向婷婷

(塔里木大學(xué) 人文學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

棉花是我國(guó)第二大經(jīng)濟(jì)作物，在長(zhǎng)江黃河的中下游及新疆地區(qū)廣泛種植。我國(guó)的棉花產(chǎn)量位居世界前列，棉花產(chǎn)業(yè)為紡織工業(yè)提供了原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。近幾年，勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移引起棉花種植成本增加，加上部分棉產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，導(dǎo)致我國(guó)棉花種植面積和產(chǎn)量有所下降。棉花生產(chǎn)機(jī)械化是解決這一問(wèn)題的有效途徑。目前，我國(guó)研制的棉花機(jī)械已經(jīng)覆蓋整地播種、田間管理和采摘收獲等環(huán)節(jié)，但是棉花的整體機(jī)械化程度較低，機(jī)械工作效率和技術(shù)水平與國(guó)外差距較為明顯，還有進(jìn)一步提升的潛力[1]。

棉花打頂用于去除其生長(zhǎng)的頂端優(yōu)勢(shì)，將水分和營(yíng)養(yǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移，增加棉鈴數(shù)量和質(zhì)量，能夠起到明顯的增產(chǎn)效果[2]。傳統(tǒng)的打頂方式以人工打頂和化學(xué)控制為主，都有各自的適用范圍，也有其相應(yīng)的局限性。人工打頂?shù)姆椒ê?jiǎn)單，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率較低；另外，該方法的成本高昂，不符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。化學(xué)控制是用化學(xué)物質(zhì)抑制棉花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，從而起到與打頂相同的作用。該方法的技術(shù)含量高，但是控制效果受到較多因素的影響，且對(duì)人畜產(chǎn)生附帶的毒害，影響了其推廣應(yīng)用。

棉花打頂機(jī)械的作業(yè)效率高，克服了傳統(tǒng)方式的缺點(diǎn)，在棉花生產(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)科研人員對(duì)棉花的機(jī)械打頂技術(shù)進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了各種型號(hào)的打頂機(jī)械。棉田環(huán)境復(fù)雜，打頂機(jī)的作業(yè)效率會(huì)受振動(dòng)和塵土的影響，作業(yè)精度也不高，存在漏打頂和過(guò)打頂問(wèn)題[4-6]。因此，目前的棉花打頂機(jī)大多處于試驗(yàn)階段，只有解決了各種技術(shù)難題后才能在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮理想的效果。

在棉花打頂機(jī)上，打頂高度自動(dòng)控制的相關(guān)研究最多。李霞等利用傳感器發(fā)出超聲波來(lái)測(cè)量棉花株高，經(jīng)過(guò)分析和修正后為打頂高度的自動(dòng)控制提供數(shù)據(jù)[7]。他們將這種方法與打頂機(jī)械結(jié)合，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中面臨的問(wèn)題進(jìn)行了分析，表明其具有較好的適應(yīng)性[8]。孫杰基于激光對(duì)射技術(shù)，設(shè)計(jì)了棉花打頂高度自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠代替人工完成打頂作業(yè)，表現(xiàn)出更高的作業(yè)效率[9]。另外，在電源開(kāi)關(guān)控制上，張明輝等設(shè)計(jì)了由編碼和解碼芯片構(gòu)成的無(wú)線遙控電源開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棉花打頂機(jī)的遠(yuǎn)程控制[10]。楊斌等通過(guò)對(duì)棉花打頂機(jī)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬和仿真分析，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度[11]。孫杰等設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)，有效地解決了棉花打頂機(jī)能耗大和電機(jī)損耗嚴(yán)重的問(wèn)題[6]。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正在朝自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展，各種類型的傳感器、芯片和計(jì)算機(jī)已經(jīng)與農(nóng)業(yè)機(jī)械緊密結(jié)合，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。上述針對(duì)棉花打頂機(jī)的研究只提高了單個(gè)性能，沒(méi)有完成多個(gè)系統(tǒng)的整合和打頂機(jī)整體技術(shù)水平的提升。農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化和智能化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，因此先進(jìn)的控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)打頂機(jī)的自動(dòng)化和智能化尤為重要。

