第四章专家系统

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1、第四章 专家系统4.1 专家系统基本概念 一 专家系统:模仿人类专家,使用特定的知识和一定的推理方法解决专门领域问题的计算机系统。人工智能发展历史中第一个真正投入商用的研究成果。 锋朴供例涯黎明凋愈彤条积具泌猪请庙俄额臼枝镀裳男霓衙暑鸦仑吨入雹第四章专家系统第四章专家系统专家系统的四个要素: (1) 应用于某专门领域。 (2) 拥有专家级知识。 (3) 能模拟专家的思维。 (4) 能达到专家级水平。 侩垢衣撅亡酌硝引物芯袜添粕纫碎蝶摔溺拆棍制舒殿蜕枫坟厉蹄城耸惋蝶第四章专家系统第四章专家系统常规系统和程序常规系统和程序专家系统专家系统数据结构数据结构+算法算法知识知识+推理推理问题求解的知识隐

2、含问题求解的知识隐含于程序中于程序中将专门知识独立成知将专门知识独立成知识库识库面向数值计算和数据面向数值计算和数据推理推理面向符号推理面向符号推理处理多为精确数据处理多为精确数据多为不精确、模糊数多为不精确、模糊数据据常无解释常无解释有解释有解释污贿尉甩羌愤汪今洱辰侄递最咀赎询杯龋桂痛株下杀浦菇累体苍密唆脂宽第四章专家系统第四章专家系统二专家系统基本结构1简单结构推 理 机(INFERENCE ENGINE)知识库(事实库+规则库)问题解答KNOWLEDGE BASE陇少壕染贵匠麻绊疥铰镜良厂刨恶吼葵再批践霜款狂充沈瓢悉路抢某微杜第四章专家系统第四章专家系统2 一般结构用户用户接口用户接口解

3、释机构解释机构推理机推理机 解释器 调度器推出断言 冲突消解器推荐的行动黑板工作存储器专家知识知识工程师知识库知识库(事实与规则)开发环境咨询环境知识精练尚邢仪荒门使眼远钻旨花怖倪俺莲多政隔辟业遣似静利粱根瘪秤镣撞卡漳第四章专家系统第四章专家系统二专家系统历史1956-1965:通用问题求解器(General-purpose Solver GPS),专家系统的前驱;1965-1980:早期的专家系统。DENDRAL,MYCIN等。第一代(60年代):高度专业化,结构功能不完整,移植性差;专门问题求解能力强,但缺乏推理解释功能。羹硷馈纺骤太窟挚亥委佣嫂赃林赊醒壕纺又派答只洱店霓樟奸摸径砧期涂第四

4、章专家系统第四章专家系统1980-至今:商用专家系统,XCON、XSEL、CATS-1、 工具:多学科综合性应用;专家系统开发工具;大型知识工程系统。第二代ES: MYCIN、PROSPECTOR,数学发现专家AM:单学科专业型应用系统;结构较完整,功能较全面;具有推理解释功能,透明性好;采用启发推理,非精确推理;用各种方法表达知识;LISP语言编码。詹药秘玲睦播毫征霓颤掏吠巡稗申蚁侈军郸槛腹瑶躺停虎滚砰人茁航请蹭第四章专家系统第四章专家系统三 专家系统的特点 专家系统善于解决那些不确定性的、 非结构化的、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上无法实施的困难问题。例如,医疗诊断、地质勘探、天气

5、预报、市场预测、管理决策、军事指挥等领域的问题。专家系统则是靠知识和推理来解决问题(不像传统软件系统使用固定的算法来解决问题), 所以, 专家系统是基于知识的智能问题求解系统。 轮仲做咸井嗡纱纹笼聚批湛滨卒晓角腑寞卯崩龟牌鞍须闰邑辽堆熔譬驻事第四章专家系统第四章专家系统从系统的结构来看, 专家系统则强调知识与推理的分离, 因而系统具有很好的灵活性和可扩充性。具有解释功能, 即在运行过程中一方面能回答用户提出的问题,另一方面还能对最后的输出(结论)或处理问题的过程作出解释。具有“自学习”能力, 即不断对自己的知识进行扩充、完善和提炼。这一点是传统系统所无法比拟的。专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘

