杜 堃，蘇 倩

(河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，土地逐漸向種植大戶和農(nóng)業(yè)科技公司等經(jīng)營主體集中。在這種形勢下，大面積的連片農(nóng)田數(shù)量日益增多，有利于土地的集中管理，也推動了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。新的模式需要新的生產(chǎn)方式與之相適應(yīng)，傳統(tǒng)的作業(yè)方式導(dǎo)致效率降低和成本升高，無法體現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的優(yōu)越性。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容之一，農(nóng)田的集中連片和規(guī)模化經(jīng)營為農(nóng)業(yè)機械的應(yīng)用提供了條件和空間。我國農(nóng)業(yè)機械的起步較晚，但是發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)機械化率在近些年得到了迅速提升，水稻、玉米和小麥這3大糧食作物的生產(chǎn)更是實現(xiàn)了全程機械化。目前的問題是機械化程度受自然條件影響較大，部分地區(qū)的機械化普及率還不高，機械的性能水平也有待進(jìn)一步加強。因此，增強農(nóng)業(yè)機械的適應(yīng)性，提高自動化水平，對我國農(nóng)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢，推動著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向科學(xué)化管理轉(zhuǎn)變，對農(nóng)業(yè)機械也提出了新的要求。自動導(dǎo)航是農(nóng)業(yè)機械自動化和智能化的重要體現(xiàn)，可以降低機械操作的人力成本，提高土地利用率[1-2]。農(nóng)機自動導(dǎo)航研究始于20世紀(jì)80年代，在計算機視覺和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的支撐下，由最初的農(nóng)機無人駕駛發(fā)展到后來的路線精確控制，作業(yè)范圍也擴(kuò)大到播種、施肥、噴藥、整地和起壟等[3-4]。當(dāng)前，部分大型機械實現(xiàn)了計算機視覺和衛(wèi)星導(dǎo)航，不僅具有更高的作業(yè)效率，也使土地得到了充分利用[5]。

衛(wèi)星導(dǎo)航和計算機視覺導(dǎo)航是農(nóng)機導(dǎo)航最常用的方式。衛(wèi)星導(dǎo)航通過電子地圖和衛(wèi)星信號進(jìn)行定位導(dǎo)航，比較成熟的系統(tǒng)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和中國的北斗[6]。我國較早使用的GPS為民用級，定位誤差大，使用成本也較高。同時，核心技術(shù)由國外開發(fā)掌握，對其嚴(yán)重依賴造成了一定的壟斷格局，不能作為我國農(nóng)機自動導(dǎo)航的理想選擇。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由我國自行開發(fā)，掌握核心技術(shù)和自主產(chǎn)權(quán)，經(jīng)過升級后的定位精度達(dá)到1m，已經(jīng)在我國廣袤的土地上體現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值[7]。計算機視覺是在20世紀(jì)80年代誕生的，在農(nóng)業(yè)上最初用于輔助機器人采摘水果，后來發(fā)展到農(nóng)業(yè)機械的自動導(dǎo)航方面，利用其視覺功能識別機械的行走路徑和檢測障礙物[8]。計算機視覺的局限性在于環(huán)境光照強度的變化會對圖像質(zhì)量造成干擾，進(jìn)而影響目標(biāo)特征的提取分析效果。

現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，自動化和智能化成為新的發(fā)展目標(biāo)。一般的研究都是針對農(nóng)機單個性能，若要實現(xiàn)農(nóng)機整體性能的提升，則必須采用新型技術(shù)。語言理解是一種主動性的信息處理技術(shù)，可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機械的控制方面，成為整合機械各個系統(tǒng)的有力工具。

語言能夠表達(dá)特定的含義，是人類進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流的載體。語言理解是利用計算機處理語言的音、形和義，對字、詞、句和篇章進(jìn)行輸入、輸出、識別、分析和理解，最終產(chǎn)生相應(yīng)的操作指令[9]。語言理解是一門新興的學(xué)科，內(nèi)容涉及語言學(xué)、邏輯學(xué)、計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)等，因此也是一門交叉學(xué)科。語言理解的層次由淺至深依次為詞法分析、句法分析、語義分析和篇章分析，最終目的包括理解輸入的語言信息及對輸入信息的概括復(fù)述。目前，語言理解主要應(yīng)用在機械設(shè)計制造方面，是模擬分析和工序建模的基礎(chǔ)[10-12]。

