歐國芳

(重慶商務(wù)職業(yè)學(xué)院，重慶 401331)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械克服了傳統(tǒng)作業(yè)方式的許多弱點(diǎn)，作業(yè)效率高，是推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)步的重要力量。近年來，我國的農(nóng)機(jī)市場需求旺盛，農(nóng)機(jī)制造行業(yè)的總產(chǎn)值持續(xù)增加，呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭[1]。將各類傳感器、芯片和計(jì)算機(jī)與農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)合，可以大幅提高生產(chǎn)效率。農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率和質(zhì)量會受到許多環(huán)境因素影響，出現(xiàn)遺漏或重復(fù)作業(yè)問題[2]。與傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)相比，智能農(nóng)機(jī)具有更高的效率和可靠性，是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大[3]。

目前，對農(nóng)機(jī)的智能控制研究以多種學(xué)科的交叉融合為前提條件，主要集中在定位導(dǎo)航、視覺感知和物聯(lián)網(wǎng)通訊等方面[4]。智能農(nóng)機(jī)的控制研究首先在美國等發(fā)達(dá)國家興起，最早是基于RTK-GPS技術(shù)的農(nóng)機(jī)定位和導(dǎo)航。在國內(nèi)，張磊等將計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)安裝在農(nóng)機(jī)上，低速行駛過程中對障礙物的識別率達(dá)到96%，并能代替慣性導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)對路徑的識別[5-6]。羅錫文等開發(fā)了基于RTK-DGPS的導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用在拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械上對導(dǎo)航精度進(jìn)行了測試[7-8]。周巖等設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)機(jī)的精確定位和速度控制[9]。

語言理解是一種主動性的信息處理構(gòu)建過程，是智能農(nóng)機(jī)整合各個(gè)系統(tǒng)以提升整體性能的有力工具。

其原始含義為人類通過視覺或聽覺接收語言，構(gòu)建語言描述的環(huán)境，理解語言表達(dá)的意義，最初產(chǎn)生在人文科學(xué)中，其內(nèi)容在計(jì)算機(jī)科學(xué)的推動下延伸到了自然科學(xué)的領(lǐng)域。至今，語言理解在自然科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域研究最多，成為工序建模和三維重建的基礎(chǔ)[10-12]。

自然科學(xué)中的語言理解是通過計(jì)算機(jī)處理語言的基本要素，包括音、形和義，并組合成為字、詞、句和篇以便于處理，最終獲得語言描述的內(nèi)容。語言理解的過程可以概括為計(jì)算機(jī)指令生成、發(fā)送、識別和理解，在智能農(nóng)機(jī)上可以提高控制的速度和精度。英語語法簡單，語感自然，這些特點(diǎn)使其成為世界上應(yīng)用最廣泛的語言。英語語言中的少量單詞和語法便能形成豐富的內(nèi)容，賦予了英語語言理解在機(jī)械應(yīng)用上的優(yōu)越性。

動詞和名稱是最重要的兩種語言單詞種類，而動詞是語言的重點(diǎn)。動詞可以表達(dá)一個(gè)動作，一系列的動作共同組成動作過程，即事件過程[13]。大部分的語句都是以動詞為核心，其它單詞依附或服務(wù)于動詞，因此動詞成為語言學(xué)研究的熱點(diǎn)[14]。動詞聚類是按照特定標(biāo)準(zhǔn)對動詞分類分析，以概念的內(nèi)涵或外延為依據(jù)，把具有相同或相似屬性的分散動詞匯聚起來，以表達(dá)語句主題內(nèi)容[15]。本文對英語語言理解中的動詞聚類進(jìn)行研究，與農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)合設(shè)計(jì)了一個(gè)智能控制系統(tǒng)，對農(nóng)機(jī)的路徑規(guī)劃、定位導(dǎo)航、視覺感知和自主行駛4個(gè)功能進(jìn)行精確控制，以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平。

1 系統(tǒng)的組成和原理

1.1 系統(tǒng)硬件和軟件

智能控制系統(tǒng)的安裝平臺為1輛東方紅LX900型拖拉機(jī)，由拖拉機(jī)的蓄電池提供電源。系統(tǒng)核心是戴爾7040MT型計(jì)算機(jī)，配置Intel i7中央處理器，8GB的DDR4內(nèi)存及1TB硬盤，用于路徑規(guī)劃和視覺感知分析。拖拉機(jī)定位導(dǎo)航采用七頻天線接收北斗衛(wèi)星信號，由中海達(dá)公司的導(dǎo)航終端分析衛(wèi)星信號，并設(shè)定運(yùn)行參數(shù)和行駛路線，可以獲得2.5cm的導(dǎo)航精度。

