專利名稱：一種專家系統(tǒng)知識(shí)表示機(jī)制和推理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及知識(shí)工程中知識(shí)的表示方法以及專家系統(tǒng)中推理機(jī)制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，屬
于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
知識(shí)的表示方法是知識(shí)工程中一個(gè)最基本的研究問題。因?yàn)橹R(shí)有內(nèi)容和 形式之分，所以知識(shí)表示方法也被劃分為句法系統(tǒng)(Syntactic Systems)和語義系統(tǒng) (SemanticSystems)。前者著眼于表示知識(shí)的形式，而不關(guān)心被表示的知識(shí)的內(nèi)容，這樣的 系統(tǒng)用簡單，統(tǒng)一的規(guī)則來操作表達(dá)，而不必關(guān)心表達(dá)包含什么信息。語義系統(tǒng)則處于另一 極端，它沒有統(tǒng)一形式，表達(dá)的每一片斷對(duì)應(yīng)于不同塊的信息，推理規(guī)則也相對(duì)復(fù)雜一些。
推理機(jī)制作為專家系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，決定了專家系統(tǒng)的價(jià)值和效率。就推 理本身而言，它包含兩個(gè)基本方面知識(shí)和邏輯。從邏輯角度劃分，推理可分為兩類精確 推理和不精確推理。精確推理實(shí)際上就是演繹推理，不精確推理有歸納推理，概率邏輯推 理，模糊邏輯推理，非單調(diào)邏輯推理等。從知識(shí)的表示方法來劃分，推理可分為基于知識(shí)的 推理，基于規(guī)則的推理，基于語義網(wǎng)的推理，基于框架的推理等。目前，在國內(nèi)外專家系統(tǒng)的 應(yīng)用中，基于知識(shí)的演繹推理是最為可靠和流行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是建立一個(gè)簡單實(shí)用的知識(shí)表示機(jī)制和一套通用可靠 的推理方法，使得專家系統(tǒng)容易構(gòu)建，而且具有一定的普適性和強(qiáng)大的可靠性。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
>知識(shí)表示機(jī)制 知識(shí)表示法又稱知識(shí)表示模式或知識(shí)表示技術(shù)。 對(duì)于知識(shí)表示方法的研究離不開對(duì)知識(shí)本身的研究，由于目前人類對(duì)自己頭腦 中的知識(shí)的結(jié)構(gòu)及形成機(jī)制還沒有認(rèn)識(shí)清楚，所以知識(shí)表示的完整的理論也就無法建 立。已有的一些知識(shí)表示方法都是按照個(gè)人的理解從不同的角度進(jìn)行探索的。70年代人 們對(duì)知識(shí)表示問題形成了兩種不同的看法。Winograd等人(1975)認(rèn)為知識(shí)是陳述性的 (Declarative)，即知識(shí)是一些已知的客觀事物(knowing what)。另一些人認(rèn)為知識(shí)是過程 性的(Procedural)，是客觀存在的一些規(guī)律(Knowing How)。成述式將知識(shí)表示成一批靜 態(tài)的事實(shí)，附帶一小組處理它們的通用程序。過程式則把知識(shí)表達(dá)成使用知識(shí)的過程。
因?yàn)橹R(shí)有內(nèi)容和形式之分，所以知識(shí)表示法也被劃分為句法系統(tǒng) (SyntacticSystems)和語義系統(tǒng)(Semantic Systems)兩大類。前者著眼于表示知識(shí)的形 式，而不關(guān)心被表示的知識(shí)的內(nèi)容，這樣的系統(tǒng)用簡單，統(tǒng)一的規(guī)則來操作表達(dá)，而不必關(guān) 心表達(dá)包含什么信息。語義系統(tǒng)則處于另一極端，它沒有統(tǒng)一的形式。表達(dá)的每一片段對(duì) 應(yīng)不同塊的信息，推理規(guī)則也相對(duì)復(fù)雜一些。 我們考慮到為了方便于用計(jì)算機(jī)對(duì)知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)和利用，也方便于專家系統(tǒng)進(jìn)行
