人工智能與仿真模擬..

1、第二章第二章第二章第二章第二章第二章 計算機(jī)與儀器分析計算機(jī)與儀器分析計算機(jī)與儀器分析計算機(jī)與儀器分析計算機(jī)與儀器分析計算機(jī)與儀器分析 第四節(jié)第四節(jié)第四節(jié)第四節(jié)第四節(jié)第四節(jié) 人工智能與實驗仿真人工智能與實驗仿真人工智能與實驗仿真人工智能與實驗仿真人工智能與實驗仿真人工智能與實驗仿真模擬技術(shù)模擬技術(shù)模擬技術(shù)模擬技術(shù)模擬技術(shù)模擬技術(shù)一、人工智能簡介一、人工智能簡介an introduction to Artificial intelligence 二、儀器分析實驗多二、儀器分析實驗多媒體仿真模擬媒體仿真模擬multimedia simulation of instrument analysis e

2、xperimentcomputer and instrument analysis artificial intelligence and multimedia experiment simulation technology10:34:39一、分析化學(xué)中的人工智能技術(shù)簡介一、分析化學(xué)中的人工智能技術(shù)簡介一、分析化學(xué)中的人工智能技術(shù)簡介一、分析化學(xué)中的人工智能技術(shù)簡介一、分析化學(xué)中的人工智能技術(shù)簡介一、分析化學(xué)中的人工智能技術(shù)簡介 a introduction to Artificial intelligencea introduction to Artificial intelligence

3、a introduction to Artificial intelligence 人工智能人工智能（artificial intelligence）: : 是指用機(jī)器是指用機(jī)器或計算機(jī)通過模擬人類的智慧行為來解決實際問題或計算機(jī)通過模擬人類的智慧行為來解決實際問題的能力。的能力。 人工智能技術(shù)在化學(xué)方面的應(yīng)用：人工智能技術(shù)在化學(xué)方面的應(yīng)用： 計算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析；計算機(jī)輔助合成設(shè)計；計算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析；計算機(jī)輔助合成設(shè)計；智能化分析儀器；計算機(jī)多媒體虛擬實驗室。智能化分析儀器；計算機(jī)多媒體虛擬實驗室。 一般層次：一般層次：人工智能人工智能 = = 知識庫知識庫+ +邏輯推理方法；邏輯推理方法；

4、 高級層次：高級層次：具有自學(xué)習(xí)、自積累能力。具有自學(xué)習(xí)、自積累能力。10:34:40化學(xué)人工智能的核心問題：化學(xué)人工智能的核心問題：（1 1） 化學(xué)知識的模型化和表示方法化學(xué)知識的模型化和表示方法（2 2） 知識庫的建立與搜索方法知識庫的建立與搜索方法（3 3） 推理、演繹、判斷與求解方法推理、演繹、判斷與求解方法（4 4） 程序設(shè)計和技術(shù)程序設(shè)計和技術(shù)10:34:411. 1. 1. 1. 1. 1. 知識庫與知識表示方法知識庫與知識表示方法知識庫與知識表示方法知識庫與知識表示方法知識庫與知識表示方法知識庫與知識表示方法 知識庫知識庫：數(shù)據(jù)庫的發(fā)展；解決問題的規(guī)則（具有因果關(guān)數(shù)據(jù)庫的發(fā)展；

5、解決問題的規(guī)則（具有因果關(guān)系的數(shù)據(jù)）的分類集合，為推理服務(wù)。系的數(shù)據(jù)）的分類集合，為推理服務(wù)。 推理模式和知識表示方式?jīng)Q定知識庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；推理模式和知識表示方式?jīng)Q定知識庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 知識表示方式知識表示方式：邏輯表示模式；過程表示模式；語義網(wǎng)邏輯表示模式；過程表示模式；語義網(wǎng)絡(luò)模式；框架表示模式；產(chǎn)生式表示模式。絡(luò)模式；框架表示模式；產(chǎn)生式表示模式。 知識表示方式用于知識的計算機(jī)識別，編譯程序用于知識知識表示方式用于知識的計算機(jī)識別，編譯程序用于知識庫的內(nèi)、外部表示的轉(zhuǎn)換；庫的內(nèi)、外部表示的轉(zhuǎn)換；10:34:41邏輯表示模式邏輯表示模式邏輯表示模式邏輯表示模式邏輯表示模式邏輯表示模式 將事

