中国虚拟仪器之父的诺贝尔奖之梦

来源：　类别：行业动态　更新时间：2013-03-15　阅读次

　　一百多年前，瑞典着名科学家诺贝尔创立了诺贝尔奖，用于鼓励那些为人类做出杰出贡献的人。作为一位年逾古稀的老科技工作者，他提出的“用软件制造仪器、用软硬件相结合”的理论和关键技术，成功打破了振动与噪声、信号处理及虚拟仪器学术领域长期被外国公司垄断的局面，让中国在该领域拥有了绝对发言权；他的“虚拟仪器”不仅给长期缺乏创新元素的国内科技界带来了无限活力，也让中国原创技术成功屹立于世界科技之林——他就是被誉为“中国虚拟仪器之父”的应怀樵教授。
　　追梦路上，死生何惧
　　1941年7月，应怀樵出生于浙江绍兴，那里人文底蕴深厚，无论是早年受笃信佛教的母亲的熏陶，还是得益蔡元培曾担任校长的小学优良的教学传统，都使他从小树立了为民族崛起而读书的远大理想。1959年，应怀樵就读浙江大学理论物理专业，后应国家需要全班调整为应用力学专业。1964年，大学毕业后，他被分配到中国铁道科学院，致力于高速列车风洞课题研究，并到清华大学学习风洞测试分析技术。1965年，他参与了我国西部罗布泊核试验基地原子弹和氢弹的核爆炸防护工程研究测试工作，接触到震动噪声和频谱分析，开始了虚拟仪器科研生涯。1973年，应怀樵教授开始自行尝试用数字计算机的软件数字积分取代传统硬件模拟积分的方法解决实际问题，并于1979年获得成功。同年，应怀樵教授原创性地提出了虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器”。1993年，由他主持研制的INV306虚拟仪器参加加拿大多伦多市的新技术展览会，名列展览会表扬名单的第一位。早年五次转换专业，则练就他扎实的学术功底和多学科交叉研究课题的优势。更重要的是，科技水平对国家命运的深刻影响更使他深感责任重大。成为世界一流的科学家，为国争光成为他深埋心中的梦想。而他也毫不讳言对诺奖的钟情，在他看来，诺贝尔奖不仅是一种崇高的荣誉，更是激励创新、造福人类的精神源泉。
　　上世纪90年代，应怀樵研发的虚拟仪器技术已受到国内外的广泛关注，并在市场上初露锋芒。然而，由于超负荷的工作，长期加班熬夜和巨大压力导致过度疲劳，1994年1月14日，在北京邮电大学学术交流大会报告的讲台上，应怀樵突发脑出血，送往医院急救，昏迷了3天，左边半身不遂，出院后，拄上了拐杖。2003年，突发脑血栓。2004年、2005年突发心梗阻……“3次中风、4次心梗，我7次至阎王殿，阎王都没收我�！碧讣按耸拢抽晕⑿ψ鸥锌蚍�。跋涉在为中华崛起而奋斗的科学高峰上，他无惧生命的挑战，依然以超人的毅力、坚定的信念，战胜病魔，执着奋进在创世界一流的“虚拟仪器”科研阵地上。
　　而支撑他的则是中国科学界应为人类文明进步做出更大贡献的使命感与荣誉感！正是怀着振兴中华、造福人类的理想追求，他数十年如一日，呕心沥血，将全部精力投入虚拟仪器（VI）科学研究之中，自主创新121项新技术，攻克十大世界性难题并填补国内空白：
　　一是基于平台式设计的VI库技术。用软件制造仪器，软硬件结合取代传统仪器，这一具有里程碑式划时代意义的新路线对仪器制造业和测试技术界产生巨大影响，代表了我国在VI研发方面的最高水平。
　　二是变时基（VTB）传递函数（导纳）测量分析方法。变时基技术相对于国内外传统的等时基方法，能显着提高瞬态激励测试结果的精度与稳定性。目前，此项技术结合弹性聚能力锤，成功解决了大型低频结构锤击模态试验问题，达到国际领先水平，已获国家发明专利。已完成神舟飞船750吨移动发射平台模态试验、“长三捆”大型运载火箭模态试验、乌海黄河大桥模态试验、航天员超重训练机模态试验等数十项国家重点项目，效果良好。
　　三是高精度频率、幅值、相位和阻尼测量技术。东方所原创的高精度频率计和幅值计，克服了FFT频率分析中频率步进值的限制和泄漏的影响，软件本身的频率与幅值均可达到十进制12~14位数字测量精度，已经相当于并可同时替代高端频率计和电压表等硬件设备，目前已经在中国计量院等单位推广使用，比国外常规方法提高精度100万倍，而单从硬件看也能提高精度100倍，能把仪器的硬件频率精度从十进制5~6位提高到7~8位。这一技术使虚拟仪器从一般低精度仪器进入高端科学仪器的行列，具有重大国际影响力。
　　四是超低频信号快速测量技术。对于超低频信号（0.1Hz—0.00001Hz）的准确测定，尤其对于频率未知的情况，常规测量需要非常长的时间才可以完成，而东方所的方法，则可以实现仅仅测量1/4甚至更少周期的信号即可获取准确的频率、幅值、相位和失真度等参数，使得超低频信号得到快速测量，填补国内外空白。对于100秒周期的低频率信号测试，仅需2—3分钟即可同时得到频率、幅值、失真度相位和传感器标定灵敏度等参数，比起类似的美国HP35670仪器，时间缩短为原来的1/20，并且后者还不具备多种参数同时测量的功能。