語(yǔ)言理解是促進(jìn)棉花打頂機(jī)各系統(tǒng)整合和整體性能提升的有效方式。語(yǔ)言理解是一種主動(dòng)的意義構(gòu)建過(guò)程，最初定義為人類在接收語(yǔ)言后通過(guò)想象語(yǔ)言描述的情境，從而揭示語(yǔ)言意義的過(guò)程。計(jì)算機(jī)科學(xué)推動(dòng)了人工智能的進(jìn)步，學(xué)科的交叉使得語(yǔ)言理解超出了人文科學(xué)的范圍，開(kāi)始與自然科學(xué)的部分領(lǐng)域結(jié)合。目前，語(yǔ)言理解在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，成為工序建模和三維重建的基礎(chǔ)[12-13]。

語(yǔ)言理解在自然科學(xué)中可以概括為利用計(jì)算機(jī)處理語(yǔ)言的音、形和義，對(duì)字、詞、句、篇進(jìn)行輸入、輸出、識(shí)別和理解，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言的表達(dá)和描述功能。語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)理解是一門(mén)較新的邊緣學(xué)科，也是一門(mén)涉及到多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科。語(yǔ)言理解的內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)指令的形成、傳輸、識(shí)別和處理，因此可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制上，提高其智能化水平。英語(yǔ)是當(dāng)今世界最主要的國(guó)際通用語(yǔ)言，其語(yǔ)法和詞法簡(jiǎn)單，語(yǔ)感輕松自然。英語(yǔ)的少量單詞加上簡(jiǎn)單語(yǔ)法便可以表達(dá)出豐富的內(nèi)容，因此針對(duì)英語(yǔ)的語(yǔ)言理解可以應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制上。本文對(duì)英語(yǔ)語(yǔ)言理解中的篇章名詞、動(dòng)詞、形容詞和介詞在棉花打頂機(jī)上進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了打頂機(jī)的動(dòng)力測(cè)試、無(wú)線遙控和打頂高度控制系統(tǒng)，以提高打頂機(jī)的智能化水平。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 硬件和軟件

研究使用的棉花打頂機(jī)為3MDZ-1型，由1臺(tái)高地隙拖拉機(jī)牽引并提供電源和動(dòng)力。打頂機(jī)上裝載戴爾I3668-18N2型臺(tái)式電腦，配置Intel i5處理器、8GB內(nèi)存和1TB硬盤(pán)。英語(yǔ)語(yǔ)言理解編程軟件為visual C++，運(yùn)行環(huán)境為Windows10系統(tǒng)。

1.2 整體流程

英語(yǔ)語(yǔ)言理解的核心和最終目的是篇章分析，這也是應(yīng)用于打頂機(jī)的基本內(nèi)容。詞法、語(yǔ)法和句法分析是篇章分析的基礎(chǔ)，它們?cè)谟⒄Z(yǔ)語(yǔ)言理解整體流程中的關(guān)系如圖1所示。語(yǔ)言理解的流程是首先分析詞法、語(yǔ)法和句法，然后對(duì)名詞、動(dòng)詞、形容詞和介詞分類處理，分別釋義。無(wú)法完成釋義的單詞返回語(yǔ)句中重復(fù)分析和分類處理，直至完成釋義。各種類型單詞的聚類釋義是英語(yǔ)語(yǔ)言理解的核心內(nèi)容，以此為基礎(chǔ)按照編程語(yǔ)言做規(guī)范化處理，形成被計(jì)算機(jī)理解的語(yǔ)言格式，用于篇章分析。之后，在軟件中建立程序分析和處理各語(yǔ)句之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，最終得到圍繞核心事件的模型，完成對(duì)英語(yǔ)語(yǔ)義的理解。

