人工智能與實(shí)驗(yàn)仿真模擬技術(shù)

第二章

計(jì)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(jiǎn)介anintroductiontoArtificialintelligence

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

artificialintelligenceandmultimedia

experiment

simulationtechnology2023/9/12一、分析化學(xué)中的人工智能技術(shù)簡(jiǎn)介

aintroductiontoArtificialintelligence

人工智能（artificialintelligence）:是指用機(jī)器或計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬人類的智慧行為來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

人工智能技術(shù)在化學(xué)方面的應(yīng)用：

計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)解析；計(jì)算機(jī)輔助合成設(shè)計(jì)；智能化分析儀器；計(jì)算機(jī)多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)室。

一般層次：人工智能=知識(shí)庫(kù)+邏輯推理方法；

高級(jí)層次：具有自學(xué)習(xí)、自積累能力。2023/9/12化學(xué)人工智能的核心問(wèn)題：（1）化學(xué)知識(shí)的模型化和表示方法（2）知識(shí)庫(kù)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(jì)和技術(shù)2023/9/121.知識(shí)庫(kù)與知識(shí)表示方法知識(shí)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展；解決問(wèn)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(shí)表示方式?jīng)Q定知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；知識(shí)表示方式：邏輯表示模式；過(guò)程表示模式；語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)模式；框架表示模式；產(chǎn)生式表示模式。知識(shí)表示方式用于知識(shí)的計(jì)算機(jī)識(shí)別，編譯程序用于知識(shí)庫(kù)的內(nèi)、外部表示的轉(zhuǎn)換；2023/9/12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(shí)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(shí)描述（事實(shí)或規(guī)則）即構(gòu)成知識(shí)庫(kù)2023/9/12推理方法

依據(jù)提供的事實(shí)，利用知識(shí)庫(kù)，通過(guò)程序運(yùn)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(guò)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(shí)獲取專家問(wèn)題狀態(tài)推理機(jī)制知識(shí)庫(kù)2023/9/12專

家

系

統(tǒng)知識(shí)表示及編譯程序結(jié)構(gòu)驗(yàn)證化學(xué)環(huán)境模式識(shí)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(kù)(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(shí)庫(kù)分子張力能計(jì)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(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(dòng)相，檢測(cè)器等。（2）色譜條件優(yōu)化及離線色譜數(shù)據(jù)計(jì)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(bào)告。譜圖與數(shù)據(jù)查詢：譜圖的再處理，相關(guān)譜圖查找，計(jì)算，分離條件顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示2023/9/12輔助光譜圖解析系統(tǒng)

基于譜圖庫(kù)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(guó)Cornall大學(xué)，質(zhì)譜圖解析1977年，SISCOM系統(tǒng)，前聯(lián)邦德國(guó)煤炭研究所，質(zhì)譜圖解析譜圖存儲(chǔ)方法原則：節(jié)省空間，不遺漏信息：保存峰數(shù)據(jù)；按波長(zhǎng)取數(shù)據(jù)查詢對(duì)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)2023/9/12人工智能化合物結(jié)構(gòu)識(shí)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(gè)分類，兼顧峰強(qiáng)和峰形但無(wú)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(gè)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。2023/9/12識(shí)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(duì)結(jié)果分子式規(guī)則譜圖庫(kù)2023/9/123.模式識(shí)別

模擬人對(duì)客觀環(huán)境的認(rèn)識(shí)。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(zhǎng)處的吸光度為坐標(biāo)（二維模式空間）作圖，每個(gè)化合物對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)，兩類物質(zhì)形成兩個(gè)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(guò)程：訓(xùn)練集，1/2含某基團(tuán)，計(jì)算機(jī)找出模式空間差異特征選?。簩?duì)分類重要的特征。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(shù)新型材料、電子器件操作分析對(duì)象控制信號(hào)實(shí)施檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)信息數(shù)據(jù)處理方法描述報(bào)告結(jié)果判斷多媒體計(jì)算機(jī)人工智能專家系統(tǒng)最優(yōu)化技術(shù)自動(dòng)化技術(shù)2023/9/12二、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(guò)程（數(shù)學(xué)建模），完成特定任務(wù)。

采用的技術(shù)：場(chǎng)景設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)非線形交互；多線程；數(shù)學(xué)模型；

應(yīng)用：計(jì)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(chǎng)。特點(diǎn)：場(chǎng)景化、智能化、高度實(shí)時(shí)交互、非線性；2023/9/12虛擬實(shí)驗(yàn)室2023/9/12虛擬實(shí)驗(yàn)室2023/9/12虛擬實(shí)驗(yàn)室2023/9/12內(nèi)容選擇：第一節(jié)計(jì)算機(jī)與儀器分析computerandinstrumentanalysis第二節(jié)數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)控制computercontrolanddatacollection第三節(jié)信息處