3形式化和符號(hào)化的演繹推理(因?yàn)槿粘Ｉ钪写蟛糠纸Y(jié)論都是經(jīng)過演繹推理得來的)，我 們采用"事實(shí) 一一 規(guī)則 一一 結(jié)論"的形式來對(duì)各種元知識(shí)以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行組織
和管理。 知識(shí)表示形式的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
其中事實(shí)單元用來存儲(chǔ)各種各樣的元知識(shí)，由兩個(gè)字段組成事實(shí)編號(hào)和事實(shí)內(nèi)
容。結(jié)論單元存儲(chǔ)各種各樣的結(jié)論，包括初級(jí)結(jié)論(即可以由單個(gè)規(guī)則推理得到的結(jié)論)和
高級(jí)結(jié)論(即無法由一個(gè)規(guī)則推理得到的結(jié)論)，它也由兩個(gè)字段組成結(jié)論編號(hào)和結(jié)論內(nèi)
容。規(guī)則單元即是事實(shí)與結(jié)論之間的關(guān)系的體現(xiàn)，它的實(shí)質(zhì)是一張三元表，建立在"事實(shí)，已
有結(jié)論，待推理的結(jié)論"這三者的映射上，規(guī)則由四個(gè)字段組成規(guī)則編號(hào)，事實(shí)前提編號(hào)，
結(jié)論前提編號(hào)，對(duì)應(yīng)結(jié)論編號(hào)。
采用上述知識(shí)表示機(jī)制的優(yōu)點(diǎn) 1.結(jié)合了句法系統(tǒng)(Syntactic Systems)和語義系統(tǒng)(Semantic Systems)兩大 類知識(shí)表示方法的優(yōu)點(diǎn)。我們既可以在符號(hào)化的演繹推理中使用"事實(shí)編號(hào)"，"結(jié)論編號(hào)"， "規(guī)則編號(hào)"進(jìn)行推理，又在編號(hào)與內(nèi)容(即語義)之間建立了一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。這樣 不僅簡化了推理規(guī)則的復(fù)雜程度，也建立了知識(shí)的統(tǒng)一的表示形式。 2.規(guī)則的表示方式很符合人類的推理模式。日常生活中，我們進(jìn)行推理時(shí)，首先利 用已知的事實(shí)依據(jù)或公理準(zhǔn)則作為推理的前提，進(jìn)行一些簡單的推理，所謂簡單推理，即根 據(jù)已知的事實(shí)依據(jù)或公理準(zhǔn)則能直接推得的結(jié)論。這樣的結(jié)論，我們稱之為初級(jí)結(jié)論。接 著，當(dāng)我們得到一部分結(jié)論后，我們可能會(huì)由這些已經(jīng)得到得結(jié)論，結(jié)合已知的事實(shí)，按照 一定的規(guī)則，得到更多的結(jié)論，即所謂復(fù)雜推理。這樣的結(jié)論，我們稱之為高級(jí)結(jié)論。而在 我們的規(guī)則表示方式中，我們引入了 "事實(shí)前提編號(hào)"和"結(jié)論前提編號(hào)"這兩個(gè)字段，其中 僅使用事實(shí)前提，我們便能進(jìn)行簡單推理，而配合結(jié)論前提一起使用，我們便能進(jìn)行復(fù)雜推 理。 3.知識(shí)表示方式簡單而高效。我們的知識(shí)表示方式很容易使人理解，分類明了 ，而 且在使用的過程中，可以直接按相應(yīng)字段的分類，直接在數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，應(yīng)用起來方便 高效。 >推理方法 推理方法依托于上述知識(shí)表示的機(jī)制，我們首先根據(jù)的知識(shí)表示機(jī)制設(shè)計(jì)出推理 方法的邏輯結(jié)構(gòu)，如圖2所示。 其中事實(shí)池用來存放已知的事實(shí)，是推理方法運(yùn)行的根據(jù)。