人工智能與實驗仿真模擬技術

第二章

計算機與儀器分析

第四節(jié)人工智能與實驗仿真模擬技術一、人工智能簡介anintroductiontoArtificialintelligence

二、儀器分析實驗多媒體仿真模擬multimediasimulationofinstrumentanalysisexperimentcomputerandinstrumentanalysis

artificialintelligenceandmultimedia

experiment

simulationtechnology2023/9/12一、分析化學中的人工智能技術簡介

aintroductiontoArtificialintelligence

人工智能（artificialintelligence）:是指用機器或計算機通過模擬人類的智慧行為來解決實際問題的能力。

人工智能技術在化學方面的應用：

計算機輔助結(jié)構解析；計算機輔助合成設計；智能化分析儀器；計算機多媒體虛擬實驗室。

一般層次：人工智能=知識庫+邏輯推理方法；

高級層次：具有自學習、自積累能力。2023/9/12化學人工智能的核心問題：（1）化學知識的模型化和表示方法（2）知識庫的建立與搜索方法（3）推理、演繹、判斷與求解方法（4）程序設計和技術2023/9/121.知識庫與知識表示方法知識庫：數(shù)據(jù)庫的發(fā)展；解決問題的規(guī)則（具有因果關系的數(shù)據(jù)）的分類集合，為推理服務。

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；知識表示方式：邏輯表示模式；過程表示模式；語義網(wǎng)絡模式；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識別，編譯程序用于知識庫的內(nèi)、外部表示的轉(zhuǎn)換；2023/9/12邏輯表示模式將事實用“命題”和“謂詞”兩種方式表示；命題：“真”、“假”兩種可能的事實；

如：P命題“2980cm-1處有吸收”；

Q命題“1719cm-1處有吸收”命題可以用邏輯關系詞組合成“復合命題”；

P^Q；化合物在兩處均有吸收謂詞：描述實體的性質(zhì)或關系；

如：P(acetone)表示“丙酮在1719cm-1處有吸收”；E(b,c)表示“b=c”；A(Z,X，Y)表示Z=X+Y；知識表述：E(X,Y)^E(Y,Z)→E(X,Z)

若X=Y且Y=Z，則X=Z（→為邏輯關系“蘊含”）大量的知識描述（事實或規(guī)則）即構成知識庫2023/9/12推理方法

依據(jù)提供的事實，利用知識庫，通過程序運行（推理），獲得結(jié)果；推理方法：正向推理逆向推理2023/9/12推理方法逆向推理2023/9/122.專家系統(tǒng)（expertsystem）

將專家的判斷過程轉(zhuǎn)變成的智能程序系統(tǒng)；用戶用戶界面解釋功能知識獲取專家問題狀態(tài)推理機制知識庫2023/9/12專

家

系

統(tǒng)知識表示及編譯程序結(jié)構驗證化學環(huán)境模式識別人機交互信息波譜模擬結(jié)構碎片發(fā)生器整體分子拼接實驗數(shù)據(jù)(MS,NMR,IR)分子式其他信息譜圖-結(jié)構相關表其他約束條件推理數(shù)據(jù)庫(用戶提供的信息)結(jié)構發(fā)生器立體結(jié)構發(fā)生器知識庫分子張力能計算13C-NMR譜峰數(shù)結(jié)構輸出結(jié)構解析專家系統(tǒng)流程框圖2023/9/12液相色譜專家系統(tǒng)：（1）柱系統(tǒng)推薦軟件包

輸入碳數(shù)、基團、試樣類型等推薦預處理方法，色譜分析方法，分離柱，流動相，檢測器等。（2）色譜條件優(yōu)化及離線色譜數(shù)據(jù)計算軟件包

根據(jù)獲得的原始數(shù)據(jù)，進行條件優(yōu)化后，再次進行分析，提供分析報告。譜圖與數(shù)據(jù)查詢：譜圖的再處理，相關譜圖查找，計算，分離條件顯示，相關數(shù)據(jù)顯示2023/9/12輔助光譜圖解析系統(tǒng)

基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)確定化合物結(jié)構：紅外、核磁、質(zhì)譜1969年，斯坦福大學的DENDRAL系統(tǒng)1976年，PBM系統(tǒng)，美國Cornall大學，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)查詢對比方法（檢索）需要考慮儀器誤差（峰位、峰強），判斷相似程度的定量指標2023/9/12人工智能化合物結(jié)構識別系統(tǒng)

模擬專家的思維，將經(jīng)驗抽象成一些規(guī)則或數(shù)學公式Munk紅外光譜解釋程序：

將基團分為25大類，159個分類，兼顧峰強和峰形但無法將結(jié)構單元與光譜數(shù)據(jù)之間用數(shù)學關系精確描述Sasaki的Chemics-F程序：

將分子結(jié)構分成179個結(jié)構單元，互不重疊，任一分子結(jié)構都可以由這些基本結(jié)構單元組合得到。2023/9/12識別系統(tǒng)流程紅外核磁獲得結(jié)構單元可能結(jié)構組合譜圖核對結(jié)果分子式規(guī)則譜圖庫2023/9/123.模式識別

模擬人對客觀環(huán)境的認識。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。提取特征分類

羰基化合物與炔類化合物在1920，3300cm-1都有紅外吸收峰。以兩波長處的吸光度為坐標（二維模式空間）作圖，每個化合物對應一個點，兩類物質(zhì)形成兩個有界線的子集。由未知物的點所在子集，確定所屬類，距離最近的點，結(jié)構最相似。擴展到多維空間，判斷結(jié)果的準確性提高。自學習過程：訓練集，1/2含某基團，計算機找出模式空間差異特征選?。簩Ψ诸愔匾奶卣?。節(jié)省空間，加快查找速度羰基炔類2023/9/12智能化分析儀器示意圖分析儀器熱、光、電新技術新型材料、電子器件操作分析對象控制信號實施檢測數(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人工智能專家系統(tǒng)最優(yōu)化技術自動化技術2023/9/12二、仿真模擬技術與虛擬實驗室

multimediasimulationofinstrumentanalysisexperiment

在仿現(xiàn)實環(huán)境的界面中，模擬實際過程（數(shù)學建模），完成特定任務。

采用的技術：場景設計；動態(tài)非線形交互；多線程；數(shù)學模型；

應用：計算機輔助教學，實驗類網(wǎng)絡課程；儀器分析虛擬實驗室；分析化學網(wǎng)絡虛擬實驗室；分析化學虛擬考場。特點：場景化、智能化、高度實時交互、非線性；2023/9/12虛擬實驗室2023/9/12虛擬實驗室2023/9/12虛擬實驗室2023/9/12內(nèi)容選擇：第一節(jié)計算機與儀器分析computerandinstrumentanalysis第二節(jié)數(shù)據(jù)采集與計算機控制computercontrolanddatacollection第三節(jié)信息處