颠覆传统 重构未来

《中国科技网》2014 2014-11-12 03:31:09 阅读次数:30180

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摘要:走进“虚拟仪器”之父应怀樵的科技世界

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20世纪80年代中期,美国国家仪器公司(National Instrument)因提出“软件就是仪器”(The Software is the Instrument)这一虚拟仪器概念而被永久的载入史册,当世人为科技史上这一里程碑似的跨越欢呼雀跃,为NI公司给仪器使用者带来无尽收益而欢欣鼓舞时,却常常忽略了这样一个事实——早在1979年,杭州召开的国防科委有关会议上,中国著名的振动噪声与信号处理专家“应怀樵”就提出了虚拟仪器的核心概念软件制造仪器,比美国NI公司提出的软件是仪器的概念早了整整7年。


翻开应怀樵的履历表,你能看见这样一些标签:著名振动噪声与信号处理专家,研究员、教授,北京东方振动和噪声技术研究所名誉所长、科技委主任,北京应用科学研究院副院长,清华大学、北京大学、天津大学、东北大学和中国科学院力学所博士生合作导师。长期致力于振动噪声控制、信号信息处理、测控技术、故障诊断、模态分析以及数采与信号分析仪器(虚拟仪器)研究开发工作,自主创新研发完成DASP虚拟仪器库和INV303/306/3018移动试验室。是中国最早提出“虚拟仪器”构想、最早提出和实现“用软件制造仪器”,“用软硬件相结合”来取代传统的主要由硬件组成的模拟式仪器的学者,是中国虚拟仪器的创始人和奠基者。


如今,时代的发展使得年轻人习惯将目光聚焦在成功的光点之上,损害和贫穷却并没有改变他们甘于平庸的生活理念,每一天我们都能听到不同的声音,抱怨、愤怒、不安、冷漠,却独独少了那么点希望和执着。

林语堂说:“我可以坦诚相见,因为我与这些爱国者不同,我并不为我的国家感到惭愧。我可以把她的麻烦都公之于世,因为我没失去希望。”他的话是一个时代的印记,像是对青年人浮躁、轻易失望的嘲讽。当看到应怀樵这样老一辈知识分子心无旁骛、兢兢业业的工作,你会觉得,理想和信念是被尊重的。


路漫漫其修远兮,吾将上下而求索


以火药、造纸术、指南针、印刷术闻名世界的中国古代四大发明为人类科技进步作出了重要贡献,然而近代以来的科学技术却远远落后于其他国家。伴随着邓小平同志“科学技术是第一生产力”口号的提出,一大批心怀社会责任感和使命感的少年成长起来,走过一条不平凡的科研路,真正为人类带来了中国现代原创的科技发明。其中,“应怀樵”的名字注定要被载入史册。


一九四一年七月,应怀樵出生在浙江绍兴。

要知道,浙江从来不乏故事,勾践在这里书写过吴越春秋;孙权也曾顶着东吴的名头翻新过这片土地;还有王羲之,洗出了临川的墨池;陆游的《剑南诗稿》依旧散发着气吞残虏的霸气。仿佛是一种承续和更迭,在那个人杰地灵的地域,应怀樵自小便立下了“为民族之崛起而读书”的远大理想。

十八年的寒窗苦读,应怀樵不负众望的考入浙江大学,就读于工程物理系理论物理专业。可不久之后,应国家发展需要,这个班级被调整到数学力学系应用力学专业,他的人生也随之拐了一个弯,有了新的可能。

一九六四年,应怀樵毕业,被分配到中国铁道科学院,致力于高速列车风洞课题研究,并到清华大学工程力学系流体力学专业实习,学习风洞测试分析技术。随后,应怀樵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,学习原子弹爆炸测试技术,接触了振动噪声和频谱分析;这之后,应怀樵又学习了数字计算机和信号处理分析,专业涉及振动和频谱分析。五次转换专业的经历练就了应怀樵扎实的学术功底和研究多学科项目的优势,为其日后研究虚拟仪器技术打下了坚实的基础。

文革爆发后,应怀樵将时间用在了收集资料、学习和思考上,《振动测试和分析》、《波形和频谱分析与随机数据处理》等专著的陆续出版显示了他这段时间的工作实绩。

七十年代末八十年代初,科学技术得到国人的正视成为了第一生产力,也是从这个时候开始,应怀樵萌生了在高科领域取得重大突破,向诺贝尔奖冲刺的信念,而达成这一理想的动量,应怀樵将目光放在了“虚拟仪器”上——“所谓虚拟仪器,并非是传统的仪器,它是指以集数据采集和信号调理器、信号处理技术与PC机技术于一体的软件为主制造仪器。”


这个研究课题显然不是空穴来风


事实上,早在一九六五年应怀樵参加国防核爆炸防护工程课题“地下铁道核爆炸震动噪声与动力学测试分析的研究”,当他遇到地铁道床的下沉残余位移(0HZ)用硬件无法获得的难题时,就萌生了虚拟仪器的大胆构想——“用数字算法和软件取代硬件”,后来,他尝试用数字计算机的软件数字积分和数字谱DFT分析取代传统硬件模拟积分和硬件滤波的方法解决上述难题,并在一九七九年获得成功,成为虚拟仪器的最早成功范例。同年于杭州召开的国防科委核试验全国防护工程学术会上,应怀樵提出虚拟仪器的核心概念“用软件制造仪器”,获得主持会议的中科院力学所原所长郑哲敏、清华大学原副校长张维、同济大学原校长李国豪的赞扬和支持。