　　五是倒熵谱分析方法。采用倒熵谱分析是频谱的再次谱分析，可大幅度提高频率分辨率，特别是对短时间序列具有更好的效果，比国外提出的LPC法可靠，已得到国内外专家肯定，达到倒谱分析的国际领先水平。
　　六是FFT/DFT分析方法。FFT变换虽然大大提高了运算速度但是频率分辨率受到了限制，对于有限长信号，FFT/DFT则可以进行无限细化，可得到主要频率、成分精度很高的频率、幅值和相位，是目前频谱细化的主要方法之一。
　　七是振动全息AVD“一入三出”实时测试分析创新技术。长期以来国内外对连续实时数据的微积分一直没有解决办法，应教授课题组创新提出了全程微积分方法。该方法尤其适合于连续采集的时间序列，充分考虑全程波形的特征，有效避免传统微积分的缺陷，使得在长时间连续信号采集过程中，创新虚拟通道技术，可实时得到一二次微积分后的准确波形，实现AVD“一入三出”振动全息实时动态连续测量。
　　八是自动化模态分析方法。模态试验和分析由于包含较多的技术内容，通常操作比较复杂，需要操作人员具有相当丰富的理论知识和工程经验，才可以获取较为准确的结果，但是通过自动化模态分析手段，一般工程人员通过简单操作即可获得专家级的模态分析结果。
　　九是24位“双核”变幅基A/D高精度超量程160dB数采仪技术。24位双核采集仪具有160dB的超宽量程范围，既保证大信号不会出现过载而导致试验失败，又可同时保证微弱信号不会因为欠载而导致信噪比不足。因此不用考虑仪器档位问题，更适合具有特殊要求的高难度试验。
　　十是突破了传递函数的测试及实时控制和反演关键技术，为提高仪器测量精度和范围开辟了新途径。传递函数的测试及实时控制和反演是一项世界难题。应怀樵教授原创提出由软件构成的在数采过程中实时快速精确测试幅频相频曲线，并通过YSL专门技术实时实现传递函数的控制和反演，已在DASP软件中取得成功应用。此技术可以大大扩展仪器的频率测试范围，提高测试精度，极具国际竞争力。此项技术是2010年12月9日提出，12月24日完成的，使得中美两国共同创造的虚拟仪器达到可以问鼎诺贝尔物理奖的具有世界性重大意义的成果。其意义可与光纤之父诺奖得主高锟教授的“光纤通信”的成果相提并论。是中华民族继古代四大发明之后，对人类文明有重要意义和影响的现代发明之一。
　　虚拟仪器，潜力无限
　　1983年，应怀樵教授筹建了北京东方所的前身——振动技术咨询部，1985年创建了北京东方振动和噪声技术研究所，并下决心自筹资金研究攻克在科学仪器及测试领域长期存在的世界性技术难题。同时，他还提出了“把试验室拎着走”的目标，正式展开了“虚拟仪器库——振动噪声、模态分析移动试验室技术”的研究。
　　“软件制造仪器，软硬件结合取代传统仪器”能省掉大量昂贵和笨重的硬件材料和人力物力、设备、厂房和能源，便于生产和携带。这是一条划时代的新途径，是科学仪器和测试领域的一次突破和革命，是21世纪的仪器的重要发展方向，是中华民族原创的具有自主知识产权的重大发明之一。中国虚拟仪器DASP软件和INV移动实验室系统是与美国NI同步并行研发的，其中自主创新121项新技术，其中20多项达国际领先水平，是研发最早且核心技术搞得最好的科研成果。
　　1988年9月16日，中国虚拟仪器应用于火箭激振钱塘江大桥模态实验圆满成功。1995年用于“长三捆”火箭全箭模态实验，1996年用于神舟载人飞船移动发射平台模态实验。2004年用于航天员超重训练设备臂架系统模态分析。截至目前，该成果产品累计销往2000多家用户，经济效益超过2亿元，打破了此类仪器长期依赖进口的局面，为国家节省外汇数亿美元。目前，已广泛用于国防军工、航天航空等许多部门，参与完成上百项国家重大工程项目测试。若在国内全面推广，其经济价值按我国2007年仪器产值估算，按软件取代硬件30%到一半计算，将产生600亿元到1000亿元/年的巨大价值，为促进技术变革和推动新兴产业形成，造福国计民生发挥重大作用。
　　面对激烈的国际竞争与广阔的国际市场，应怀樵认为中国虚拟仪器产业化之路任重道远，“达到世界普及”，这是一个目标，更是一种信念！以领先的科技与执着的信念支撑，应怀樵和他的虚拟仪器产业化之路必将迎来胜利曙光！而作为科学家，应怀樵瞄准国际前沿的战略思考从未停止，2009年11月，在中国桂林全国第三次虚拟仪器大会上，应怀樵提出了“云智慧仪器和云智慧测试分析时代”的概念，并提出了从VI（Virtual Instrument）虚拟仪器到CSI（Cloud Smart Instrument）云智慧仪器的科学发展模式。2012年5月24日应怀樵又在北京第十五届国际科博会“2012中国战略性新兴产业发展论坛”上，作题为《云智慧时代的第三次工业革命正在走来》——“从软件制造仪器”到“软件制造《一切》”的主题报告。
　　在近半个世纪的无悔追梦路上，艰难险阻从未使他动摇，怀着对科学不灭的热情，应怀樵教授在冲击诺贝尔奖的道路上继续前行。诺贝尔奖作为一盏指路明灯，引导着全世界的科学家们为了造福人类而不懈奋斗！【中国农业仪器网】