推理池則是推理方法 的運(yùn)行模塊，它首先從事實(shí)池中提取事實(shí)，然后進(jìn)行初步推理，得到一些初步的結(jié)論，將其 放入臨時(shí)結(jié)論池中。當(dāng)推理池所有的初步推理過程都結(jié)束后，將從臨時(shí)結(jié)論池中取出臨時(shí) 結(jié)論，結(jié)合已知事實(shí)進(jìn)行深度推理，而在深度推理過程中會(huì)產(chǎn)生一些新的結(jié)論，推理池先將 這些得到的新的結(jié)論放入臨時(shí)結(jié)論池中，直到一輪深度推理結(jié)束(即符合條件的規(guī)則都匹 配完畢)。然后將得到的新的結(jié)論再從臨時(shí)結(jié)論池取出，放入推理池中進(jìn)行推理，進(jìn)行下一 輪深度推理。按此流程，逐次進(jìn)行循環(huán)，直到在推理池中進(jìn)行深度推理得不到新的結(jié)論為 止。 依據(jù)上述推理邏輯結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)的推理算法流程圖如圖3，推理算法的描述如 下
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St印0 :初始狀態(tài)時(shí)全部規(guī)則都置為未匹配； St印l :依據(jù)已有事實(shí)在規(guī)則表中確定需要推理的規(guī)則范圍； St印2 :對(duì)由St印l確定的規(guī)則范圍中未被標(biāo)記為已匹配的規(guī)則，用已知的事實(shí)與 規(guī)則中的事實(shí)前提進(jìn)行逐一匹配，如果匹配成功，則得到該規(guī)則相應(yīng)的結(jié)論，將結(jié)論放入臨 時(shí)結(jié)論池中，并將該規(guī)則標(biāo)記為已匹配； St印3 :如果遍歷完所有由St印l確定的規(guī)則且不存在未被標(biāo)記為已匹配的規(guī)則， 則跳轉(zhuǎn)到St印4，否則，回到St印2，繼續(xù)匹配; St印4 :判斷是否需要進(jìn)行深度推理，即是否能夠結(jié)合已有的事實(shí)和臨時(shí)結(jié)論池中 已有的結(jié)論推理得到新的結(jié)論，如果是，則跳轉(zhuǎn)到St印5，否則，將臨時(shí)結(jié)論池中的所有結(jié)論 作為最終結(jié)論輸出； St印5:結(jié)合已有的事實(shí)和臨時(shí)結(jié)論池中已有的結(jié)論推理得到新的結(jié)論，并將得到 的新的結(jié)論放入臨時(shí)結(jié)論池，回到St印2。 在每次推理開始之前，我們會(huì)有一些已知的事實(shí)，首先根據(jù)事實(shí)的編號(hào)，將規(guī)則庫
中所有規(guī)則進(jìn)行事實(shí)匹配，確定我們需要進(jìn)行推理的規(guī)則，這樣就使推理的范圍縮小了。 然后在推理的流程中，對(duì)所有需要推理的規(guī)則進(jìn)行逐一匹配，如果發(fā)現(xiàn)某項(xiàng)事實(shí)
單元被匹配，則將相應(yīng)規(guī)則中的對(duì)應(yīng)的事實(shí)單元置真，然后將匹配這條規(guī)則所得到的結(jié)論
在所有規(guī)則中所對(duì)應(yīng)的已有結(jié)論單元置真，然后進(jìn)行下一條規(guī)則的匹配，當(dāng)遍歷完所有需
要推理的規(guī)則后便會(huì)得到一部分結(jié)論。然后判斷是否需要進(jìn)行深度推理。 深度推理的判斷即判斷利用已經(jīng)得到的結(jié)論，結(jié)合已有的事實(shí)，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)
的推理后還能否得到新的結(jié)論。如果還能得到新的結(jié)論，則表明需要進(jìn)行深度推理，然后進(jìn)
行下一個(gè)推理流程的循環(huán)，反之，則不需要深度推理，整個(gè)推理流程結(jié)束。如此循環(huán)推理，直
至利用已有規(guī)則推理得到的結(jié)論產(chǎn)生了一個(gè)閉集，無法推理得到新的結(jié)論，則整個(gè)推理流
