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第二章 計算機與儀器分析,第四節(jié) 人工智能與實驗仿真模擬技術,一、人工智能簡介 an introduction to Artificial intelligence 二、儀器分析實驗多媒體仿真模擬 multimedia simulation of instrument analysis experiment,computer and instrument analysis,artificial intelligence and multimedia experiment simulation technology,13:53:07,一、分析化學中的人工智能技術簡介 a introduction to Artificial intelligence,人工智能（artificial intelligence）: 是指用機器或計算機通過模擬人類的智慧行為來解決實際問題的能力。 人工智能技術在化學方面的應用： 計算機輔助結構解析；計算機輔助合成設計；智能化分析儀器；計算機多媒體虛擬實驗室。 一般層次：人工智能 = 知識庫+邏輯推理方法； 高級層次：具有自學習、自積累能力。,13:53:07,化學人工智能的核心問題：,（1） 化學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） 程序設計和技術,13:53:07,1. 知識庫與知識表示方法,知識庫：數據庫的發(fā)展；解決問題的規(guī)則（具有因果關系的數據）的分類集合，為推理服務。 推理模式和知識表示方式決定知識庫的數據結構； 知識表示方式：邏輯表示模式；過程表示模式；語義網絡模式；框架表示模式；產生式表示模式。 知識表示方式用于知識的計算機識別，編譯程序用于知識庫的內、外部表示的轉換；,13:53:07,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” 命題可以用邏輯關系詞組合成“復合命題”； PQ；化合物在兩處均有吸收 謂詞：描述實體的性質或關系； 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（為邏輯關系“蘊含”） 大量的知識描述（事實或規(guī)則）即構成知識庫,13:53:07,推理方法,依據提供的事實，利用知識庫，通過程序運行（推理），獲得結果； 推理方法： 正向推理 逆向推理,13:53:07,推理方法,逆向推理,13:53:07,2. 專家系統（expert system）,將專家的判斷過程轉變成的智能程序系統；,13:53:07,專 家 系 統,結構解析專家系統流程框圖,13:53:07,液相色譜專家系統：,（1）柱系統推薦軟件包 輸入碳數、基團、試樣類型等 推薦預處理方法，色譜分析方法，分離柱，流動相，檢測器等。 （2）色譜條件優(yōu)化及離線色譜數據計算軟件包 根據獲得的原始數據，進行條件優(yōu)化后，再次進行分析，提供分析報告。 譜圖與數據查詢：譜圖的再處理，相關譜圖查找，計算，分離條件顯示，相關數據顯示,13:53:07,輔助光譜圖解析系統 基于譜圖庫的輔助解析系統,確定化合物結構：紅外、核磁、質譜 1969年，斯坦福大學的DENDRAL系統 1976年，PBM系統，美國Cornall大學，質譜圖解析 1977年，SISCOM系統，前聯邦德國煤炭研究所，質譜圖解析 譜圖存儲方法 原則：節(jié)省空間，不遺漏信息： 保存峰數據；按波長取數據 查詢對比方法（檢索） 需要考慮儀器誤差（峰位、峰強），判斷相似程度的定量指標,13:53:07,人工智能化合物結構識別系統,模擬專家的思維，將經驗抽象成一些規(guī)則或數學公式 Munk 紅外光譜解釋程序： 將基團分為25大類，159個分類，兼顧峰強和峰形 但無法將結構單元與光譜數據之間用數學關系精確描述 Sasaki 的Chemics-F程序： 將分子結構分成179個結構單元，互不重疊，任一分子結構都可以由這些基本結構單元組合得到。,13:53:07,識別系統流程,13:53:07,3. 模式識別,模擬人對客觀環(huán)境的認識。 事物的性質由其特征決定。性質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。以兩波長處的吸光度為坐標（二維模式空間）作圖，每個化合物對應一個點，兩類物質形成兩個有界線的子集。由未知物的點所在子集，確定所屬類，距離最近的點，結構最相似。擴展到多維空間，判斷結果的準確性提高。 自學習過程：訓練集，1/2 含某基團，計算機找出模式空間差異 特征選?。簩Ψ诸愔匾奶卣鳌９?jié)省空間，加快查找速度,13:53:07,智能化分析儀器示意圖,13:53:07,二、仿真模擬技術與虛擬實驗室 multimedia simulation of instrument analysis experiment,在仿現實環(huán)境的界面中，模擬實際過程（數學建模），完成特定任務。 采用的技術：場景設計；動態(tài)非線形交互；多線程；數學模型； 應用：計算機輔助教學，實驗類網絡課程； 儀器分析虛擬實驗室； 分析化學網絡虛擬實驗室； 分析化學虛擬考場。 特點：場景化、智能化、高度實時交互、非線性；,13:53:07,虛擬實驗室,13:53:07,虛擬實驗室,13:53:07,虛擬實驗室,13:53:07,內容選擇：,第一節(jié) 計算機與儀器分析 computer and instrument analysis 第二節(jié) 數據采集與計算機控制 computer control and data collection 第三節(jié) 信息處理與數據挖掘技術 information p