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1、第二章第二章第二章第二章第二章第二章 计算机与仪器分析计算机与仪器分析计算机与仪器分析计算机与仪器分析计算机与仪器分析计算机与仪器分析 第四节第四节第四节第四节第四节第四节 人工智能与实验仿真人工智能与实验仿真人工智能与实验仿真人工智能与实验仿真人工智能与实验仿真人工智能与实验仿真模拟技术模拟技术模拟技术模拟技术模拟技术模拟技术一、人工智能简介一、人工智能简介an introduction to Artificial intelligence 二、仪器分析实验多二、仪器分析实验多媒体仿真模拟媒体仿真模拟multimedia simulation of instrument analysis e
2、xperimentcomputer and instrument analysis artificial intelligence and multimedia experiment simulation technology18:31:16一、分析化学中的人工智能技术简介一、分析化学中的人工智能技术简介一、分析化学中的人工智能技术简介一、分析化学中的人工智能技术简介一、分析化学中的人工智能技术简介一、分析化学中的人工智能技术简介 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）: : 是指用机器是指用机器或计算机通过模拟人类的智慧行为来解决实际问题或计算机通过模拟人类的智慧行为来解决实际问题的能力。的能力。 人工智能技术在化学方面的应用：人工智能技术在化学方面的应用： 计算机辅助结构解析；计算机辅助合成设计；计算机辅助结构解析；计算机辅助合成设计；智能化分析仪器；计算机多媒体虚拟实验室。智能化分析仪器；计算机多媒体虚拟实验室。 一般层次：一般层次：人工智能人工智能 = = 知识库知识库+ +逻辑推理方法；逻辑推理方法；
4、 高级层次：高级层次：具有自学习、自积累能力。具有自学习、自积累能力。18:31:16化学人工智能的核心问题：化学人工智能的核心问题：（1 1） 化学知识的模型化和表示方法化学知识的模型化和表示方法（2 2） 知识库的建立与搜索方法知识库的建立与搜索方法（3 3） 推理、演绎、判断与求解方法推理、演绎、判断与求解方法（4 4） 程序设计和技术程序设计和技术18:31:161. 1. 1. 1. 1. 1. 知识库与知识表示方法知识库与知识表示方法知识库与知识表示方法知识库与知识表示方法知识库与知识表示方法知识库与知识表示方法 知识库知识库：数据库的发展；解决问题的规则（具有因果关数据库的发展；
5、解决问题的规则（具有因果关系的数据）的分类集合，为推理服务。系的数据）的分类集合，为推理服务。 推理模式和知识表示方式决定知识库的数据结构；推理模式和知识表示方式决定知识库的数据结构； 知识表示方式知识表示方式：逻辑表示模式；过程表示模式；语义网逻辑表示模式；过程表示模式；语义网络模式；框架表示模式；产生式表示模式。络模式；框架表示模式；产生式表示模式。 知识表示方式用于知识的计算机识别，编译程序用于知识知识表示方式用于知识的计算机识别，编译程序用于知识库的内、外部表示的转换；库的内、外部表示的转换；18:31:16逻辑表示模式逻辑表示模式逻辑表示模式逻辑表示模式逻辑表示模式逻辑表示模式 将事
6、实用将事实用“命题命题”和和“谓词谓词”两种方式表示；两种方式表示；命题：命题：“真真”、“假假”两种可能的事实；两种可能的事实； 如：如：P P命题命题“2980“2980cm-1cm-1处有吸收处有吸收”； Q Q命题命题“1719“1719cm-1cm-1处有吸收处有吸收” 命题可以用逻辑关系词组合成命题可以用逻辑关系词组合成“复合命题复合命题”； PQPQ；化合物在两处均有吸收化合物在两处均有吸收谓词：谓词：描述实体的性质或关系；描述实体的性质或关系； 如：如：P(acetone)P(acetone)表示表示“丙酮在丙酮在17191719cm-1cm-1处有吸收处有吸收”； E E(
7、(b,c)b,c)表示表示 “b=cb=c”； A A(Z,X(Z,X，Y)Y)表示表示Z=X+YZ=X+Y；知识表述：知识表述： 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，则则X=ZX=Z（为逻辑关系为逻辑关系“蕴含蕴含”）大量的知识描述（事实或规则）即构成知识库大量的知识描述（事实或规则）即构成知识库18:31:16推理方法推理方法推理方法推理方法推理方法推理方法 依据提依据提供的事实，供的事实，利用知识库，利用知识库，通过程序运通过程序运行（推理），行（推理），获得结果；获得结果；推理方法：推理方法：正
8、向推理正向推理逆向推理逆向推理18:31:16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18:31:162. 2. 2. 专家系统（专家系统（专家系统（专家系统（专家系统（专家系统（expert systemexpert systemexpert system） 将专家的判将专家的判断过程转变成的断过程转变成的智能程序系统；智能程序系统；用户用户界面解释功能知识获取专家问题状态推理机制知识库18:31:16专专专专专专家家家家家家系系系系系系统统统统统统知识表示及编译程序结构验证化学环境模式识别人机交互信息 波谱模拟 结构碎片发生器整体分子拼接实验数据(MS,NMR,IR
9、)分子式其他信息谱图-结构相关表其他约束条件推理数据库(用户提供的信息)结构发生器立体结构发生器知识库分子张力能计算13C-NMR谱峰数结构输出结构解析结构解析专家系统专家系统流程框图流程框图18:31:16液相色谱专家系统：液相色谱专家系统：液相色谱专家系统：液相色谱专家系统：液相色谱专家系统：液相色谱专家系统：（1）柱系统推荐软件包）柱系统推荐软件包 输入碳数、基团、试样类型等输入碳数、基团、试样类型等 推荐预处理方法，色谱分析方法，分离柱，流动相，检推荐预处理方法，色谱分析方法，分离柱，流动相，检测器等。测器等。（2）色谱条件优化及离线色谱数据计算软件包）色谱条件优化及离线色谱数据计算软
