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文/本刊记者 胡恩燕

当这位迎面而来的拄拐老人冲我们点头一笑的时候，我断定，他就是我们的采访对象——被誉为中国虚拟仪器之父的应怀樵教授。再也没有什么比乐观老人的微笑更能打动人心了。在这个充满阳光的下午，在老人娓娓道来的故事中，在一盏盏香茗的陪伴下，追随着应怀樵记忆的轨迹，一幅镌满科研艰辛的历史画卷展现在我们面前。这是个人的历史，也是科学的历史……

缘起：风洞测试带来的构想

时光流转，回到20世纪60年代的浙江大学，应怀樵还是工程物理系的一名在读本科生。那时候，攻读理论物理专业的他，最崇拜的人是爱因斯坦和玻尔。对自然界未知物质结构的理论探索，让青年应怀樵体验着科研的种种乐趣和科学的无尽魅力。也是从那时起，搞科研的理想悄悄扎根于他心里。

大学二年级下半年，应怀樵所在工程物理系，为配合当时国家搞“两弹一星”工程的需要，将四个物理班中的一个调整到数学力学系成立应用力学班，专攻空气动力学、流体力学等科研方向。应怀樵就在这个班里，能为祖国出力他们都倍感自豪。随着科学视野的开阔，应怀樵所崇拜的对象里有了钱学森、卡门等。

1964年，应怀樵大学毕业。正值中国铁道科学院要研制高速列车，而应怀樵的毕业论文恰巧是研究风洞的，他便机缘巧合地加入高速列车风洞的研究课题中。同年10月，应怀樵被派往清华大学工程力学系流体力学专业学习风洞测试技术。这第三次的专业变更，使他进一步接触到实验数据的处理技术。才学了半年，应风洞测试工作所需，应怀樵将又一次转入北京航空航天大学继续攻读风洞技术。

 “这回没去成，文化大革命将要开始了。”回首这段往事，应怀樵不无遗憾地说。由于当时应怀樵参与的这个课题是与苏联签订十年科技协议里面定的，在那个敏感时期，政治运动的风头也波及到科研领域，非常自然地波及到他们的课题组。这项课题不得不中止。但幸运的是，风洞的研究得以持续。当时国家斥资很大，欲在西南修建风洞中心，风洞测试又能做了。正在应怀樵犹豫的时候，领导的一个安排让以前的研究工作得以持续。“领导让我继续做风阻力测试，到火车上测试。”虽然时间过去了将近半个世纪，但是一提起这件事情，应怀樵还是无法抑制当时那种激动的心情。

事情缘起于1964年的原子弹爆炸。1965年，铁道科学院参与了一个国防科研课题，课题要测试一些数据：搞清地下铁道原子弹爆炸的情况下，振动与噪声有多大？压力、应力应变有多大？结构会否垮掉？人的耳朵会不会被振聋？爆炸对人的损伤有多大？爆炸之后，地铁列车还能否开出去？

接到调令，应怀樵参加了这项保密课题。

“我们对北京地下铁道进行测试。加速度、速度、位移、应力、应变和压力……这些都是需要采集的数据。最早参加的核试验是在新疆罗布泊修建的北京地铁模型上。这些工作中，我的任务主要是测量振动噪声。”应怀樵说，为了更好的掌握这些数据，他们开始做一些传感器。而依据当时的科技水平，他们只能参考苏联和美国的一些资料，通过反复试验，做出各种传感器。

通过应怀樵设计的传感器，加速度的数据得到了，但是0Hz的残余位移依旧难以测算。应怀樵感叹：“以当时的水平，要把0Hz的残余位移测出来简直比登天还难。此刻，应怀樵设想用数学和应用力学的知识来计算，但这些数据运算量很大，当时用计算尺和手摇计算机又很慢。”

一直到了1973年，事情有了转机。当时，日本在中国搞了个自动化工业展览会，留下了一个比较先进的小型计算机——ECC555。这是铁道科学院准备搞桥梁和铁道计算的时候买来的，应怀樵得到允许去那里进行数据运算。

