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“中國虛擬儀器之父”讓INV系統(tǒng)走進每個實驗室

[2011/3/15]

　　應(yīng)懷樵與虛擬儀器的緣分彷佛是早已注定的。幾十年來，他致力于信號處理、虛擬儀器、測控技術(shù)、振動與噪聲控制等領(lǐng)域的研究，自主創(chuàng)新研發(fā)完成DASP虛擬儀器庫和INV系列虛擬儀器——移動實驗室，被學(xué)術(shù)界稱為“中國虛擬儀器之父”。然而，每當(dāng)榮譽和贊美涌向他時，他卻總是那樣淡淡的一句話：“我所做的一切都是為了讓我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科學(xué)儀器登上國際領(lǐng)獎臺，并改變國人使用外國儀器的習(xí)慣，是希望讓中國自主創(chuàng)新的信號處理與虛擬儀器技術(shù)走出國門，達到世界普及，并希望讓中國的振動與噪聲技術(shù)能夠朝著更開闊的方向發(fā)展！

　　突破十大世界性難題

　　應(yīng)懷樵是我國最早提出“虛擬儀器”構(gòu)想、最早提出和實現(xiàn)“用軟件制造儀器”，“用軟硬件相結(jié)合”來取代傳統(tǒng)的主要由硬件組成的模擬式儀器的學(xué)者。豐碩的成果源于扎實的積累。1965年，他參加國防核爆炸防護工程課題——地下鐵道核爆炸震動噪聲與動力學(xué)測試分析的研究，發(fā)現(xiàn)用硬件設(shè)備無法獲得道床的下沉殘余位移(0Hz)。1973年開始自行嘗試用數(shù)字計算機的軟件數(shù)字積分與頻譜分析取代傳統(tǒng)硬件的方法解決該難題，于1979年獲得成功。這是虛擬儀器模塊應(yīng)用的最早成功范例。同年，在國防科委召開的核試驗全國防護工程學(xué)術(shù)會(保密會)上，原創(chuàng)提出虛擬儀器的核心概念——“軟件制造儀器”，獲得主持會議的力學(xué)所所長鄭哲敏院士、清華副校長張維院士、同濟校長李國豪院士的贊揚和支持，并與7年后美國NI公司“軟件是儀器”的概念不謀而合。1993年，由他主持研制的INV306虛擬儀器參加加拿大多倫多市的新技術(shù)展覽會，贏得高度贊譽，列表揚名單第一名。

　　虛擬儀器發(fā)展中有許多技術(shù)難題，但是應(yīng)懷樵總是看準了方向便勇往直前。他不僅創(chuàng)辦了東方振動與噪聲技術(shù)研究所(簡稱東方所)，研發(fā)了DASP和INV系列虛擬儀器庫系統(tǒng)，實現(xiàn)了“把實驗室拎著走”的理念，取得100多項創(chuàng)新技術(shù)。更為難能可貴的是，應(yīng)懷樵及其團隊還研制攻克了十大世界性技術(shù)難題，使我國虛擬儀器和動態(tài)測試分析儀器的性能從一般的低精度低檔次測量儀器躍入了高端高精度測量儀器的領(lǐng)先水平。

　　一、基于平臺式設(shè)計的虛擬儀器庫技術(shù)。應(yīng)懷樵課題組研究的DASP虛擬儀器庫系統(tǒng)是我國開發(fā)最早的虛擬儀器庫系統(tǒng)。早在1979年，應(yīng)懷樵就原創(chuàng)性地提出虛擬儀器的核心概念——“軟件制造儀器，用軟硬件結(jié)合取代主要由硬件構(gòu)成的傳統(tǒng)儀器”，這一具有里程碑式劃時代意義的新路線對儀器制造業(yè)和測試技術(shù)界科學(xué)儀器、分析儀器、高端儀器及各種電子測量儀器會產(chǎn)生巨大影響，還能實現(xiàn)一些硬件實現(xiàn)不了的功能(如超低頻和0Hz的積分器)，對科學(xué)研究和國民經(jīng)濟有深遠影響。1985年，他提出“把實驗室拎著走”的目標，并研制成功中國第一臺虛擬儀器，成功應(yīng)用于杭州錢塘江大橋的火箭激勵模態(tài)試驗。1993年，隨北京新技術(shù)展覽會到加拿大展出，獲得表揚名單第一名，1995年用于“長三捆”火箭全箭模態(tài)試驗獲得成功，1996年用于神舟號載人飛船移動發(fā)射平臺模態(tài)試驗獲得成功，2004年用于航天員超重訓(xùn)練設(shè)備臂架系統(tǒng)模態(tài)分析獲得成功。實踐證明，這是功能最完善、技術(shù)水平最高，且完全具有民族自主知識產(chǎn)權(quán)的一套虛擬儀器系統(tǒng)，代表了我國在虛擬儀器研發(fā)方面的最高水平。

