英語語言理解在馬鈴薯播種機上的應(yīng)用研究

黃 娟

(周口師范學(xué)院 外國語學(xué)院，河南 周囗 466001)

0 引言

馬鈴薯富含淀粉、維生素和氨基酸等物質(zhì)，擁有較高的營養(yǎng)價值。馬鈴薯的環(huán)境適應(yīng)性強，在世界范圍內(nèi)廣泛種植，成為第四大糧食作物。馬鈴薯在我國的種植歷史悠久，規(guī)模增長極快，如今在糧食生產(chǎn)中的地位僅次于小麥、水稻和玉米。2015年，我國的馬鈴薯種植面積達到561.46萬hm2，2020年預(yù)計增至666.67萬hm2，產(chǎn)量達到1.5億t，成為馬鈴薯種植面積、產(chǎn)量和消費的第一大國[1]。隨著我國人口增長和耕地面積較少，糧食的供給壓力將日益增加，因此保持馬鈴薯的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)可以緩解糧食壓力，具有重大的現(xiàn)實意義。

馬鈴薯種植所需的勞動量大，然而我國近些年來農(nóng)村勞動人口流失嚴重，傳統(tǒng)的人工方式已經(jīng)無法滿足馬鈴薯的生產(chǎn)要求，對機械化、自動化的需求迫切。我國馬鈴薯種植的機械化普及率低，導(dǎo)致單位產(chǎn)量相比發(fā)達國家差距較大。為此，我國研究人員研制出了各型馬鈴薯機械并逐步應(yīng)用于實際生產(chǎn)，推動了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。馬鈴薯種植涉及的機械包括播種機和收獲機，收獲機只能提高效率，對產(chǎn)量沒有影響。播種機既可以提高生產(chǎn)效率，還具有較高的作業(yè)質(zhì)量以實現(xiàn)高產(chǎn)。另外，馬鈴薯的播種方式和種薯類型多樣，播種過程相對繁瑣，面臨的問題也較多，因此對播種機作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量的研究具有重要的意義。

播種機需要擁有從開溝施肥至播種后的鎮(zhèn)壓覆膜一系列作業(yè)能力，研制的難度較大。我國最早是從國外引進了部分型號，但是受種植條件差異、成本以及售后保障的影響，最終沒有大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)[2]。后來，通過對國外機械的研究和借鑒，科研人員研制出了適合我國國情的各種馬鈴薯播種機[3-5]。

馬鈴薯播種機在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的主要問題是株距不均勻、漏播以及重播，對發(fā)芽率和單位面積產(chǎn)量造成了不利影響。研究人員對馬鈴薯播種機進行了改進，在一定程度上解決了上述的問題[6]。劉全威等針對馬鈴薯播種機的漏播問題，設(shè)計了基于單片機的漏播補償系統(tǒng)，能夠及時準確地補種，有效減少了漏播損失[7]。李雷霞等和孫傳祝等分別針對馬鈴薯播種機的漏播問題和株距控制精確度低的問題，在機械上整合以傳感器為核心的智能控制系統(tǒng)，有效地解決了馬鈴薯播種機的相關(guān)缺陷[8-9]。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在向智能化發(fā)展，各種傳感器、芯片和計算機開始與農(nóng)業(yè)機械緊密結(jié)合，用以提高生產(chǎn)效率。上述馬鈴薯播種機的研究大多針對單個作業(yè)性能，還無法完成整個系統(tǒng)的整合和機械總體技術(shù)水平的提升。在農(nóng)業(yè)機械智能化的背景下，設(shè)計先進的控制系統(tǒng)對馬鈴薯播種機的實踐應(yīng)用極為重要。在各種新型技術(shù)中，語言理解是一種主動性的信息處理過程，可以為整合農(nóng)業(yè)機械各個系統(tǒng)，提升機械總體性能提供有力的工具。