一九八三年,由于无法使用磁带记录仪与信号分析仪的原因,应怀樵筹建了中国东方研究所,他再也不是一个人了。

三十多年来,怀着振兴中华的理想追求,应怀樵与东方研究所的精英们在坚持“创新是灵魂”的理念下,不断在“虚拟仪器”领域取得突破——1988年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;1993年3月,该仪器参加北京新技术展览会,并远赴加拿大参展获一致好评;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。2007年,在第二届全国虚拟仪器学术交流会上,东方所的卓越贡献受到高度评价,应怀樵被誉为“中国虚拟仪器之父”……


千淘万漉虽辛苦,吹尽狂沙始到金


中国梦,是每一个中国人的梦。应怀樵教授最大的梦想就是让他一生为之奋斗的“虚拟仪器”能够颠覆传统,重构未来。虽然前行的道路困难重重,但为了使中国在“虚拟仪器”领域屹立世界科学前沿,他倾其一身,奉献一生。在应怀樵身上体现了中国精神与中国力量。


科学的道路从来不是一帆风顺


虚拟仪器的发展中也遇到了许多技术难题,但任何难题都成为不了应怀樵科研道路上的阻力,反而成了他勇往直前的动力。他的研究所研发了DASP和INV系列虚拟仪器库系统,实现了“把实验室拎着走”的理念,取得100多项创新技术。与此同时,应怀樵及其团队还研制攻克了十大世界性技术难题,使我国虚拟仪器和动态测试分析仪器的性能从一般的低精度低档次测量仪器跃入了高端高精度测量仪器的领先水平。

一、基于平台式设计的VI库技术。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、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,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、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,比国外常规方法提高精度100万倍,具有重大国际影响力。

    四、超低频信号快速测量技术,达到国际领先水平。

五、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、FFT/DFT分析方法,是目前频谱细化主要方法之一,达到国际领先。

七、振动全息AVD“一人三出”实时测试分析创新技术。原创提出了全程微积分方法,实现AVD“一人三出”振动全息实时动态连续测量,达到国际领先。

    八、自动化模态分析方法。一般人员通过简单操作即可获得专家级的模态分析结果。

九、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、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。此项技术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。

  实践证明,“软件制造仪器”省掉大量昂贵和笨重的硬件材料和人力物力、设备、厂房及能源,便于生产、携带,通过网络传输还能实现“云智慧”科学仪器。目前,已广泛用于国防军工、航天航空等许多部门,参与完成火箭、神舟飞船、大桥高层建筑和大型机械设备等上百项国家重大工程项目的测试,实现了许多常规仪器和硬件无法实现的功能。据不完全统计,东方所已有2000多家用户,累计经济效益超过1亿元,为国家节省外汇约数亿美元。其经济价值按我国2007年仪器产值估算,若按软件取代硬件一半计算,将会产生1000多亿元的巨大价值。


长风破浪会有时,直挂云帆济沧海


伟大的科学家从来不是单纯的理论创新者,他们对科技价值的执著追求、对创新成果的探索完善,除了激发着青年科技者的美好梦想,更关键的是,他们对待科技的观念和行为方式,也在潜移默化地影响着一个时代的科技观,为科技发展注入新的内涵。从这个角度来说,应怀樵是科技界的一个典范。


拥有了一流的科研成果之后,应怀樵开始思考中国虚拟仪器的产业化之路,他希望未来有一天“INV系统能走进每一个实验室,DASP软件能运行在每个试验台上”。

为此目标,他三次中风、四次心梗,病痛伴随的不是怯懦而是更加坚定的信念。

一方面,他不断加强东方研究所的人才队伍建设。另一方面,不断创新软硬件研发,推出?CPCI式INV3020和LAN以太网式INV3060, USB式INV3018系列新产品、无线INV9500、手持式INV3080等硬件新产品和DASP的最新软件版本,积极推动产品市场化。截至目前,产品累计销往2000多家用户,经济效益超过1亿元,打破了此类仪器长期依赖进口的局面,为国家节省外汇约数亿美元。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多亿元到1000多亿元/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。


面对当今科技的飞速发展,应怀樵应怀樵瞄准国际前沿的战略思考还在继续。随着“云计算”和“物联网”时代的到来,应怀樵提出了实验室网络云时代——“云智慧仪器实验室”与“云智慧故障诊断中心”的构想,提议国家尽快开展相关研究。并且,在此基础上,还可以建立起云智慧医疗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,为我国抢占高科技的制高点,推动科学仪器与科学实验的发展,集聚高智慧、推广高新技术,达到世界领先水平,制定出科学合理的研究计划和战略步骤。


时间不息,创造不止


回顾世界科学史,从砖木取火到科学大爆炸,在世界文化强调海纳百川的大背景下,始终精彩纷呈、蓬勃发展。我想,正是因为有了像应怀樵这样思维开拓,勇于探索,不断创新进取,才使得科学事业不断发展,奔向一个个新的里程。

“只要技术能够不断突破,心里就是快乐的。”该如何描述和定义“应怀樵”这样一个科学工作者,我想,他本人的话就是最好的注解。