程結(jié)束，這樣便完成了一次完整的推理，得到了最終的結(jié)論并輸出。 本發(fā)明建立了一種簡便高效的知識(shí)表示機(jī)制，易于用已有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而且在推 理方法中實(shí)現(xiàn)了依據(jù)已有的知識(shí)表示機(jī)制進(jìn)行形式化的演繹推理，避免了語義推理在計(jì)算 機(jī)上實(shí)現(xiàn)的困難，而且推理方法很容易理解和實(shí)現(xiàn)。


圖1:知識(shí)表示形式的結(jié)構(gòu)2:推理方法的邏輯結(jié)構(gòu)3:推理算法流程圖；圖4:事實(shí)表實(shí)現(xiàn)圖；圖5:結(jié)論表實(shí)現(xiàn)圖；圖6:規(guī)則表實(shí)現(xiàn)圖；圖7:系統(tǒng)框架圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明建立的知識(shí)表示形式的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)方法具體如下
(1)選擇數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)知識(shí)
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考慮到目前數(shù)據(jù)庫技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫接口強(qiáng)大的功能以及數(shù)據(jù)庫管理的方 便與快捷，選擇數(shù)據(jù)庫技術(shù)來對(duì)專家系統(tǒng)中的知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)具有很大的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于采用 二進(jìn)制文件形式存儲(chǔ)知識(shí)，采用數(shù)據(jù)庫更方便于搭建Server/Client模式的分布式專家 系統(tǒng)，而且當(dāng)前流行的數(shù)據(jù)庫都帶有功能強(qiáng)大，界面友好的管理系統(tǒng)，方便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 組織與管理。綜合上述因素，可以選擇比較成熟的商業(yè)產(chǎn)品，比如Mi crosoft的數(shù)據(jù)庫 SQLServer2005來實(shí)現(xiàn)。
(2)建立表
〈a>建立事實(shí)表 按照知識(shí)表示形式的結(jié)構(gòu)圖中關(guān)于事實(shí)表的設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)庫中新建一張事實(shí)表。 該表中包括兩個(gè)字段事實(shí)編號(hào)，事實(shí)內(nèi)容。然后將知識(shí)中的事實(shí)模塊的內(nèi)容添加到相應(yīng)字 段中。事實(shí)表的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。
〈b>建立結(jié)論表 按照知識(shí)表示形式的結(jié)構(gòu)圖中關(guān)于結(jié)論表的設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)庫中新建一張結(jié)論表。 該表中包括兩個(gè)字段結(jié)論編號(hào)，結(jié)論內(nèi)容。然后將知識(shí)中的結(jié)論模塊的內(nèi)容添加到相應(yīng)字 段中。結(jié)論表的實(shí)現(xiàn)如圖5所示。
〈c〉建立規(guī)則表 按照知識(shí)表示形式的結(jié)構(gòu)圖中關(guān)于規(guī)則表的設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)庫中新建一張規(guī)則表。 該表中包括四個(gè)字段規(guī)則編號(hào)，事實(shí)前提編號(hào)，結(jié)論前提編號(hào)，對(duì)應(yīng)結(jié)論編號(hào)。然后將知識(shí) 中的規(guī)則模塊的內(nèi)容添加到相應(yīng)字段中，如果某條規(guī)則的事實(shí)前提編號(hào)或者結(jié)論前提編號(hào) 有幾個(gè)，則可按一定的規(guī)則存儲(chǔ)在表中(比如按字符串的形式"1，2，3")。規(guī)則表的實(shí)現(xiàn)如 圖6所示。 本發(fā)明的建立的推理方法的算法流程圖如圖3所示，其實(shí)現(xiàn)方法具體如下