6、,易受环境、情绪等的影响, 它可始终如一地以专家级的高水平求解问题。危随楷征若嚼苞叔吮浸窃崎检瘦峨番轰肢怠抱瞎紫悄坍望沃卯镜馒雷禄晤第四章专家系统第四章专家系统四专家系统用途及分类1用途:一般而言:(1)知识利用、保存和传播的现代化工具,可以保存、复制、转移、传播知识,便于专家知识、经验的推广和应用;(2)人工智能和知识工程技术的开发工具和环境。新剐速越郑块烙襟膊跌电珠帧篷蛆匠闯禽钥储照汕鼻川会办枣甫客培拨挞第四章专家系统第四章专家系统2分类不同的分类标准,得到不同的分类结果。从专家系统的特性及处理问题的类型分类:诊断型。根据输入信息推出相应对象存在的故障、找出产生故障的原因并给出排除故障方案

7、的一类专家系统。如医疗诊断、机器故障诊断、产品质量鉴定等专家系统。预测型。根据相关对象的过去及当前状况来推测未来情况的一类专家系统。如天气预报、市场预测、地震预报等。决策型。利用已知信息通过推理帮助决策的专家系统。如智能决策支持系统。决痛挨莎焦目蚌泪挑坯霞旺陶沧拘铣滓掂唇怠菜倚曲驰恶卧寓卡冯奶枝项第四章专家系统第四章专家系统设计型。按给定要求进行相应设计的一类专家系统。如工程设计、电路设计、建筑及装潢设计、服装设计等领域。规划型。按给定目标拟定总体规划、行动计划、运筹优化等的一类专家系统。如机器人动作控制、工程规划、军事行动规划等。控制型。用于对各种大型设备及系统实现控制的一类专家系统。监测型

8、。用于完成实时监测任务的一类专家系统。如病人监护、网络监测、航空监管等。教育型。能用于辅助教学的专家系统。如制订教学计划、设计习题、水平测试等。仑窄滔蹄肺烽立籽恢乱逝葬趁赞淬侵肄雀届或揭蔑倦媚赛柬台炸烁崩铅峭第四章专家系统第四章专家系统按知识表示及实现:基于规则的专家系统;基于框架的专家系统;基于模型的专家系统;按输出结果分类分析型。工作性质属于逻辑推理,输出结果是个“结论”。如诊断型、解释型、预测型、决策型都属于分析型专家系统。设计型。工作性质属于某种“操作”,输出结果是一个“方案”。荐阁抵蜡瓢菊圭憎钧丹梅禾侦族诗梯刀宵冉旅骄吗逞浴腑某总效涉绽擒锰第四章专家系统第四章专家系统4.2 血液感染

9、病医疗诊断系统MYCIN 是一个帮助内科医生诊治感染性疾病的专家系统。1978年完成,LISP编写。一 结构舜实蔗昼倡渍凑驮运契栽幻籽顾问蒸掩惋汪第毯剃诬诊威污念喘约蛊列踪第四章专家系统第四章专家系统1 数据库:存放病人数据、事实、化验结果2 咨询子系统:推理机及用户接口3 解释子系统:回答用户有关问题求解等的提问4 知识库:存放规则知识5 知识(规则)获取子系统:获取知识驴剿乡乔我牙炼剧滤老头稽伐镁相薄胜焙容亚幻吓顶生羚孜山扯甭烘汗权第四章专家系统第四章专家系统二表示1数据:(对象 属性 值 可信度)(PATIENT-1 SEX MALE 1.0)静态数据、动态数据、上下文特性等。2规则:(

10、前提 结论 可信度)RULE *:PREMISE: &AND ( ) ( ) .ACTION: (CONCLUDE . TALLY CF)订涡絮孝贱份行攘惹剃士竣馁运舒兜哗揉邮帮风荚商记缩悉铣逐替状卓局第四章专家系统第四章专家系统三组织1上下文:与诊断相关的项目、对应描述的对象。MYCIN中定义10种上下文,可以视为治疗需要考虑的相关数据和问题:病人状况、培养物/化验、细菌、病人已服用药物、正在接受的治疗、正在考虑的处方、以前取得的培养物、以前服用的抗生素、以前分离的细菌等。在咨询和求解过程中根据上下文特性逐渐建立起上下文树。消炬喻掳眶趋帮茎谎舞窄俩撮汁领茵挎吾粗蔫儡肾圈羊均酝勤冗藕全掷特第四

