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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multimediasimulationofinstrumentanalysisexperimentcomputerandinstrumentanalysisartificialintelligenceandmultimediaexperimentsimulationtechnology03:42:47一、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。03:42:47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03:42:471.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；03:42:47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03:42:47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03:42:47推理方法逆向推理03:42:472.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03:42:47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03:42:47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03:42:47辅助光谱图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，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原则：节省空间，不遗漏信息：保存峰数据；按波长取数据查询对比方法（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03:42:47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Munk红外光谱解释程序：将基团分为25大类，159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Sasaki的Chemics-F程序：将分子结构分成179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。03:42:47识别系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03:42:473.模式识别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。提取特征分类羰基化合物与炔类化合物在1920，3300cm-1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。自学习过程：训练集，1/2含某基团，计算机找出模式空间差异特征选取：对分类重要的特征。节省空间，加快查找速度羰基炔类03:42:47智能化分析仪器示意图分析仪器热、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03:42:47二、仿真模拟技术与虚拟实验室multimediasimulationofinstrumentanalysisexperiment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。采用的技术：场景设计；动态非线形交互；多线程；数学模型；应用：计算机辅助教学，实验类网络课程；仪器分析虚拟实验室；分析化学网络虚拟实验室；分析化学虚拟考场。特点：场景化、智能化、高度实时交互、非线性；03:42:47虚拟实验室03:42:47虚拟实验室03:42:47虚拟实验室03:42:47内容选择：第一节计算机与仪器分析computerandinstrumentanalysis第二节数据采集与计算机控制computercontrolanddatacollection第三节信息处理与数据挖掘技术informationprocessandtechnologyofdateexcavate第四节人工智能与仿真模拟artificialintelligenceandmultimediaexperimentsimulationtechnology结束