最小平方誤差分類方法改進(jìn)及其生物特征識(shí)別應(yīng)用

項(xiàng)目完成了模式識(shí)別領(lǐng)域的最小平方誤差算法的如下主要研究工作。（1）設(shè)計(jì)了基于原始人臉圖像及“鏡像臉”的雙向樣本表示與分類方法。設(shè)計(jì)該方法的動(dòng)機(jī)如下。以前的人臉識(shí)別方法無(wú)一例外的使用訓(xùn)練樣本來(lái)表達(dá)測(cè)試樣本，并根據(jù)表達(dá) 結(jié)果對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行分類。其實(shí)除此之外，完全也可以使用測(cè)試樣本來(lái)表達(dá)訓(xùn)練樣本，并將表達(dá)結(jié)果應(yīng)用于測(cè)試樣本的分類決策。因此，本項(xiàng)目提出了一個(gè)雙向樣本表示與分類方法。（2）傳統(tǒng)的線性回歸方法將所有的樣本投影到一個(gè)二值化的標(biāo)簽矩陣，忽略了樣本 之間的差別；為解決這個(gè)問(wèn)題，項(xiàng)目組提出了一個(gè)正則化的標(biāo)簽松弛線性回歸模型。該模型不僅可以擴(kuò)大不同類樣本之間的距離，而且可以有效地解決模型的過(guò)擬合問(wèn)題。為了增強(qiáng)算法的魯棒性，進(jìn)一步地提出了一個(gè)基于2,1 范數(shù)損失函數(shù)的魯棒性模型，該模型可以有效地處理噪聲數(shù)據(jù)。針對(duì)這兩個(gè)模型，提出了兩個(gè)對(duì)應(yīng)的優(yōu)化算法，使得分類更有效，運(yùn)算更快捷。（3）設(shè)計(jì)了自適應(yīng)的權(quán)重融合算法，算法在分類問(wèn)題中取得了很高的精度。而且， 算法具有自動(dòng)確定權(quán)重的優(yōu)點(diǎn)。（4）判別字典學(xué)習(xí)是字典學(xué)習(xí)也是一個(gè)廣義的最小平方誤差問(wèn)題，其核心是如何設(shè)計(jì)判別式約束項(xiàng)提高字典的判別性能。本項(xiàng)目利用編碼系數(shù)矩 陣的行向量(“profile”)和原子的特征構(gòu)建基于魯棒判別式約束的字典學(xué)習(xí)模型，增強(qiáng)字典的判別性，提高基于字典的模式分類性能。利用profiles 和原子構(gòu)建拉普拉斯圖表示它們的結(jié)構(gòu)特征，并在此基礎(chǔ)上利用流形學(xué)習(xí)理論構(gòu)建魯棒判別式約束項(xiàng)模型，使其既能繼承訓(xùn)練樣本的結(jié)構(gòu)特征，又能保持原子的結(jié)構(gòu)和自相關(guān)性特征。此外，根據(jù)原子與profiles的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建基于Fisher準(zhǔn)則的判別式約束項(xiàng)模型，增強(qiáng)字典的判 別性能。本項(xiàng)目提出的基于魯棒判別式約束的字典學(xué)習(xí)模型能在一定程度上解決判別字 典學(xué)習(xí)算法中存在著判別式約束項(xiàng)的魯棒性和自適應(yīng)性差以及字典判別性不強(qiáng)等問(wèn)題。

最小平方誤差分類具有較優(yōu)的理論性質(zhì)，但其在應(yīng)用中存在如下問(wèn)題：算法魯棒性低，對(duì)同一類別的測(cè)試樣本與訓(xùn)練樣本有較大差異的情況，算法容易產(chǎn)生錯(cuò)誤分類結(jié)果。作為一類重要的最小平方誤差分類方法，（稀疏）描述方法在人臉識(shí)別等應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果，但仍存在其算法未能充分地利用訓(xùn)練樣本與測(cè)試樣本這兩類數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估測(cè)試樣本與各類別間相似性等問(wèn)題。同時(shí)，該類方法在生物特征識(shí)別應(yīng)用中也忽略了生物特征數(shù)據(jù)本身所具有的不確定這一重要特性。針對(duì)這些問(wèn)題，本項(xiàng)目以設(shè)計(jì)新的最小平方誤差分類方法為重點(diǎn)，將設(shè)計(jì)魯棒最小平方誤差分類、稀疏最小平方誤差方法、基于原始人臉圖像及對(duì)稱臉的雙向樣本表示與分類方法的設(shè)計(jì)、以及基于總體最小二乘法的樣本表示與識(shí)別方法的設(shè)計(jì)、基于不確定數(shù)據(jù)理論的樣本表達(dá)與識(shí)別等方法。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的方法與算法將非常適合人臉識(shí)別等生物特征識(shí)別任務(wù)。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鋸輪是實(shí)現(xiàn)安裝帶鋸機(jī)的一對(duì)輪子，是實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)的主要部件。帶鋸機(jī)的下鋸輪是主動(dòng)輪，要具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，工作中能起到飛輪作用。上鋸輪是被動(dòng)的，由鋸條帶動(dòng)，要求做的輕些，能與鋸條盡可能保持同步，以便減少因啟動(dòng)制動(dòng)和鋸切阻力變化而引起的鋸輪鋸條之間劇烈的摩擦打滑，以防止鋸條過(guò)分伸縮而斷裂。

