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始终站在虚拟仪器科研领域最前沿_中国信息报
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更新时间:2010年04月23日 08:28:25

始终站在虚拟仪器科研领域最前沿

——再访中国虚拟仪器之父应怀樵和他的DASP(达世普)虚拟仪器库
□ 小方/文

      1985年4月20日,北京东方振动和噪声技术研究所(简称东方所)获得批准,同年10月11日,召开成立大会和工作会议。从1985年到2010年,东方所已走过25周年,若从东方所的前身,1983年成立的中国科协咨询中心振动技术部开始算起,已经过了27个年头。岁月如梭,拼搏无限,25年来,在东方所艰苦卓绝、开拓创新的奋斗历程中,中国的虚拟仪器和东方所都取得了重大的突破和辉煌的成果,为我国国民经济的健康可持续发展作出了重大贡献。
      虚拟仪器是指在PC机基础上通过数采调理硬件、DASP数据采集和信号处理分析等各种软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。它彻底打破了传统仪器主要由硬件构成、使用者无法改变的模式,给使用者一个充分发挥自己才能和想象力的空间,使用者和开发者可根据不同要求,用软件代替硬件,满足多样的应用需求,而且还可以重新定义和修改仪器。它的出现,带来了科学仪器与科学试验领域的一次深远的技术革命,几乎渗透到了所有的测试控制领域。有趋势表明,虚拟仪器最终要取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品,将成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心,并成为机器人的核心技术,具有巨大的社会意义与经济效益。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期间,发现地铁道床的下沉残余位移(0Hz)用硬件设备无法获得,在这种情况下,应怀樵教授从1973年就开始自行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解决上述难题,1979年获得成功,这是虚拟仪器的最早成功范例。同年,原创提出虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器”,这与7年后美国NI公司“软件是仪器”的概念不谋而合。1985年,又提出“把试验室拎着走”的目标,正式立题“DASP虚拟仪器库——振动噪声、模态分析移动试验室技术”的研究,经过20年不断创新自筹资金的滚动发展,于2005年完成。
      很多时候,成功源于坚持,源于对笃定目标的持续付出。然而,应怀樵5次转换专业,却无形中开阔了全国的学术视野,并由此成就了中国虚拟仪器技术领域的领跑者。
      1959年,应怀樵就读于浙江大学工程物理系理论物理专业,后应国家发展需要全班专业调整为数学力学系应用力学专业。1964年,大学毕业后,他被分配到中国铁道科学院致力于高速列车风洞课题的研究,期间被安排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,参与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,接触到了振动噪声和频谱分析。其后,他又开始学习数字计算机与信号处理分析,接触到FFT、MEM、ARMA和模态分析等方法。5次转换专业,让应怀樵掌握了扎实的理论知识和丰富的实践经验并参加核试验的测试分析和测振仪器的研究。应怀樵从1973年起又开始研究数字计算机的编程计算和信号处理分析方法,开始将更多的时间投入到了科研思考、计算分析、编制程序和资料收集之中。
      不久,应怀樵的成果就相继问世。1979年,他编著的具有虚拟仪器技术领域应用成果的国内首部专著《振动测试和分析》出版发行;1982年,《CZ测震仪与测振技术》出版发行;1983年,《波形和频谱分析与随机数据处理》出版发行。从1997年至今他还主编《现代振动与噪声技术》第一卷至第七卷等10部专业著作及“倒熵谱”等120多篇论文报告……
      当初写书,纯粹是出于对科学的热爱。可是,当这些饱含心血的书籍使他在学术界名噪一时的时候,却给他带来了无形的桎梏,应怀樵有些始料不及。虽然受到了巨大的精神压力和不能使用磁带机和信号分析仪的困难,影响了正常科研工作,但是,他并没有在意,为了解决没有仪器使用的困难,他将压力化为动力,走上了更加艰辛的创办东方所和虚拟仪器的科研攻关之路。
      1985年东方所成立,应怀樵教授提出了“把试验室拎着走”的目标,正式立题“DASP虚拟仪器库——振动噪声、模态分析移动试验室技术”的研究,至2005年完成期间,东方所与清华、北大、中科院声学所、中科院力学所、中国铁道科学院、浙江大学、江苏大学、合肥工业大学、北京邮电大学、西安交通大学、华中科技大学、东北大学、天津大学、中国科技大学等10多个单位就该项目展开合作并联合培养研究生,终于研发成了DASP虚拟仪器库——振动噪声、模态分析移动试验室软件和INV系列数据采集仪的研制。
      DASP虚拟仪器库,振动噪声、模态分析移动试验室软件由各种功能的软件模块构成,包含采集分析、虚拟仪器库、信号发生器、模态分析与动力学修改、声学分析、旋转机械、路桥土木、振动台控制、计量检定、应用测试共10个一级模块及170多个二级模块及300多万条指令和230M字节的巨大容量。
      这是科学仪器的新概念,是革命性的技术创新,能节约大量硬件、材料,节省人力物力,实现节能减排低碳,还能实现硬件实现不了的功能,使科学试验告别主要由硬件构成的庞大、繁重、能耗高、昂贵的“传统仪器”,迎来小巧、轻便、低成本、节能、自动化、智能化、多功能、主要由软件和高性能数采构成的虚拟仪器时代,将产生巨大的社会和经济效益,其特点有:
      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(12-14位十进制)、幅值计(12-14位十进制)、相位计、阻尼计技术,超低频信号快速高精度测量(0.1-0.00001Hz),倒熵谱、FFT-FT、Y1、Y2窗函数、AVD(加速度、速度、位移)“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。其中的变时基方法结合东方所独创的弹性聚能力锤,完成了超大型结构如750吨神舟飞船移动发射平台、乌海黄河大桥的经典模态试验。国内外同类产品目前还无法做到。
      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。
