应怀樵：一心为国的虚拟仪器之父与诺贝尔奖情怀
作为我国虚拟仪器的创始人和奠基者，应怀樵教授在中国最早提出“虚拟仪器”的构想、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科学家，曾突破十大世界性难题，被科技界誉为“虚拟仪器之父”。尽管如此，应怀樵教授却十分低调，因为他的心中珍藏着一个诺贝尔奖的梦想。
在为科学献身的近半个世纪里，他始终以“砍柴樵夫”般的坚韧与顽强，跋涉在为中华崛起而奋斗的科学高峰上，即使面对3次中风、4次心梗、7次至阎王殿的生命挑战，依然以超人的毅力、坚定的信念，战胜病魔，执着奋进地在创世界一流的“虚拟仪器”科研阵地上。那么，这位低调的科学家，又取得了哪些举世瞩目的成就呢？
国内外最早原创提出虚拟仪器构想
什么是“虚拟仪器”呢？应怀樵教授介绍说，“所谓‘虚拟仪器’其实并非是传统的仪器，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的制造仪器。”
这个概念可不是凭空想象出来的。1965年，应怀樵教授在参加国防科研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的研究中，发现地铁道床的下沉残余位移（0Hz）用硬件设备无法获得，由此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”。
在萌生了这一想法之后，应怀樵教授便开始全心投入了研究。1973年，他原创性地开始尝试用数字计算机的软件数字积分取代传统硬件模拟积分的方法来证实自己的构想，并研究用DFT方法的数字化频谱分析仪器，并于6年之后获得成功。1979年在杭州召开的国防科工委核试验全国防护工程学术会上，他提出虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器”，获得主持会议的中国科学院力学所所长郑哲敏院士、清华大学副校长张维院士、同济大学校长李国豪院士的赞扬和支持，比美国NI公司“软件是仪器”的概念提出早7年。这一具有里程碑式的划时代意义的新路线对仪器制造业和测试技术界科学仪器、分析仪器、高端仪器及各种电子测量仪器会产生巨大影响，还能实现一些硬件实现不了的功能（如超低频和0Hz的积分器），对科学研究和国民经济有着深远的影响。
1985年，应怀樵提出了“把实验室拎着走”的目标，并研制成功中国第一台虚拟仪器，成功地应用于杭州钱塘江大桥的火箭激励模态试验。1993年，随北京新技术展览会到加拿大展出，获得表扬名单第一名，1995年用于“长三捆”火箭全箭模态试验获得成功，1996年用于神舟号载人飞船移动发射平台模态试验获得成功，2004年用于航天员超重训练设备臂架系统模态分析获得成功。实践证明，这是功能最完善、技术水平最高，且完全具有民族自主知识产权的一套虚拟仪器系统，代表了我国在虚拟仪器研发方面的最高水平。
应怀樵教授表示，他一开始就非常看好虚拟仪器技术的发展前景。因此，在1985年10月，他用仅存的300元钱，以寄发资料表格的形式，联系了一批志同道合的研究员，借鉴丹麦玻尔研究所和英国南安普顿大学振动和噪声研究所的模式，成立了北京东方振动和噪声技术研究所。顺利开发了出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INV303/306/3018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“达世普”虚拟仪器库系统。
和传统实验仪器相比，虚拟仪器拥有哪些优点呢？应怀樵教授认为，主要有5点：1.体积小，携带方便。传统的专门仪器可由相应的软件模块所替代。2.功能强大，应用面广，扩展升级方便。一个软件模块代替一种仪器，开发新仪器时只需研发出相应的软件模块，对软件版本进行升级即可完成仪器的更新换代。3.配合笔记本电脑、数采仪和调理放大、传感器，可同时实现测试、分析、显示、记录和存储等过程。4.独创了变时基、变频基、高精度频率计“一入三出”振动全息测量和虚拟扩展通道技术、模态自动化分析等几十项实用技术。5.追踪国际新发展，如模态分析模块包括ERA、SSI、PolyLSCF、EFDD及东方所发明的PZM、PPM等最新方法；声学分析模块可进行声功率、声阵列、声品质分析。2009年11月，应怀樵在桂林全国第三届虚拟仪器大会上又提出“云”智慧仪器的新概念。2010年东方所的云智慧仪器实验成功。2011年研制出“云”智慧仪器的初期产品INV3062、INV3060S的新产品。2012年5月24日，北京东方振动和噪声技术研究所名誉所长应怀樵在第十五届北京国际科博会“2012中国战略性新兴产业发展论坛”上，作题为《云智慧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”》的主题演讲。毫无疑问，应怀樵及其团队的科技创新为虚拟仪器领域带来了一场全新的技术革命。