(1)確定需要推理的規(guī)則范圍 通過一些測(cè)試軟件，將所需事實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)某些事實(shí)的數(shù)據(jù)符合 條件，則認(rèn)為事實(shí)表中所對(duì)應(yīng)的事實(shí)存在，即在推理程序中將代表這些事實(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) (如數(shù)組)中的元素賦值為真。然后檢查所有規(guī)則表中所有規(guī)則的事實(shí)前提編號(hào)，如果某條 規(guī)則的事實(shí)前提編號(hào)所對(duì)應(yīng)的事實(shí)全為真，則將該規(guī)則納入到需要推理的規(guī)則范圍中。
(2)對(duì)規(guī)則進(jìn)行遍歷性匹配 對(duì)由第(1)步得到的所有規(guī)則逐一進(jìn)行匹配，即逐一檢查每條規(guī)則的事實(shí)前提編 號(hào)和結(jié)論前提編號(hào)。檢查事實(shí)前提編號(hào)所對(duì)應(yīng)的事實(shí)是否已在第(1)步中置真了，如果一 條規(guī)則的所有事實(shí)前提都為真，則認(rèn)為這條規(guī)則的事實(shí)前提滿足了。對(duì)于初步的結(jié)論(即 只需要事實(shí)前提滿足就能得出的結(jié)論)而言，匹配的過程已經(jīng)能得到一些結(jié)論，將其放入 臨時(shí)結(jié)論池(自己設(shè)計(jì)的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))中并將其所在的規(guī)則進(jìn)行標(biāo)記，表示該規(guī)則已經(jīng) 匹配過。而對(duì)于有些結(jié)論(即不僅需要事實(shí)前提滿足，而且結(jié)論前提也要滿足，才能推得的 結(jié)論)，在第一輪的遍歷匹配中則無法匹配成功，得到結(jié)論。因此，在第一輪的遍歷匹配中， 一旦遇到事實(shí)前提得到滿足，而結(jié)論前提沒有得到滿足的規(guī)則，則將深度推理標(biāo)志(可以 是一個(gè)布爾變量)置真。這個(gè)深度推理標(biāo)志初始化為假。
(3)判斷是否需要進(jìn)行深度推理 如果由(2)得到的深度推理標(biāo)志為假，則停止推理，直接跳到第(4)步。如果深
6度推理標(biāo)志位為真，則需要進(jìn)行深度推理。即結(jié)合臨時(shí)結(jié)論池中已有的結(jié)論來進(jìn)行下一輪 的推理。此時(shí)的匹配過程對(duì)于第(2)步中已經(jīng)標(biāo)記過的規(guī)則采取跳過策略，這樣就縮小了 匹配的范圍，提高了推理效率。對(duì)于那些在第(2)步中事實(shí)前提滿足，而結(jié)論前提不滿足的 規(guī)則，此時(shí)逐一檢查其結(jié)論前提編號(hào)對(duì)應(yīng)的結(jié)論在臨時(shí)結(jié)論池中是否已經(jīng)得到，如果都已 得到，則表示此規(guī)則所對(duì)應(yīng)的結(jié)論能夠推得，將此結(jié)論放入臨時(shí)結(jié)論池中。如此方式，依次 匹配完這些規(guī)則后，可能會(huì)得到一批結(jié)論，如果與臨時(shí)結(jié)論池中已有的結(jié)論比較能夠得到 新的結(jié)論，則繼續(xù)將深度推理標(biāo)志置真，否則，得不到與臨時(shí)結(jié)論池中已有結(jié)論相比的新結(jié) 論，那么就將深度推理標(biāo)志置假。再次判斷深度推理標(biāo)志，如果其為真，則重復(fù)循環(huán)上述過 程，如果為假跳到第(4)步。