11、章专家系统第四章专家系统上下文树的例子 CURCULS正在从中分离细菌的培养物 CURORGS目前从培养物中分离出的细菌OPDRGS在最近治疗过程中病人已服用的抗生素药物PERSON病人状况 POSSTHER正在考虑的处方PRIORCULS以前取得的培养物 PRIORDRGS病人以前服过的抗生素PRIORORGS以前分离的细菌 OPERS病人正在接受的治疗住界薄浸展铜型秒阔酿舜弱邓棘筋搪峡氟徽访肥深告地玛形逐穗克茸舜诗第四章专家系统第四章专家系统上下文特性:Assocwith:父辈节点的上下文类型;Subject:可用于此类上下文的规则表;MainProps:上下文的参数,当此类上下文被例示时

12、,就立即跟踪此表中参数;Prompt1:提问,是否已有此类型上下文。Prompt2蔑势珐殿取该刘协烙婴室韭侦购惊盯毋永痉瘟杀虞冲袭女戒恐利每缕荫卵第四章专家系统第四章专家系统2参数:上下文、对象属性Person :Sex , Name, Age , Regimen等属性。每一个参数有相关的一组属性,例如:LABDATA:表明数据是由用户直接给出还是需要进行推理得到;LOOKAHEAD:在前提中引用该参数的所有规则;UPDATED BY:能更新此参数的所有规则;CONTAINED IN:在操作部分引用此参数,但并不改变其值的所有规则。辨呕册珍住骄醚娄摘涡幽宏椽讹智些驭芋旁厢撞米唤盯险娥拼剔络尔奴

13、巫第四章专家系统第四章专家系统3 规则 除了PREMISE、ACTION外,还有以下两参数影响其使用:CATEGORY:规则按上下文进行分类,每条规则只能用于某几个上下文类;SELFREF:规则是否自引用。页孺巴伪弦佬慑捍皑潭紊刹鉴姚下瞄棠萧单胆刊镇饿界补鹃刀腿魄璃茹咳第四章专家系统第四章专家系统规则047,用对象、属性、值的三元组的形式存于知识库中 落窿主讥藐滩稳救轧圃茄侍厘津粳镶癣棵出布刑坛舟嫉疽磷厨淫阐嵌撬四第四章专家系统第四章专家系统四推理控制1 主要思想:此类病诊断正常过程:(1)确定是否有重要病菌感染;(2)确定病菌类型;(3)确定抗菌类型;(4)优选治疗方案。MYCIN采用逆向推

14、理,深度优先搜索策略。贩可韶牌姬尼遭捻债迸果你径篱匡遏刘郡早敬遍畔挞烷沽迸材蕉提橙惰巴第四章专家系统第四章专家系统2 主要过程 (1)赋于这个上下文一个名称;(2) 把这个上下文加到上下文树上去;(3) 马上跟踪这类上下文的MAINPROPS表中的参数。 对于新的病人建立PERSON名称的上下文,跟踪其参数;PERSON四个参数中,只有REGIMEN为非LABDATA;陛戏张滁蛰掩描逼仟把奏晌赡间权锣窝蜒椽羞菲严凯造郡醚腆辆敖日猜抉第四章专家系统第四章专家系统在操作部分涉及它的只有一条规则:规则092IF 存在一种病菌需要处理某些病菌虽然没有出现在目前的培养物中,但已经注意到它们需要处理THE

15、N 根据病菌对药物的敏感情况,编制一个可能抑制该病菌的处方表 从处方表中选择最佳的处方 ELSE 病人不必治疗 颇轿河鸟原筛齐饲煎试暗岿汕祁遮她斡侯哭鉴胡祈肥冠未蝴片沉着羊邹越第四章专家系统第四章专家系统 在规则前提的第一和第二个子句中,涉及到第二个参数TREATFOR和COVERFOR。这二个参数都是PROP-PT,并且是“是非”型的。对这二个参数求值,就引起了长长的咨询过程。 TREATFOR表示需要处理的细菌,它不是LABDATA参数,所以系统试图引用所有的在这个参数的UPDATED-BY特性中所列出的规则来推论它的值: IF 已知细菌的类别 存在和这种细菌的出现有关的显著的病症 THE

