智能農機控制中的英語語言理解動詞聚類

歐國芳

(重慶商務職業學院，重慶 401331)

0 引言

農業機械克服了傳統作業方式的許多弱點，作業效率高，是推動農業生產進步的重要力量。近年來，我國的農機市場需求旺盛，農機制造行業的總產值持續增加，呈現良好的發展勢頭[1]。將各類傳感器、芯片和計算機與農業機械結合，可以大幅提高生產效率。農業機械的作業效率和質量會受到許多環境因素影響，出現遺漏或重復作業問題[2]。與傳統的農機相比，智能農機具有更高的效率和可靠性，是提高農業生產力的基礎，對農業的可持續發展意義重大[3]。

目前，對農機的智能控制研究以多種學科的交叉融合為前提條件，主要集中在定位導航、視覺感知和物聯網通訊等方面[4]。智能農機的控制研究首先在美國等發達國家興起，最早是基于RTK-GPS技術的農機定位和導航。在國內，張磊等將計算機視覺系統安裝在農機上，低速行駛過程中對障礙物的識別率達到96%，并能代替慣性導航實現對路徑的識別[5-6]。羅錫文等開發了基于RTK-DGPS的導航系統，應用在拖拉機等農業機械上對導航精度進行了測試[7-8]。周巖等設計了基于無線傳感網絡的農機自動導航系統，實現了對農機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建過程，是智能農機整合各個系統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，構建語言描述的環境，理解語言表達的意義，最初產生在人文科學中，其內容在計算機科學的推動下延伸到了自然科學的領域。至今，語言理解在自然科學的機械設計和制造領域研究最多，成為工序建模和三維重建的基礎[10-12]。

自然科學中的語言理解是通過計算機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容。語言理解的過程可以概括為計算機指令生成、發送、識別和理解，在智能農機上可以提高控制的速度和精度。英語語法簡單，語感自然，這些特點使其成為世界上應用最廣泛的語言。英語語言中的少量單詞和語法便能形成豐富的內容，賦予了英語語言理解在機械應用上的優越性。

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。動詞可以表達一個動作，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于動詞，因此動詞成為語言學研究的熱點[14]。動詞聚類是按照特定標準對動詞分類分析，以概念的內涵或外延為依據，把具有相同或相似屬性的分散動詞匯聚起來，以表達語句主題內容[15]。本文對英語語言理解中的動詞聚類進行研究，與農業機械結合設計了一個智能控制系統，對農機的路徑規劃、定位導航、視覺感知和自主行駛4個功能進行精確控制，以提高農業機械的智能化水平。

1 系統的組成和原理

1.1 系統硬件和軟件

智能控制系統的安裝平臺為1輛東方紅LX900型拖拉機，由拖拉機的蓄電池提供電源。系統核心是戴爾7040MT型計算機，配置Intel i7中央處理器，8GB的DDR4內存及1TB硬盤，用于路徑規劃和視覺感知分析。拖拉機定位導航采用七頻天線接收北斗衛星信號，由中海達公司的導航終端分析衛星信號，并設定運行參數和行駛路線，可以獲得2.5cm的導航精度。

視覺感知采用尼康COOLPIX P60型相機，安裝在拖拉機前方，可以俯視拍攝獲得JPEG格式圖像。天創UB570型圖像采集卡將圖像轉換為數字信號后以便分析。拖拉機自動駕駛裝置包括集成電子單元、農機執行單元和測量傳感器，通過轉向、變速、離合和剎車等操作實現自動行駛。英語語言理解和動詞聚類的編程軟件為visual C++，在Windows10操作系統中運行。

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的信息進行分析和理解，應用于機械的設計或控制。英語的語義蘊含在單詞中，然后按照語法依次構成語句、段落和篇章。語言理解整體流程如圖1所示。首先，對單詞進行詞法分析，形成語句；然后，對語句進行句法分析和分類處理，修正不規則的句子，從而得到規范化語句及句群。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入段落和篇章分析，通過圍繞核心事件的語用建模實現語言理解，獲得語言表達的內容，并按照內容對農機進行相應控制。若在上述過程中出現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上進行動詞聚類。系統對動詞詞法分析后與語句核心主體之間建立關聯，組建動態事件；然后，分析時間上相鄰動態事件之間的關系，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，進行相關子事件的動詞聚類。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，并按時間順序保存為篇章動態模板。對于不同主體事件和非包容事件，則進行重新判定，匯聚包含事件，也保存到篇章動態模板中。

圖1 英語語言理解的流程

圖2 動詞聚類的流程

1.4 控制功能實現

拖拉機操作者用英語表達控制指令，系統通過動詞的詞法和詞義分析進行語言理解，獲得控制指令的意義，并將指令轉化為相應的信號以啟動執行裝置。英語語言理解與拖拉機的結合是以動詞聚類為基礎組建的智能控制系統，包含了特定的領域語料庫、動詞依存集和領域概念集。根據控制算法，在農機領域語料庫的各類概念中選擇有依存關系的動詞組成動詞依存集，每個依存集對應相同類別的多個領域。領域語料庫和動詞依存集按照動詞依存法輸入，輸出的結果則為領域概念集。在此模式下，系統根據拖拉機的人工操作模式總結規律和經驗，形成自身邏輯判斷的決策特征。

以英語語言理解為基礎的拖拉機智能控制系統包含語言輸入模塊、分析模塊、數據庫、推理模塊和執行模塊。語言輸入裝置把操作者指令轉換為計算機語言，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；分析結果在機械控制數據庫中比對，然后由推理模塊理解形成控制指令；指令發送給執行模塊，通過相應的調節動作實現對拖拉機的控制。

2 動詞聚類

動詞聚類需要建立拖拉機控制相關的動詞知識庫，包括路徑規劃、定位導航、視覺感知和自主行駛的有關動詞，如表1所示。知識庫中的動詞信息由語言概念和內核格式組成，并以此推導該動詞的其它特性。拖拉機控制的動態過程包括獲得指令、語言理解和執行指令3個環節，各環節又由若干子程序組成。為此，本文建立拖拉機控制的動詞知識庫，確定動態事件的順序和聯系，然后進行聚類。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，或者幫助推理結果轉化為可識別命令，以便獲得準確的英語語言理解結果。

表1 部分動詞模板

3 控制功能

英語語言理解對拖拉機的智能控制是分析理解操作者的意圖，根據動詞聚類結果設定限制條件，通過推理獲得操作指令并執行。基于動詞聚類的步驟先后為建立拖拉機動詞概念從屬樹，建立過程樹事實和建立靜/動態事件事實，各個功能具有獨特的靜/動態事件。

拖拉機路徑規劃是在作業區域不規則的情況下，根據指定的作業方向，計算獲得最優的作業路徑，以達到減少行駛距離的效果。路徑規劃的代表事件有：

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)。

定位導航是采用北斗等定位技術，獲得農機的位置，觀測偏離預定路徑的距離，并進行實時修正。定位導航的代表事件有：

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)。

視覺感知構建全向視覺平臺，拍攝分析復雜的作業環境，實現對作業目標、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)。

自主行駛是賦予農機自主決策能力，使其在復雜作業環境下通過轉向、加速、離合和制動等操作仍能精確運行。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 結論

基于英語語言理解中的動詞聚類，設計了一個農業機械智能控制系統，并安裝在拖拉機平臺上。英語語言理解以詞義分析為核心，依照核心事件進行動詞聚類，實現了對拖拉機路徑規劃、定位導航、視覺感知和自主行駛4個功能的精確控制。最后，列舉了各功能的代表性事件，用以提高農業機械的智能化水平。