6、實用將事實用“命題命題”和和“謂詞謂詞”兩種方式表示；兩種方式表示；命題：命題：“真真”、“假假”兩種可能的事實；兩種可能的事實； 如：如：P P命題命題“2980“2980cm-1cm-1處有吸收處有吸收”； Q Q命題命題“1719“1719cm-1cm-1處有吸收處有吸收” 命題可以用邏輯關(guān)系詞組合成命題可以用邏輯關(guān)系詞組合成“復(fù)合命題復(fù)合命題”； PQPQ；化合物在兩處均有吸收化合物在兩處均有吸收謂詞：謂詞：描述實體的性質(zhì)或關(guān)系；描述實體的性質(zhì)或關(guān)系； 如：如：P(acetone)P(acetone)表示表示“丙酮在丙酮在17191719cm-1cm-1處有吸收處有吸收”； E E(

7、(b,c)b,c)表示表示 “b=c” “b=c”； A A(Z,X(Z,X，Y)Y)表示表示Z=X+YZ=X+Y；知識表述：知識表述： E E( (X,Y) X,Y) E E( (Y,Z) Y,Z) E E( (X,Z)X,Z) 若若X=YX=Y且且Y=ZY=Z，則則X=ZX=Z（為邏輯關(guān)系為邏輯關(guān)系“蘊(yùn)含蘊(yùn)含”）大量的知識描述（事實或規(guī)則）即構(gòu)成知識庫大量的知識描述（事實或規(guī)則）即構(gòu)成知識庫10:34:41推理方法推理方法推理方法推理方法推理方法推理方法 依據(jù)提依據(jù)提供的事實，供的事實，利用知識庫，利用知識庫，通過程序運通過程序運行（推理），行（推理），獲得結(jié)果；獲得結(jié)果；推理方法：推理方

8、法：正向推理正向推理逆向推理逆向推理10:34:42推理方法推理方法推理方法推理方法推理方法推理方法逆向推理逆向推理10:34:422. 2. 2. 專家系統(tǒng)（專家系統(tǒng)（專家系統(tǒng)（專家系統(tǒng)（專家系統(tǒng)（專家系統(tǒng)（expert systemexpert systemexpert system） 將專家的判將專家的判斷過程轉(zhuǎn)變成的斷過程轉(zhuǎn)變成的智能程序系統(tǒng)；智能程序系統(tǒng)；用戶用戶界面解釋功能知識獲取專家問題狀態(tài)推理機(jī)制知識庫10:34:43專專專專專專家家家家家家系系系系系系統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)知識表示及編譯程序結(jié)構(gòu)驗證化學(xué)環(huán)境模式識別人機(jī)交互信息 波譜模擬 結(jié)構(gòu)碎片發(fā)生器整體分子拼接實驗數(shù)據(jù)(MS,NMR

9、,IR)分子式其他信息譜圖-結(jié)構(gòu)相關(guān)表其他約束條件推理數(shù)據(jù)庫(用戶提供的信息)結(jié)構(gòu)發(fā)生器立體結(jié)構(gòu)發(fā)生器知識庫分子張力能計算13C-NMR譜峰數(shù)結(jié)構(gòu)輸出結(jié)構(gòu)解析結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)流程框圖流程框圖10:34:43液相色譜專家系統(tǒng)：液相色譜專家系統(tǒng)：液相色譜專家系統(tǒng)：液相色譜專家系統(tǒng)：液相色譜專家系統(tǒng)：液相色譜專家系統(tǒng)：（1）柱系統(tǒng)推薦軟件包）柱系統(tǒng)推薦軟件包 輸入碳數(shù)、基團(tuán)、試樣類型等輸入碳數(shù)、基團(tuán)、試樣類型等 推薦預(yù)處理方法，色譜分析方法，分離柱，流動相，檢推薦預(yù)處理方法，色譜分析方法，分離柱，流動相，檢測器等。測器等。（2）色譜條件優(yōu)化及離線色譜數(shù)據(jù)計算軟件包）色譜條件優(yōu)化及離線色譜數(shù)據(jù)