圖1 英語(yǔ)語(yǔ)言理解的整體流程Fig.1 Overall process of English language understanding

1.3 組成部分

棉花打頂機(jī)上操作者的指令是用英語(yǔ)來(lái)表達(dá)的，語(yǔ)言理解則通過(guò)各類單詞的聚類釋義對(duì)其進(jìn)行分析，從而獲得指令的具體含義，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)來(lái)啟動(dòng)動(dòng)作執(zhí)行裝置。英語(yǔ)語(yǔ)言理解與打頂機(jī)結(jié)合是以語(yǔ)言理解技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)，包含了英語(yǔ)語(yǔ)言知識(shí)庫(kù)和控制機(jī)械的決策模塊。系統(tǒng)模仿打頂機(jī)的人工操作模式，總結(jié)人工操作的規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)，形成自身邏輯判斷和決策特征。

以英語(yǔ)語(yǔ)言理解為基礎(chǔ)的打頂機(jī)智能控制系統(tǒng)包含輸入裝置、分析模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)、推理模塊和控制執(zhí)行裝置，如圖2所示。

圖2 打頂機(jī)智能控制系統(tǒng)的組成Fig. 2 Composition of intelligent control system for top cutter

輸入裝置用于把操作者的口頭或書(shū)面指令轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語(yǔ)言形式，分析模塊接收上述信息，完成從語(yǔ)法分析至篇章分析的過(guò)程。分析結(jié)果在英語(yǔ)語(yǔ)言和機(jī)械控制數(shù)據(jù)庫(kù)中經(jīng)過(guò)比對(duì)、篩選后由推理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行理解，推理形成具體的指令?？刂茍?zhí)行裝置接收指令，完成相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作和調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)打頂機(jī)的控制。

2 單詞聚類

名詞聚類首先要建立打頂機(jī)控制的名詞知識(shí)庫(kù)，包括機(jī)械動(dòng)力、通信和打頂?shù)南嚓P(guān)名詞，如表1所示。這些名詞在知識(shí)庫(kù)中的信息應(yīng)該包含概念和各種內(nèi)核格式，可以以此推導(dǎo)出名詞的其它屬性。

表1 部分名詞模板Table 1 Part template of noun

打頂機(jī)控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以概括為接受指令、分析推理和執(zhí)行指令，每個(gè)環(huán)節(jié)又分為多個(gè)子程序。在此基礎(chǔ)上，本文建立了打頂機(jī)控制的動(dòng)態(tài)概念知識(shí)庫(kù)，通過(guò)確定動(dòng)態(tài)事件之間的順序和關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行完善，如表2所示。

表2 部分動(dòng)詞模板Table 2 Part template of verb

形容詞在現(xiàn)代語(yǔ)言學(xué)中被細(xì)分為性質(zhì)形容詞、狀態(tài)形容詞和區(qū)別詞，而語(yǔ)言理解中為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)信息的處理，又把性質(zhì)形容詞分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)，用于對(duì)事物性質(zhì)的描述。形容詞在打頂機(jī)上用于精確描述和理解操作者的指令，確定分析推理過(guò)程的約束條件，最終把推理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的命令進(jìn)行執(zhí)行，如表3所示。

介詞是一種不能單獨(dú)使用的定位附著詞，它們位于名詞、代詞或名詞性單詞之前，用于表示這些名詞與語(yǔ)句中其它單詞之間的時(shí)間或方位關(guān)系。介詞在打頂機(jī)控制中用于表現(xiàn)指令接收和分析推理的約束條件，在對(duì)方向、時(shí)間或?qū)ο箨P(guān)系的定義中引入介詞，才能獲得準(zhǔn)確的英語(yǔ)語(yǔ)言理解結(jié)果，如表4所示。

