水稻直播機控制中英語語言理解介詞語義分析

李 淼

(商丘職業技術學院,河南 商丘 476000)

0 引言

水稻是我國主要的糧食作物,種植面積僅次于印度,產量世界第一,為國家的糧食安全提供了重要保障。水稻種植業的規模龐大,消耗的資源也是驚人的,除了占用土地、淡水和肥料等物質資源外,還要投入大量的人力資源。隨著城鎮化的推進,我國農業勞動力向城市的轉移加快,農業勞動人口短缺,水稻種植所需的人力資源無法得到滿足。同時,環境污染導致土地資源日益萎縮,淡水資源普遍缺乏,水稻種植業面臨著挑戰。在這種形勢下,探索資源節約型的種植模式,同時開發輕簡化栽培技術,是解決水稻種植所面臨困境的有效方法[1]。

傳統的水稻生產由多個環節組成,包括播種、移栽、田間管理和收獲,其中移栽對人力和水資源占用的比例較大。近年來,種子包衣技術、大型整地機械和高效除草劑出現后,播種和移栽環節被融合在一起,產生了水稻直播技術。水稻直播省去了育秧、拔秧和栽秧的過程,能夠節省20%的用水和大量勞動力,代表了水稻種植方式的發展方向[2]。目前,水稻直播已經形成了多種形式,對應的有旱直播和水直播、干谷直播和芽谷直播、條播和穴播,它們分別適用于不同的種植條件。

水稻直播可以由人工完成,也可以通過機械完成。與人工相比,機械直播省工省力,大幅度降低了人力成本。因為沒有拔秧的過程,機械直播的水稻根系發達,可以達到353kg/hm2的增產效果。另外,機械直播的作業效率高,是人工撒播的6～8倍,對地勢地形也具有很強的適應性[3]。由此可見,直播機是新形勢下水稻生產全程機械化的重要組成部分,可以有效地提高勞動生產率,降低水稻的種植成本。我國在21世紀初提出了水稻生產機械化發展的十年規劃,直播機械作為其中的一環,也迅速成為研究的熱點[4]。1998年,楊堅等設計了一種自走型的分流式小型水稻直播機,在試驗中表現出良好的性能和效率[5]。梁忠寶等設計了可以一次性完成整地、播種、施肥和覆土工序的水稻直播機,作業精度高,性能穩定,各項指標都達到了國家標準[6]。

當前,我國的水稻直播機種類多樣,型號齊全,但普遍存在的問題是結構復雜,其作業的精度有待提高。播種均勻性是衡量直播機作業精度的重要指標,一般的播種機在行駛速度發生變化時播種的株距也會相應改變,出現重播或漏播的問題。對此,研究人員通過對播種和排種過程進行監測[7-8],或者對播種機的駕駛和播種過程進行控制來保證株距的一致[9-10]。

直播機控制的實質是采集環境信息和機械運行狀況,分析后生成控制指令,由執行裝置按照指令完成控制操作。直播機的信息和控制指令都是以語言為載體傳遞的,因此對語言語義的理解會影響機械的控制效果。語言理解是在語言學、邏輯學、計算機科學上建立的交叉學科,以計算機作為分析工具,將語言的音和形經過輸入、識別、分析和理解后獲得語言表達的意義[11]。語言理解的應用領域集中在機械設計制造方面,是模擬分析和工序建模的有效方法[12-13]。

英語的語法簡單、語感自然,是世界范圍內應用最廣泛的語言。英語的語句由少量單詞通過特定的語法組合而成,能夠表達豐富的內容,在機械控制上具有明顯優勢。英語的單詞類型較多,介詞是位于名詞或代詞前面的一類虛詞,可以表示地點、時間、方向和目的等內容[14]。介詞不代表實在意義,因此不能單獨使用。在農業機械控制方面,介詞參與限制控制指令的執行條件,其關聯的主體可能對控制效果有著決定性的影響。為此,對水稻直播機控制中的英語介詞語義進行分析,將其應用在直播機的狀態監測、自主駕駛和播量調節上,以保證播種的均勻性,提高直播機的智能化水平。

1 直播機平臺和硬件

本文使用的農機平臺是華昌2BG-6A型稻麥條播機,由江蘇省丹陽市欣天農業裝備公司生產。直播機的工作幅寬120cm,最大直播行數為6行,行距在13.3～26.7cm之間可調;機械的播深1～5cm,采用全幅或窄幅淺旋耕方式進行條形播種,最大作業效率0.4hm2/h。直播機的排種部件為排種輪,其上均勻分布8個凹坑,播種量通過改變凹坑的長度來進行調節。直播機由東方紅550型輪式拖拉機牽引,額定輸出功率為55kW,安裝GPS定位器、操作顯示屏和速度傳感器。語言理解的設備為戴爾I4200型臺式電腦,配置包括Intel i6處理器、6GB內存和1TB的硬盤,電源由拖拉機的電池提供。計算機中的visual C++程序用于進行英語語言理解和介詞語義分析,在Windows10操作系統中運行。

