英語語言理解在棉花打頂機上的應用研究

向婷婷

(塔里木大學 人文學院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

棉花是我國第二大經濟作物，在長江黃河的中下游及新疆地區廣泛種植。我國的棉花產量位居世界前列，棉花產業為紡織工業提供了原料，在國民經濟中占有重要的地位。近幾年，勞動力轉移引起棉花種植成本增加，加上部分棉產區的產業結構調整，導致我國棉花種植面積和產量有所下降。棉花生產機械化是解決這一問題的有效途徑。目前，我國研制的棉花機械已經覆蓋整地播種、田間管理和采摘收獲等環節，但是棉花的整體機械化程度較低，機械工作效率和技術水平與國外差距較為明顯，還有進一步提升的潛力[1]。

棉花打頂用于去除其生長的頂端優勢，將水分和營養向生殖生長轉移，增加棉鈴數量和質量，能夠起到明顯的增產效果[2]。傳統的打頂方式以人工打頂和化學控制為主，都有各自的適用范圍，也有其相應的局限性。人工打頂的方法簡單，但勞動強度大，作業效率較低；另外，該方法的成本高昂，不符合現代化農業的發展趨勢[3]。化學控制是用化學物質抑制棉花的營養生長，從而起到與打頂相同的作用。該方法的技術含量高，但是控制效果受到較多因素的影響，且對人畜產生附帶的毒害，影響了其推廣應用。

棉花打頂機械的作業效率高，克服了傳統方式的缺點，在棉花生產中有廣闊的應用前景。我國科研人員對棉花的機械打頂技術進行了研究，并在此基礎上設計了各種型號的打頂機械。棉田環境復雜，打頂機的作業效率會受振動和塵土的影響，作業精度也不高，存在漏打頂和過打頂問題[4-6]。因此，目前的棉花打頂機大多處于試驗階段，只有解決了各種技術難題后才能在實際生產中發揮理想的效果。

在棉花打頂機上，打頂高度自動控制的相關研究最多。李霞等利用傳感器發出超聲波來測量棉花株高，經過分析和修正后為打頂高度的自動控制提供數據[7]。他們將這種方法與打頂機械結合，對實際應用中面臨的問題進行了分析，表明其具有較好的適應性[8]。孫杰基于激光對射技術，設計了棉花打頂高度自動控制系統，能夠代替人工完成打頂作業，表現出更高的作業效率[9]。另外，在電源開關控制上，張明輝等設計了由編碼和解碼芯片構成的無線遙控電源開關，實現了對棉花打頂機的遠程控制[10]。楊斌等通過對棉花打頂機液壓系統的數學模擬和仿真分析，提高了系統的響應速度和控制精度[11]。孫杰等設計了一種基于單片機的自動測距系統，有效地解決了棉花打頂機能耗大和電機損耗嚴重的問題[6]。

現代農業正在朝自動化和智能化的方向發展，各種類型的傳感器、芯片和計算機已經與農業機械緊密結合，極大地提高了農業生產的效率。上述針對棉花打頂機的研究只提高了單個性能，沒有完成多個系統的整合和打頂機整體技術水平的提升。農業機械的自動化和智能化是現代農業的重要組成部分，因此先進的控制系統對實現打頂機的自動化和智能化尤為重要。

語言理解是促進棉花打頂機各系統整合和整體性能提升的有效方式。語言理解是一種主動的意義構建過程，最初定義為人類在接收語言后通過想象語言描述的情境，從而揭示語言意義的過程。計算機科學推動了人工智能的進步，學科的交叉使得語言理解超出了人文科學的范圍，開始與自然科學的部分領域結合。目前，語言理解在機械設計和制造領域的應用最為廣泛，成為工序建模和三維重建的基礎[12-13]。

語言理解在自然科學中可以概括為利用計算機處理語言的音、形和義，對字、詞、句、篇進行輸入、輸出、識別和理解，從而實現語言的表達和描述功能。語言的計算機理解是一門較新的邊緣學科，也是一門涉及到多個領域的交叉學科。語言理解的內容包括計算機指令的形成、傳輸、識別和處理，因此可以應用在農業機械的控制上，提高其智能化水平。英語是當今世界最主要的國際通用語言，其語法和詞法簡單，語感輕松自然。英語的少量單詞加上簡單語法便可以表達出豐富的內容，因此針對英語的語言理解可以應用在機械設計和自動控制上。本文對英語語言理解中的篇章名詞、動詞、形容詞和介詞在棉花打頂機上進行了研究，設計了打頂機的動力測試、無線遙控和打頂高度控制系統，以提高打頂機的智能化水平。

1 系統組成和工作原理

1.1 硬件和軟件

研究使用的棉花打頂機為3MDZ-1型，由1臺高地隙拖拉機牽引并提供電源和動力。打頂機上裝載戴爾I3668-18N2型臺式電腦，配置Intel i5處理器、8GB內存和1TB硬盤。英語語言理解編程軟件為visual C++，運行環境為Windows10系統。