　　二、變時基(VTB)傳遞函數(shù)(導(dǎo)納)測量分析方法。變時基技術(shù)相對于國內(nèi)外傳統(tǒng)的等時基方法，能顯著提高瞬態(tài)激勵測試結(jié)果的精度與穩(wěn)定性。目前，此項技術(shù)結(jié)合彈性聚能力錘，成功解決了大型低頻結(jié)構(gòu)錘擊模態(tài)試驗問題，達到國際領(lǐng)先水平，已獲國家發(fā)明專利。已完成神舟飛船750噸移動發(fā)射平臺模態(tài)試驗、“長三捆”大型運載火箭模態(tài)試驗、烏海黃河大橋模態(tài)試驗、航天員超重訓(xùn)練機模態(tài)試驗等數(shù)十項國家重點項目，效果良好。

　　三、高精度頻率、幅值、相位和阻尼測量技術(shù)。東方所原創(chuàng)的高精度頻率計和幅值計，克服了FFT頻率分析中頻率步進值的限制和泄漏的影響，軟件本身的頻率與幅值均可達到十進制12~14位數(shù)字測量精度，已經(jīng)相當(dāng)于并可同時替代高端頻率計和電壓表等硬件設(shè)備，目前已經(jīng)在中國計量院等單位推廣使用，比國外常規(guī)方法提高精度100萬倍，而單從硬件看也能提高精度100倍，能把儀器的硬件頻率精度從十進制5~6位提高到7~8位。這一技術(shù)使虛擬儀器從一般低精度儀器進入高端科學(xué)儀器的行列，具有重大國際影響力。

　　四、超低頻信號快速測量技術(shù)。對于超低頻信號(0.1Hz~0.00001Hz)的準確測定，尤其對于頻率未知的情況，常規(guī)測量需要非常長的時間才可以完成，而東方所的方法，則可以實現(xiàn)僅僅測量1/4甚至更少周期的信號即可獲取準確的頻率、幅值、相位和失真度等參數(shù)，使得超低頻信號得到快速測量，填補國內(nèi)外空白。對于100秒周期的低頻率信號測試，僅需2~3分鐘即可同時得到頻率、幅值、失真度相位和傳感器標定靈敏度等參數(shù)，比起類似的美國HP35670儀器，時間縮短為原來的1/20，并且后者還不具備多種參數(shù)同時測量的功能。

　　五、倒熵譜分析方法。采用倒熵譜分析是頻譜的再次譜分析，可大幅度提高頻率分辨率，特別是對短時間序列具有更好的效果，比國外提出的LPC法可靠，已得到國內(nèi)外專家肯定，達到倒譜分析的國際領(lǐng)先水平。

　　六、FFT/FT分析方法。FFT變換雖然大大提高了運算速度但是頻率分辨率受到了限制，對于有限長信號，F(xiàn)FT/FT則可以進行無限細化，可得到主要頻率、成分精度很高的頻率、幅值和相位，是目前頻譜細化的主要方法之一。

　　七、振動全息AVD“一入三出”實時測試分析創(chuàng)新技術(shù)。長期以來國內(nèi)外對連續(xù)實時數(shù)據(jù)的微積分一直沒有解決辦法，應(yīng)教授課題組創(chuàng)新提出了全程微積分方法。該方法尤其適合于連續(xù)采集的時間序列，充分考慮全程波形的特征，有效避免傳統(tǒng)微積分的缺陷，使得在長時間連續(xù)信號采集過程中，創(chuàng)新虛擬通道技術(shù)，可實時得到一二次微積分后的準確波形，實現(xiàn)AVD“一入三出”振動全息實時動態(tài)連續(xù)測量。

　　八、自動化模態(tài)分析方法。模態(tài)試驗和分析由于包含較多的技術(shù)內(nèi)容，通常操作比較復(fù)雜，需要操作人員具有相當(dāng)豐富的理論知識和工程經(jīng)驗，才可以獲取較為準確的結(jié)果，但是通過自動化模態(tài)分析手段，一般工程人員通過簡單操作即可獲得專家級的模態(tài)分析結(jié)果。

　　九、24位“雙核”變幅基A/D高精度超量程160dB數(shù)采儀技術(shù)。24位雙核采集儀具有160dB的超寬量程范圍，既保證大信號不會出現(xiàn)過載而導(dǎo)致試驗失敗，又可同時保證微弱信號不會因為欠載而導(dǎo)致信噪比不足。因此不用考慮儀器檔位問題，更適合具有特殊要求的高難度試驗。