視覺感知采用尼康COOLPIX P60型相機(jī)，安裝在拖拉機(jī)前方，可以俯視拍攝獲得JPEG格式圖像。天創(chuàng)UB570型圖像采集卡將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后以便分析。拖拉機(jī)自動駕駛裝置包括集成電子單元、農(nóng)機(jī)執(zhí)行單元和測量傳感器，通過轉(zhuǎn)向、變速、離合和剎車等操作實(shí)現(xiàn)自動行駛。英語語言理解和動詞聚類的編程軟件為visual C++，在Windows10操作系統(tǒng)中運(yùn)行。

1.2 語言理解流程

英語語言理解的最終目的是對英語表達(dá)的信息進(jìn)行分析和理解，應(yīng)用于機(jī)械的設(shè)計(jì)或控制。英語的語義蘊(yùn)含在單詞中，然后按照語法依次構(gòu)成語句、段落和篇章。語言理解整體流程如圖1所示。首先，對單詞進(jìn)行詞法分析，形成語句；然后，對語句進(jìn)行句法分析和分類處理，修正不規(guī)則的句子，從而得到規(guī)范化語句及句群。名詞和動詞是英語中最重要的兩類單詞，對它們的分析是語言理解的核心。名詞和動詞的詞義分析成功后進(jìn)入段落和篇章分析，通過圍繞核心事件的語用建模實(shí)現(xiàn)語言理解，獲得語言表達(dá)的內(nèi)容，并按照內(nèi)容對農(nóng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制。若在上述過程中出現(xiàn)詞義分析和篇章分析失敗的情況，則返回句法分析階段，在新的核心事件模型下重新分析，直至分析成功。

1.3 動詞聚類流程

語言理解完成了詞法、句法和語義分析后，便在篇章分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行動詞聚類。系統(tǒng)對動詞詞法分析后與語句核心主體之間建立關(guān)聯(lián)，組建動態(tài)事件；然后，分析時(shí)間上相鄰動態(tài)事件之間的關(guān)系，找出代表段落核心意義的核心事件；最后，以核心事件為中心，進(jìn)行相關(guān)子事件的動詞聚類。動詞聚類的具體步驟如圖2所示。

首先，從事件串中查找得到核心事件；然后，將相同主體事件和包容事件依次匯聚到核心事件中，并按時(shí)間順序保存為篇章動態(tài)模板。對于不同主體事件和非包容事件，則進(jìn)行重新判定，匯聚包含事件，也保存到篇章動態(tài)模板中。

圖1 英語語言理解的流程

圖2 動詞聚類的流程

1.4 控制功能實(shí)現(xiàn)

拖拉機(jī)操作者用英語表達(dá)控制指令，系統(tǒng)通過動詞的詞法和詞義分析進(jìn)行語言理解，獲得控制指令的意義，并將指令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號以啟動執(zhí)行裝置。英語語言理解與拖拉機(jī)的結(jié)合是以動詞聚類為基礎(chǔ)組建的智能控制系統(tǒng)，包含了特定的領(lǐng)域語料庫、動詞依存集和領(lǐng)域概念集。根據(jù)控制算法，在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域語料庫的各類概念中選擇有依存關(guān)系的動詞組成動詞依存集，每個(gè)依存集對應(yīng)相同類別的多個(gè)領(lǐng)域。領(lǐng)域語料庫和動詞依存集按照動詞依存法輸入，輸出的結(jié)果則為領(lǐng)域概念集。在此模式下，系統(tǒng)根據(jù)拖拉機(jī)的人工操作模式總結(jié)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)，形成自身邏輯判斷的決策特征。

以英語語言理解為基礎(chǔ)的拖拉機(jī)智能控制系統(tǒng)包含語言輸入模塊、分析模塊、數(shù)據(jù)庫、推理模塊和執(zhí)行模塊。語言輸入裝置把操作者指令轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語言，分析模塊接收該信息，并完成詞法、句法、詞義、語義和篇章分析；分析結(jié)果在機(jī)械控制數(shù)據(jù)庫中比對，然后由推理模塊理解形成控制指令；指令發(fā)送給執(zhí)行模塊，通過相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作實(shí)現(xiàn)對拖拉機(jī)的控制。

