应怀樵:“软件制造一切”,成就第四次工业革命的中国引擎

2020-05-26 09:05:02 阅读次数:413

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摘要:应怀樵:“软件制造一切”,成就第四次工业革命的中国引擎

关键词:软件制造一切 虚拟仪器


基于平台式设计的DASP-VI库技术——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(Virtual Instrument)研发方面的最高水平。

变时基(VTB)传递函数(导纳)测量分析方法——国际领先,完成了神舟飞船750吨移动发射平台、“长三捆”大型运载火箭、航天员超重训练机模态实验等数十项国家重点项目。

高精度频率、幅值、相位和阻尼测量技术——YSL方法高精度“变频基”频率计和幅值计,比国外常规方法提高精度100万倍。

……

这些享誉全球的先进技术均出自一人之手——中国“虚拟仪器之父”应怀樵。作为世界一流科学家、著名振动噪声与信号处理专家,应怀樵在我国率先提出“虚拟仪器”构想、提出和实现“用软件制造仪器”,“用软硬件相结合”取代传统的主要由硬件组成的模拟式仪器,他是当之无愧的中国虚拟仪器的创始人和奠基者。

几近耄耋的应怀樵依然忙碌,担任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。

应怀樵用五十多年的时光,印证了中国科学家潜心研究、坚韧不拔、敢于创新、勇往直前的高贵品质与珍贵气质。应怀樵无论在多么艰苦的条件下、多么不利的健康状况下,都没有放弃对学术创新的追求、对梦想的追逐。

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北京东方振动和噪声技术研究所名誉所长应怀樵

勤勉奋进 砥砺争先

1941年,应怀樵出生于在浙江绍兴的书香门第,小学就读在蔡元培任校长的学校,令他早早有了为国效力、为民效力的高远志向,从此也更加刻苦努力。

18岁的应怀樵进入浙江大学,攻读工程物理系理论物理专业,因为国家发展需要,他的班级被调整到数学力学系应用力学专业流体力学专门化。5年后,他顺利毕业,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。

1965年,应怀樵参与了我国在罗布泊的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。此后,应怀樵又学习了数字计算机和信号处理分析,专业涉及到振动和频谱分析。

频繁的专业转换,铸造了应怀樵更开阔的学术视野和更高效的科研方式。他在参加核爆炸防护工程课题——地下铁道核爆炸振动噪声与动力学测试分析时,遇到了一大难题,即地铁道床的下沉残余位移(0Hz)用硬件无法获得时,便萌生了虚拟仪器的大胆构想——“用数字算法和软件取代硬件”。应怀樵开始尝试使用加速度数字积分取代硬件模拟积分,用离散傅里叶变换DFT取代硬件频谱分析的方法,这是中国数字制造和虚拟仪器的早期萌芽,也是中国AI概念的早期萌芽。

然而,当时只有计算尺和手摇计算机,研究结果与预计大相径庭。1970年,到中科院计算所用109乙机和BCY语言完成计算,才取得了初步成功。3年之后,铁建所引进日本工业展览会的ECC555小型计算机,应怀樵开始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破解难题。

1975年邓小平同志提出两个“十”的核试验总结,即十次成功核试验和十年核爆炸总结,应怀樵参加了总结组并提出,有方法可计算出位移和频谱结果,领导批准应怀樵使用555计算机用于地铁核试验计算,取得了数字积分,DFT频谱分析和传递函数的计算成功。1978年1月,他的论文在昆明中国力学学会土岩爆破会议上发表。

1979年11月国防科委在浙江杭州召开核试验防护工程学术交流会7911会议(机密级),应怀樵在会上总结提出使用算法和软件取代硬件制造仪器的概念思路。这是虚拟仪器(VI)概念的正式提出,由于是机密级会议,不能宣传报导,但曾在会上受到力学所所长郑哲敏院士的表扬,说应怀樵做了一个很好的报告,同时受到清华大学副校长张维院士和同济大学校长李国豪院士等三位专家的表扬。虚拟仪器概念的提出,比美国NI公司提出的“软件是仪器”概念整整早7年。同年《振动测试和分析》一书出版,书中就有用算法和软件代替仪器的振动参量变换用计算机计算的成功实例内容。

“所谓虚拟仪器,并非是传统的仪器,它是指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。”应怀樵的解释言简意赅。

1980年,应怀樵调入抗震研究室,3年的研究受困于没有磁带机和信号分析仪,他决心筹建中国东方研究所,研究中国的虚拟仪器。

多少年过去,应怀樵依然对中国第一台虚拟仪器成功应用于杭州钱塘江大桥的火箭激励模态试验的记忆犹新。

“对于铁路桥梁,特别是像钱塘江大桥这样的铁路公路双层大型桥梁,随着他们使用年限的增长,以及火车提速等要求,怎样检测它们的性能参数成为一个越来越紧迫的任务,当时我们采用的一种比较先进的办法就是实桥模态分析,通过模态实验和分析,可以得到桥梁各阶模态的频率、阻尼、振型、模态质量和模态刚度。”应怀樵说道。