十大世界难题突破 让虚拟仪器走进每个实验室
实践证明，“软件制造仪器”节省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/年的巨大价值。
在20世纪90年代，应怀樵教授研发的虚拟仪器技术已受到国内外的广泛关注，并在市场上初露锋芒。“让INV系统走进每一个实验室，让DASP软件运行在每个试验台上”——这是应怀樵的理想，也是他的团队的奋斗目标。正如诺奖的创立者曾经践行的，科学精神与产业之路的生命熔铸将带给人类更加美好的未来！或许，这正是以不竭的生命激情与创新意志跋涉于科学与产业化之路的“中国虚拟仪器之父”应怀樵教授所真正钟情的。未来的产业化之路还有多远？我们暂时还无法预测，但是，从应怀樵及其团队的身上，我们可以看到，希望就在前方。截至目前，应怀樵开发研制的虚拟仪器产品累计销往科研院所2000余套，初步打开了产业化应用的局面。
近日，他们根据自身所取得的科研突破，推出了全新的DASP V10具有重大实用新技术的新型软件及相关新产品，如包含多种国际上最新最先进方法（最先进的PolyLSCF方法）的模态分析软件包，以及具有国际先进水平的模态自动化分析方法（一键求模态）和独创的国际领先的高精度频率幅值相位分析，以及超低频信号快速高精度测试软件包及双核24位数采仪、INV-CPCI总线式及INV6260N网络式数采仪等科研产品。
虚拟仪器发展中有许多技术难题，但是应怀樵教授总是看准了方向便勇往直前。这些年来，东方所已经取得了丰硕的研究成果，其中有十项处于世界领先地位。
1、基于平台式设计的虚拟仪器库技术， DASP虚拟仪器库系统是我国开发最早的虚拟仪器库系统。
2、变时基（VTB）传递函数（导纳）测量分析方法，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。
3、高精度频率、幅值、相位和阻尼测量的YSL技术，克服了FFT频率分析中频率步进值的限制和泄漏的影响，比国外常规方法提高精度100万倍。
4、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，填补国内外技术空白。
5、倒熵谱分析方法，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。
6、FFT/DFT分析方法，对于有限长信号，FFT/DFT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。
7、振动全息AVD“一入三出”实时测试分析创新技术，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”振动全息实时动态连续测量。
8、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。
9、24位“双核”变幅基A/D高精度超量程160dB数采仪技术，既能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。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。
10、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。该项技术于2012年12月24日完成，使得中美两国同步完成的虚拟仪器成果，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，可问鼎诺贝尔物理学奖。
正是这些成果，使得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。
为了推动虚拟仪器的普及，应怀樵教授在全国20多所重点高校，如清华、北大、浙大、中国科大、上海交大、西安交大和香港理工大学等高校讲学几十次，并成功组织和主持了25届全国振动与噪声高技术学术会议，还为有关部门培训了一大批从事振动噪声、信号处理、动态测试和虚拟仪器方面的急需人才。同时，联合指导培养硕士、博士和博士后研究生30余名，为国家培养了信号处理、动态测试和虚拟仪器技术的高端人才。
