人工智能与仿真模拟..

二、仪器分析实验多 媒体仿真模拟
multimedia simulation of instrument analysis experiment
一、分析化学中的人工智能技术简介
a introduction to Artificial intelligence
人工智能（artificial intelligence）: 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。
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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
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1. 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
推理机制 知识库
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专 家 系 统
推理数据库(用户提供的信息)
实验数据(MS,NMR,IR) 分子式 其他信息
知识表示及编译程序
结 构 发 生 器
结构碎片发生器
整体分子拼接 立体结构发生器
谱图-结构 相关表
其他 约束条件 波谱模拟
知 识 库
结构解析 专家系统 流程框图
化学环境 模式识别 结构验证 人机交互信息
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智能化分析仪器 示意图 热、光、电新技术
操作 分 析 对 象 控制
分析仪器
新型材料、电子器件 信息 数 据 处 理 方法 描述 报 告 结 果 判断 最优化技术 自动化技术
信号 实 施 检 测 数据库
人工智能 专家系统 多媒体计算机
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二、仿真模拟技术与虚拟实验室
multimedia simulation of instrument analysis experiment
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；
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
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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
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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
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推理方法
逆向推理
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2. 专家系统（expert system）
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
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。
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识别系统流程
红 外 核磁 获得结构单元 分 子 式 可能结构组合 规 则 谱图核对 谱 图 库 结果
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3. 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
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；
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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
第二章 计算机与仪器分析
computer and instrument analysis
一、人工智能简介
an introduction to Artificial intelligence
第四节 人工智能与实验仿真 模拟技术
artificial intelligence and multimedia experiment simulation technology
炔类
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
分子张力能计算
13C-NMR谱峰数
结构输出
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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
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辅助ห้องสมุดไป่ตู้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：