收割机控制中的英语语言理解动态领属研究

崔晓慧

(焦作师范高等专科学校 外国语学院，河南 焦作 454000)

0 引言

我国的粮食作物以稻麦类为主，种植面积大，产量高，在生产过程中需要投入大量的人力和物力。收割是作物生产的最后环节，对粮食的产量和品质都有着直接的影响。稻麦类作物的收割时期短，工作量大，必须掌握合适的收割时机才能获得最佳经济效益。作物收割太早会因未完全成熟而损失日产量，收割太迟又会遭受鸟鼠虫害，并增加极端天气和自然落粒的损失。另外，在部分地区作物及时收割也有利于下茬作物的种植顺利开展[1]。

稻麦类作物的收割工作量极大，依靠人工难以顺利完成，因此收割机是农业机械发展的一个重点[2]。在传统农业时期，我国的稻麦作物基本采用人工收割。随着时代的发展，广大种植者逐步认识到农业机械化的优越性，为收割机的普及创造了条件。在目前的形势下，收割机的应用范围、综合性能和自动化程度已经成为农业现代化的一个衡量指标。理想的收割机应该能在较低的损失前提下具有最大的收割效率，良好的性能取决于收割机的结构设计、工作状态和操作水平。

我国的稻麦类作物大多采用联合收割机进行收割，且向着大型化和高速化的方向发展，对收割机的自动控制水平也提出了更高的要求。联合收割机的自动控制主要集中在行驶速度、割台高度、滚筒转速和喂入深度等方面。行驶速度是联合收割机作业效率和质量最重要的决定因素，最佳的行驶速度在保证合理喂入量的同时，还能避免谷秆分离效果变差和零部件损坏[3]。国内外学者进行了大量研究，以单片机和嵌入式微处理器为核心，设计出基于喂入量和滚筒转速的收割机行驶速度控制方法，有效解决了人工控制难度较大的问题[4-6]。

割台高度决定了作物的割茬高度，是实施秸秆还田和后续耕作须要考虑的因素。割台过低，会降低谷秆分离的效果，且增加滚筒的负荷；割台过高，又有可能漏割穗头。朱剑等设计了一种基于嵌入式的电液比例控制系统，用于对收割机的割台高度进行监测和控制，提高了自动化程度[7]。收割机的滚筒转速需要与喂入量匹配，才能获得理想的脱粒能力。李国栋等设计PID恒速控制器，按照恒速控制模型使收割机的滚筒转速能够保持稳定，并且进行了仿真验证[8]。喂入深度是半喂入式的联合收割机需要考虑的问题，对作业效率和质量的影响有限，因此相关的研究也较少，一般是在滚筒的入口处设置传感器进行检测[1]。另外，张认成等还设计了联合收割机的智能控制仿真器，通过控制收割机的行驶速度使滚筒保持额定的转速，可以实现对收割机的自动控制[9]。

精准农业是现代农业的发展方向，推动了农业生产的规模化和专业化，需要利用现代技术设计新型水稻收割机控制系统[10]。自然语言理解是语言信息和人工智能的交叉学科，以自然语言为载体实现人类与计算机之间的沟通，能够应用于机械的控制。语言理解赋予计算机准确理解自然语言涵义的能力，在宏观上使计算机执行人们所期望的语言功能，微观上将人类语言映射到计算机内部。语言理解目前在自然科学中主要用于机械设计和制造领域，是工序建模和三维重建的基础[11-12]。

人类的语言种类繁多，而英语凭借语法和语感的优越性成为世界上应用最广泛的语言。在自然语言理解研究的起始阶段，英语扮演了重要的角色，其在语言输入、语音识别和语法分析方面的优势是别的语言无法比拟的。英语语句是由单词按照各种关系组织在一起形成的，对这些关系的研究有助于准确理解英语语义。领属是英语中普遍存在的一种关系，关系的主体是英语所表达的两个名词，关系的具体内容为领有和属于。

领属关系可以分为静态领属和动态领属，前者指恒定的领属关系，后者指领有者发生了变化的领属关系[13]。联合收割机的部件众多，结构复杂，利用语言理解技术可以降低控制的难度。收割机作业过程会受到各种突发状况的干扰，语言理解中的名词领属关系以动态领属为主，才能应对环境的变化。因此，本文对英语语言理解的动态领属进行研究，探讨其在收割机行驶速度、割台高度和滚筒转速控制中的作用，以提高控制的精度，降低操作难度。

1 农机设备和硬件

农机设备为久保田4LBZ-172B型半喂入履带式联合收割机，额定功率66kW，采用液压无级变速。收割机的割台宽度为1.72m，收割5行，对水稻和小麦的收割效率达到0.27～0.53hm2/h。英语语言理解设备是戴尔I3668-18N2型台式计算机，配置包括Intel i5处理器、8GB内存和1TB硬盘，电源由拖拉机蓄电池提供。语言理解程序为visual C++，软件运行环境为Windows10操作系统。