英語的語法簡單，語感自然，是世界上應(yīng)用最廣泛的語言。英語的基本單元為26個字母，能組成大量的單詞。英語單詞根據(jù)各種語法進(jìn)一步組合成不同的語句，能表達(dá)極為豐富的內(nèi)容，這些特性賦予了英語在機械設(shè)計和控制方面的優(yōu)越性。因此，研究英語語言理解對農(nóng)業(yè)機械的控制作用，既能吸收國外先進(jìn)技術(shù)改善我國農(nóng)業(yè)機械性能，又能提高我國成熟機械在國際市場的適應(yīng)性。本文對英語語言理解在農(nóng)機自動導(dǎo)航中的應(yīng)用進(jìn)行研究，分析多種類型單詞在農(nóng)機路線規(guī)劃、速度控制和方向控制環(huán)節(jié)中的語義，用以提高我國農(nóng)業(yè)機械的自動化水平。

1 硬件設(shè)備與語言理解流程

1.1 計算機和農(nóng)機設(shè)備

語言理解的計算機為戴爾I4200型臺式電腦，配置包括Intel i6處理器、6GB內(nèi)存和1TB的硬盤。計算機中安裝Visual C++軟件執(zhí)行英語語言理解功能，在Windows10系統(tǒng)的環(huán)境中運行。農(nóng)業(yè)機械平臺為福田雷沃M1200-D型拖拉機，采用七頻天線接收北斗信號實現(xiàn)定位導(dǎo)航。衛(wèi)星信號分析由中海達(dá)公司的導(dǎo)航終端完成，可以實現(xiàn)厘米級的導(dǎo)航精度。拖拉機的自動行駛單元包括電子元件、執(zhí)行部件和測量傳感器，可以執(zhí)行轉(zhuǎn)向、變速、離合和剎車等操作。

1.2 語言理解流程

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，英語語言理解可以概括為詞法分析、句法分析、語義分析和篇章分析。詞法分析是在語法的基礎(chǔ)上，將輸入到系統(tǒng)中的單詞按照農(nóng)機自動導(dǎo)航的各個功能進(jìn)行分類，選擇最合適的詞義。經(jīng)過分類和選擇的單詞意義之間具有多種組合，只有少數(shù)的組合能夠正確表達(dá)語義，其它的組合則由后續(xù)的糾錯功能處理。詞法分析完成后形成單句，進(jìn)入句法分析的環(huán)節(jié)，即確定語句的合理性及單詞在農(nóng)機自動控制中的功能。句法分析之后，正確語句可以產(chǎn)生合適的表示，并經(jīng)過多類處理和規(guī)范化后作為語義分析的基礎(chǔ)。

語義分析是依次分析語句中的單詞、短語和整句的語義，從而獲得語句所要表達(dá)的內(nèi)容。語義分析是語言理解的核心和難點，準(zhǔn)確的語義分析對獲得語句結(jié)構(gòu)意義和結(jié)合意義都至關(guān)重要。語義分析包含對各種單詞的分析和聚類，單詞分析聚類成功后便進(jìn)入篇章分析環(huán)節(jié)。篇章分析是提升語義分析的層次，結(jié)合上下文來獲得語義。篇章分析可以細(xì)分為篇章分析和語用分析，前者側(cè)重上下文的聯(lián)系，后者側(cè)重對語境的理解。篇章分析和語用分析相互聯(lián)系，最終獲得用于農(nóng)機自動導(dǎo)航的信息指令。在語義分析或篇章分析失敗的情況下，語言理解過程自動返回句法分析步驟上，按照新的詞義組合重新分析，如圖1所示。

圖1 英語語言理解的流程Fig.1 Flow path of English language understanding

2 單詞聚類

語義分析是語言理解的核心和難點，而單詞聚類是語義理解的主要內(nèi)容。本文中的聚類以農(nóng)機自動導(dǎo)航中相關(guān)概念的內(nèi)涵和外延為依據(jù)，將內(nèi)涵相近或相關(guān)的離散概念匯聚起來。聚類的單詞類型有名詞、動詞、介詞、副詞等，它們都有著各自的功能。例如，名詞聚類用以確定語言的主體，動詞聚類用于描述主體的活動內(nèi)容。

名詞在英語各類單詞中的數(shù)量最多，還占據(jù)了多種句法位置。農(nóng)機自動導(dǎo)航的名詞聚類要先建立相關(guān)的名詞知識庫，如路線規(guī)劃、速度控制和方向控制的相關(guān)主體，如表1所示。知識庫中的名詞主體屬性包含概念和內(nèi)核格式，用以推導(dǎo)主體的其它屬性。

