24人工智能與實(shí)驗(yàn)仿真模擬技術(shù)

第二章

計算機(jī)與儀器分析

第四節(jié)人工智能與實(shí)驗(yàn)仿真模擬技術(shù)一、人工智能簡介anintroductiontoArtificialintelligence

二、儀器分析實(shí)驗(yàn)多媒體仿真模擬multimediasimulationofinstrumentanalysisexperimentcomputerandinstrumentanalysis

artificialintelligenceandmultimedia

experiment

simulationtechnology2024/8/20一、分析化學(xué)中的人工智能技術(shù)簡介

aintroductiontoArtificialintelligence

人工智能（artificialintelligence）: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(shí)際問題的能力。

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；智能化分析儀器；計算機(jī)多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)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(xué)習(xí)、自積累能力。2024/8/20化學(xué)人工智能的核心問題：（1）化學(xué)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(shè)計和技術(shù)2024/8/201.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(guān)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)；知識表示方式：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。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；2024/8/20邏輯表示模式將事實(shí)用“命題”和“謂詞”兩種方式表示；命題：“真”、“假”兩種可能的事實(shí)；

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(guān)系詞組合成“復(fù)合命題”；

P^Q；化合物在兩處均有吸收謂詞：描述實(shí)體的性質(zhì)或關(guān)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(guān)系“蘊(yùn)含”）大量的知識描述（事實(shí)或規(guī)則）即構(gòu)成知識庫2024/8/20推理方法

依據(jù)提供的事實(shí)，利用知識庫，通過程序運(yùn)行（推理），獲得結(jié)果；推理方法：正向推理逆向推理2024/8/20推理方法逆向推理2024/8/202.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(jī)制知識庫2024/8/20專

家

系

統(tǒng)知識表示及編譯程序結(jié)構(gòu)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(MS,NMR,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)解析專家系統(tǒng)流程框圖2024/8/20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(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(jìn)行條件優(yōu)化后，再次進(jìn)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(guān)譜圖查找，計算，分離條件顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示2024/8/20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(gòu)：紅外、核磁、質(zhì)譜1969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(qiáng)），判斷相似程度的定量指標(biāo)2024/8/20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(yàn)抽象成一些規(guī)則或數(shù)學(xué)公式Munk紅外光譜解釋程序：

將基團(tuán)分為25大類，159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Sasaki的Chemics-F程序：

將分子結(jié)構(gòu)分成179個結(jié)構(gòu)單元，互不重疊，任一分子結(jié)構(gòu)都可以由這些基本結(jié)構(gòu)單元組合得到。2024/8/20識別系統(tǒng)流程紅外核磁獲得結(jié)構(gòu)單元可能結(jié)構(gòu)組合譜圖核對結(jié)果分子式規(guī)則譜圖庫2024/8/203.模式識別

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。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(biāo)（二維模式空間）作圖，每個化合物對應(yīng)一個點(diǎn)，兩類物質(zhì)形成兩個有界線的子集。由未知物的點(diǎn)所在子集，確定所屬類，距離最近的點(diǎn)，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。自學(xué)習(xí)過程：訓(xùn)練集，1/2含某基團(tuán)，計算機(jī)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2024/8/20智能化分析儀器示意圖分析儀器熱、光、電新技術(shù)新型材料、電子器件操作分析對象控制信號實(shí)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)2024/8/20二、仿真模擬技術(shù)與虛擬實(shí)驗(yàn)室

multimediasimulationofinstrumentanalysisexperiment

在仿現(xiàn)實(shí)環(huán)境的界面中，模擬實(shí)際過程（數(shù)學(xué)建模），完成特定任務(wù)。

采用的技術(shù)：場景設(shè)計；動態(tài)非線形交互；多線程；數(shù)學(xué)模型；

應(yīng)用：計算機(jī)輔助教學(xué)，實(shí)驗(yàn)類網(wǎng)絡(luò)課程；儀器分析虛擬實(shí)驗(yàn)室；分析化學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室；分析化學(xué)虛擬考場。特點(diǎn)：場景化、智能化、高度實(shí)時交互、非線性；2024/8/20虛擬實(shí)驗(yàn)室2024/8/20虛擬實(shí)驗(yàn)室2024/8/20虛擬實(shí)驗(yàn)室2024/8/20內(nèi)容選擇：第一節(jié)計算機(jī)與儀器分析computerandinstrumentanalysis第二節(jié)數(shù)據(jù)采集與計算機(jī)控制computercontrolanddatacollection第三節(jié)信息處理與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)in