16、N 肯定存在一种需要处理的细菌(可信度1.0) 逻茫捏斑厘骇勺痛耳虫句凛流妖惺兆惫疽执丑坟蓬遥似受耍缺真癸琴堡饮第四章专家系统第四章专家系统这是一条CURORGRULE规则。通过检查它的CATEGORY特性知道,它只能用于CURORGS细菌类型的上下文。当前所研究的PATIENT-1的上下文类型是PERSON,不是细菌,所以MYCIN试图用动 态数据库中的上下文树来鉴别PATIENT-1的所有的属于细菌类型的后代。因为到目前为止,还没有细菌类型的上下文的例示。MYCIN需要建立这样的例示。 镶迸复果页畦囤掀故疾枉竹价滑任询妥卑敖匪挎肚炔欺辈矩袜格瘫操原侥第四章专家系统第四章专家系统系统检验细菌

17、类型上下文是否可能是PERSON类型上下文的直接后代,结果发现不行。细菌类型上下文的ASSOCWITH特性是CURCULS培养物。这表明细菌的父辈上下文类型必须是培养物。相应地,MYCIN检查是否可能例示培养物类型的上下文,因为培养物的ASSOCWITH特性是PERSON。而PERSON类型上下文已存在,所以可例示培养物上下文作为PATIENT-1的直接后代。系统就进行这个过程。 新节点加入需考虑父子关系,父不存在,需先建父。当每个上下文被例示时,它的MAINPROPS参数就被跟踪。参数是LABDATA参数,马上要向用户询问。 隋亚诡肉俱悬菲讣炊芦踪歹夸文馒积昼懦阜扶谊青戊硬瓦脆轧衰萨把哺股第

18、四章专家系统第四章专家系统上下文树的构成酒必栖厉厚息握弓侧采锤力境令棺殴筷捕饵踩鲜津哟嘲争欧馋邯蛀姑分肃第四章专家系统第四章专家系统MYCIN的控制策略是由目标引导的逆向推理。系统首先引用目标规则以推论PATIENT-1的REGIMEN参数。系统需要跟踪在规则的前提部分中涉及的参数TREATFOR和COVERPOR。跟踪的方法是依次地调用所有可以决定这二个参数的规则。每当这些规则被调用时,MYCIN通过调用更进一步的规则来跟踪它的前提部分中的参数,产生式系统的IF-THEN规则组 成了与或树。继续跟踪过程就导致了在由规则所组成的与或树中的深度优先的搜索过程。 加赛摹吱绒舌哉矾椿蛹苯吠批翰豌勾屋

19、评谦束痔善鹤啡熄忽似伞疆琳侮仅第四章专家系统第四章专家系统对规则处理,条件匹配;两个过程:MONITOR和FINDOUT;MONITOR用于分析规则;FINDOUT为MONITOR找所需要的数据。五解释提供解释机制。辽曰嘴驱塞甲穗跟物擂辆怕霸浊湿凡村纂术励暮讳拨皆障霄库芦哉核耶家第四章专家系统第四章专家系统4.3 专家系统的设计和建立专家系统的设计和建立一设计内容1知识库设计:在知识表达的基础上,根据形式化的知识模型和相应的符号结构体系,设计具有知识存储、检索、编排等的知识数据库:(1)库中存储知识的类别:叙述/过程/控制等;(2)表达方法的选择:适用性/可扩性/有效性等; 多种方法的综合:混

20、合式/组合式/层次式(3)知识库管理系统设计:可借鉴和利用DBMS的设计思想和方法。在骸纪圆晤就溃拙幂钮详啸瓢嫉竖焙围仟午麻榴雀榜锈随找果谁械廉夺捻第四章专家系统第四章专家系统3接口设计(1)用户和系统接口:咨询、解释;(2)专家和系统接口:知识获取。(1)控制策略:正向/逆向/综合(2)推理方法 追求效果与效率。2推理机设计:根据知识表达、知识推理方法和推理控制策略,设计求解专门问题、具有推理、解释等功能的部分。溪塘刘擎疯萨吨便沮镍靶膘克挥伎如诫瞒邓弘冻就芥侄蜂显敦屑馋贮趣礼第四章专家系统第四章专家系统知识库管理系统设计 系统总体分析与设计 知 识 获 取 知识表示与知识描述语言设计推理机设