表3 部分形容詞模板Table 3 Part template of adjective

表4 部分介詞模板Table 4 Part template of preposition

3 控制功能

英語(yǔ)語(yǔ)言理解在打頂機(jī)上的應(yīng)用是根據(jù)分析準(zhǔn)確地理解操作者的意圖，設(shè)計(jì)過(guò)程約束條件，推理獲得操作指令，并最終執(zhí)行實(shí)現(xiàn)控制目的。英語(yǔ)語(yǔ)言理解的環(huán)節(jié)依次為建立打頂機(jī)概念單詞從屬樹(shù)，建立控制過(guò)程樹(shù)的事實(shí)，建立靜/動(dòng)態(tài)事件的事實(shí)，不同控制功能的差別主要體現(xiàn)在最后的環(huán)節(jié)上。

打頂機(jī)動(dòng)力測(cè)試是首先找出機(jī)架上動(dòng)應(yīng)力較大的危險(xiǎn)部位進(jìn)行測(cè)試，利用測(cè)試數(shù)據(jù)分析各部位在工作狀態(tài)下的應(yīng)力大小。其中，代表性的事件有：

Static event (Event name: static analysis) (Standard verb: create) (Objective: find the danger spot) (Mode: compare) (start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: yes))；

(Dynamic event (Event name: process) (Standard verb: turn) (Objective: machines go forward) (Mode: operate) (Start: blank) (End: blank) (Abidance: blank) (Result: blank))。

打頂機(jī)無(wú)線遙控是設(shè)計(jì)無(wú)線電源開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，測(cè)試遙控的抗噪音性能。其中，代表性的事件有：

(Static event (Event name: Signal emission) (Standard: verb code) (Objective: demodulation control instruction) (Mode: wireless) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: yes))；

(Dynamic event (Event name: command execution) (Standard: verb act) (Objective: power on) (Mode: solenoid valve) (Start: blank) (End: blank) (Abidance: blank) (Result: blank))。

打頂機(jī)打頂高度控制是利用超聲波測(cè)定棉花植株高度，提高打頂?shù)木_性。其中，代表性的事件有：

(Static event (Event name: pulse excitation) (Standard: verb launch) (Objective: ultrasonic excitation) (Mode: voltage resonance) (Start: yes) (End yes) (Abidance: yes) (Result: yes))；

(Dynamic event (Event name: stepper motors turn on) (Standard verb: turn)(Objective: height adjustment) (Mode: lift) (Start: blank) (End: blank) (Abidance: blank) (Result: blank))。

4 結(jié)論

本文對(duì)英語(yǔ)語(yǔ)言理解中的篇章名詞、動(dòng)詞、形容詞和介詞在棉花打頂機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，其核心是以詞法、語(yǔ)法和句法分析為基礎(chǔ)的篇章分析。首先，分析詞法、語(yǔ)法和句法；然后，對(duì)各類單詞分類，分別釋義，按照編程語(yǔ)言做規(guī)范化處理后用于篇章分析，篇章分析是處理各語(yǔ)句之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系；最終，得到圍繞核心事件的模型，完成對(duì)英語(yǔ)語(yǔ)義的理解。將英語(yǔ)語(yǔ)言理解應(yīng)用于打頂機(jī)的動(dòng)力測(cè)試、無(wú)線遙控和打頂高度控制這3種功能，根據(jù)分析準(zhǔn)確地理解操作者的意圖，設(shè)計(jì)過(guò)程約束條件，推理獲得操作指令，并最終實(shí)現(xiàn)控制目的。應(yīng)用環(huán)節(jié)依次為建立打頂機(jī)概念單詞從屬樹(shù)，建立控制過(guò)程樹(shù)的事實(shí)，建立靜/動(dòng)態(tài)事件的事實(shí)。不同控制功能的差別主要體現(xiàn)在最后的環(huán)節(jié)上，分別列舉了代表性的事件。本文設(shè)計(jì)的基于英語(yǔ)語(yǔ)言理解的動(dòng)力測(cè)試、無(wú)線遙控和打頂高度控制系統(tǒng)，可以提高打頂機(jī)的智能化水平。