(1)對(duì)帶鋸輪表面進(jìn)行淬火處理和冷作硬化處理以提高鋸輪表面的強(qiáng)度，減少鋸輪與鋸條之間的摩擦。

(2)在鋸輪表面覆貼 3－ 5mm 厚度的橡膠，能后有效地較低噪音。這種方法多用于家具廠的小型帶鋸機(jī)上。

(3)將上鋸輪結(jié)構(gòu)由輻條式改為輻板式，使其不易受激振動(dòng)。輻板式上鋸輪采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，消除或降低了輻條式上鋸輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲，整機(jī)噪聲降低 3d B(A)左右。

裝置的改進(jìn)

當(dāng)前帶鋸機(jī)主要特點(diǎn)為進(jìn)料速度大，鋸機(jī)規(guī)格大，鋸條穩(wěn)定性差。鋸解準(zhǔn)確度低，而鋸條穩(wěn)定性取決于鋸條張緊度、鋸條外露長(zhǎng)度、進(jìn)料方向及導(dǎo)向裝置等因素。鋸卡是帶鋸機(jī)的導(dǎo)向裝置，其作用在于縮短鋸條工作邊的自由長(zhǎng)度，提高鋸條的剛度，減小鋸條橫向振動(dòng)的振幅，從而保持鋸路平直。鋸卡的安裝位置應(yīng)接近鋸割的木材。鋸卡有上鋸卡和下鋸卡。下鋸卡固定于機(jī)座上，上鋸卡安裝于機(jī)身專設(shè)的導(dǎo)軌上，可隨鋸路高低不同而隨時(shí)調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)鋸機(jī)中的鋸卡一般采用雙耐鋸卡，它由兩塊硬木制成，與鋸條留有一定間隙(一般控制在0.1～0.15mm，過(guò)緊則摩擦過(guò)大，鋸條發(fā)熱易產(chǎn)生彎曲，過(guò)松則會(huì)失去鋸卡的作用) ，這種結(jié)構(gòu)型式不能充分保證鋸條在工作中不竄動(dòng)，穩(wěn)定性差。

為了解決鋸卡內(nèi)襯與鋸條之間又有間隙又希望鋸卡能起到一定的張緊鋸條的作用，對(duì)鋸卡做了如下的改進(jìn):

①壓力鋸卡:其工作原理是將鋸條的工作邊通過(guò)鋸卡的側(cè)向壓力向外擠壓，使鋸條的工作邊超過(guò)鋸輪輪緣外側(cè)一段距離(一般約 6—15mm) ，從而將鋸條強(qiáng)制拉直。采用氣動(dòng)或液壓缸式壓力鋸卡，可實(shí)現(xiàn)鋸條自動(dòng)退避，用它代替用的跑車自動(dòng)退避裝置，有利于搖尺精度的提高。

②將傳統(tǒng)的鋸卡改進(jìn)為滾動(dòng)式鋸卡:鋸條有一邊抵住滾柱，降低了鋸卡與鋸條之間的摩擦。

自動(dòng)處理系統(tǒng)

為使鋸條適應(yīng)木材的切削應(yīng)力及其自身熱應(yīng)力變化，防止鋸條竄動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定工作的目的，普通帶鋸機(jī)上的鋸條須經(jīng)常進(jìn)行適張度處理，而適張度處理技術(shù)技術(shù)性較強(qiáng)，依賴經(jīng)驗(yàn)及傳統(tǒng)，技術(shù)保守，常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題． 致使鋸切不暢，鋸解精度低，鋸機(jī)操作工與修鋸工之間產(chǎn)生矛盾等。因此許多國(guó)家都在研制各種能自動(dòng)處理適張度的鋸機(jī)。

