“中國虛擬儀器之父”讓INV系統走進(jìn)每個(gè)實(shí)驗室

　　應懷樵與虛擬儀器的緣分彷佛是早已注定的。幾十年來(lái)，他致力于信號處理、虛擬儀器、測控技術(shù)、振動(dòng)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(dòng)實(shí)驗室，被學(xué)術(shù)界稱(chēng)為“中國虛擬儀器之父”。然而，每當榮譽(yù)和贊美涌向他時(shí)，他卻總是那樣淡淡的一句話(huà)：“我所做的一切都是為了讓我國具有自主知識產(chǎn)權的科學(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(mén)，達到世界普及，并希望讓中國的振動(dòng)與噪聲技術(shù)能夠朝著(zhù)更開(kāi)闊的方向發(fā)展�！�

　　突破十大世界性難題

　　應懷樵是我國最早提出“虛擬儀器”構想、最早提出和實(shí)現“用軟件制造儀器”，“用軟硬件相結合”來(lái)取代傳統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(shí)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(dòng)噪聲與動(dòng)力學(xué)測試分析的研究，發(fā)現用硬件設備無(wú)法獲得道床的下沉殘余位移(0Hz)。1973年開(kāi)始自行嘗試用數字計算機的軟件數字積分與頻譜分析取代傳統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用的最早成功范例。同年，在國防科委召開(kāi)的核試驗全國防護工程學(xué)術(shù)會(huì )(保密會(huì ))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(huì )議的力學(xué)所所長(cháng)鄭哲敏院士、清華副校長(cháng)張維院士、同濟校長(cháng)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(huì )，贏(yíng)得高度贊譽(yù)，列表?yè)P名單第一名。

　　虛擬儀器發(fā)展中有許多技術(shù)難題，但是應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(dòng)與噪聲技術(shù)研究所(簡(jiǎn)稱(chēng)東方所)，研發(fā)了DASP和INV系列虛擬儀器庫系統，實(shí)現了“把實(shí)驗室拎著(zhù)走”的理念，取得100多項創(chuàng )新技術(shù)。更為難能可貴的是，應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(dòng)態(tài)測試分析儀器的性能從一般的低精度低檔次測量?jì)x器躍入了高端高精度測量?jì)x器的領(lǐng)先水平。

　　一、基于平臺式設計的虛擬儀器庫技術(shù)。應懷樵課題組研究的DASP虛擬儀器庫系統是我國開(kāi)發(fā)最早的虛擬儀器庫系統。早在1979年，應懷樵就原創(chuàng )性地提出虛擬儀器的核心概念——“軟件制造儀器，用軟硬件結合取代主要由硬件構成的傳統儀器”，這一具有里程碑式劃時(shí)代意義的新路線(xiàn)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?jì)x器會(huì )產(chǎn)生巨大影響，還能實(shí)現一些硬件實(shí)現不了的功能(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(shí)驗室拎著(zhù)走”的目標，并研制成功中國第一臺虛擬儀器，成功應用于杭州錢(qián)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(huì )到加拿大展出，獲得表?yè)P名單第一名，1995年用于“長(cháng)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(dòng)發(fā)射平臺模態(tài)試驗獲得成功，2004年用于航天員超重訓練設備臂架系統模態(tài)分析獲得成功。實(shí)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)權的一套虛擬儀器系統，代表了我國在虛擬儀器研發(fā)方面的最高水平。

　　二、變時(shí)基(VTB)傳遞函數(導納)測量分析方法。變時(shí)基技術(shù)相對于國內外傳統的等時(shí)基方法，能顯著(zhù)提高瞬態(tài)激勵測試結果的精度與穩定性。目前，此項技術(shù)結合彈性聚能力錘，成功解決了大型低頻結構錘擊模態(tài)試驗問(wèn)題，達到國際領(lǐng)先水平，已獲國家發(fā)明專(zhuān)利。已完成神舟飛船750噸移動(dòng)發(fā)射平臺模態(tài)試驗、“長(cháng)三捆”大型運載火箭模態(tài)試驗、烏海黃河大橋模態(tài)試驗、航天員超重訓練機模態(tài)試驗等數十項國家重點(diǎn)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(jìn)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(jìn)制12~14位數字測量精度，已經(jīng)相當于并可同時(shí)替代高端頻率計和電壓表等硬件設備，目前已經(jīng)在中國計量院等單位推廣使用，比國外常規方法提高精度100萬(wàn)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(jìn)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(jìn)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，常規測量需要非常長(cháng)的時(shí)間才可以完成，而東方所的方法，則可以實(shí)現僅僅測量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，使得超低頻信號得到快速測量，填補國內外空白。對于100秒周期的低頻率信號測試，僅需2~3分鐘即可同時(shí)得到頻率、幅值、失真度相位和傳感器標定靈敏度等參數，比起類(lèi)似的美國HP35670儀器，時(shí)間縮短為原來(lái)的1/20，并且后者還不具備多種參數同時(shí)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(shí)間序列具有更好的效果，比國外提出的LPC法可靠，已得到國內外專(zhuān)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(cháng)信號，FFT/FT則可以進(jìn)行無(wú)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(dòng)全息AVD“一入三出”實(shí)時(shí)測試分析創(chuàng )新技術(shù)。長(cháng)期以來(lái)國內外對連續實(shí)時(shí)數據的微積分一直沒(méi)有解決辦法，應教授課題組創(chuàng )新提出了全程微積分方法。該方法尤其適合于連續采集的時(shí)間序列，充分考慮全程波形的特征，有效避免傳統微積分的缺陷，使得在長(cháng)時(shí)間連續信號采集過(guò)程中，創(chuàng )新虛擬通道技術(shù)，可實(shí)時(shí)得到一二次微積分后的準確波形，實(shí)現AVD“一入三出”振動(dòng)全息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續測量。