(4)得到最終結(jié)論 —次完整的推理結(jié)束，將臨時(shí)結(jié)論池中的所有結(jié)論作為最終結(jié)論，然后在結(jié)論表 中匹配與臨時(shí)結(jié)論池中結(jié)論編號(hào)對(duì)應(yīng)的結(jié)論，將結(jié)論表中的相應(yīng)內(nèi)容作為結(jié)論輸出。
權(quán)利要求
一種專家系統(tǒng)知識(shí)表示機(jī)制和推理方法，其特征在于包括以下知識(shí)表示形式與推理方法(1)知識(shí)表示對(duì)所有知識(shí)按“事實(shí)----規(guī)則----結(jié)論”的模式進(jìn)行劃分，建立三個(gè)相應(yīng)的表事實(shí)表，結(jié)論表，規(guī)則表，來對(duì)知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，使得知識(shí)的內(nèi)容以及知識(shí)之間的關(guān)系能夠清楚完全地在上述三個(gè)表中得以體現(xiàn)；(2)推理方法Step0初始狀態(tài)時(shí)全部規(guī)則都置為未匹配；Step1依據(jù)已有事實(shí)在規(guī)則表中確定需要推理的規(guī)則范圍；Step2對(duì)由Step1確定的規(guī)則范圍中未被標(biāo)記為已匹配的規(guī)則，用已知的事實(shí)與規(guī)則中的事實(shí)前提進(jìn)行逐一匹配，如果匹配成功，則得到該規(guī)則相應(yīng)的結(jié)論，將結(jié)論放入臨時(shí)結(jié)論池中，并將該規(guī)則標(biāo)記為已匹配；Step3如果遍歷完所有由Step1確定的規(guī)則且不存在未被標(biāo)記為已匹配的規(guī)則，則跳轉(zhuǎn)到Step4，否則，回到Step2，繼續(xù)匹配；Step4判斷是否需要進(jìn)行深度推理，即是否能夠結(jié)合已有的事實(shí)和臨時(shí)結(jié)論池中已有的結(jié)論推理得到新的結(jié)論，如果是，則跳轉(zhuǎn)到Step5，否則，將臨時(shí)結(jié)論池中的所有結(jié)論作為最終結(jié)論輸出；Step5結(jié)合已有的事實(shí)和臨時(shí)結(jié)論池中已有的結(jié)論推理得到新的結(jié)論，并將得到的新的結(jié)論放入臨時(shí)結(jié)論池，回到Step2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種專家系統(tǒng)知識(shí)表示機(jī)制和推理方法，其特征在于所述事實(shí)表具體組成字段細(xì)分如下事實(shí)編號(hào)，事實(shí)內(nèi)容；所述結(jié)論表具體組成字段細(xì)分如下結(jié)論編號(hào)，結(jié)論內(nèi)容；所述規(guī)則表具體組成字段細(xì)分如下規(guī)則編號(hào)，事實(shí)前提編號(hào)，結(jié)論前提編號(hào)，對(duì)應(yīng)結(jié)論編號(hào)。
全文摘要
一種專家系統(tǒng)知識(shí)表示機(jī)制和推理方法，首先，依據(jù)演繹推理的規(guī)則，將各領(lǐng)域中復(fù)雜的知識(shí)解析為三種元知識(shí)事實(shí)，結(jié)論，規(guī)則。將知識(shí)的本體存儲(chǔ)于事實(shí)元與結(jié)論元中，將知識(shí)之間的聯(lián)系存儲(chǔ)于規(guī)則元中。然后運(yùn)用統(tǒng)一的推理規(guī)則進(jìn)行推理首先遍歷匹配所有符合條件的規(guī)則，推理得出結(jié)論，然后判斷已得結(jié)論是否能夠用于推理得出新結(jié)論，如果為真，則進(jìn)行深度推理，直至推不出新結(jié)論為止，反之則推理停止。本發(fā)明具有高效性和很好的實(shí)用性，能夠有效地應(yīng)用于構(gòu)建適用任何領(lǐng)域的專家系統(tǒng)，為領(lǐng)域內(nèi)的決策與分析提供可靠的幫助。
文檔編號(hào)G06N5/00GK101710393SQ20091024120
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者史波波, 廖仁杰, 張慶振 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)