表1 自動導(dǎo)航的名詞模板Table 1 Noun template of automatic navigation

農(nóng)機自動導(dǎo)航由接收指令、語言理解和執(zhí)行操作3個動態(tài)環(huán)節(jié)組成，又包含若干子程序。知識庫中的動詞在事件上存在聯(lián)系，并且按照順序進(jìn)行聚類，可以描述農(nóng)機各個部件的運行動作及動態(tài)過程，如表2所示。

表2 自動導(dǎo)航的動詞模板Table 2 Verb template of automatic navigation

介詞不能獨立使用，是一種位于名詞性單詞之前的定位附屬詞，用來限定名詞性單詞與其它單詞在時間或方位上的關(guān)系。介詞在農(nóng)機自動導(dǎo)航中用于約束各個動態(tài)過程的條件，使語言理解能夠獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，如表3所示。

表3 自動導(dǎo)航的介詞模板Table 3 Preposition template of automatic navigation

副詞是修飾性的單詞，對象為動詞和形容詞，用來對程度、時間、范圍等因素進(jìn)行限制。副詞在農(nóng)機自動導(dǎo)航中可以更準(zhǔn)確地描述指令接收和操作執(zhí)行的環(huán)境條件，在程度、時間、范圍上提高語言理解的準(zhǔn)確性，如表4所示。

表4 自動導(dǎo)航的副詞模板Table 4 Adverb template of automatic navigation

3 控制功能

基于英語語言理解的農(nóng)機自動導(dǎo)航是接收并理解操作者輸入的信息，根據(jù)單詞聚類設(shè)置環(huán)境條件，推理得到操作指令并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。語言理解以動詞聚類為基礎(chǔ)，針對各個功能依次建立獨特的自動導(dǎo)航動詞概念從屬樹、過程樹事實和靜/動態(tài)事件事實。

路線規(guī)劃是在拖拉機作業(yè)前采用步長連續(xù)尋點法設(shè)定行進(jìn)的具體坐標(biāo)，并控制拖拉機在到達(dá)一個坐標(biāo)點后繼續(xù)向下一個坐標(biāo)點行進(jìn)，直至完成整個路線。代表性的事件如下：

(Static event (Event name: coordinate setting) (Standard verb: plan) (Objective: route obtain) (Mode: searching) (start: yes) (End: yes) (Abidance: blank) (Result: yes))

(Dynamic event (Event name: machine controlling) (Standard verb: start) (Objective: arriving next position) (Mode: exporting) (Start: blank) (End: yes) (Abidance: blank) (Result: blank))

速度控制是在霍爾元件測量的地輪速度與設(shè)定的拖拉機速度偏差達(dá)到閾值時，啟動一個閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)，采用模糊控制方法調(diào)節(jié)拖拉機的油門和檔位，使行駛速度回歸到設(shè)定值上來。代表性的事件如下：

(Static event (Event name: speed measure) (Standard verb: feed back) (Objective: speed regressing) (Mode: compare) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: blank) (Result: yes))

(Dynamic event (Event name: throttle controlling) (Standard verb: adjust) (Objective: machine accelerate) (Mode: operation) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: yes))

方向控制是在拖拉機行駛方向偏離規(guī)劃的路線時，行車控制器根據(jù)角度傳感器提供的方向，向液壓閥發(fā)出指令，控制車輪的偏轉(zhuǎn)使其按照設(shè)定的路線行駛。代表性的事件如下：

(Static event (Event name: direction detection) (Standard: deviate) (Objective: path navigation) (Mode: endowing) (Start: yes) (End: blank) (Abidance: blank) (Result: yes))

(Dynamic event (Event name: direction controlling) (Standard verb: turn) (Objective: angle regress) (Mode: check) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: yes))

4 結(jié)論

研究了英語語言理解在農(nóng)機自動導(dǎo)航中的作用，將理解的過程概括為詞法分析、句法分析、語義分析和篇章分析。語義分析是語言理解的核心和難點，而單詞聚類是語義理解的主要內(nèi)容。以拖拉機的自動導(dǎo)航為例，對相關(guān)的名詞、動詞、介詞和副詞進(jìn)行聚類分析，列舉了實現(xiàn)路線規(guī)劃、速度控制和方向控制這3種功能的代表性事件，可以提高我國農(nóng)業(yè)機械的自動化水平。