語言理解是指人類的視覺或聽覺接收語言信息，以此構(gòu)建語言描述環(huán)境，獲取語言所要表達的涵義。人文科學(xué)是最早應(yīng)用語言理解的學(xué)科，后來計算機科學(xué)推動語言理解發(fā)展到自然科學(xué)領(lǐng)域。目前，語言理解應(yīng)用在機械設(shè)計制造方面的研究最多，是模型重建的基礎(chǔ)[10-12]。語言的基本要素為音、形和義，因此語言理解即利用計算機處理音、形和義，然后依次組合成為字、詞、句和篇進行分析，最終理解語言表達的內(nèi)容。語言理解的環(huán)節(jié)可以分解為計算機指令生成、發(fā)送、識別和理解，能夠用于提高智能農(nóng)機控制的速度及精度。

在世界上的眾多語言中，英語用26個字母組合成大量的單詞和語句，且具有簡單的語法和自然的語感，是世界上應(yīng)用最廣泛的語言。英語的少量單詞便能表達豐富的內(nèi)容，賦予英語語言理解在機械應(yīng)用上的優(yōu)越性。對英語語言理解在農(nóng)業(yè)機械上的應(yīng)用進行研究，既能與國際接軌，通過吸收國外先進經(jīng)驗改善我國農(nóng)業(yè)機械的性能，還可以提高我國成熟機械的適應(yīng)性，為進入國際市場奠定基礎(chǔ)。因此，本文對英語語言理解在馬鈴薯播種機控制上的應(yīng)用進行了研究，分析了名詞、動詞、形容詞和副詞在播種機株距控制、漏播檢測和漏播補償功能中的語義，以便提高馬鈴薯播種機的智能化水平。

1 設(shè)備和語言理解過程

1.1 硬件和軟件

應(yīng)用的馬鈴薯播種機是2CM-4型，由一臺福田雷沃M1200-D型拖拉機牽引。該型播種機可以完成開溝到噴藥的一系列作業(yè)，單次作業(yè)播種4行，行距為80cm，株距14～45cm之間可調(diào)。播種機使用交叉杯取種和隨動變頻精量播種，重播率小于18%，漏播率小于12%。英語語言理解的硬件設(shè)備為戴爾I3668-18N2型電腦，配置Intel i5處理器、8GB內(nèi)存和1TB硬盤。語言理解程序為visual C++，操作系統(tǒng)為Windows10。

1.2 語言理解流程

語言理解的宗旨是進行篇章分析并理解語義，實現(xiàn)對播種機的控制。字、詞和句是構(gòu)成語言的基礎(chǔ)，詞法、語法和句法是它們之間聯(lián)系的紐帶。因此，根據(jù)英語語言的組成規(guī)則和特點，總結(jié)了語言理解的整體流程，如圖1所示。首先分析單詞的詞義和詞法，然后利用語法將單詞組合成句，并確定語句的語境；在此基礎(chǔ)上，對構(gòu)成語句的名詞、動詞、形容詞和副詞等各類單詞分類處理并釋義；不能準確釋義的單詞回到語句中重新做分類處理，直到完成釋義。不同類型單詞的分類釋義是語言理解的核心和難點，成功釋義的語句可以作為語言編程的基礎(chǔ)，經(jīng)過規(guī)范化處理后形成計算機能夠解讀的形式而用于篇章分析。篇章分析是構(gòu)建程序分析和處理語句之間的相互關(guān)系，得到核心事件的模型進行語用建模，完成英語語言理解。

圖1 英語語言理解的過程

1.3 控制模塊

播種機指令的參數(shù)和操作通過英語來表達，語言理解程序?qū)Ω黝悊卧~的語義進行分析，獲得指令的具體內(nèi)容，最后形成相應(yīng)的信號來啟動動作執(zhí)行和控制功能。英語語言理解與播種機結(jié)合是以語義理解技術(shù)為基礎(chǔ)的智能控制和操作系統(tǒng)，由英語語言知識庫和機械控制的決策模塊組成。系統(tǒng)模仿播種機的人工操作形式，結(jié)合人工控制的經(jīng)驗，形成自身的邏輯判斷和決策特征。