①南京林業(yè)大學(xué)研制的適用于普通帶鋸機(jī)的適張度自動(dòng)處理鋸輪形式。經(jīng)在生產(chǎn)中使用，無(wú)論是原來(lái)有適張度或新用的鋸條都不需另作適張度處理，而能直接使用，且鋸條工作平穩(wěn)，鋸背及鋸齒齒根處摹本上不產(chǎn)生裂睬，鋸材加工質(zhì)量良好。由于該項(xiàng)技術(shù)對(duì)原有帶鋸機(jī)的基率結(jié)構(gòu)不變，只進(jìn)行鋸輪輪轅面的車削加工，便于推廣使用。

②輪緣上加工出凸棱歐洲一些現(xiàn)代化帶鋸機(jī)上普遍在輪緣上磨削出凸棱，主要有兩種形式。一種把輪緣面加共成二個(gè)圓弧形，并使它們?cè)陔x工作邊沿約 1 /3 輪寬處形成凸棱;另一種輪緣面的前沿和背部均為直線，中間加工成圓弧并在靠近前沿處形成凸棱。

③鋸輪輪緣表面開有環(huán)形槽這些槽可以順利地排除鋸條與輪緣表面之間由于擠入空氣而可能形成的氣墊，使鋸條與鋸輪更緊密地接觸，以提高鋸條的工作穩(wěn)定性。同時(shí)這些槽使鋸條表面在寬度方向形成多支撐點(diǎn)，有利于阻止鋸條向后滑移。

④鋸輪靜軸結(jié)構(gòu)鋸輪軸在張緊力作用下的彎曲，會(huì)使鋸輪回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的徑向跳動(dòng)，引起鋸條周期性伸縮、應(yīng)力陡變和不穩(wěn)定。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)代帶鋸機(jī)普遍采取靜軸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)剛度好，不易產(chǎn)生彎曲，有利于提高鋸輪鋸條運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，能適應(yīng)高張力帶鋸機(jī)的需要。同時(shí)靜軸結(jié)構(gòu)還可做成單支撐形式，便于在各種聯(lián)鋸上應(yīng)用。

鋸條檢測(cè)

鋸條裂口是鋸條在使用中難以避免的常見現(xiàn)象。但它卻給制材生產(chǎn)帶來(lái)不良的影響。當(dāng)鋸條裂口超過(guò)規(guī)定長(zhǎng)度時(shí)，就會(huì)造成事故，并威脅著操作人員的人身安全。所以修鋸工人在修鋸的同時(shí)盡管采取了不同的措施，鋸條裂口雖避免了，往往因措施不當(dāng)，又帶來(lái)了鋸條不好用，壽命短的弊病，而且鋸出的木材質(zhì)量明顯下降。以前僅從滿足使用要求出發(fā)，作了三項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)規(guī)定，即抗拉強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率及硬度，但從安全角度出發(fā)不夠全面，特別是細(xì)木工帶鋸條的韌性指標(biāo)，疲勞性能反映不明顯。應(yīng)用反復(fù)彎曲試驗(yàn)法為一項(xiàng)有效檢測(cè)法，它具有試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、缺陷反映敏感、操作方便、試驗(yàn)周期短的優(yōu)點(diǎn)。方法可參考國(guó)標(biāo)GB235 － 33 金屬反復(fù)彎曲試驗(yàn)機(jī)(型號(hào) GWJ － 5)經(jīng)適當(dāng)改裝，更換部分零件即可應(yīng)用帶材試驗(yàn)。可檢測(cè)三方面缺陷:

a． 鋼材內(nèi)部缺陷(如細(xì)裂紋、夾尾等)。

b． 鋼材含有的有害雜質(zhì) (如過(guò)量非金屬夾雜物，有害元素的晶界富集等)。

c． 熱處理缺陷 (如晶粒粗大、淬火裂紋、網(wǎng)狀碳化物，回火脆性)。

經(jīng)實(shí)踐表明，能同時(shí)發(fā)現(xiàn)冷熱加工出現(xiàn)缺陷，同拉伸、硬度試驗(yàn)配合使用，可反映良好的經(jīng)濟(jì)效果，較大程度上減少了帶鋸斷裂事故發(fā)生率、促使帶鋸質(zhì)量的提高 。

