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中國虛擬儀器之父的諾貝爾獎之夢

來源：　類別：行業(yè)動態(tài) 　更新時間：2013-03-15　閱讀次

　　一百多年前，瑞典著名科學家諾貝爾創(chuàng)立了諾貝爾獎，用于鼓勵那些為人類做出杰出貢獻的人。作為一位年逾古稀的老科技工作者，他提出的“用軟件制造儀器、用軟硬件相結合”的理論和關鍵技術，成功打破了振動與噪聲、信號處理及虛擬儀器學術領域長期被外國公司壟斷的局面，讓中國在該領域擁有了絕對發(fā)言權；他的“虛擬儀器”不僅給長期缺乏創(chuàng)新元素的國內科技界帶來了無限活力，也讓中國原創(chuàng)技術成功屹立于世界科技之林——他就是被譽為“中國虛擬儀器之父”的應懷樵教授。
　　追夢路上，死生何懼
　　1941年7月，應懷樵出生于浙江紹興，那里人文底蘊深厚，無論是早年受篤信佛教的母親的熏陶，還是得益蔡元培曾擔任校長的小學優(yōu)良的教學傳統(tǒng)，都使他從小樹立了為民族崛起而讀書的遠大理想。1959年，應懷樵就讀浙江大學理論物理專業(yè)，后應國家需要全班調整為應用力學專業(yè)。1964年，大學畢業(yè)后，他被分配到中國鐵道科學院，致力于高速列車風洞課題研究，并到清華大學學習風洞測試分析技術。1965年，他參與了我國西部羅布泊核試驗基地原子彈和氫彈的核爆炸防護工程研究測試工作，接觸到震動噪聲和頻譜分析，開始了虛擬儀器科研生涯。1973年，應懷樵教授開始自行嘗試用數(shù)字計算機的軟件數(shù)字積分取代傳統(tǒng)硬件模擬積分的方法解決實際問題，并于1979年獲得成功。同年，應懷樵教授原創(chuàng)性地提出了虛擬儀器的核心概念——“軟件制造儀器”。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展覽會，名列展覽會表揚名單的第一位。早年五次轉換專業(yè)，則練就他扎實的學術功底和多學科交叉研究課題的優(yōu)勢。更重要的是，科技水平對國家命運的深刻影響更使他深感責任重大。成為世界一流的科學家，為國爭光成為他深埋心中的夢想。而他也毫不諱言對諾獎的鐘情，在他看來，諾貝爾獎不僅是一種崇高的榮譽，更是激勵創(chuàng)新、造福人類的精神源泉。
　　上世紀90年代，應懷樵研發(fā)的虛擬儀器技術已受到國內外的廣泛關注，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致過度疲勞，1994年1月14日，在北京郵電大學學術交流大會報告的講臺上，應懷樵突發(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、4次心梗，我7次至閻王殿，閻王都沒收我�！闭劶按耸�，應懷樵微笑著感慨萬分。跋涉在為中華崛起而奮斗的科學高峰上，他無懼生命的挑戰(zhàn)，依然以超人的毅力、堅定的信念，戰(zhàn)勝病魔，執(zhí)著奮進在創(chuàng)世界一流的“虛擬儀器”科研陣地上。
　　而支撐他的則是中國科學界應為人類文明進步做出更大貢獻的使命感與榮譽感！正是懷著振興中華、造福人類的理想追求，他數(shù)十年如一日，嘔心瀝血，將全部精力投入虛擬儀器（VI）科學研究之中，自主創(chuàng)新121項新技術，攻克十大世界性難題并填補國內空白：
　　一是基于平臺式設計的VI庫技術。用軟件制造儀器，軟硬件結合取代傳統(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)和測試技術界產生巨大影響，代表了我國在VI研發(fā)方面的最高水平。
　　二是變時基（VTB）傳遞函數(shù)（導納）測量分析方法。變時基技術相對于國內外傳統(tǒng)的等時基方法，能顯著提高瞬態(tài)激勵測試結果的精度與穩(wěn)定性。目前，此項技術結合彈性聚能力錘，成功解決了大型低頻結構錘擊模態(tài)試驗問題，達到國際領先水平，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、航天員超重訓練機模態(tài)試驗等數(shù)十項國家重點項目，效果良好。
　　三是高精度頻率、幅值、相位和阻尼測量技術。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)相當于并可同時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(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。這一技術使虛擬儀器從一般低精度儀器進入高端科學儀器的行列，具有重大國際影響力。
　　四是超低頻信號快速測量技術。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。
　　五是倒熵譜分析方法。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，已得到國內外專家肯定，達到倒譜分析的國際領先水平。
