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中國(guó)虛擬儀器之父的諾貝爾獎(jiǎng)之夢(mèng)

來(lái)源：　類別：行業(yè)動(dòng)態(tài) 　更新時(shí)間：2013-03-15　閱讀次

　　一百多年前，瑞典著名科學(xué)家諾貝爾創(chuàng)立了諾貝爾獎(jiǎng)，用于鼓勵(lì)那些為人類做出杰出貢獻(xiàn)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(jié)合”的理論和關(guān)鍵技術(shù)，成功打破了振動(dòng)與噪聲、信號(hào)處理及虛擬儀器學(xué)術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)期被外國(guó)公司壟斷的局面，讓中國(guó)在該領(lǐng)域擁有了絕對(duì)發(fā)言權(quán)；他的“虛擬儀器”不僅給長(zhǎng)期缺乏創(chuàng)新元素的國(guó)內(nèi)科技界帶來(lái)了無(wú)限活力，也讓中國(guó)原創(chuàng)技術(shù)成功屹立于世界科技之林——他就是被譽(yù)為“中國(guó)虛擬儀器之父”的應(yīng)懷樵教授。
　　追夢(mèng)路上，死生何懼
　　1941年7月，應(yīng)懷樵出生于浙江紹興，那里人文底蘊(yùn)深厚，無(wú)論是早年受篤信佛教的母親的熏陶，還是得益蔡元培曾擔(dān)任校長(zhǎng)的小學(xué)優(yōu)良的教學(xué)傳統(tǒng)，都使他從小樹(shù)立了為民族崛起而讀書(shū)的遠(yuǎn)大理想。1959年，應(yīng)懷樵就讀浙江大學(xué)理論物理專業(yè)，后應(yīng)國(guó)家需要全班調(diào)整為應(yīng)用力學(xué)專業(yè)。1964年，大學(xué)畢業(yè)后，他被分配到中國(guó)鐵道科學(xué)院，致力于高速列車(chē)風(fēng)洞課題研究，并到清華大學(xué)學(xué)習(xí)風(fēng)洞測(cè)試分析技術(shù)。1965年，他參與了我國(guó)西部羅布泊核試驗(yàn)基地原子彈和氫彈的核爆炸防護(hù)工程研究測(cè)試工作，接觸到震動(dòng)噪聲和頻譜分析，開(kāi)始了虛擬儀器科研生涯。1973年，應(yīng)懷樵教授開(kāi)始自行嘗試用數(shù)字計(jì)算機(jī)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(shí)際問(wèn)題，并于1979年獲得成功。同年，應(yīng)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(shù)展覽會(huì)，名列展覽會(huì)表?yè)P(yáng)名單的第一位。早年五次轉(zhuǎn)換專業(yè)，則練就他扎實(shí)的學(xué)術(shù)功底和多學(xué)科交叉研究課題的優(yōu)勢(shì)。更重要的是，科技水平對(duì)國(guó)家命運(yùn)的深刻影響更使他深感責(zé)任重大。成為世界一流的科學(xué)家，為國(guó)爭(zhēng)光成為他深埋心中的夢(mèng)想。而他也毫不諱言對(duì)諾獎(jiǎng)的鐘情，在他看來(lái)，諾貝爾獎(jiǎng)不僅是一種崇高的榮譽(yù)，更是激勵(lì)創(chuàng)新、造福人類的精神源泉。
　　上世紀(jì)90年代，應(yīng)懷樵研發(fā)的虛擬儀器技術(shù)已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，并在市場(chǎng)上初露鋒芒。然而，由于超負(fù)荷的工作，長(zhǎng)期加班熬夜和巨大壓力導(dǎo)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(bào)告的講臺(tái)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(méi)收我。”談及此事，應(yīng)懷樵微笑著感慨萬(wàn)分。跋涉在為中華崛起而奮斗的科學(xué)高峰上，他無(wú)懼生命的挑戰(zhàn)，依然以超人的毅力、堅(jiān)定的信念，戰(zhàn)勝病魔，執(zhí)著奮進(jìn)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(guó)科學(xué)界應(yīng)為人類文明進(jìn)步做出更大貢獻(xiàn)的使命感與榮譽(yù)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(xué)研究之中，自主創(chuàng)新121項(xiàng)新技術(shù)，攻克十大世界性難題并填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白：
　　一是基于平臺(tái)式設(shè)計(jì)的VI庫(kù)技術(shù)。用軟件制造儀器，軟硬件結(jié)合取代傳統(tǒng)儀器，這一具有里程碑式劃時(shí)代意義的新路線對(duì)儀器制造業(yè)和測(cè)試技術(shù)界產(chǎn)生巨大影響，代表了我國(guó)在VI研發(fā)方面的最高水平。
　　二是變時(shí)基（VTB）傳遞函數(shù)（導(dǎo)納）測(cè)量分析方法。變時(shí)基技術(shù)相對(duì)于國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的等時(shí)基方法，能顯著提高瞬態(tài)激勵(lì)測(cè)試結(jié)果的精度與穩(wěn)定性。目前，此項(xiàng)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(yàn)問(wèn)題，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，已獲國(guó)家發(fā)明專利。已完成神舟飛船750噸移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)模態(tài)試驗(yàn)、“長(zhǎng)三捆”大型運(yùn)載火箭模態(tài)試驗(yàn)、烏海黃河大橋模態(tài)試驗(yàn)、航天員超重訓(xùn)練機(jī)模態(tài)試驗(yàn)等數(shù)十項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，效果良好。