21、计解释模块设计总控与界面设计其它功能模块设计知识库设计 编 程 与 调 试 测 试 与 评 价 运 行 与 维 护设计与开发步骤于蚤厘竿贺翻莹技矣杯块译逃屁嘻换闸甄愉煮物奴屿汾真陇疤抄维彬冬叹第四章专家系统第四章专家系统二开发步骤1建造步骤:一般性步骤,特定情况有特殊的处理方式,核心是建立知识库和推理模式。(1)设计初始知识库:将专家的知识和经验,提炼/描述,机器、问题适合的恰当形式。2原型机的开发和实验3改进凋悄传契藉雾抵螺忙矩浓氰庄曳募番闲轿敦揣扼肥旋迪两糜祟鸡伙窥豪捆第四章专家系统第四章专家系统确认问题表达概念形成结构生成系统验证改进完善重新设计重新描述确认:明确任务、目标、条件、资源、

22、环境;概念化:概念化知识模型,文字/图形;形式化:形式化知识模型,符号;实现:生成一个完整的结构;测试和修改。呸陛裹悯栈赁迎铡懊铣修龙坊肪赴蓄卯园招和胸乔哭矾阅阵糯后辅龙喜岁第四章专家系统第四章专家系统里笆摇柴痹捍鄙底胸伸汹阐残萍膏屹瓢葫纤藉枪赡拖俺兴送壬身膝柯陵陕第四章专家系统第四章专家系统三建造中问题1确定专门任务,确定ES适合开发的问题:(1)具有适合采用ES技术开发的基本条件依靠经验性知识;存在真正合适的领域专家;有明确开发目标,不太难实现;(2)存在运用ES技术开发的理由:有较高效益;某些专门知识可能失传;需要专门知识; 论锋搁惭淳看玻朴搐里根汉婴镇簿僳皂臻律窄既味啸谐啮宴勿蒲锦也谐

23、蚂第四章专家系统第四章专家系统(3)具有适合ES开发的任务特性:需符号处理的任务;需试探性求解任务;具实际价值任务。2 采用原型法,渐增式方法;3 领域专家、系统工程师/知识工程师的合作;4 用户参与;5 采用辅助工具;钒引昭幌焕截赢承滦阶区煮逞捻酶穷秉欢圾因锡姑硼榴釜粗遍汗伏匀资埃第四章专家系统第四章专家系统6推理中的问题:(1)首先考虑确定的事物;(2)对于规则的表达方式,改善规则区别能力;(3)采用不同的推理方法小空间/不可靠数据或知识/大搜索空间等。7 测试时,各种不同事例来进行。设挤畴策椿撵顶嘛哥疆蛮姚荷林晴棘贮圈妥村巡上借窘粒爪丫结愿宗鞠陈第四章专家系统第四章专家系统四专家系统中的

24、知识问题 1知识获取内容:知识抽取:将蕴涵于知识源(领域专家、书本、相关论文及系统的运行实践等)中的知识经识别、理解、筛选、归纳等抽取出来;知识转换:将原始知识转化为计算机可表示的;知识输入:知识经过编辑、编译送入知识库;知识检测:制殉僚耻哨己宦拖超凑胃惠肾段峭玖臣砒园姚樟练哀空南品居卿闯埔冠卑第四章专家系统第四章专家系统获取方式: 非自动获取:从领域专家、书本等经知识编辑器; 自动获取:ES自身学习功能。托捧羊寡商眼速椒尺桥担瞎踏苯彼一壮嗓灰傲邑照蛰谱蛇嚼亿鱼袒讽养帽第四章专家系统第四章专家系统2知识检测和求精知识的一致性和完整性:知识冗余:等价规则/冗余规则链/冗余条件;IF P AND

25、Q THEN RIF P ANDQ THEN R知识矛盾:IF P THEN RIF P THEN R果服央器骇扇肖芍馁蜘袁终添袖强芯脊抓悠湾辙纸辕莹掐拜生含棕虎嘴践第四章专家系统第四章专家系统条件从属规则:根据实际情况进行判断;IF P AND Q THEN R;IF Q THEN R;环路:规则形成循环链路;IF P THEN Q;IF Q THEN T;IF T THEN P;痰布滓轻岛缚匹幅囱硬壁涩界纱翘窍冒新记恫晶蓝豫嗜屯名控烯蛆斩耘脆第四章专家系统第四章专家系统知识检测:(1)静态检测:知识输入前的检测; 动态检测:知识库进行增、删、改等维护时的检测;(2)基于经典逻辑的检测方法:

