英语语言理解在棉花打顶机上的应用研究

向婷婷

(塔里木大学 人文学院，新疆 阿拉尔 843300)

0 引言

棉花是我国第二大经济作物，在长江黄河的中下游及新疆地区广泛种植。我国的棉花产量位居世界前列，棉花产业为纺织工业提供了原料，在国民经济中占有重要的地位。近几年，劳动力转移引起棉花种植成本增加，加上部分棉产区的产业结构调整，导致我国棉花种植面积和产量有所下降。棉花生产机械化是解决这一问题的有效途径。目前，我国研制的棉花机械已经覆盖整地播种、田间管理和采摘收获等环节，但是棉花的整体机械化程度较低，机械工作效率和技术水平与国外差距较为明显，还有进一步提升的潜力[1]。

棉花打顶用于去除其生长的顶端优势，将水分和营养向生殖生长转移，增加棉铃数量和质量，能够起到明显的增产效果[2]。传统的打顶方式以人工打顶和化学控制为主，都有各自的适用范围，也有其相应的局限性。人工打顶的方法简单，但劳动强度大，作业效率较低；另外，该方法的成本高昂，不符合现代化农业的发展趋势[3]。化学控制是用化学物质抑制棉花的营养生长，从而起到与打顶相同的作用。该方法的技术含量高，但是控制效果受到较多因素的影响，且对人畜产生附带的毒害，影响了其推广应用。

棉花打顶机械的作业效率高，克服了传统方式的缺点，在棉花生产中有广阔的应用前景。我国科研人员对棉花的机械打顶技术进行了研究，并在此基础上设计了各种型号的打顶机械。棉田环境复杂，打顶机的作业效率会受振动和尘土的影响，作业精度也不高，存在漏打顶和过打顶问题[4-6]。因此，目前的棉花打顶机大多处于试验阶段，只有解决了各种技术难题后才能在实际生产中发挥理想的效果。

在棉花打顶机上，打顶高度自动控制的相关研究最多。李霞等利用传感器发出超声波来测量棉花株高，经过分析和修正后为打顶高度的自动控制提供数据[7]。他们将这种方法与打顶机械结合，对实际应用中面临的问题进行了分析，表明其具有较好的适应性[8]。孙杰基于激光对射技术，设计了棉花打顶高度自动控制系统，能够代替人工完成打顶作业，表现出更高的作业效率[9]。另外，在电源开关控制上，张明辉等设计了由编码和解码芯片构成的无线遥控电源开关，实现了对棉花打顶机的远程控制[10]。杨斌等通过对棉花打顶机液压系统的数学模拟和仿真分析，提高了系统的响应速度和控制精度[11]。孙杰等设计了一种基于单片机的自动测距系统，有效地解决了棉花打顶机能耗大和电机损耗严重的问题[6]。

现代农业正在朝自动化和智能化的方向发展，各种类型的传感器、芯片和计算机已经与农业机械紧密结合，极大地提高了农业生产的效率。上述针对棉花打顶机的研究只提高了单个性能，没有完成多个系统的整合和打顶机整体技术水平的提升。农业机械的自动化和智能化是现代农业的重要组成部分，因此先进的控制系统对实现打顶机的自动化和智能化尤为重要。

语言理解是促进棉花打顶机各系统整合和整体性能提升的有效方式。语言理解是一种主动的意义构建过程，最初定义为人类在接收语言后通过想象语言描述的情境，从而揭示语言意义的过程。计算机科学推动了人工智能的进步，学科的交叉使得语言理解超出了人文科学的范围，开始与自然科学的部分领域结合。目前，语言理解在机械设计和制造领域的应用最为广泛，成为工序建模和三维重建的基础[12-13]。

语言理解在自然科学中可以概括为利用计算机处理语言的音、形和义，对字、词、句、篇进行输入、输出、识别和理解，从而实现语言的表达和描述功能。语言的计算机理解是一门较新的边缘学科，也是一门涉及到多个领域的交叉学科。语言理解的内容包括计算机指令的形成、传输、识别和处理，因此可以应用在农业机械的控制上，提高其智能化水平。英语是当今世界最主要的国际通用语言，其语法和词法简单，语感轻松自然。英语的少量单词加上简单语法便可以表达出丰富的内容，因此针对英语的语言理解可以应用在机械设计和自动控制上。本文对英语语言理解中的篇章名词、动词、形容词和介词在棉花打顶机上进行了研究，设计了打顶机的动力测试、无线遥控和打顶高度控制系统，以提高打顶机的智能化水平。

1 系统组成和工作原理

1.1 硬件和软件

研究使用的棉花打顶机为3MDZ-1型，由1台高地隙拖拉机牵引并提供电源和动力。打顶机上装载戴尔I3668-18N2型台式电脑，配置Intel i5处理器、8GB内存和1TB硬盘。英语语言理解编程软件为visual C++，运行环境为Windows10系统。