　　三是高精度頻率、幅值、相位和阻尼測(cè)量技術(shù)。東方所原創(chuàng)的高精度頻率計(jì)和幅值計(jì)，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(dá)到十進(jìn)制12~14位數(shù)字測(cè)量精度，已經(jīng)相當(dāng)于并可同時(shí)替代高端頻率計(jì)和電壓表等硬件設(shè)備，目前已經(jīng)在中國(guó)計(jì)量院等單位推廣使用，比國(guó)外常規(guī)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(guó)際影響力。
　　四是超低頻信號(hào)快速測(cè)量技術(shù)。對(duì)于超低頻信號(hào)（0.1Hz—0.00001Hz）的準(zhǔn)確測(cè)定，尤其對(duì)于頻率未知的情況，常規(guī)測(cè)量需要非常長(zhǎng)的時(shí)間才可以完成，而東方所的方法，則可以實(shí)現(xiàn)僅僅測(cè)量1/4甚至更少周期的信號(hào)即可獲取準(zhǔn)確的頻率、幅值、相位和失真度等參數(shù)，使得超低頻信號(hào)得到快速測(cè)量，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外空白。對(duì)于100秒周期的低頻率信號(hào)測(cè)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(biāo)定靈敏度等參數(shù)，比起類似的美國(guó)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(shù)同時(shí)測(cè)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(duì)短時(shí)間序列具有更好的效果，比國(guó)外提出的LPC法可靠，已得到國(guó)內(nèi)外專家肯定，達(dá)到倒譜分析的國(guó)際領(lǐng)先水平。
　　六是FFT/DFT分析方法。FFT變換雖然大大提高了運(yùn)算速度但是頻率分辨率受到了限制，對(duì)于有限長(zhǎng)信號(hào)，F(xiàn)FT/DFT則可以進(jìn)行無(wú)限細(xì)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(xì)化的主要方法之一。
　　七是振動(dòng)全息AVD“一入三出”實(shí)時(shí)測(cè)試分析創(chuàng)新技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的微積分一直沒(méi)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(shí)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)信號(hào)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(zhǔn)確波形，實(shí)現(xiàn)AVD“一入三出”振動(dòng)全息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量。
　　八是自動(dòng)化模態(tài)分析方法。模態(tài)試驗(yàn)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(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)，才可以獲取較為準(zhǔn)確的結(jié)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)單操作即可獲得專家級(jí)的模態(tài)分析結(jié)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(shù)。24位雙核采集儀具有160dB的超寬量程范圍，既保證大信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，又可同時(shí)保證微弱信號(hào)不會(huì)因?yàn)榍份d而導(dǎo)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(yàn)。
　　十是突破了傳遞函數(shù)的測(cè)試及實(shí)時(shí)控制和反演關(guān)鍵技術(shù)，為提高儀器測(cè)量精度和范圍開(kāi)辟了新途徑。傳遞函數(shù)的測(cè)試及實(shí)時(shí)控制和反演是一項(xiàng)世界難題。應(yīng)懷樵教授原創(chuàng)提出由軟件構(gòu)成的在數(shù)采過(guò)程中實(shí)時(shí)快速精確測(cè)試幅頻相頻曲線，并通過(guò)YSL專門(mén)技術(shù)實(shí)時(shí)實(shí)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(kuò)展儀器的頻率測(cè)試范圍，提高測(cè)試精度，極具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。此項(xiàng)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(guó)共同創(chuàng)造的虛擬儀器達(dá)到可以問(wèn)鼎諾貝爾物理獎(jiǎng)的具有世界性重大意義的成果。其意義可與光纖之父諾獎(jiǎng)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(duì)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(wú)限