　　八、自動(dòng)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)內容，通常操作比較復雜，需要操作人員具有相當豐富的理論知識和工程經(jīng)驗，才可以獲取較為準確的結果，但是通過(guò)自動(dòng)化模態(tài)分析手段，一般工程人員通過(guò)簡(jiǎn)單操作即可獲得專(zhuān)家級的模態(tài)分析結果。

　　九、24位“雙核”變幅基A/D高精度超量程160dB數采儀技術(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(huì )出現過(guò)載而導致試驗失敗，又可同時(shí)保證微弱信號不會(huì )因為欠載而導致信噪比不足。因此不用考慮儀器檔位問(wèn)題，更適合具有特殊要求的高難度試驗。

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

　　傳遞函數的測試及實(shí)時(shí)控制和反演是一項世界難題。提出由軟件構成的在數采過(guò)程中實(shí)時(shí)快速精確測試幅頻相頻曲線(xiàn)，并通過(guò)YSL專(zhuān)門(mén)技術(shù)實(shí)時(shí)實(shí)現傳遞函數的控制和反演，已在DASP軟件中取得成功應用。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(wèn)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(shí)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、設備、廠(chǎng)房及能源，便于生產(chǎn)、攜帶，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸還能實(shí)現“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(mén)，參與完成火箭、神舟飛船、大橋高層建筑和大型機械設備等上百項國家重大工程項目的測試，實(shí)現了許多常規儀器和硬件無(wú)法實(shí)現的功能。據不完全統計，東方所已有2000多家用戶(hù)，累計經(jīng)濟效益超過(guò)1億元，為國家節省外匯約數億美元。其經(jīng)濟價(jià)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(huì )產(chǎn)生1000多億元的巨大價(jià)值。

　　推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)“達到世界普及”

　　應教授在全國20多所重點(diǎn)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(dòng)與噪聲高技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì )議，還為有關(guān)部門(mén)培訓了一大批從事振動(dòng)噪聲、信號處理、動(dòng)態(tài)測試和虛擬儀器方面的急需人才。同時(shí)，聯(lián)合指導培養碩士、博士和博士后研究生30余名，為國家培養了信號處理、動(dòng)態(tài)測試和虛擬儀器技術(shù)的高端人才。

　　上世紀90年代，應懷樵研發(fā)的虛擬儀器技術(shù)已受到國內外的廣泛關(guān)注，并在市場(chǎng)上初露鋒芒。然而，由于超負荷的工作，長(cháng)期加班熬夜和巨大壓力導致過(guò)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(huì )報告的講臺上，應懷樵突發(fā)腦出血，送往醫院急救，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(méi)收我�！闭f(shuō)到此處，應懷樵微笑著(zhù)感慨萬(wàn)分。盡管現在病情有些好轉，可是他幾乎時(shí)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(chǎng)開(kāi)發(fā)隊伍�！艾F在，我們的科研隊伍壯大起來(lái)了，從副所長(cháng)到總工程師都是博士，具有很強的科研能力�！彼�看到虛擬儀器的發(fā)展前景，要盡全力推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)“達到世界普及”的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，應懷樵對未來(lái)依然充滿(mǎn)信心�！白孖NV系統走進(jìn)每個(gè)實(shí)驗室，讓DASP軟件運行在每個(gè)試驗臺上�！边@是應懷樵的理想。

　　面對當今科技的飛速發(fā)展，應懷樵還告訴我們，隨著(zhù)“云計算”和“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的到來(lái)。在2009年11月桂林全國虛擬儀器大會(huì )和2010年8月沈陽(yáng)全國振動(dòng)工程及應用會(huì )議上，應懷樵提出實(shí)驗室網(wǎng)絡(luò )云時(shí)代——“云智慧儀器實(shí)驗室”與“云智慧故障診斷中心”的構想，提議國家盡快開(kāi)展相關(guān)研究。并且，在此基礎上，還可以建立起云智慧醫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(diǎn)，推動(dòng)科學(xué)儀器與科學(xué)實(shí)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略步驟。