鋸輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鋸輪是實(shí)現(xiàn)安裝帶鋸機(jī)的一對(duì)輪子，是實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)的主要部件。帶鋸機(jī)的下鋸輪是主動(dòng)輪，要具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，工作中能起到飛輪作用。上鋸輪是被動(dòng)的，由鋸條帶動(dòng)，要求做的輕些，能與鋸條盡可能保持同步，以便減少因啟動(dòng)制動(dòng)和鋸切阻力變化而引起的鋸輪鋸條之間劇烈的摩擦打滑，以防止鋸條過(guò)分伸縮而斷裂。

(1) 對(duì)帶鋸輪表面進(jìn)行淬火處理和冷作硬化處理以提高鋸輪表面的強(qiáng)度，減少鋸輪與鋸條之間的摩擦。

(2) 在鋸輪表面覆貼 3－ 5mm 厚度的橡膠，能后有效地較低噪音。這種方法多用于家具廠的小型帶鋸機(jī)上。

(3) 將上鋸輪結(jié)構(gòu)由輻條式改為輻板式，使其不易受激振動(dòng)。輻板式上鋸輪采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，消除或降低了輻條式上鋸輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲，整機(jī)噪聲降低 3d B(A)左右。

帶鋸機(jī)的導(dǎo)向裝置的改進(jìn)

當(dāng)前帶鋸機(jī)主要特點(diǎn)為進(jìn)料速度大，鋸機(jī)規(guī)格大，鋸條穩(wěn)定性差。鋸解準(zhǔn)確度低，而鋸條穩(wěn)定性取決于鋸條張緊度、鋸條外露長(zhǎng)度、進(jìn)料方向及導(dǎo)向裝置等因素。鋸卡是帶鋸機(jī)的導(dǎo)向裝置，其作用在于縮短鋸條工作邊的自由長(zhǎng)度，提高鋸條的剛度，減小鋸條橫向振動(dòng)的振幅，從而保持鋸路平直。鋸卡的安裝位置應(yīng)接近鋸割的木材。

鋸卡有上鋸卡和下鋸卡。下鋸卡固定于機(jī)座上，上鋸卡安裝于機(jī)身專設(shè)的導(dǎo)軌上，可隨鋸路高低不同而隨時(shí)調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)鋸機(jī)中的鋸卡一般采用雙耐鋸卡，它由兩塊硬木制成，與鋸條留有一定間隙（一般控制在0.1～0.15mm，過(guò)緊則摩擦過(guò)大，鋸條發(fā)熱易產(chǎn)生彎曲，過(guò)松則會(huì)失去鋸卡的作用），這種結(jié)構(gòu)型式不能充分保證鋸條在工作中不竄動(dòng)，穩(wěn)定性差。為了解決鋸卡內(nèi)襯與鋸條之間又有間隙又希望鋸卡能起到一定的張緊鋸條的作用，對(duì)鋸卡做了如下的改進(jìn)：

① 壓力鋸卡：其工作原理是將鋸條的工作邊通過(guò)鋸卡的側(cè)向壓力向外擠壓，使鋸條的工作邊超過(guò)鋸輪輪緣外側(cè)一段距離（一般約 6～15mm），從而將鋸條強(qiáng)制拉直。采用氣動(dòng)或液壓缸式壓力鋸卡，可實(shí)現(xiàn)鋸條自動(dòng)退避，用它代替用的跑車自動(dòng)退避裝置，有利于搖尺精度的提高。

② 將傳統(tǒng)的鋸卡改進(jìn)為滾動(dòng)式鋸卡：鋸條有一邊抵住滾柱，降低了鋸卡與鋸條之間的摩擦。

鋸條適張度自動(dòng)處理系統(tǒng)

為使鋸條適應(yīng)木材的切削應(yīng)力及其自身熱應(yīng)力變化，防止鋸條竄動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定工作的目的，普通帶鋸機(jī)上的鋸條須經(jīng)常進(jìn)行適張度處理，而適張度處理技術(shù)技術(shù)性較強(qiáng)，依賴經(jīng)驗(yàn)及傳統(tǒng)，技術(shù)保守，常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。 致使鋸切不暢，鋸解精度低，鋸機(jī)操作工與修鋸工之間產(chǎn)生矛盾等。因此許多國(guó)家都在研制各種能自動(dòng)處理適張度的鋸機(jī)。