　　1983年，應(yīng)懷樵教授籌建了北京東方所的前身——振動(dòng)技術(shù)咨詢部，1985年創(chuàng)建了北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所，并下決心自籌資金研究攻克在科學(xué)儀器及測(cè)試領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的世界性技術(shù)難題。同時(shí)，他還提出了“把試驗(yàn)室拎著走”的目標(biāo)，正式展開(kāi)了“虛擬儀器庫(kù)——振動(dòng)噪聲、模態(tài)分析移動(dòng)試驗(yàn)室技術(shù)”的研究。
　　“軟件制造儀器，軟硬件結(jié)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(shè)備、廠房和能源，便于生產(chǎn)和攜帶。這是一條劃時(shí)代的新途徑，是科學(xué)儀器和測(cè)試領(lǐng)域的一次突破和革命，是21世紀(jì)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(shí)產(chǎn)權(quán)的重大發(fā)明之一。中國(guó)虛擬儀器DASP軟件和INV移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是與美國(guó)NI同步并行研發(fā)的，其中自主創(chuàng)新121項(xiàng)新技術(shù)，其中20多項(xiàng)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平，是研發(fā)最早且核心技術(shù)搞得最好的科研成果。
　　1988年9月16日，中國(guó)虛擬儀器應(yīng)用于火箭激振錢(qián)塘江大橋模態(tài)實(shí)驗(yàn)圓滿成功。1995年用于“長(zhǎng)三捆”火箭全箭模態(tài)實(shí)驗(yàn)，1996年用于神舟載人飛船移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)模態(tài)實(shí)驗(yàn)。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。截至目前，該成果產(chǎn)品累計(jì)銷往2000多家用戶，經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)2億元，打破了此類儀器長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，為國(guó)家節(jié)省外匯數(shù)億美元。目前，已廣泛用于國(guó)防軍工、航天航空等許多部門(mén)，參與完成上百項(xiàng)國(guó)家重大工程項(xiàng)目測(cè)試。若在國(guó)內(nèi)全面推廣，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值按我國(guó)2007年儀器產(chǎn)值估算，按軟件取代硬件30%到一半計(jì)算，將產(chǎn)生600億元到1000億元/年的巨大價(jià)值，為促進(jìn)技術(shù)變革和推動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)形成，造福國(guó)計(jì)民生發(fā)揮重大作用。
　　面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與廣闊的國(guó)際市場(chǎng)，應(yīng)懷樵認(rèn)為中國(guó)虛擬儀器產(chǎn)業(yè)化之路任重道遠(yuǎn)，“達(dá)到世界普及”，這是一個(gè)目標(biāo)，更是一種信念！以領(lǐng)先的科技與執(zhí)著的信念支撐，應(yīng)懷樵和他的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)化之路必將迎來(lái)勝利曙光！而作為科學(xué)家，應(yīng)懷樵瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿的戰(zhàn)略思考從未停止，2009年11月，在中國(guó)桂林全國(guó)第三次虛擬儀器大會(huì)上，應(yīng)懷樵提出了“云智慧儀器和云智慧測(cè)試分析時(shí)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(xué)發(fā)展模式。2012年5月24日應(yīng)懷樵又在北京第十五屆國(guó)際科博會(huì)“2012中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”上，作題為《云智慧時(shí)代的第三次工業(yè)革命正在走來(lái)》——“從軟件制造儀器”到“軟件制造《一切》”的主題報(bào)告。
　　在近半個(gè)世紀(jì)的無(wú)悔追夢(mèng)路上，艱難險(xiǎn)阻從未使他動(dòng)搖，懷著對(duì)科學(xué)不滅的熱情，應(yīng)懷樵教授在沖擊諾貝爾獎(jiǎng)的道路上繼續(xù)前行。諾貝爾獎(jiǎng)作為一盞指路明燈，引導(dǎo)著全世界的科學(xué)家們?yōu)榱嗽旄Ｈ祟惗恍笂^斗！【中國(guó)農(nóng)業(yè)儀器網(wǎng)】

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