2 英语语言理解

英语语言理解是对英语形式的语言信息进行分析，理解其表达的意义内容，并应用到机械的设计或控制过程中。英语语义的基本载体是单词，单词按照特定的语法依次组成语句、段落和篇章。英语语言理解的整体流程是首先分析单词的词法并形成语句，然后对语句进行句法分析和分类处理，修正容易产生歧义的语句以便得到规范化语句和句群。名词和动词是两类最主要的单词。其中，名词用于描述机械本身及组成部件，是动态领属的主体；动词描述对机械控制的执行内容；是动态领属产生的原因。各类单词词义分析成功后开始段落和篇章分析，围绕核心事件进行语用建模和理解，最终得到英语语言表达的内容，形成相应的农机控制指令。在词义和篇章分析失败的情况下，语言理解会返回到句法分析的环节，变换新的核心事件重新分析直至成功。

3 动态领属分析

领属关系是英语短语之间最重要的一种关系，对这种关系的理解是英语语言理解的关键。领属是指两个英语名词之间一方领有另一方，或者一方从属于另一方。从农业机械控制的角度来看，领属的主体可以是机械部件、属性、状态或性质。无论哪一种，领属者都是为被领属者提供认知的框架。对领属关系的研究既可以从英语句法形式上进行，也可以从英语语义上进行。

在领属关系中，大部分领有者和领有物之间的关系稳定且不发生转移，如物品与性质，属于静态领属；还有一种是原领有者的领有物可以变为现领有者的领有物，如物品与拥有者，属于动态领属。事物间的可让渡性是动态领属发生的内因，主要由英语定语和中心语的性质决定。

动态领属关系涉及到至少3个名词，分别为原领有者、现领有者和领有物，3个名词之间通过相应的动词联系在一起，联系动词主要为给予类和索取类动词。在英语语言理解的过程中，根据动态领属语句特征进行总结归纳，然后在系统中建模。动态领属事件模型放置在系统的知识库中，需要理解的语句被切分后在系统中匹配分析，根据设定的模式对符合模型的语句直接处理，从而获得语句的涵义。

英语语言输入后，系统根据知识库生成动态名词和事件，找出语句中的动态领属并进行分类。每种类型的动态领属分别进行不同的领属转移分析，再通过领有物和梯度树来确定让渡值，最后与知识库匹配，将各事件关联起来完成对篇章的分析理解，如图1所示。

4 控制功能

收割机的作业过程中，其运行状态和环境条件都是不断变化的，因此对收割机的控制也是一个动态的过程。收割机的控制过程中存在许多领属关系的让渡和转移，即动态领属事件。伴随着控制操作动作的执行，领有物的关系从原领有者上主动或被动地转移到现领有者上，实现领属关系的变更，如图2所示。

图1 动词领属事件的分析流程

图2 农机控制中的动态领属事件

本文中，英语语言理解动态领属应用的收割机控制功能包括行驶速度、割台高度和滚筒转速。收割机作业时需要保持最合适的喂入量，而喂入量由行驶速度决定。安装在输送器底板上的压力传感器测定喂入量，输入分析系统中与额定喂入量比较。系统根据两者之间的差异产生控制指令，通过电磁阀调节无级变速器，实现对收割机行驶速度的控制。割台高度控制则是以超声波传感器测量割台实际高度，与设定的高度值比较，电液比例方向阀根据比较的结果控制割台的升降。收割机的滚筒转速通过PID技术进行控制，即比较滚筒的实际角速度和设定角速度差值，通过比例、积分和微分变换使滚筒保持恒速转动。

上述3种控制功能涉及到大量的机械部件和动作，执行过程中会出现多个动态领属事件。在这些动态领属事件中，领有物为信息、数据和指令等抽象事物，原领有者一般为各类传感器等数据采集装置，而现领有者大多为控制执行装置。作为核心的信息分析装置则兼有两种功能，让渡转移动词也有主动和被动两种形式。3种控制功能代表性动态领属事件中的相关主体如表1所示。

将应用了英语语言理解功能的联合收割机进行水稻收割试验，设定喂入量2.5kg/s，割台高度15cm，滚筒角速度50rad/s。在作业过程中，作物密度时常发生变化，机械速度也能进行相应的调节，传感器检测的喂入量维持在2.40～2.55kg/s之间，割台高度维持在14.0～15.0cm之间。当作物密度发生变化时，滚筒转速的突变较大，但是经过5s的调整后便能很快恢复到设定的速度上来，维持在47～52cm/s之间。因此，英语语言理解提高了收割机这3种功能的控制精度，使操作的难度得以降低。

表1 不同控制功能的代表性动态领属事件

5 结论

英语语言理解是对英语形式的语言信息进行分析，理解其表达的意义内容。英语语义的基本载体是单词，单词按照特定的语法依次组成语句、段落和篇章。领属是两个英语名词之间的领有和从属关系，若领属关系发生转移，则属于动态领属，可以应用于机械的设计或控制过程。本文研究了英语语言理解动态领属在收割机行驶速度、割台高度和滚筒转速控制中的作用，列举了代表性的动态领属事件。试验结果表明：英语语言理解可以提高收割机的控制精度，降低操作难度。