“中國虛擬儀器之父”讓INV係統走進每個實驗室

　　應懷樵與虛擬儀器的緣分彷佛是早已注定的。幾十年來，他致力於信號處理、虛擬儀器、測控技術、振動與噪聲控製等領域的研究，自主創新研發完成DASP虛擬儀器庫和INV係列虛擬儀器——移動實驗室，被學術界稱為“中國虛擬儀器之父”。然而，每當榮譽和讚美湧向他時，他卻總是那樣淡淡的一句話：“我所做的一切都是為了讓我國具有自主知識產權的科學儀器登上國際領獎台，並改變國人使用外國儀器的習慣，是希望讓中國自主創新的信號處理與虛擬儀器技術走出國門，達到世界普及，並希望讓中國的振動與噪聲技術能夠朝著更開闊的方向發展。”

　　突破十大世界性難題

　　應懷樵是我國最早提出“虛擬儀器”構想、最早提出和實現“用軟件製造儀器”，“用軟硬件相結合”來取代傳統的主要由硬件組成的模擬式儀器的學者。豐碩的成果源於紮實的積累。1965年，他參加國防核爆炸防護工程課題——地下鐵道核爆炸震動噪聲與動力學測試分析的研究，發現用硬件設備無法獲得道床的下沉殘餘位移(0Hz)。1973年開始自行嚐試用數字計算機的軟件數字積分與頻譜分析取代傳統硬件的方法解決該難題，於1979年獲得成功。這是虛擬儀器模塊應用的最早成功範例。同年，在國防科委召開的核試驗全國防護工程學術會(保密會)上，原創提出虛擬儀器的核心概念——“軟件製造儀器”，獲得主持會議的力學所所長鄭哲敏院士、清華副校長張維院士、同濟校長李國豪院士的讚揚和支持，並與7年後美國NI公司“軟件是儀器”的概念不謀而合。1993年，由他主持研製的INV306虛擬儀器參加加拿大多倫多市的新技術展覽會，贏得高度讚譽，列表揚名單第一名。

　　虛擬儀器發展中有許多技術難題，但是應懷樵總是看準了方向便勇往直前。他不僅創辦了東方振動與噪聲技術研究所(簡稱東方所)，研發了DASP和INV係列虛擬儀器庫係統，實現了“把實驗室拎著走”的理念，取得100多項創新技術。更為難能可貴的是，應懷樵及其團隊還研製攻克了十大世界性技術難題，使我國虛擬儀器和動態測試分析儀器的性能從一般的低精度低檔次測量儀器躍入了高端高精度測量儀器的領先水平。

　　一、基於平台式設計的虛擬儀器庫技術。應懷樵課題組研究的DASP虛擬儀器庫係統是我國開發最早的虛擬儀器庫係統。早在1979年，應懷樵就原創性地提出虛擬儀器的核心概念——“軟件製造儀器，用軟硬件結合取代主要由硬件構成的傳統儀器”，這一具有裏程碑式劃時代意義的新路線對儀器製造業和測試技術界科學儀器、分析儀器、高端儀器及各種電子測量儀器會產生巨大影響，還能實現一些硬件實現不了的功能(如超低頻和0Hz的積分器)，對科學研究和國民經濟有深遠影響。1985年，他提出“把實驗室拎著走”的目標，並研製成功中國第一台虛擬儀器，成功應用於杭州錢塘江大橋的火箭激勵模態試驗。1993年，隨北京新技術展覽會到加拿大展出，獲得表揚名單第一名，1995年用於“長三捆”火箭全箭模態試驗獲得成功，1996年用於神舟號載人飛船移動發射平台模態試驗獲得成功，2004年用於航天員超重訓練設備臂架係統模態分析獲得成功。實踐證明，這是功能最完善、技術水平最高，且完全具有民族自主知識產權的一套虛擬儀器係統，代表了我國在虛擬儀器研發方麵的最高水平。

　　二、變時基(VTB)傳遞函數(導納)測量分析方法。變時基技術相對於國內外傳統的等時基方法，能顯著提高瞬態激勵測試結果的精度與穩定性。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試驗問題，達到國際領先水平，已獲國家發明專利。已完成神舟飛船750噸移動發射平台模態試驗、“長三捆”大型運載火箭模態試驗、烏海黃河大橋模態試驗、航天員超重訓練機模態試驗等數十項國家重點項目，效果良好。

　　三、高精度頻率、幅值、相位和阻尼測量技術。東方所原創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製和泄漏的影響，軟件本身的頻率與幅值均可達到十進製12~14位數字測量精度，已經相當於並可同時替代高端頻率計和電壓表等硬件設備，目前已經在中國計量院等單位推廣使用，比國外常規方法提高精度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製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、超低頻信號快速測量技術。對於超低頻信號(0.1Hz~0.00001Hz)的準確測定，尤其對於頻率未知的情況，常規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，使得超低頻信號得到快速測量，填補國內外空白。對於100秒周期的低頻率信號測試，僅需2~3分鍾即可同時得到頻率、幅值、失真度相位和傳感器標定靈敏度等參數，比起類似的美國HP35670儀器，時間縮短為原來的1/20，並且後者還不具備多種參數同時測量的功能。