2 動詞聚類

動詞聚類需要建立拖拉機(jī)控制相關(guān)的動詞知識庫，包括路徑規(guī)劃、定位導(dǎo)航、視覺感知和自主行駛的有關(guān)動詞，如表1所示。知識庫中的動詞信息由語言概念和內(nèi)核格式組成，并以此推導(dǎo)該動詞的其它特性。拖拉機(jī)控制的動態(tài)過程包括獲得指令、語言理解和執(zhí)行指令3個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)又由若干子程序組成。為此，本文建立拖拉機(jī)控制的動詞知識庫，確定動態(tài)事件的順序和聯(lián)系，然后進(jìn)行聚類。語句中其它類單詞用于增加理解精確度，為分析推理過程的提供限制條件，或者幫助推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為可識別命令，以便獲得準(zhǔn)確的英語語言理解結(jié)果。

表1 部分動詞模板

3 控制功能

英語語言理解對拖拉機(jī)的智能控制是分析理解操作者的意圖，根據(jù)動詞聚類結(jié)果設(shè)定限制條件，通過推理獲得操作指令并執(zhí)行?；趧釉~聚類的步驟先后為建立拖拉機(jī)動詞概念從屬樹，建立過程樹事實(shí)和建立靜/動態(tài)事件事實(shí)，各個(gè)功能具有獨(dú)特的靜/動態(tài)事件。

拖拉機(jī)路徑規(guī)劃是在作業(yè)區(qū)域不規(guī)則的情況下，根據(jù)指定的作業(yè)方向，計(jì)算獲得最優(yōu)的作業(yè)路徑，以達(dá)到減少行駛距離的效果。路徑規(guī)劃的代表事件有：

Static event (Event name: obtain information)，(Standard verb: collect)，(Objective: field shape evaluation)， (Mode: reference) (start: yes)， (End: lank)， (Abidance: blank)，(Result: yes)。

Static event (Event name: path information) ，(Standard verb: optimize) ，(Objective: reduce expand)，(Mode: calculate) ，(Start: yes)，(End: blank)，(Abidance: yes)，(Result: yes)。

定位導(dǎo)航是采用北斗等定位技術(shù)，獲得農(nóng)機(jī)的位置，觀測偏離預(yù)定路徑的距離，并進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。定位導(dǎo)航的代表事件有：

Static event (Event name: data observation) (Standard verb: locate)，(Objective: obtain position of machine)，(Mode: wireless)，(Start: yes)，(End: blank)，(Abidance: blank)，(Result: blank)。

Static event (Event name: machine navigation)，(Standard verb: correct)，(Objective: path adjusting)，(Mode: angle of deviation)，(Start: yes)，(End: yes)，(Abidance: yes)，(Result: yes)。

視覺感知構(gòu)建全向視覺平臺，拍攝分析復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)目標(biāo)、行駛路徑和障礙物的識別。視覺感知的代表事件有：

Static event (Event name: camera turning on)，(Standard verb: accelerate)，(Objective: image capture)，(Mode: machine vision)，(Start: yes)，(End blank)，(Abidance: yes)，(Result: yes)。

(Dynamic event (Event name: cut apart) ，(Standard verb: recognize)，(Objective: target extraction)，(Mode: analysis)，(Start: yes)，(End: blank)，(Abidance: blank)，(Result: yes)。

自主行駛是賦予農(nóng)機(jī)自主決策能力，使其在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下通過轉(zhuǎn)向、加速、離合和制動等操作仍能精確運(yùn)行。自主行駛的代表事件有：

Static event (Event name: independent decision-making)，(Standard: decide)，(Objective: ability obtaining)，(Mode: endowing)，(Start: blank)，(End yes)，(Abidance: yes)，(Result: yes)。

Dynamic event (Event name: turn forward) (Standard verb: turn)，(Objective: automatically run)，(Mode: operation)，(Start: yes)，(End: yes)，(Abidance: blank)，(Result: yes)。

4 結(jié)論

基于英語語言理解中的動詞聚類，設(shè)計(jì)了一個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能控制系統(tǒng)，并安裝在拖拉機(jī)平臺上。英語語言理解以詞義分析為核心，依照核心事件進(jìn)行動詞聚類，實(shí)現(xiàn)了對拖拉機(jī)路徑規(guī)劃、定位導(dǎo)航、視覺感知和自主行駛4個(gè)功能的精確控制。最后，列舉了各功能的代表性事件，用以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平。