“现在，我们的科研队伍壮大起来了，从副所长到总工程师都是博士，具有很强的科研能力。”应怀樵对未来充满信心。
锲而不舍的砍柴者和诺贝尔奖精神
应怀樵教授说：“孙中山先生叫‘中山樵’，樵，砍柴者也，孙先生志向高远，要把中国的大山砍倒，而我只想做一名低头砍柴的樵夫，虽然很苦很累，但是一路有白云清风相伴，人生也别有一番美景。”
为了领略这番美景，应怀樵教授一生五换专业，并被人们津津乐道。他先在浙江大学学习理论物理、后转成数学力学系应用力学毕业，后到清华大学流体力学专业，学习风洞技术，1965年参加我国原子弹和氢弹的核效应工程试验，学习原子弹爆炸测试技术，之后又学习了模拟计算机，专业涉及到振动和频谱分析。正是这五次专业的转换，让应怀樵拥有了丰厚的理论知识积淀和实践经验的积累，磨就了一双砍柴的宝刀。
然而，由于超负荷的工作，长期加班熬夜和巨大压力导致过度疲劳，1994年1月，在北京邮电大学学术交流大会报告的讲台上，应怀樵教授突发脑出血，被送往医院急救，昏迷了三天，左边半身不遂，出院后，柱上了拐杖，但他仍然坚持工作。2003年突发脑血栓，2004年突发心梗阻。三次中风、四次心梗，应怀樵到阎王殿走了7遭，可是阎王爷最终还是没有收留他，又让他回到人间，继续用科学技术为人类造福。
这些病痛的经历，早就让应怀樵将生死置之度外，他也因此而意识到了培养后续力量以传承科学梦想的重要性。只要病情稍稍稳定，应怀樵就咬牙硬挺着开始着手各项工作。手脚不听使唤，他就用大脑思考问题，筹划研究所发展；腿脚不好，他就拄着拐杖到办公室，敦促和指导年轻人积极进取，并提出了东方所企业文化，精神追求，道德情操成功法则十八条。此外，通过任兼职教授、博士生合作导师，举办讲座等形式，他为国家培养了一大批国内急需的动态测试与信号处理技术方面的专业人才。
“我所做的一切都是为了让我国具有自主知识产权的科学仪器登上国际领奖台，并改变国人使用外国仪器的习惯，是希望让中国自主创新的信号处理与虚拟仪器技术走出国门，达到世界普及，并希望让中国的振动与噪声技术能够朝着更开阔的方向发展。”在应怀樵教授看来，以“四大发明”为标志中华文明为人类科技进步作出重要贡献，然而近代以来却大大落伍了。他觉得，伴随中华民族的伟大复兴，中国科学家理应在高科技领域取得原创的重大突破，向诺奖冲刺！这不仅是一个科学家的荣誉，更是中华民族屹立世界民族之林的时代要求！
在向科学高峰攀登的路上，支撑他一次次度过难关的正是中国科学界应为人类文明进步做出更大贡献的使命感与荣誉感！怀着振兴中华、造福人类的理想追求，他数十年如一日，呕心沥血、将全部精力投入虚拟仪器（VI）科学研究之中，自主创新121项新技术，攻克十大世界性难题并填补国内空白，特别是对“传递函数的测试及实时控制和反演关键技术”的成功突破。《香港文汇报》曾在今年4月对应怀樵做出了如下评价：
“应教授原创性地提出由软件构成的在数采过程中实时快速精确测试幅频和相频曲线，并通过YS L专门技术实时实现传递函数的控制和反演，已在DASP软件中取得成功应用。此技术可以极大扩展仪器的频率测试范围，提高测试精度，极具国际竞争力。使得中美两国同步创造的虚拟仪器达到可以问鼎诺贝尔物理学奖的具有世界性重大意义的成果。其意义可与光纤之父诺贝尔奖得主高锟教授的光纤通信的成果相提并论。是中华民族继古代四大发明之后，对人类文明有重要意义和影响的现代发明之一。”
面对当今科技的飞速发展，应怀樵教授对科学界的新事物也极为关注。在2009年桂林召开的“全国虚拟仪器大会”和2010年沈阳召开的“全国振动工程及应用会议”上，应怀樵教授提出试验室网络云时代——“云智慧仪器试验室”与“云智慧故障诊断中心”的构想，并提议国家尽快开展相关研究，抢占世界科学的高峰。
2012年，生于1941年的应怀樵教授已过七旬，但为国争光，仍然是深埋在他心中的梦想，他也毫不讳言自己对诺奖的钟情。多年以来，作为一名科学家，应怀樵教授取得了诸多全球领先的科学成就，并于2010年获得了北京市科学技术二等奖。时不我待，如果报奖工作一再拖延，恐怕会错失一次中国获取诺贝尔奖的机会。因为该成果是中华民族原创的，我国比美国早7年提出，许多关键技术居国际领先地位。希望国家奖励办和北京市奖励办更多关心和支持该项成果，凝聚共识，乘载托付，推动成果报奖和推广应用工作，帮助“抢救”该成果，为问鼎并摘取诺贝尔奖创造条件，实现中华民族共同心愿。
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