10、件包 根据获得的原始数据，进行条件优化后，再次进行分析，根据获得的原始数据，进行条件优化后，再次进行分析，提供分析报告。提供分析报告。 谱图与数据查询：谱图的再处理，相关谱图查找，计算，谱图与数据查询：谱图的再处理，相关谱图查找，计算，分离条件显示，相关数据显示分离条件显示，相关数据显示18:31:16辅助光谱图解析系统辅助光谱图解析系统辅助光谱图解析系统辅助光谱图解析系统辅助光谱图解析系统辅助光谱图解析系统基于谱图库的辅助解析系统基于谱图库的辅助解析系统基于谱图库的辅助解析系统基于谱图库的辅助解析系统基于谱图库的辅助解析系统基于谱图库的辅助解析系统确定化合物结构：红外、核磁、质谱1969年，
11、斯坦福大学的DENDRAL系统1976年，PBM系统，美国Cornall大学，质谱图解析1977年，SISCOM系统，前联邦德国煤炭研究所，质谱图解析谱图存储方法谱图存储方法原则：节省空间，不遗漏信息：原则：节省空间，不遗漏信息：保存峰数据；按波长取数据保存峰数据；按波长取数据查询对比方法（检索）查询对比方法（检索）需要考虑仪器误差（峰位、峰强），判断相似程度的定量指标18:31:16人工智能化合物结构识别系统人工智能化合物结构识别系统人工智能化合物结构识别系统人工智能化合物结构识别系统人工智能化合物结构识别系统人工智能化合物结构识别系统 模拟专家的思维，将经验抽象成一些规则或数学公式模拟专家
12、的思维，将经验抽象成一些规则或数学公式Munk 红外光谱解释程序：红外光谱解释程序： 将基团分为将基团分为25大类，大类，159个分类，兼顾峰强和峰形个分类，兼顾峰强和峰形但无法将结构单元与光谱数据之间用数学关系精确描述但无法将结构单元与光谱数据之间用数学关系精确描述Sasaki 的的Chemics-F程序：程序： 将分子结构分成将分子结构分成179个结构单元，互不重叠，任一分子个结构单元，互不重叠，任一分子结构都可以由这些基本结构单元组合得到。结构都可以由这些基本结构单元组合得到。18:31:16识别系统流程识别系统流程识别系统流程识别系统流程识别系统流程识别系统流程红外核磁获得结构单元可能
13、结构组合谱图核对结果分子式规则谱图库18:31:163. 3. 3. 模式识别模式识别模式识别模式识别模式识别模式识别 模拟人对客观环境的认识。模拟人对客观环境的认识。 事物的性质由其特征决定。性质相似的物体其特征相似。事物的性质由其特征决定。性质相似的物体其特征相似。提取特征分类 羰基化合物与炔类化合物在羰基化合物与炔类化合物在1920，3300cm-1都有红外吸收都有红外吸收峰。以两波长处的吸光度为坐标（二维模式空间）作图，每个峰。以两波长处的吸光度为坐标（二维模式空间）作图，每个化合物对应一个点，两类物质形成两个有界线的子集。由未知化合物对应一个点，两类物质形成两个有界线的子集。由未知物
14、的点所在子集，确定所属类，距离最近的点，结构最相似。物的点所在子集，确定所属类，距离最近的点，结构最相似。扩展到多维空间，判断结果的准确性提高。扩展到多维空间，判断结果的准确性提高。自学习过程：自学习过程：训练集，训练集，1/2 含某基团，计算机找出模式空间差异含某基团，计算机找出模式空间差异特征选取：特征选取：对分类重要的特征。节省空间，加快查找速度对分类重要的特征。节省空间，加快查找速度羰基炔类18:31:17智能化分析仪器智能化分析仪器智能化分析仪器智能化分析仪器智能化分析仪器智能化分析仪器示意图示意图示意图示意图示意图示意图分析仪器热、光、电新技术新型材料、电子器件操作分析对象控制信号
15、实施检测数据库信息数据处理方法描述报告结果判断多媒体计算机人工智能专家系统最优化技术自动化技术18:31:17二、仿真模拟技术与虚拟实验室二、仿真模拟技术与虚拟实验室二、仿真模拟技术与虚拟实验室二、仿真模拟技术与虚拟实验室二、仿真模拟技术与虚拟实验室二、仿真模拟技术与虚拟实验室 multimedia simulation of instrument analysis experimentmultimedia simulation of instrument analysis experimentmultimedia simulation of instrument analysis exper
16、iment 在仿现实环境的界面中，模拟实际过程（数学建模），在仿现实环境的界面中，模拟实际过程（数学建模），完成特定任务。完成特定任务。 采用的技术采用的技术：场景设计；动态非线形交互；多线程；数：场景设计；动态非线形交互；多线程；数学模型；学模型； 应用应用：计算机辅助教学，实验类网络课程；：计算机辅助教学，实验类网络课程； 仪器分析虚拟实验室；仪器分析虚拟实验室； 分析化学网络虚拟实验室；分析化学网络虚拟实验室； 分析化学虚拟考场。分析化学虚拟考场。 特点特点：场景化、智能化、高度实时交互、非线性；：场景化、智能化、高度实时交互、非线性；18:31:17虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室18:31:17虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室18:31:17虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室虚拟实验室18:31:17内容选择：内容选择：内容选择：内容选择：内容选择：内容选择：第一节第一节 计算机与仪器分析计算机与仪器分析computer and instrument analysis第二节第二节 数据采集与计算机控制数据