　　六是FFT/DFT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/DFT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。
　　七是振動全息AVD“一入三出”實時測試分析創(chuàng)新技術。長期以來國內外對連續(xù)實時數(shù)據(jù)的微積分一直沒有解決辦法，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(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，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。
　　八是自動化模態(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)分析結果。
　　九是24位“雙核”變幅基A/D高精度超量程160dB數(shù)采儀技術。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)過載而導致試驗失敗，又可同時保證微弱信號不會因為欠載而導致信噪比不足。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。
　　十是突破了傳遞函數(shù)的測試及實時控制和反演關鍵技術，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。應懷樵教授原創(chuàng)提出由軟件構成的在數(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軟件中取得成功應用。此技術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。是中華民族繼古代四大發(fā)明之后，對人類文明有重要意義和影響的現(xiàn)代發(fā)明之一。
　　虛擬儀器，潛力無限
　　1983年，應懷樵教授籌建了北京東方所的前身——振動技術咨詢部，1985年創(chuàng)建了北京東方振動和噪聲技術研究所，并下決心自籌資金研究攻克在科學儀器及測試領域長期存在的世界性技術難題。同時，他還提出了“把試驗室拎著走”的目標，正式展開了“虛擬儀器庫——振動噪聲、模態(tài)分析移動試驗室技術”的研究。
　　“軟件制造儀器，軟硬件結合取代傳統(tǒng)儀器”能省掉大量昂貴和笨重的硬件材料和人力物力、設備、廠房和能源，便于生產和攜帶。這是一條劃時代的新途徑，是科學儀器和測試領域的一次突破和革命，是21世紀的儀器的重要發(fā)展方向，是中華民族原創(chuàng)的具有自主知識產權的重大發(fā)明之一。中國虛擬儀器DASP軟件和INV移動實驗室系統(tǒng)是與美國NI同步并行研發(fā)的，其中自主創(chuàng)新121項新技術，其中20多項達國際領先水平，是研發(fā)最早且核心技術搞得最好的科研成果。
　　1988年9月16日，中國虛擬儀器應用于火箭激振錢塘江大橋模態(tài)實驗圓滿成功。1995年用于“長三捆”火箭全箭模態(tài)實驗，1996年用于神舟載人飛船移動發(fā)射平臺模態(tài)實驗。2004年用于航天員超重訓練設備臂架系統(tǒng)模態(tài)分析。截至目前，該成果產品累計銷往2000多家用戶，經(jīng)濟效益超過2億元，打破了此類儀器長期依賴進口的局面，為國家節(jié)省外匯數(shù)億美元。目前，已廣泛用于國防軍工、航天航空等許多部門，參與完成上百項國家重大工程項目測試。若在國內全面推廣，其經(jīng)濟價值按我國2007年儀器產值估算，按軟件取代硬件30%到一半計算，將產生600億元到1000億元/年的巨大價值，為促進技術變革和推動新興產業(yè)形成，造福國計民生發(fā)揮重大作用。
　　面對激烈的國際競爭與廣闊的國際市場，應懷樵認為中國虛擬儀器產業(yè)化之路任重道遠，“達到世界普及”，這是一個目標，更是一種信念！以領先的科技與執(zhí)著的信念支撐，應懷樵和他的虛擬儀器產業(yè)化之路必將迎來勝利曙光！而作為科學家，應懷樵瞄準國際前沿的戰(zhàn)略思考從未停止，2009年11月，在中國桂林全國第三次虛擬儀器大會上，應懷樵提出了“云智慧儀器和云智慧測試分析時代”的概念，并提出了從VI（Virtual Instrument）虛擬儀器到CSI（Cloud Smart Instrument）云智慧儀器的科學發(fā)展模式。2012年5月24日應懷樵又在北京第十五屆國際科博會“2012中國戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展論壇”上，作題為《云智慧時代的第三次工業(yè)革命正在走來》——“從軟件制造儀器”到“軟件制造《一切》”的主題報告。
　　在近半個世紀的無悔追夢路上，艱難險阻從未使他動搖，懷著對科學不滅的熱情，應懷樵教授在沖擊諾貝爾獎的道路上繼續(xù)前行。諾貝爾獎作為一盞指路明燈，引導著全世界的科學家們?yōu)榱嗽旄Ｈ祟惗恍笂^斗！【中國農業(yè)儀器網(wǎng)】