第二章

計算機(jī)與儀器分析

第四節(jié)人工智能與實驗仿真模擬技術(shù)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

simulationtechnology2023/1/19一、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(xué)習(xí)、自積累能力。2023/1/19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)2023/1/191.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；2023/1/19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(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“蘊含”）大量的知識描述（事實或規(guī)則）即構(gòu)成知識庫2023/1/19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2023/1/19推理方法逆向推理2023/1/192.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2023/1/19專

家

系

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,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2023/1/19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2023/1/19輔助助光光譜譜圖圖解解析析系系統(tǒng)統(tǒng)基于于譜譜圖圖庫庫的的輔輔助助解解析析系系統(tǒng)統(tǒng)確定化化合物物結(jié)構(gòu)構(gòu)：紅紅外、、核磁磁、質(zhì)質(zhì)譜1969年年，斯斯坦福福大學(xué)學(xué)的DENDRAL系統(tǒng)1976年，PBM系統(tǒng)，，美國國Cornall大學(xué)，，質(zhì)譜譜圖解解析1977年，SISCOM系統(tǒng)，，前聯(lián)聯(lián)邦德德國煤煤炭研研究所所，質(zhì)質(zhì)譜圖圖解析析譜圖存存儲方方法原則：：節(jié)省省空間間，不不遺漏漏信息息：保存峰峰數(shù)據(jù)據(jù)；按按波長長取數(shù)數(shù)據(jù)查詢對對比方方法（（檢索索）需要考考慮儀儀器誤誤差（（峰位位、峰峰強(qiáng)）），判判斷相相似程程度的的定量量指標(biāo)標(biāo)2023/1/1人工智智能化化合物物結(jié)構(gòu)構(gòu)識別別系統(tǒng)統(tǒng)模擬專專家的的思維維，將將經(jīng)驗驗抽象象成一一些規(guī)規(guī)則或或數(shù)學(xué)學(xué)公式式Munk紅外光光譜解解釋程程序：：將基團(tuán)團(tuán)分為為25大類類，159個分分類，，兼顧顧峰強(qiáng)強(qiáng)和峰峰形但無法法將結(jié)結(jié)構(gòu)單單元與與光譜譜數(shù)據(jù)據(jù)之間間用數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)關(guān)系精精確描描述Sasaki的Chemics-F程序：將分子結(jié)結(jié)構(gòu)分成成179個結(jié)構(gòu)構(gòu)單元，，互不重重疊，任任一分子子結(jié)構(gòu)都都可以由由這些基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)單元組組合得到到。2023/1/1識別系統(tǒng)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2023/1/13.模模式識別別模擬人對對客觀環(huán)環(huán)境的認(rèn)認(rèn)識。事物的性性質(zhì)由其其特征決決定。性性質(zhì)相似似的物體體其特征征相似。。提取特征征分類羰基化合合物與炔炔類化合合物在1920，3300cm-1都有紅外外吸收峰峰。以兩兩波長處處的吸光光度為坐坐標(biāo)（二二維模式式空間））作圖，，每個化化合物對對應(yīng)一個個點，兩兩類物質(zhì)質(zhì)形成兩兩個有界界線的子子集。由由未知物物的點所所在子集集，確定定所屬類類，距離離最近的的點，結(jié)結(jié)構(gòu)最相相似。擴(kuò)擴(kuò)展到多多維空間間，判斷斷結(jié)果的的準(zhǔn)確性性提高。。自學(xué)習(xí)過過程：訓(xùn)練集，，1/2含某某基團(tuán)，，計算機(jī)機(jī)找出模模式空間間差異特征選取?。簩Ψ诸愔刂匾奶靥卣?。節(jié)節(jié)省空間間，加快快查找速速度羰基炔類2023/1/1智能化分分析儀器器示意圖圖分析儀器熱、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)2023/1/1二、仿真模擬擬技術(shù)與虛擬擬實驗室multimediasimulationofinstrumentanalysisexperiment在仿現(xiàn)實環(huán)境境的界面中，，模擬實際過過程（數(shù)學(xué)建建模），完成成特定任務(wù)。。采用的技術(shù)：場景設(shè)計；；動態(tài)非線形形交互；多線線程；數(shù)學(xué)模模型；應(yīng)用：計算機(jī)輔助助教學(xué)，實驗驗類網(wǎng)絡(luò)課程程；儀器分析虛擬擬實驗室；分析化學(xué)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)虛擬實驗室室；分析化學(xué)虛擬擬考場。特點：場景化、智智能化、高度度實時交互、、非線性；2023/1/1虛擬實驗室室2023/1/1虛擬實驗室室2023/1/1虛擬實驗室室2023/1/1內(nèi)容容選選擇擇：：第一一節(jié)節(jié)計計算算機(jī)機(jī)與與儀儀器器分分析析computerandinstrumentanalysis第二二節(jié)節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集與與計計算算機(jī)機(jī)控控制制computercontrolanddatacollection第三三節(jié)節(jié)信信息息處處理理與與數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)挖挖掘掘技技術(shù)術(shù)informationpr