1.2 整体流程

英语语言理解的核心和最终目的是篇章分析，这也是应用于打顶机的基本内容。词法、语法和句法分析是篇章分析的基础，它们在英语语言理解整体流程中的关系如图1所示。语言理解的流程是首先分析词法、语法和句法，然后对名词、动词、形容词和介词分类处理，分别释义。无法完成释义的单词返回语句中重复分析和分类处理，直至完成释义。各种类型单词的聚类释义是英语语言理解的核心内容，以此为基础按照编程语言做规范化处理，形成被计算机理解的语言格式，用于篇章分析。之后，在软件中建立程序分析和处理各语句之间的动态关系，最终得到围绕核心事件的模型，完成对英语语义的理解。

图1 英语语言理解的整体流程Fig.1 Overall process of English language understanding

1.3 组成部分

棉花打顶机上操作者的指令是用英语来表达的，语言理解则通过各类单词的聚类释义对其进行分析，从而获得指令的具体含义，并转化为相应的信号来启动动作执行装置。英语语言理解与打顶机结合是以语言理解技术为基础设计的智能控制系统，包含了英语语言知识库和控制机械的决策模块。系统模仿打顶机的人工操作模式，总结人工操作的规律和经验，形成自身逻辑判断和决策特征。

以英语语言理解为基础的打顶机智能控制系统包含输入装置、分析模块、数据库、推理模块和控制执行装置，如图2所示。

图2 打顶机智能控制系统的组成Fig. 2 Composition of intelligent control system for top cutter

输入装置用于把操作者的口头或书面指令转化为计算机能够识别的语言形式，分析模块接收上述信息，完成从语法分析至篇章分析的过程。分析结果在英语语言和机械控制数据库中经过比对、筛选后由推理模块根据数据库中的知识进行理解，推理形成具体的指令。控制执行装置接收指令，完成相应的机械动作和调节来实现对打顶机的控制。

2 单词聚类

名词聚类首先要建立打顶机控制的名词知识库，包括机械动力、通信和打顶的相关名词，如表1所示。这些名词在知识库中的信息应该包含概念和各种内核格式，可以以此推导出名词的其它属性。

表1 部分名词模板Table 1 Part template of noun

打顶机控制的动态过程可以概括为接受指令、分析推理和执行指令，每个环节又分为多个子程序。在此基础上，本文建立了打顶机控制的动态概念知识库，通过确定动态事件之间的顺序和关系，对其进行完善，如表2所示。

表2 部分动词模板Table 2 Part template of verb

形容词在现代语言学中被细分为性质形容词、状态形容词和区别词，而语言理解中为了便于计算机对信息的处理，又把性质形容词分为一级、二级和三级，用于对事物性质的描述。形容词在打顶机上用于精确描述和理解操作者的指令，确定分析推理过程的约束条件，最终把推理的结果转化为可识别的命令进行执行，如表3所示。

介词是一种不能单独使用的定位附着词，它们位于名词、代词或名词性单词之前，用于表示这些名词与语句中其它单词之间的时间或方位关系。介词在打顶机控制中用于表现指令接收和分析推理的约束条件，在对方向、时间或对象关系的定义中引入介词，才能获得准确的英语语言理解结果，如表4所示。

表3 部分形容词模板Table 3 Part template of adjective

表4 部分介词模板Table 4 Part template of preposition

3 控制功能

英语语言理解在打顶机上的应用是根据分析准确地理解操作者的意图，设计过程约束条件，推理获得操作指令，并最终执行实现控制目的。英语语言理解的环节依次为建立打顶机概念单词从属树，建立控制过程树的事实，建立静/动态事件的事实，不同控制功能的差别主要体现在最后的环节上。

打顶机动力测试是首先找出机架上动应力较大的危险部位进行测试，利用测试数据分析各部位在工作状态下的应力大小。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))。

打顶机无线遥控是设计无线电源开关系统，测试遥控的抗噪音性能。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))。

打顶机打顶高度控制是利用超声波测定棉花植株高度，提高打顶的精确性。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 结论

本文对英语语言理解中的篇章名词、动词、形容词和介词在棉花打顶机上的应用进行了研究，其核心是以词法、语法和句法分析为基础的篇章分析。首先，分析词法、语法和句法；然后，对各类单词分类，分别释义，按照编程语言做规范化处理后用于篇章分析，篇章分析是处理各语句之间的动态关系；最终，得到围绕核心事件的模型，完成对英语语义的理解。将英语语言理解应用于打顶机的动力测试、无线遥控和打顶高度控制这3种功能，根据分析准确地理解操作者的意图，设计过程约束条件，推理获得操作指令，并最终实现控制目的。应用环节依次为建立打顶机概念单词从属树，建立控制过程树的事实，建立静/动态事件的事实。不同控制功能的差别主要体现在最后的环节上，分别列举了代表性的事件。本文设计的基于英语语言理解的动力测试、无线遥控和打顶高度控制系统，可以提高打顶机的智能化水平。