“当时没有残余位移数据，只测到了加速度波形、但急需知道下沉了多少位移。因为没有仪器，应怀樵大胆设想用计算方法来获得，我就使用计算机把加速度算成速度，再把速度算成位移。虽然有计算机，但是每算一个波形从离散采集到计算完毕也要一两天，花费的时间很长。”就这样，应怀樵经常是一算就是一两个月。仅有的一台计算机被应怀樵长期“占用”，开始有人提意见了，应怀樵只得缩短运算时间。在这种情况下，应怀樵提出了当时国内最先进的处理方法和最大熵谱、倒熵谱分析技术及其软件，酝酿了中国最早的虚拟仪器构想。

“1973年，我们开始用“软件制造仪器和替代传统仪器”，其实就是我们现在的虚拟仪器。到1979年在杭州召开的国防科工委7911会议核试验技术总结会上，应怀樵提出了用软件代替硬件仪器的“软件制造仪器”的创新思路，后来，《振动测试和分析》1979年公开出版，其中就有虚拟仪器“软件制造仪器”的核心思想的实例框图、波形和计算公式，也宣告了中国虚拟仪器核心思想的正式诞生。后来1986年，美国人提出虚拟仪器的概念，提出了‘软件即是仪器’”，带着这个疑问，相关领域的科研工作者越来越多的关注起虚拟仪器来了。

奋斗：虚拟仪器的国产化道路

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司NI（National　Instruments）首先提出的。它是指在PC机基础上通过数采调理硬件和信号处理分析及各种软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。应怀樵心中酝酿着虚拟仪器构想，叫“PC卡泰”或称“卡泰仪器”，也叫计算机采集测试分析仪，他也不断专研这方面的专业知识，只等待时机成熟的那一刻，东方所1985年4月20日获得批准成立，让虚拟仪器这个外来词变成实物，并走上与美国NI公司不同的、同步并行的具有自主知识产权的国产化的道路。

1986年，首台“虚拟仪器（VI）”的研制成功，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。从那时起，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。

然而，由于当时我国计算机和网络技术的相对薄弱，我国虚拟仪器技术也比较滞后。再加上是自筹资金的滚动发展，没有要国家一分钱，因此，中国虚拟仪器的国产化道路走得很艰难。

“再艰难也要走下去！”抱定这样的信念，应怀樵在这条虚拟仪器的国产化道路上摸爬滚打了25年，他所创建的东方振动和噪声技术研究所（东方所）也发展成长了25年。从1985年提出“把试验室拎着走”的目标，到研制成功中国第一台虚拟仪器，再到如今将中国虚拟仪器技术提高到一个新水平并广泛应用，DASP虚拟仪器库和INV系列采集仪、独创的国际领先的高精度（12~14位十进制）频率幅值分析、双核24位数采仪、INV3020CPCI总线式数采仪、INV3060系列网络式数采仪及INV9500系列无线式数采仪等科研产品。应怀樵这个名字已经在中国虚拟仪器研究领域如雷贯耳。

也是在1985年，应怀樵创建了东方所。他决心自立课题、自筹资金先行研究“PC卡泰”（PCCATAI），即微机卡式自动采集测试分析仪器；在国内外首次提出了“东方科卡” 与“DASP”（数据采集和信号处理）等软、硬件相结合的设计思想，自已创造一种既能用于测量记录，代替磁带机和示波器，又能用于波形分析、频谱分析和数字信号处理等多种功能的仪器。经过滚动发展和不断创新，终于突破了虚拟仪器的核心技术，开发了适合便携机和笔记本使用的小型数采卡和大容量数据采集分析（LCAS）软件，研制成功INV303/306系列（台式和笔记本式）大容量智能数据采集和信号处理系统以及DASP虚拟仪器库振动噪声、模态分析移动试验室系统，这是我国最早研制成功的虚拟仪器产品，实现了“把试验室拎着走”的目标。该仪器于1988年9月用于火箭激振钱塘江大桥模态试验分析，并于1993年3月走出国门，参加了北京新技术展览会赴加拿大多伦多展出，受到国外同行的好评和赞誉。

经过20余年的技术创新与积累，该系统现已广泛用于高等院校、科研院所、国防军工、航天航空、铁道、交通、机械、电力、石油、化工、建筑和计量等部门和行业的二千余家单位，参与完成了包括火箭、神舟号载人飞船、大桥、大坝、高层建筑和大型机械设备、高铁和地铁等数百项重点工程项目的现场测试分析，取得了良好的实用效果和社会经济效益。