1.2 整體流程

英語語言理解的核心和最終目的是篇章分析，這也是應用于打頂機的基本內容。詞法、語法和句法分析是篇章分析的基礎，它們在英語語言理解整體流程中的關系如圖1所示。語言理解的流程是首先分析詞法、語法和句法，然后對名詞、動詞、形容詞和介詞分類處理，分別釋義。無法完成釋義的單詞返回語句中重復分析和分類處理，直至完成釋義。各種類型單詞的聚類釋義是英語語言理解的核心內容，以此為基礎按照編程語言做規范化處理，形成被計算機理解的語言格式，用于篇章分析。之后，在軟件中建立程序分析和處理各語句之間的動態關系，最終得到圍繞核心事件的模型，完成對英語語義的理解。

圖1 英語語言理解的整體流程Fig.1 Overall process of English language understanding

1.3 組成部分

棉花打頂機上操作者的指令是用英語來表達的，語言理解則通過各類單詞的聚類釋義對其進行分析，從而獲得指令的具體含義，并轉化為相應的信號來啟動動作執行裝置。英語語言理解與打頂機結合是以語言理解技術為基礎設計的智能控制系統，包含了英語語言知識庫和控制機械的決策模塊。系統模仿打頂機的人工操作模式，總結人工操作的規律和經驗，形成自身邏輯判斷和決策特征。

以英語語言理解為基礎的打頂機智能控制系統包含輸入裝置、分析模塊、數據庫、推理模塊和控制執行裝置，如圖2所示。

圖2 打頂機智能控制系統的組成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面指令轉化為計算機能夠識別的語言形式，分析模塊接收上述信息，完成從語法分析至篇章分析的過程。分析結果在英語語言和機械控制數據庫中經過比對、篩選后由推理模塊根據數據庫中的知識進行理解，推理形成具體的指令?？刂茍绦醒b置接收指令，完成相應的機械動作和調節來實現對打頂機的控制。

2 單詞聚類

名詞聚類首先要建立打頂機控制的名詞知識庫，包括機械動力、通信和打頂的相關名詞，如表1所示。這些名詞在知識庫中的信息應該包含概念和各種內核格式，可以以此推導出名詞的其它屬性。

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

打頂機控制的動態過程可以概括為接受指令、分析推理和執行指令，每個環節又分為多個子程序。在此基礎上，本文建立了打頂機控制的動態概念知識庫，通過確定動態事件之間的順序和關系，對其進行完善，如表2所示。

表2 部分動詞模板Table 2 Part template of verb

形容詞在現代語言學中被細分為性質形容詞、狀態形容詞和區別詞，而語言理解中為了便于計算機對信息的處理，又把性質形容詞分為一級、二級和三級，用于對事物性質的描述。形容詞在打頂機上用于精確描述和理解操作者的指令，確定分析推理過程的約束條件，最終把推理的結果轉化為可識別的命令進行執行，如表3所示。

介詞是一種不能單獨使用的定位附著詞，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句中其它單詞之間的時間或方位關系。介詞在打頂機控制中用于表現指令接收和分析推理的約束條件，在對方向、時間或對象關系的定義中引入介詞，才能獲得準確的英語語言理解結果，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

英語語言理解在打頂機上的應用是根據分析準確地理解操作者的意圖，設計過程約束條件，推理獲得操作指令，并最終執行實現控制目的。英語語言理解的環節依次為建立打頂機概念單詞從屬樹，建立控制過程樹的事實，建立靜/動態事件的事實，不同控制功能的差別主要體現在最后的環節上。

打頂機動力測試是首先找出機架上動應力較大的危險部位進行測試，利用測試數據分析各部位在工作狀態下的應力大小。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))。

打頂機無線遙控是設計無線電源開關系統，測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))。

打頂機打頂高度控制是利用超聲波測定棉花植株高度，提高打頂的精確性。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 結論

本文對英語語言理解中的篇章名詞、動詞、形容詞和介詞在棉花打頂機上的應用進行了研究，其核心是以詞法、語法和句法分析為基礎的篇章分析。首先，分析詞法、語法和句法；然后，對各類單詞分類，分別釋義，按照編程語言做規范化處理后用于篇章分析，篇章分析是處理各語句之間的動態關系；最終，得到圍繞核心事件的模型，完成對英語語義的理解。將英語語言理解應用于打頂機的動力測試、無線遙控和打頂高度控制這3種功能，根據分析準確地理解操作者的意圖，設計過程約束條件，推理獲得操作指令，并最終實現控制目的。應用環節依次為建立打頂機概念單詞從屬樹，建立控制過程樹的事實，建立靜/動態事件的事實。不同控制功能的差別主要體現在最后的環節上，分別列舉了代表性的事件。本文設計的基于英語語言理解的動力測試、無線遙控和打頂高度控制系統，可以提高打頂機的智能化水平。