　　十、突破了傳遞函數(shù)的測試及實時控制和反演關(guān)鍵技術(shù)，為提高儀器測量精度和范圍開辟了新途徑。

　　傳遞函數(shù)的測試及實時控制和反演是一項世界難題。提出由軟件構(gòu)成的在數(shù)采過程中實時快速精確測試幅頻相頻曲線，并通過YSL專門技術(shù)實時實現(xiàn)傳遞函數(shù)的控制和反演，已在DASP軟件中取得成功應(yīng)用。此技術(shù)可以大大擴展儀器的頻率測試范圍，提高測試精度，極具國際競爭力。此項技術(shù)是2010年12月9日提出，12月24日完成的，使得中美兩國共同創(chuàng)造的虛擬儀器達到可以問鼎諾貝爾物理獎的具有世界性重大意義的成果。其意義可與光纖之父諾獎得主高錕教授的“光纖通信”的成果相提并論。

　　實踐證明，“軟件制造儀器”省掉大量昂貴和笨重的硬件材料和人力物力、設(shè)備、廠房及能源，便于生產(chǎn)、攜帶，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸還能實現(xiàn)“云智慧”科學(xué)儀器。目前，已廣泛用于國防軍工、航天航空等許多部門，參與完成火箭、神舟飛船、大橋高層建筑和大型機械設(shè)備等上百項國家重大工程項目的測試，實現(xiàn)了許多常規(guī)儀器和硬件無法實現(xiàn)的功能。據(jù)不完全統(tǒng)計，東方所已有2000多家用戶，累計經(jīng)濟效益超過1億元，為國家節(jié)省外匯約數(shù)億美元。其經(jīng)濟價值按我國2007年儀器產(chǎn)值估算，若按軟件取代硬件一半計算，將會產(chǎn)生1000多億元的巨大價值。

　　推動虛擬儀器技術(shù)“達到世界普及”

　　應(yīng)教授在全國20多所重點高校，如清華、北大、浙大、中國科大、上海交大、西安交大和香港理工大學(xué)等高校講學(xué)幾十次，并成功組織和主持了二十三屆全國振動與噪聲高技術(shù)學(xué)術(shù)會議，還為有關(guān)部門培訓(xùn)了一大批從事振動噪聲、信號處理、動態(tài)測試和虛擬儀器方面的急需人才。同時，聯(lián)合指導(dǎo)培養(yǎng)碩士、博士和博士后研究生30余名，為國家培養(yǎng)了信號處理、動態(tài)測試和虛擬儀器技術(shù)的高端人才。

　　上世紀90年代，應(yīng)懷樵研發(fā)的虛擬儀器技術(shù)已受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，并在市場上初露鋒芒。然而，由于超負荷的工作，長期加班熬夜和巨大壓力導(dǎo)致過度疲勞，1994年1月14日，在北京郵電大學(xué)學(xué)術(shù)交流大會報告的講臺上，應(yīng)懷樵突發(fā)腦出血，送往醫(yī)院急救，昏迷了3天，左邊半身不遂，出院后，拄上了拐杖。2003年，突發(fā)腦血栓。2004年、2005年突發(fā)心梗阻……

　　“3次中風(fēng)、4次心梗，我7次至閻王殿，閻王都沒收我！闭f到此處，應(yīng)懷樵微笑著感慨萬分。盡管現(xiàn)在病情有些好轉(zhuǎn)，可是他幾乎時刻都處在生命危險之中。藥物只能控制他的病情，卻不能讓他徹底擺脫病痛困擾。

　　功夫不負有心人。如今，研究所已經(jīng)初步建立起一支研發(fā)與市場開發(fā)隊伍！艾F(xiàn)在，我們的科研隊伍壯大起來了，從副所長到總工程師都是博士，具有很強的科研能力！彼吹教摂M儀器的發(fā)展前景，要盡全力推動虛擬儀器技術(shù)“達到世界普及”的產(chǎn)業(yè)化進程，應(yīng)懷樵對未來依然充滿信心！白孖NV系統(tǒng)走進每個實驗室，讓DASP軟件運行在每個試驗臺上！边@是應(yīng)懷樵的理想。

　　面對當(dāng)今科技的飛速發(fā)展，應(yīng)懷樵還告訴我們，隨著“云計算”和“物聯(lián)網(wǎng)”時代的到來。在2009年11月桂林全國虛擬儀器大會和2010年8月沈陽全國振動工程及應(yīng)用會議上，應(yīng)懷樵提出實驗室網(wǎng)絡(luò)云時代——“云智慧儀器實驗室”與“云智慧故障診斷中心”的構(gòu)想，提議國家盡快開展相關(guān)研究。并且，在此基礎(chǔ)上，還可以建立起云智慧醫(yī)療中心和云智慧教育中心、云智慧安全中心、云智慧交通中心等等，為我國搶占高科技的制高點，推動科學(xué)儀器與科學(xué)實驗的發(fā)展，集聚高智慧、推廣高新技術(shù)，達到世界領(lǐng)先水平，制定出科學(xué)合理的研究計劃和戰(zhàn)略步驟。