人工智能与实验仿真模拟技术

第二章

计算机与仪器分析

第四节人工智能与实验仿真模拟技术一、人工智能简介anintroductiontoArtificialintelligence

二、仪器分析实验多媒体仿真模拟multimediasimulationofinstrumentanalysisexperimentcomputerandinstrumentanalysis

artificialintelligenceandmultimedia

experiment

simulationtechnology2023/1/19一、分析化学中的人工智能技术简介

aintroductiontoArtificialintelligence

人工智能（artificialintelligence）: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的能力。

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；智能化分析仪器；计算机多媒体虚拟实验室。

一般层次：人工智能=知识库+逻辑推理方法；

高级层次：具有自学习、自积累能力。2023/1/19化学人工智能的核心问题：（1）化学知识的模型化和表示方法（2）知识库的建立与搜索方法（3）推理、演绎、判断与求解方法（4）程序设计和技术2023/1/191.知识库与知识表示方法知识库：数据库的发展；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。

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：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。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；2023/1/19逻辑表示模式将事实用“命题”和“谓词”两种方式表示；命题：“真”、“假”两种可能的事实；

如：P命题“2980cm-1处有吸收”；

Q命题“1719cm-1处有吸收”命题可以用逻辑关系词组合成“复合命题”；

P^Q；化合物在两处均有吸收谓词：描述实体的性质或关系；

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

若X=Y且Y=Z，则X=Z（→为逻辑关系“蕴含”）大量的知识描述（事实或规则）即构成知识库2023/1/19推理方法

依据提供的事实，利用知识库，通过程序运行（推理），获得结果；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.专家系统（expertsystem）

将专家的判断过程转变成的智能程序系统；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2023/1/19专

家

系

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)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专家系统流程框图2023/1/19液相色谱专家系统：（1）柱系统推荐软件包

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，检测器等。（2）色谱条件优化及离线色谱数据计算软件包

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。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2023/1/19辅助助光光谱谱图图解解析析系系统统基于于谱谱图图库库的的辅辅助助解解析析系系统统确定化化合物物结构构：红红外、、核磁磁、质质谱1969年年，斯斯坦福福大学学的DENDRAL系统1976年，PBM系统，，美国国Cornall大学，，质谱谱图解解析1977年，SISCOM系统，，前联联邦德德国煤煤炭研研究所所，质质谱图图解析析谱图存存储方方法原则：：节省省空间间，不不遗漏漏信息息：保存峰峰数据据；按按波长长取数数据查询对对比方方法（（检索索）需要考考虑仪仪器误误差（（峰位位、峰峰强）），判判断相相似程程度的的定量量指标标2023/1/1人工智智能化化合物物结构构识别别系统统模拟专专家的的思维维，将将经验验抽象象成一一些规规则或或数学学公式式Munk红外光光谱解解释程程序：：将基团团分为为25大类类，159个分分类，，兼顾顾峰强强和峰峰形但无法法将结结构单单元与与光谱谱数据据之间间用数数学关关系精精确描描述Sasaki的Chemics-F程序：将分子结结构分成成179个结构构单元，，互不重重叠，任任一分子子结构都都可以由由这些基基本结构构单元组组合得到到。2023/1/1识别系统统流程红外核磁获得结构单元可能结构组合谱图核对结果分子式规则谱图库2023/1/13.模模式识别别模拟人对对客观环环境的认认识。事物的性性质由其其特征决决定。性性质相似似的物体体其特征征相似。。提取特征征分类羰基化合合物与炔炔类化合合物在1920，3300cm-1都有红外外吸收峰峰。以两两波长处处的吸光光度为坐坐标（二二维模式式空间））作图，，每个化化合物对对应一个个点，两两类物质质形成两两个有界界线的子子集。由由未知物物的点所所在子集集，确定定所属类类，距离离最近的的点，结结构最相相似。扩扩展到多多维空间间，判断断结果的的准确性性提高。。自学习过过程：训练集，，1/2含某某基团，，计算机机找出模模式空间间差异特征选取取：对分类重重要的特特征。节节省空间间，加快快查找速速度羰基炔类2023/1/1智能化分分析仪器器示意图图分析仪器热、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2023/1/1二、仿真模拟拟技术与虚拟拟实验室multimediasimulationofinstrumentanalysisexperiment在仿现实环境境的界面中，，模拟实际过过程（数学建建模），完成成特定任务。。采用的技术：场景设计；；动态非线形形交互；多线线程；数学模模型；应用：计算机辅助助教学，实验验类网络课程程；仪器分析虚拟拟实验室；分析化学网络络虚拟实验室室；分析化学虚拟拟考场。特点：场景化、智智能化、高度度实时交互、、非线性；2023/1/1虚拟实验室室2023/1/1虚拟实验室室2023/1/1虚拟实验室室2023/1/1内容容选选择择：：第一一节节计计算算机机与与仪仪器器分分析析computerandinstrumentanalysis第二二节节数数据据采采集集与与计计算算机机控控制制computercontrolanddatacollection第三三节节信信息息处处理理与与数数据据挖挖掘掘技技术术informationpr