10、計算軟件包 根據(jù)獲得的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行條件優(yōu)化后，再次進(jìn)行分析，根據(jù)獲得的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行條件優(yōu)化后，再次進(jìn)行分析，提供分析報告。提供分析報告。 譜圖與數(shù)據(jù)查詢：譜圖的再處理，相關(guān)譜圖查找，計算，譜圖與數(shù)據(jù)查詢：譜圖的再處理，相關(guān)譜圖查找，計算，分離條件顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示分離條件顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示10:34:44輔助光譜圖解析系統(tǒng)輔助光譜圖解析系統(tǒng)輔助光譜圖解析系統(tǒng)輔助光譜圖解析系統(tǒng)輔助光譜圖解析系統(tǒng)輔助光譜圖解析系統(tǒng)基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)確定化合物結(jié)構(gòu)：紅外、核磁、質(zhì)譜196

11、9年，斯坦福大學(xué)的DENDRAL系統(tǒng)1976年，PBM系統(tǒng)，美國Cornall大學(xué)，質(zhì)譜圖解析1977年，SISCOM系統(tǒng)，前聯(lián)邦德國煤炭研究所，質(zhì)譜圖解析譜圖存儲方法譜圖存儲方法原則：節(jié)省空間，不遺漏信息：原則：節(jié)省空間，不遺漏信息：保存峰數(shù)據(jù)；按波長取數(shù)據(jù)保存峰數(shù)據(jù)；按波長取數(shù)據(jù)查詢對比方法（檢索）查詢對比方法（檢索）需要考慮儀器誤差（峰位、峰強(qiáng)），判斷相似程度的定量指標(biāo)10:34:44人工智能化合物結(jié)構(gòu)識別系統(tǒng)人工智能化合物結(jié)構(gòu)識別系統(tǒng)人工智能化合物結(jié)構(gòu)識別系統(tǒng)人工智能化合物結(jié)構(gòu)識別系統(tǒng)人工智能化合物結(jié)構(gòu)識別系統(tǒng)人工智能化合物結(jié)構(gòu)識別系統(tǒng) 模擬專家的思維，將經(jīng)驗抽象成一些規(guī)則或數(shù)學(xué)公式模

12、擬專家的思維，將經(jīng)驗抽象成一些規(guī)則或數(shù)學(xué)公式Munk 紅外光譜解釋程序：紅外光譜解釋程序： 將基團(tuán)分為將基團(tuán)分為25大類，大類，159個分類，兼顧峰強(qiáng)和峰形個分類，兼顧峰強(qiáng)和峰形但無法將結(jié)構(gòu)單元與光譜數(shù)據(jù)之間用數(shù)學(xué)關(guān)系精確描述但無法將結(jié)構(gòu)單元與光譜數(shù)據(jù)之間用數(shù)學(xué)關(guān)系精確描述Sasaki 的的Chemics-F程序：程序： 將分子結(jié)構(gòu)分成將分子結(jié)構(gòu)分成179個結(jié)構(gòu)單元，互不重疊，任一分子個結(jié)構(gòu)單元，互不重疊，任一分子結(jié)構(gòu)都可以由這些基本結(jié)構(gòu)單元組合得到。結(jié)構(gòu)都可以由這些基本結(jié)構(gòu)單元組合得到。10:34:45識別系統(tǒng)流程識別系統(tǒng)流程識別系統(tǒng)流程識別系統(tǒng)流程識別系統(tǒng)流程識別系統(tǒng)流程紅外核磁獲得結(jié)構(gòu)單