突破：迎刃而解的世界性难题

一路走来，在虚拟仪器的国产化方面，应怀樵觉得最重要的就是坚定信念，不断创新。通过技术创新，通过20余年经验累积与改进，应怀樵课题组研发的中国的虚拟仪器库DASP在技术上有了突飞猛进的发展。其中包含的100多项信号处理新技术，有20多项为国内首创的重大创新成果和重大技术突破，特别是八大世界性技术难题的突破，极大地提升了我国在虚拟仪器技术领域的科研水平。

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，显著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，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，取得了非常好的效果。

高精度频率、幅值、相位和阻尼测量分析YLS方法与技术，这是一项国际性难题，是FFT方法和虚拟仪器界的拦路虎。该技术的突破，使中国虚拟仪器运算精度比国内外提高100万倍，标志着虚拟仪器从一般低精度仪器进入高端科学仪器的行列，意义十分重大。该技术目前已在中国计量院等单位推广使用。

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20多倍，并且后者还不具备多种参数同时测量的功能。

倒熵谱分析方法，倒谱分析是频谱的再次谱分析，总共具有三种倒熵谱形式，包括：倒富熵(CFE)、倒熵富(CEF)、倒熵熵(CEE)。通过实际使用，采用倒熵谱分析方法，可大大提高频率分辨率，特别是对短时间序列具有更好的效果，得到国内外专家肯定。

FFT/FT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一定的限制。对于有限长信号，FFT/FT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。

振动全息AVD“一入三出”和“一入五出”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。针对这一问题，应怀樵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”和“一入五出”振动全息实时动态连续测量。

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。

24位“双核”变幅基A/D高精度超量程160dB数采仪专门技术。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。

中国虚拟仪器DASP和INV系统是即插即用的最终用户式仪器，与美国NI-LabView不同方式的自主民族知识产权的国产化仪器，其频率精度、幅值精度和双核24位160dB动态范围等许多方面领先于美国NI等公司，居国际领先水平。

应怀樵说：“技术的突破带来了信心，也带来了压力。只有精益求精，不断创新，才能取得更大的进步。”随着一项项世界难题的迎刃而解，具有民族知识产权的技术突破，使中国虚拟仪器技术得到了新的提升与飞跃，2009年提出了“云智慧仪器”的概念，云智慧仪器=VI+互联网+物联网+网络式高性能数采仪+智能传感器+云计算。为我国在DSP数字信号处理和VI虚拟仪器领域的学术地位的提高作出了巨大的原创性贡献。

执着：精神的力量

应怀樵说：“搞虚拟仪器研究很有味道。”

晚上九点离开办公室，十一点后睡觉，早晨四五点钟就起床开始工作。这对一位年逾六旬、因疾病需每天服药的老人来说，是一种考验。应怀樵却乐在其中。他的解释是：“因为对写书、搞科研感兴趣，做这些事情就图个心里痛快。以前做不到的事情，现在做到了。误差很大的东西，我们通过软件都能进行处理。”

1994年初，应怀樵脑中风住院了。当时病情危急，应怀樵昏迷了好几天才苏醒。因为留下后遗症，走路要拄拐，活动很不方便。 “我两次中风、四次心梗，六次去了阎王殿，阎王都没收。家里走不动，脑子还会动。只要还能算，就要搞科研。”应怀樵调侃地说。

精神的力量让应怀樵的科研生命绽放出绚烂的色彩。执着，是这位被称为“中国虚拟仪器之父”的老人追逐梦想的途径。

对于东方所的未来，应怀樵充满期待：“从2006年底写了18条企业文化之后，我就不管行政事务了。我相信一切会越来越好，因为年轻人已经成长起来了！”“让INV系统走进每一个试验室，让DASP（达世普）软件运行在每一个试验台上！”这是应怀樵的梦想，也是他的团队的奋斗目标，我们期盼着他的虚拟仪器技术能够走出一条光明的产业化之路，为中华民族和全人类的科学仪器作出更大的贡献。