　　五、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、FFT/FT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製，對於有限長信號，FFT/FT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、振動全息AVD“一入三出”實時測試分析創新技術。長期以來國內外對連續實時數據的微積分一直沒有解決辦法，應教授課題組創新提出了全程微積分方法。該方法尤其適合於連續采集的時間序列，充分考慮全程波形的特征，有效避免傳統微積分的缺陷，使得在長時間連續信號采集過程中，創新虛擬通道技術，可實時得到一二次微積分後的準確波形，實現AVD“一入三出”振動全息實時動態連續測量。

　　八、自動化模態分析方法。模態試驗和分析由於包含較多的技術內容，通常操作比較複雜，需要操作人員具有相當豐富的理論知識和工程經驗，才可以獲取較為準確的結果，但是通過自動化模態分析手段，一般工程人員通過簡單操作即可獲得專家級的模態分析結果。

　　九、24位“雙核”變幅基A/D高精度超量程160dB數采儀技術。24位雙核采集儀具有160dB的超寬量程範圍，既保證大信號不會出現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、突破了傳遞函數的測試及實時控製和反演關鍵技術，為提高儀器測量精度和範圍開辟了新途徑。

　　傳遞函數的測試及實時控製和反演是一項世界難題。提出由軟件構成的在數采過程中實時快速精確測試幅頻相頻曲線，並通過YSL專門技術實時實現傳遞函數的控製和反演，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範圍，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”的成果相提並論。

　　實踐證明，“軟件製造儀器”省掉大量昂貴和笨重的硬件材料和人力物力、設備、廠房及能源，便於生產、攜帶，通過網絡傳輸還能實現“雲智慧”科學儀器。目前，已廣泛用於國防軍工、航天航空等許多部門，參與完成火箭、神舟飛船、大橋高層建築和大型機械設備等上百項國家重大工程項目的測試，實現了許多常規儀器和硬件無法實現的功能。據不完全統計，東方所已有2000多家用戶，累計經濟效益超過1億元，為國家節省外匯約數億美元。其經濟價值按我國2007年儀器產值估算，若按軟件取代硬件一半計算，將會產生1000多億元的巨大價值。

　　推動虛擬儀器技術“達到世界普及”

　　應教授在全國20多所重點高校，如清華、北大、浙大、中國科大、上海交大、西安交大和香港理工大學等高校講學幾十次，並成功組織和主持了二十三屆全國振動與噪聲高技術學術會議，還為有關部門培訓了一大批從事振動噪聲、信號處理、動態測試和虛擬儀器方麵的急需人才。同時，聯合指導培養碩士、博士和博士後研究生30餘名，為國家培養了信號處理、動態測試和虛擬儀器技術的高端人才。

　　上世紀90年代，應懷樵研發的虛擬儀器技術已受到國內外的廣泛關注，並在市場上初露鋒芒。然而，由於超負荷的工作，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台上，應懷樵突發腦出血，送往醫院急救，昏迷了3天，左邊半身不遂，出院後，拄上了拐杖。2003年，突發腦血栓。2004年、2005年突發心梗阻……

　　“3次中風、4次心梗，我7次至閻王殿，閻王都沒收我。”說到此處，應懷樵微笑著感慨萬分。盡管現在病情有些好轉，可是他幾乎時刻都處在生命危險之中。藥物隻能控製他的病情，卻不能讓他徹底擺脫病痛困擾。

　　功夫不負有心人。如今，研究所已經初步建立起一支研發與市場開發隊伍。“現在，我們的科研隊伍壯大起來了，從副所長到總工程師都是博士，具有很強的科研能力。”他看到虛擬儀器的發展前景，要盡全力推動虛擬儀器技術“達到世界普及”的產業化進程，應懷樵對未來依然充滿信心。“讓INV係統走進每個實驗室，讓DASP軟件運行在每個試驗台上。”這是應懷樵的理想。

　　麵對當今科技的飛速發展，應懷樵還告訴我們，隨著“雲計算”和“物聯網”時代的到來。在2009年11月桂林全國虛擬儀器大會和2010年8月沈陽全國振動工程及應用會議上，應懷樵提出實驗室網絡雲時代——“雲智慧儀器實驗室”與“雲智慧故障診斷中心”的構想，提議國家盡快開展相關研究。並且，在此基礎上，還可以建立起雲智慧醫療中心和雲智慧教育中心、雲智慧安全中心、雲智慧交通中心等等，為我國搶占高科技的製高點，推動科學儀器與科學實驗的發展，集聚高智慧、推廣高新技術，達到世界領先水平，製定出科學合理的研究計劃和戰略步驟。