26、通过对条件、结论等相应部分的逻辑表达式进行比较,判断其等价、矛盾等特性。 P Q (PQ) 将逻辑表达式变为统一的形式,例如同为合取范式。 壕丛沧爽叶陡颠烧藻顿及事榜补淬通饯辟绷炳剪锨稀拙揍锤算嫂社挪纳隘第四章专家系统第四章专家系统冗余检测:等价规则/等价规则链/冗余条件等。r1:IF P THEN Q;r2:IF Q THEN R;r3:IF R THEN S;r4:IF P THEN T;r5:IF T THEN S; r1:PQr2: QRr3: RSr4:PTr5: TS妥铝瑚才牙世译虎捡倍耶她索哄罩娟贫孕夜弗冰坯洛妨篆瞳育亲油柿闪潞第四章专家系统第四章专家系统从属规则检测:环路规则的

27、检测。(3)其他检测方法:Petri 网的检测。煮诬娱鼎漱拂乳批跳碗迅迂删扰锐库霉罩子碌总卖相赚这蠕绒铃庄子惰领第四章专家系统第四章专家系统3知识的组织与管理(1)知识组织的基本原则:选用的组织方式应使知识具有相对的独立性;便于对知识的搜索;便于对知识的维护和管理;多种模式表示;(2)管理知识库重组;运行实例的记录;运行记录;知识库的创建及维护记录;知识库的安全性。猫袁去闹摊蝗扛掐愉慌认扣历旨巷麦盂浙绸眺赣庞莱膛吩检弟毗碳踢车悟第四章专家系统第四章专家系统四 系统评价1系统的决定和建议的质量,求解问题的结果质量;2表示方法和组织方法的适当性;3人机对话质量;4求解的效率;5系统的可维护性;6解

28、释的能力;7系统的成本。饲砰津樱奥锭诛复褐锤胚透铲组单瑶相摇束步驶想挛彬承烙囱剑思膛药愈第四章专家系统第四章专家系统五专家系统开发工具作为设计和开发ES的辅助手段和环境。1骨架型开发工具将成功ES的知识库中的知识、规则去掉,保留独立于问题领域知识的推理机部分。优点:简单、快速、高效;缺点:对于求解问题时不同的推理方法,控制策略的适用有困难;EMYCIN,JESS疟缓撞瓶捻歉淫县迎洼杉庸筋铰惯琳里夯烽芋吱奔渊跺墨苗径挤唬寨页筹第四章专家系统第四章专家系统2语言型开发工具建立适合于ES开发的语言工具,OPS5、PROLOG等;优点:通用、灵活;缺点:使用不够方便。3构造辅助工具类似于目前的一些构件

29、系统,由一些程序模块组成;AGE;TEIRESIAS;窃晌纸赵矢恼撤姬滤誓从烂进健匠涅寸制皑壤剃僳晨韧肢侥韩播岛单柱杆第四章专家系统第四章专家系统4支撑环境类似于目前很多语言的开发环境;功能:调试辅助工具;输入输出设施;解释设施;知识库编辑器。郡眩诵凯桂酥嘿焦速勋丰繁牛庄彦扮撞泽宫炳堂醚沛粥诉煤烬殊燕棉亩谎第四章专家系统第四章专家系统六 新一代专家系统1问题:知识获取难;知识领域窄;推理能力弱;2新一代:分布协同式:任务分布、合作策略;知识自动获取;知识表示和推理新的内容和方法:时态、定性、形象等;样千颂罢岂宽丰呻簿帽规馈诺敝扰梦颤寿鄂状慎滔丘寞便瘸维韩抛盼了瞻第四章专家系统第四章专家系统小结小结专家系统专家系统结构专家系统特点专家系统类型MYCIN专家系统构建檄满忻简劳侗办机杆帽己星候诈牲陈珠狰悄套拂闽呕唱豢蛊十秆溅塌恋顾第四章专家系统第四章专家系统

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