杭州钱塘江大桥试验采用可测量的朝天喷的小型火箭作为激励力,试验是在1988年9月16日晚至17日凌晨进行,天气晴好,现场风速越小对试验越有利,公路交通完全停止,利用火车经过间隙发射火箭,历时10个小时,共发射了14枚小型火箭,每枚火箭产生大小为1吨,持续时间为100毫秒的方波形状的推力,分为垂直激励和水平激励两种方式,垂直激励点选在跨中,水平激励点选在四分之一跨的位置。

试验时,火箭发射前10分钟,火箭发射时,必须间隔最近通过的一列火车5分钟以上,以便使火车经过引起的余振得到足够的衰减。而这次试验也是中国首次采用小型火箭激振铁路和公路两用双层大桥进行模态试验分析,并取到了圆满成功。试验的成功,为桥梁等大型土木结构的模态试验开创了一种用小型火箭进行激励的新方法,也是中国虚拟仪器在大型工程上的首获成功。

在实际应用中,“虚拟仪器”省去了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,目前已广泛应用于国防军工、航天航空等多个部门,参与完成了火箭、神舟飞船、港珠澳大桥、高铁、地铁及大型建筑和设备等上百项国家重大工程项目的测试,为促进技术变革和推动新兴产业形成提供了基础,具有极其重大的经济和社会价值。

应怀樵是真正用意志战胜病魔的科学“狂人”,在经历了“5次中风、4次心梗”的极限生命挑战之后,他依然以超乎常人的坚定信念执著奋斗在我国科研第一线,为国家民族贡献力量,为中国的“虚拟仪器”研究鞠躬尽瘁。

科技报国 追逐诺奖

应怀樵的科研探索之路是紧跟时代发展的,他始终瞄准国际学术前沿,以领先国际的前瞻眼光与创新成果,为国家科学界贡献自己的力量。

1983年,应怀樵用身上仅有的300元钱筹建了中国东方研究所,1985年10月北京东方振动和噪声技术研究所(COINV)成立(简称“东方所”),著名科学家茅以升院士任首席顾问,著名力学家胡海昌院士任首任名誉所长,著名声学家马大猷院士,著名力学家郑哲敏院士等20多名院士任顾问。

在东方所的成立大会上,侯朝焕院士担任主持,胡海昌院士等众多专家出席,应怀樵提出了PC卡泰仪器(计算机采集测试分析仪)的设想和利用DASP(Data Acquisition & Signal Processing)达世普软件把实验室拎着走的设想。最终,这些设想都变成的现实,中国虚拟仪器也走上了产业化之路。

1993年东方所的DASP和INV306智能采集系统参加加拿大多伦多的北京新技术展览会荣获表扬名单第一名,第二名为北京大学王选院士的激光照排系统。

应怀樵在东方所成立伊始便提出“勤奋、创新、坚持、自强”的八字座右铭,完全自由地判断与讨论的“玻尔所”精神和“六要三不要”的处事准则,并将其发展成为涵盖精神追求、道德情操的“336”字法则及幸福六大原则的企业文化,加强东方所的文化凝聚力与执行力。

东方所还加强了与全国重点高校合作,与清华大学、北京大学、中国科学院力学研究所、中国铁道科学院、天津大学、东北大学、浙江大学等高校和科研院所合作,联合指导博士后、博士、硕士研究生30余名,为国家培养出大批专业急需人才,以及行业高端人才,东方所的研究团队也扩大到近百人,拥有博士、硕士数十名,成为虚拟仪器领域一支重要力量。

截至目前,东方研究所的产品累计销往2000多家用户,打破了此类仪器长期依赖进口的局面,打破了国外仪器的垄断,提高了中华民族的话语权和学术地位,为国家节省外汇约数亿美元。目前,产品已经广泛应用于国防军工、航天航空等许多部门,参与完成长三、长五、长七、神舟飞船发射平台、原子核反应堆、核潜艇、水电站、跨海大桥、高铁、地铁等上百项国家重大工程项目测试。

应怀樵取得了诸多全球领先的科学成就,更是国内外各大科技奖项的“大满贯”科学家,2001年获得全国优秀科技工作者荣誉称号;2010年获得了北京市科学技术奖二等奖等。然而,应怀樵从不掩饰自己对诺贝尔物理学奖的渴望,从不掩饰对中国科学家获得诺贝尔奖的渴望。

“中国科学家理应在高科技领域取得原创的重大突破,向诺贝尔奖冲刺,走向世界,为国争光这是我的科学梦想。我所做的一切都是为了让我国具有自主知识产权的中国虚拟仪器登上国际领奖台,并改变国人使用外国仪器的习惯;让中国自主创新的信号处理与虚拟仪器技术走出国门,影响并改变世界。拿到诺贝尔奖,这不仅是一个科学家的荣誉,更是中华民族屹立于世界民族之林的时代要求。中国本土太需要诺贝尔科学奖了。”应怀樵如是说。