① 南京林業(yè)大學(xué)研制的適用于普通帶鋸機(jī)的適張度自動(dòng)處理鋸輪形式。經(jīng)在生產(chǎn)中使用，無(wú)論是原來(lái)有適張度或新用的鋸條都不需另作適張度處理，而能直接使用，且鋸條工作平穩(wěn)，鋸背及鋸齒齒根處摹本上不產(chǎn)生睬，鋸材加工質(zhì)量良好。由于該項(xiàng)技術(shù)對(duì)原有帶鋸機(jī)的基率結(jié)構(gòu)不變，只進(jìn)行鋸輪輪轅面的車削加工，便于推廣使用。

② 輪緣上加工出凸棱歐洲一些現(xiàn)代化帶鋸機(jī)上普遍在輪緣上磨削出凸棱，主要有兩種形式。一種把輪緣面加共成二個(gè)圓弧形，并使它們?cè)陔x工作邊沿約 1/3 輪寬處形成凸棱；另一種輪緣面的前沿和背部均為直線，中間加工成圓弧并在靠近前沿處形成凸棱。

③ 鋸輪輪緣表面開有環(huán)形槽這些槽可以順利地排除鋸條與輪緣表面之間由于擠入空氣而可能形成的氣墊，使鋸條與鋸輪更緊密地接觸，以提高鋸條的工作穩(wěn)定性。同時(shí)這些槽使鋸條表面在寬度方向形成多支撐點(diǎn)，有利于阻止鋸條向后滑移。

④ 鋸輪靜軸結(jié)構(gòu)鋸輪軸在張緊力作用下的彎曲，會(huì)使鋸輪回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的徑向跳動(dòng)，引起鋸條周期性伸縮、應(yīng)力陡變和不穩(wěn)定。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)代帶鋸機(jī)普遍采取靜軸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)剛度好，不易產(chǎn)生彎曲，有利于提高鋸輪鋸條運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，能適應(yīng)高張力帶鋸機(jī)的需要。同時(shí)靜軸結(jié)構(gòu)還可做成單支撐形式，便于在各種聯(lián)鋸上應(yīng)用。

鋸條檢測(cè)

鋸條裂口是鋸條在使用中難以避免的常見現(xiàn)象。但它卻給制材生產(chǎn)帶來(lái)不良的影響。當(dāng)鋸條裂口超過(guò)規(guī)定長(zhǎng)度時(shí)，就會(huì)造成事故，并威脅著操作人員的人身安全。所以修鋸工人在修鋸的同時(shí)盡管采取了不同的措施，鋸條裂口雖避免了，往往因措施不當(dāng)，又帶來(lái)了鋸條不好用，壽命短的弊病，而且鋸出的木材質(zhì)量明顯下降。以前僅從滿足使用要求出發(fā)，作了三項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)規(guī)定，即抗拉強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率及硬度，但從安全角度出發(fā)不夠全面，特別是細(xì)木工帶鋸條的韌性指標(biāo)，疲勞性能反映不明顯。

應(yīng)用反復(fù)彎曲試驗(yàn)法為一項(xiàng)有效檢測(cè)法，它具有試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、缺陷反映敏感、操作方便、試驗(yàn)周期短的優(yōu)點(diǎn)。方法可參考國(guó)標(biāo)GB235 － 33 金屬反復(fù)彎曲試驗(yàn)機(jī)（型號(hào) GWJ － 5）經(jīng)適當(dāng)改裝，更換部分零件即可應(yīng)用帶材試驗(yàn)?？蓹z測(cè)三方面缺陷：

a． 鋼材內(nèi)部缺陷（如細(xì)裂紋、夾尾等）。

b． 鋼材含有的有害雜質(zhì)（如過(guò)量非金屬夾雜物，有害元素的晶界富集等）。

c． 熱處理缺陷（如晶粒粗大、淬火裂紋、網(wǎng)狀碳化物，回火脆性）。

經(jīng)實(shí)踐表明，能同時(shí)發(fā)現(xiàn)冷熱加工出現(xiàn)缺陷，同拉伸、硬度試驗(yàn)配合使用，可反映良好的經(jīng)濟(jì)效果，較大程度上減少了帶鋸斷裂事故發(fā)生率、促使帶鋸質(zhì)量的提高。

《煤巷頂板穩(wěn)定性分類方法及其應(yīng)用》可供從事采礦工程和地下工程等相關(guān)工作的高等學(xué)校教師及研究生、科研院所的研究人員和設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)人員參考，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員參考。