè)需要的、能夠獨當一面的、適應(yīng)國家經(jīng)濟社會發(fā)展需求的創(chuàng)新型優(yōu)秀工科專業(yè)人才。

參考文獻：

[1]方惠英，等.立足能源科技前沿 構(gòu)建實驗教學創(chuàng)新體系[J].高等工程教育研究，2011，（5）.

[2]袁洪志.工程教育改革：構(gòu)建面向21世紀人才培養(yǎng)的新模式[J].江蘇高教，2004，（5）.

[3]龔方紅，等.試論工程教育中的本科實驗教學改革[J].中國高教研究，2006，（4）.

[4]顧佩華，等.重新認識工程教育——國際CDIO培養(yǎng)模式與方法[M].第1版.北京：高等教育出版社，2009.

[5]彭熙偉，等.卓越工程師教育培養(yǎng)探討[J].當代教育論壇，

2011，（10）.

[6]模式識別與智能系統(tǒng)[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/911171.htm.

（責任編輯：孫晴）