英語語言理解在播種機上的控制系統(tǒng)包括語音輸入裝置、語義分析模塊、數(shù)據(jù)庫、指令推理模塊和指令執(zhí)行裝置，如圖2所示。首先，由輸入裝置接收操作者的口頭或文字指令，形成計算機能夠識別的語言形式；然后，分析模塊接收這些信息，完成語法至篇章的分析過程。工作時，利用英語語言和機械控制數(shù)據(jù)庫對比分析并篩選的結(jié)果，在推理模塊中釋義形成具體的指令；控制執(zhí)行裝置接收指令，根據(jù)指令完成相應(yīng)操作以實現(xiàn)機械的功能。

圖2 播種機的控制系統(tǒng)組成

2 單詞聚類

名詞是人類語言中種類和數(shù)量最多的詞類，且占據(jù)了所有的6種句法位置。名詞的聚類前提是建立馬鈴薯播種機功能的名詞知識庫，即株距控制、漏播檢測和漏播補償?shù)南嚓P(guān)名詞，如機械部件、功能主體等，如表1所示。

表1 播種機功能的名詞模板

播種機的動態(tài)過程為接受指令、分析推理和執(zhí)行指令，每個指令的執(zhí)行包含多個子程序。播種機控制的動詞知識庫用于確定動態(tài)事件之間的順序和關(guān)系，單詞可以描述機械的運行動作和動態(tài)過程，如表2所示。

表2 播種機功能的動詞模板

形容詞在所有語言中都可以對事物的性質(zhì)進行描述，在播種機上用于精確描述和理解操作者的指令，通過完善推理過程的限制條件，把語言理解的結(jié)果轉(zhuǎn)化為準確的指令以便執(zhí)行，如表3所示。

表3 播種機功能的形容詞模板

副詞主要用來修飾動詞或形容詞，可以表示程度、時間及范圍等。副詞在播種機控制中可以表現(xiàn)指令接收和分析推理的環(huán)境條件，在程度、時間、范圍上提高英語語言理解結(jié)果的準確性，如表4所示。

表4 播種機功能的副詞模板

3 控制功能

播種機株距控制是當霍爾傳感器檢測到播種機地輪轉(zhuǎn)速發(fā)送變化時，根據(jù)設(shè)定的株距計算速度偏離的范圍，然后由控制器向馬達發(fā)出改變轉(zhuǎn)速的指令。代表性的事件有：

(Dynamic event (Event name: rotational speed change) (Standard verb: twirl) (Objective: distance control) (Mode: turn) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: blank) (Result: yes))

播種機漏播檢測是正常情況下接觸式傳感器檢測桿與薯種良好接觸并反饋信號，漏種時反饋信號消失，立即啟動漏播警報和漏播補償。代表性的事件有：

(Static event (Event name: Signal detection) (Standard verb: monitor) (Objective: alarm start) (Mode: feedback signal) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: blank))

播種機漏播補償是在檢測到漏種時，計算機程序發(fā)出高平電，驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動一定的角度，帶動曲柄進行補種。代表性的事件有：

(Dynamic event (Event name: loss sowing compensation) (Standard verb: send) (Objective: driving crank) (Mode: sending high frequency electricity) (Start: blank) (End: yes) (Abidance: blank) (Result: yes))

4 結(jié)論

研究了英語語言理解在馬鈴薯播種機上的應(yīng)用，根據(jù)英語語言的組成規(guī)則和特點，設(shè)計了語言理解的整體流程，依次為單詞分析、句法分析、分類釋義、篇章分析和語義理解。在此過程中，對構(gòu)成語句的名詞、動詞、形容詞和副詞等各類單詞分類處理并釋義；成功釋義的語句作為語言編程的基礎(chǔ)，經(jīng)過規(guī)范化處理后形成計算機能夠解讀的形式而用于篇章分析；篇章分析得到核心事件的模型進行語用建模，完成英語語言理解。英語語言理解在播種機上的控制系統(tǒng)由語音輸入裝置、語義分析模塊等5部分組成，通過對各種類型單詞的聚類分析，使播種機實現(xiàn)株距控制、漏播檢測和漏播補償功能。最后，列舉了各種功能的代表性事件，旨在為改進馬鈴薯播種機的性能及提高智能化水平提供參考。