2009年,应怀樵预测发光二极管要得诺贝尔奖,5年后成功获奖。应怀樵希望自己能如赤崎勇一般,在85岁成功“冲顶”诺贝尔奖,“只要我们坚持不懈地努力并应利用国家力量冲刺诺奖,像日本一样去斯德哥尔摩游说,因为欧美不太了解中国,应像主办奥运会一样,动用国家力量而取得金牌,我相信我国许多的科技成果与发明研究都会像日本一样,诺奖井喷。”相信应怀樵的愿望终有一天会实现。

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北京东方振动和噪声技术研究所名誉所长应怀樵

再造革命 引领未来

未来已来,身为科学家,应怀樵瞄准国际前沿的战略思考从未停止,他坚信,中国人自主原创概念“用软件制造一切”,定义一切,管理一切,与美国人提出的AI理念和思想“异曲同工、殊途同归”。这是中华民族原始创新的重要理论概念,是中华民族对人类文明进程中最杰出的贡献之一,也是新中国本土的科学家提出的最重要的理论突破之一,将对科技界产生深远的影响。

应怀樵曾有过一段很深刻的表述,“人类工农业生产制造的各种产品(一切)都是人类知识和智慧的结晶,而软件又是人类智慧和知识的汇集处,将来人类的知识和智慧都汇入软件中,这样一来,软件不就可以制造一切了吗?关于‘软件制造一切’,我认为就像400年前英国哲学家培根提出的‘知识就是力量’一样,这里‘软件制造一切’等价于‘软件趋向于无穷大(软件→∞),但是并不等于无穷大(软件≠∞)’。”超前的科技发展观念,让应怀樵有了更多、更深刻、更先进的系统理论和技术实践。

早在2009年,应怀樵就在桂林全国第三次虚拟仪器大会上提出,基于“互联网+云计算+AI技术+嵌入式”软硬件的“云智慧仪器”和“互联网+测试”的云智慧测试时代的概念,现在已成为现实,被互联网企业反复提及。

2012年,应怀樵在北京第十五届国际科博会上提出“云智慧科技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”的新概念并成为当时科技领域最新潮流与热点。“从2017年起中美两国又站在人工智能和软件制造一切的新时代起跑线上,”他提出第四次工业革命是一次智能革命,智能社会即将来临,而“AI”和“软件制造”已成为第四次工业革命的两个核心发动机。现在看来,他的观点比业界至少提前了5年。

在应怀樵看,“云智慧仪器”就是应用大量的嵌入式软件和嵌入式芯片系统,发展人脑工程的各种智慧的专家系统,将AI 技术、互联网(物联网)、云计算、网络高性能数采仪、智能传感器等高端技术融合在一起,形成云智慧测试分析系统,并使之成为未来智慧机器人的核心。

东方所研制的云智慧仪器有两大核心。第一核心是一个四线、六线、八线、十六线路(可级联至1024路)的前端,使用互联网和5G与Wi-Fi技术,可以进行各种测试;第二核心包括FPGA、DSP、ARM三大嵌入系统,其中16G~64G内存卡中蕴涵大量软件。通过芯片来做的云智慧仪器包括测试软件,云上面也有软件。云智慧测试可以嵌入电脑,嵌入芯片,将各种仪器如手机、笔记本等仪器连起来,形成一个全国各地都可以使用的系统。这一系统在三亚、渤海和重庆测试,在北京控制,速度之快是以前不可想象的。如今云智慧测试仪器作为研究所将来发展的一个大方向,已经初步实现,这是人类生产方式的一次革命,是人类认知社会的一个质的飞跃。

应怀樵认为,神话般的云智慧时代,它“无处不在”“无所不能”,凡是在有信息和管理的事件和事物过程中,云智慧都将产生决定性的作用,对全球智慧化产生关键性作用。其核心特征是制造业的“四化”:“数字化”“软件化”“互联化”“个性化”,最终达到“智能化(智慧化)”。

随着云计算和物联网时代的到来,IT行业面临着巨大的变革。“我们应该建立‘云智慧科学中心’和‘云智慧故障诊断中心’,在此基础上还可建立‘云智慧医疗中心’和‘云智慧教育中心’,来迎接崭新的‘云式’智慧科技时代”应怀樵表示。

现在,这一切,已经成为了现实!

正如香港文汇报2014年10月23日A24版《“软件制造一切,重构未来”再创新奇迹——东方所应怀樵课题组软件频率精度实现“十的负十七次方”》一文中所阐述的:“软件制造仪器将有助于节约地球资源、节省能源、材料消耗也可大幅度削减,这项发明虽然只有‘35岁’,已经使人类受益匪浅。软件制造一切、定义一切,重构未来的云智慧科技将使21世纪进入第三次工业革命的云智慧科技时代。它像2009年诺奖得主高锟教授的‘光纤通信’引发了通信革命,像2014年诺奖得主赤崎勇、中村修二的蓝光LED引发第二次照明革命一样,软件制造仪器、让软件制造一切、定义一切,必将重构全世界的未来,给人类带来极大的福祉。软件制造仪器发展将有多远还不得而知,但它年轻有为、前途无量,其经济效益和社会效益是无法估量的。这或许是一段盛赞,站在未来,它可能只是一段如实的描述。