人工智能与实验仿真模拟技术课件

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1、第二章第二章 计算机与仪器分析计算机与仪器分析 第四节第四节 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 experimentcomputer and instrument analysis artificial intelligence and multimedia experiment simulation techn

2、ology2024/5/23第二章 计算机与仪器分析 第四节 一、人工智能简介co1一、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 intelligence 人人工工智智能能（artificial intelligence）:是是指指用用机机器器或或计计算算机机通通过过模模拟拟人人类类的的智智慧慧行行为为来来解解决决实实际际问问题题的的能力。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：计计算算机机辅辅助助结结构构解解析析；计计算算机机辅辅助助合合成成设设计计；智智能化分析仪器；计算机多媒体虚拟实验

3、室。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；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。2024/5/23一、分析化学中的人工智能技术简介 a introducti2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2024/5/23化学人工智能的核心问题：（1）化学知识的模型化和表

4、示方法231.1.知识库与知识表示方法知识库与知识表示方法 知知识识库库：数数据据库库的的发发展展；解解决决问问题题的的规规则则（具具有有因因果果关关系的数据）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；知知识识表表示示方方式式：逻逻辑辑表表示示模模式式；过过程程表表示示模模式式；语语义义网网络模式；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。知知识识表表示示方方式式用用于于知知识识的的计计算算机机识识别别，编编译译程程序序用用于于知知识识库的内、外部表示的转换；库的内

5、、外部表示的转换；2024/5/231.知识库与知识表示方法 知识库：数据库的发展；解决4逻辑表示模式逻辑表示模式 将事实用将事实用“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(aceton

6、e)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(b,c)b,c)表示表示“b=c”“b=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2024/5/23逻辑表示模式 将事实用“命题”和“谓词”两种方式表示；5推理方法推理方法 依据提依据提供的事实，供的事实，利用

7、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：正向推理正向推理逆向推理逆向推理2024/5/23推理方法 依据提供的事实，利用知识库，通过程序6推理方法推理方法逆向推理逆向推理2024/5/23推理方法逆向推理2023/8/372.专家系统（专家系统（expert 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2024/5/232.专家系统（expert system）将8专专家家系系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

8、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谱峰数结构输出结结构构解解析析专专家家系系统统流程框图流程框图2024/5/23专家系统知识表示及编译程序化学环境人机交互信息 9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

9、数据计算软件包）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，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2024/5/23液相色谱专家系统：（1）柱系统推荐软件包2023/8/310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C

10、ornall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2024/5/23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：11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

11、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。2024/5/23人工智能化合物结构识别系统 模拟专家的思维12识别系统流程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2024/5/23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

12、对结果分子133.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

13、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2024/5/233.模式识别 模拟人对客观环境的认识。提取特征14智能化分析仪器智能化分析仪器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2024/5/23智

14、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15二、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 experiment 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

15、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；2024/5/23二、仿真模拟技术与虚拟实验室 multimedia sim16虚拟实验室虚拟实验室2024/5/23虚拟实验室2023/8/317虚拟实验室虚拟实验室2024/5/23虚拟实验室2023/8/318虚拟实验室虚拟实验室2024/5/23虚拟实验室2023/8/319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

16、控制数据采集与计算机控制computer control and data collection第三节第三节 信息处理与数据挖掘技术信息处理与数据挖掘技术information process and technology of date excavate第四节第四节 人工智能与仿真模拟人工智能与仿真模拟artificial intelligence and multimedia experiment simulation technology结束结束2024/5/23内容选择：第一节 计算机与仪器分析结束2023/8/320第二章第二章 计算机与仪器分析计算机与仪器分析一、计算机对仪器分一、

17、计算机对仪器分析发展的促进作用析发展的促进作用improve to development of instruments analysis二、计算机在仪器分二、计算机在仪器分析中的应用析中的应用application of computer in instruments analysis三、网络中的仪器分三、网络中的仪器分析资源析资源resource of instruments analysis in internet第一节 计算机与仪器分析computer and instrument analysis computer and instrument analysis 2024/5/23第

18、二章 计算机与仪器分析一、计算机对仪器分析发展的促进作21一、计算机对仪器分析发展的促进作用一、计算机对仪器分析发展的促进作用 the effect of computer on instrument analysis 1.1.促进仪器分析自动化促进仪器分析自动化 计计算算机机已已经经成成为为分分析析仪仪器器的的重重要要组组成成部部分分，色色谱谱自自动动进进样器，色谱工作站；电化学工作站。样器，色谱工作站；电化学工作站。2.2.促进新分析仪器出现促进新分析仪器出现 现现代代分分析析仪仪器器是是建建立立在在计计算算机机基基础础之之上上，如如傅傅里里叶叶变变换换红红外外；联联用用仪仪器器；二二极极

19、管管阵阵列列检检测测器器（三三维维显显示示）；生生物物芯芯片技术等。片技术等。2024/5/23一、计算机对仪器分析发展的促进作用 the effec22未来的网络分析实验室未来的网络分析实验室 3.3.提高仪器性能提高仪器性能 4.4.实现分析仪器的智能化、网络化、人性化实现分析仪器的智能化、网络化、人性化 5.5.未来的网络分析实验室未来的网络分析实验室用户：传感器用户：传感器+计算机计算机+网络；网络；数据数据网络分析实验室网络分析实验室结果结果 资源共享资源共享2024/5/23未来的网络分析实验室 3.提高仪器性能2023/8/323二、计算机在仪器分析中的应用技术二、计算机在仪器分

20、析中的应用技术application of computer in instrument analysis1.1.计算机数据采集与控制计算机数据采集与控制 计算机：数字符号；计算机：数字符号；分析仪器：模拟信号分析仪器：模拟信号(电压或电流电压或电流)Digital-Analog Converter （DAC）作用：将数字信号转变成模拟量。实现计算机控制。作用：将数字信号转变成模拟量。实现计算机控制。Analog-Digital Converter （ADC）作用：将模拟量转变成数字信号。实现数据连续采集。作用：将模拟量转变成数字信号。实现数据连续采集。计算机计算机接口接口分析仪器分析仪器接口

21、接口(信号转换信号转换)2024/5/23二、计算机在仪器分析中的应用技术application of242.2.计算机分析仪器工作站计算机分析仪器工作站2024/5/232.计算机分析仪器工作站2023/8/325色谱工作站色谱工作站2024/5/23色谱工作站2023/8/3262024/5/232023/8/327工作站工作站2024/5/23工作站2023/8/3283.3.专家系统与人工智能专家系统与人工智能(1)液相色谱专家系统液相色谱专家系统 柱系统推荐软件包柱系统推荐软件包;色谱条件优化及离线色谱数据计算色谱条件优化及离线色谱数据计算软件包软件包;(2)基于谱图库的辅助解析系统基于谱图库的辅助解析系统 Munk 红外光谱解释程序红外光谱解释程序;Sasaki 的的Chemics-F程序程序;(3)模式识别模式识别本页内容详见本章第四节本页内容详见本章第四节2024/5/233.专家系统与人工智能(1)液相色谱专家系统2023/8/29智能化分析仪器智能化分析仪器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2024/5/23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30