13、元可能結(jié)構(gòu)組合譜圖核對結(jié)果分子式規(guī)則譜圖庫10:34:453. 3. 3. 模式識別模式識別模式識別模式識別模式識別模式識別 模擬人對客觀環(huán)境的認(rèn)識。模擬人對客觀環(huán)境的認(rèn)識。 事物的性質(zhì)由其特征決定。性質(zhì)相似的物體其特征相似。事物的性質(zhì)由其特征決定。性質(zhì)相似的物體其特征相似。提取特征分類 羰基化合物與炔類化合物在羰基化合物與炔類化合物在1920，3300cm-1都有紅外吸收都有紅外吸收峰。以兩波長處的吸光度為坐標(biāo)（二維模式空間）作圖，每個峰。以兩波長處的吸光度為坐標(biāo)（二維模式空間）作圖，每個化合物對應(yīng)一個點，兩類物質(zhì)形成兩個有界線的子集。由未知化合物對應(yīng)一個點，兩類物質(zhì)形成兩個有界線的子集。由

14、未知物的點所在子集，確定所屬類，距離最近的點，結(jié)構(gòu)最相似。物的點所在子集，確定所屬類，距離最近的點，結(jié)構(gòu)最相似。擴(kuò)展到多維空間，判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性提高。擴(kuò)展到多維空間，判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性提高。自學(xué)習(xí)過程：自學(xué)習(xí)過程：訓(xùn)練集，訓(xùn)練集，1/2 含某基團(tuán)，計算機(jī)找出模式空間差異含某基團(tuán)，計算機(jī)找出模式空間差異特征選?。禾卣鬟x取：對分類重要的特征。節(jié)省空間，加快查找速度對分類重要的特征。節(jié)省空間，加快查找速度羰基炔類10:34:46智能化分析儀器智能化分析儀器智能化分析儀器智能化分析儀器智能化分析儀器智能化分析儀器示意圖示意圖示意圖示意圖示意圖示意圖分析儀器熱、光、電新技術(shù)新型材料、電子器件操作分析對象控

15、制信號實施檢測數(shù)據(jù)庫信息數(shù)據(jù)處理方法描述報告結(jié)果判斷多媒體計算機(jī)人工智能專家系統(tǒng)最優(yōu)化技術(shù)自動化技術(shù)10:34:46二、仿真模擬技術(shù)與虛擬實驗室二、仿真模擬技術(shù)與虛擬實驗室二、仿真模擬技術(shù)與虛擬實驗室二、仿真模擬技術(shù)與虛擬實驗室二、仿真模擬技術(shù)與虛擬實驗室二、仿真模擬技術(shù)與虛擬實驗室 multimedia simulation of instrument analysis experimentmultimedia simulation of instrument analysis experimentmultimedia simulation of instrument analysis ex

16、periment 在仿現(xiàn)實環(huán)境的界面中，模擬實際過程（數(shù)學(xué)建模），在仿現(xiàn)實環(huán)境的界面中，模擬實際過程（數(shù)學(xué)建模），完成特定任務(wù)。完成特定任務(wù)。 采用的技術(shù)采用的技術(shù)：場景設(shè)計；動態(tài)非線形交互；多線程；數(shù)：場景設(shè)計；動態(tài)非線形交互；多線程；數(shù)學(xué)模型；學(xué)模型； 應(yīng)用應(yīng)用：計算機(jī)輔助教學(xué)，實驗類網(wǎng)絡(luò)課程；：計算機(jī)輔助教學(xué)，實驗類網(wǎng)絡(luò)課程； 儀器分析虛擬實驗室；儀器分析虛擬實驗室； 分析化學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室；分析化學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室； 分析化學(xué)虛擬考場。分析化學(xué)虛擬考場。 特點特點：場景化、智能化、高度實時交互、非線性；：場景化、智能化、高度實時交互、非線性；10:34:47虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室10:34:47虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室10:34:47虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室虛擬實驗室10:34:48內(nèi)容選擇：內(nèi)容選擇：內(nèi)容選擇：內(nèi)容選擇：內(nèi)容選擇：內(nèi)容選擇：第一節(jié)第一節(jié) 計算機(jī)與儀器分析計算機(jī)與儀器分析computer and instrumen