2 英語語言理解

英語的基本單元為單詞,依次組成語句、段落和篇章,語言的理解可以對應詞法分析、句法分析、段落分析及篇章分析。詞法分析是根據語法將目標信息的單詞依據直播機的3種功能整理歸納,確定出最符合語言環境的詞義。一般的英語單詞有多種詞義,因此選擇出的單詞意義可以形成大量組合,獲得準確組合所表達的語義后,剩余組合在后續糾錯處理中被排除。詞法分析的后續步驟是句法分析,目的是確定句子和合理性,并按照直播機的功能釋義單詞。句法分析賦予語句準確的內容表達,以便于進行多類處理和規范化。

語義分析為語句中單詞、短語和整句語義的分析,目的在于能夠準確理解語句的內容,是正確理解語言內涵的關鍵所在。語義分析以對各種單詞的分析和聚類為基礎,聚類成功的段落才能放入篇章環境中分析。篇章分析需要結合上下文來進行,是語言理解的最高層次。狹義的篇章分析僅側重上下文的聯系,廣義的篇章分析還包括語用分析,更加側重對語境的理解。兩種意義的篇章分析結合使用,可以準確獲得水稻直播機的檢測信息和控制指令的內容。若語義分析或篇章分析未能成功,則語言理解自動返回句法分析環節重新組合并分析詞義,其流程如圖1所示。

圖1 英語語言理解的流程

3 介詞語義分析

介詞語義的語言理解系統是模塊化的,所有的模塊都有通用接口,用于與其它模塊之間進行連接和調用,從而實現相互協調。語言理解系統的核心是語義分析模塊,用于對所有類型單詞的聚類和分析。名詞和動詞等實詞的語義中包含著介詞的語義,因此介詞的分析模塊不是一個整體,而是分散在系統的各個部分中,分別發揮各自的功能。介詞存在于大部分的語句中,這些語句進入系統后首先經過詞法和句法分析生成動態名詞,然后在介詞分析模塊中依次提取語句中的介詞。其中,被動介詞參與的語句進入被動句分析模塊,不含被動介詞且無搭配詞的進入單介詞分析模塊。搭配詞參與的語句進入搭配詞分析模塊,還要根據嵌套結構存在與否及介詞槽特性以此類推進行分析,直至完成該語句中所有介詞的分析,介詞語義分析的流程如圖2所示。

圖2 介詞語義分析的流程

4 控制功能

水稻直播機的參數設定、狀態數據采集和指令發送都是英語語言的形式,計算機分析英語語言的單詞詞義和語句句義, 并完成對語言的理解。因此, 直播機數據解析及指令形成都以英語語言理解為基礎,按照相應的語言格式接收并發出信號。直播機的參數和行駛路線用英語文字輸入,在語言理解設備中分析和釋義,并控制執行裝置完成操作。在上述的過程中,語言理解的準確性對控制效果有著決定性的影響。介詞是一種獨特類型的單詞,對其進行語義分析在直播機的狀態監測、自主駕駛和播量調節上能發揮出重要作用。

狀態監測包括兩個方面,分別是播種監測和行駛速度監測。播種監測是排種管的末端安裝紅外光電傳感器,在種子下落時產生一個電脈沖信號,經過放大、整形后由計算機讀取并計數,從而實現對正常播種、漏播、重播狀態的檢測。行駛速度監測是在牽引的拖拉機地輪上安裝霍爾傳感器,讀取地輪轉動產生的脈沖信號,計算行駛速度并以此獲得播種的株距信息。

自主駕駛是根據播種田塊的形狀規劃合理的作業路線,在不漏播的前提下行駛距離最短。利用安裝在拖拉機上的GPS定位器的獲得直播機的實時位置,根據與預定路線的偏離量修正行駛方向。拖拉機的行駛方向由方向盤控制,方向盤連接在方向控制器上,方向控制器能與語言理解設備很好地兼容。

播量調節是在保持直播機行駛速度的同時,改變排種輪上的凹坑長度,容納不同數量的種子而達到調節播量的效果。計算機分析實時播種量,根據計算結果向步進電機的控制電路發出指令,驅動步進電機正向或反向轉動,從而改變凹坑的長度。

水稻直播機這3種控制功能需要由多個設備共同完成,相應的動作要在各自的環境中進行,具有各自的執行主體和控制對象。對于控制功能的實現,介詞主要用于表示動作對象、執行方式、執行前提條件及控制的程度等,是影響控制精確度的重要因素。表1列舉了3種控制功能中英語語言理解的代表性介詞。

表1 3種控制功能的代表性介詞

5 結論

以東方紅拖拉機牽引的華昌2BG-6A型稻麥條播機為平臺,對水稻直播機控制中的英語介詞語義進行分析。直播機的參數設定、數據采集和指令發送采用英語形式,語言理解的步驟依次為詞法分析、句法分析、段落分析及篇章分析。介詞主要用于表示動作執行前提及控制程度,采用模塊化的語義分析系統,在狀態監測、自主駕駛和播量調節上發揮出重要作用。最后,列舉了3種控制功能中的代表性介詞,旨在保證播種的均勻性及提高直播機智能化水平。