联合培养人才,闯出了新的
培养人才和研究开发新路子
      在东方所发展以及虚拟仪器的研发过程中,应怀樵教授与清华、北大、中科院等10多个单位联合培养指导硕士、博士和博士后研究生30余名,其中硕士生18名,博士生13名,博士后2名(与清华大学郑兆昌教授、任革学教授联合培养博士生5名,与北京大学王大钧教授联合培养博士后2名,与中科院力学所柳春图研究员联合培养博士生2名,与东北大学闻邦椿院士、刘吉教授联合培养博士生4名,与天津大学张策教授,王洪烈教授联合培养博士、硕士生各1名,与合肥工业大学陈心昭教授、刘振士教授、陈剑教授联合培养硕士生4名,与北京邮电大学刘晓平教授联合培养硕士生8名,与中国科技大学王肖钧教授联合培养硕士生1名,与浙江大学王振林教授联合培养硕士生1名,与中国铁科院姚明初研究员、袁祖荫研究员、苏民研究员联合培养博士生1名,硕士生3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。通过联合指导研究生和研究生参与科研测试与编制程序计算分析等合作。走访中,应教授表示,他非常感谢他们在他困难的时候给予的支持,对给予他的团队提供帮助的院校、导师和学生们表示真挚的感恩之情。这对VI研发项目的顺利完成提供了重要的条件,认为这也是创造出了一条新的研究开发和培养人才的道路。他还在全国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、西南交大、北理工、北航、北邮、天大、华南理工和香港理工大学等高校讲学几十次,成功组织和主持了第22届全国振动与噪声高技术学术会议,并出任浙江大学、西安交通大学、江苏大学、合肥工业大学、北京邮电大学、华北电力大学、华中科技大学、东北大学等8所大学的兼职教授,兼任清华大学、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。1991年他被评为北京市海淀区优秀知识分子,2001年获全国优秀科技工作者荣誉称号。
突破九大世界性难题的创新
      虚拟仪器发展中有许多技术难题,应教授研发的DASP和INV系列虚拟仪器库系统到目前已有100多项创新技术,独创了如变时基、变频基、高精度频率计(12-14位十进制)、幅值计(12-14位十进制)等。应怀樵及其团队研制的这一技术已经包含100多项信号处理新技术,其中有20多项国内首创、国际领先的重大创新成果和重大技术突破,尤其是下面的九大世界性难点的技术突破,解决了不少世界性的难题,使虚拟仪器和动态测试分析仪器的性能从国内外一般的低精度的低档测量仪器跃入了高端高精度测量仪器的行列,并增加了许多以前运用常规仪器没有的功能,这是我国对VI技术的重大突出贡献,为国家争得了荣誉,也使虚拟仪器VI的前景更加深远和光明。
      1.基于平台式设计的虚拟仪器库技术,应教授课题组研究开发的DASP虚拟仪器库系统是我国开发最早的虚拟仪器库系统。应怀樵教授早在1979年就原创性的提出虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器”,这是科学仪器的新概念,是具有里程碑式划时代意义的新路线,是革命性的技术创新,它对仪器制造业和测试技术界对科学仪器、分析仪器、高端仪器及各种电子测量仪器产生巨大影响,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深远影响。1965-1979年,应怀樵教授在核爆炸地下铁道国防试验中,对振动绝对位移进行测量,通过软件的数字积分和基线修正,取代硬件的模拟积分,测得了0Hz的残余位移,这是“软件制造仪器”这一重要思想的第一次成功应用(参阅《振动测试和分析》一书P355图7-6)。1985年提出“把试验室拎着走”的目标,研制成功中国第一台虚拟仪器,并应用于1988年9月16日杭州钱塘江大桥的火箭激励模态试验取得成功(中央电视台9月17日新闻联播报道),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,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。
      虚拟仪器库的思路是设计一个信号测量平台的平台软件和多个仪器功能软件,平台软件负责底层的工作,协调各虚拟仪器软件的参数要求,统一控制硬件资源,完成多个通道的数据采集和数据预处理。在平台软件上可以同时运行多个仪器软件,每个软件共享平台软件采集的信号和预处理结果,并分别完成各自的仪器功能。这样就实现了一台计算机中多个仪器软件能够同时运行的虚拟仪器库功能,单踪27种,双踪14种,多踪7种共48种仪器。
      2.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3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。
      3.高精度频率、幅值、相位和阻尼测量技术,这是一项国际性难题,是FFT方法和虚拟仪器界的拦路虎。该技术的突破已使虚拟仪器从一般低精度仪器进入高端科学仪器的行列,具有重大的国际价值,这是值得中国人自豪的创新。
      东方所原创的高精度频率计和幅值计方法,在不考虑硬件采集误差的情况下,软件本身的频率与幅值均可达到十进制12-14位数字测量精度,已经相当于并可同时替代高端频率计和电压表等硬件设备,目前已经在中国计量院等单位推广使用(国外如NI、LMS和B&K等仪器由于使用常规方法,只能达到6-7位十进制数字精度),比国内外常规方法提高精度100万倍,而单从硬件看也能提高精度100倍,能把国内外仪器的硬件频率精度从10进制5-6位提高到7-8位。
      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。
      5.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,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/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。
      7.振动全息AVD“一入三出”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,应教授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”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。
      除上述九项重大发明点以外,还有以下众多创新点:
      1.最大熵谱(MEM AR谱)的快速计算,超级细化(大于3万倍)技术。
      2.短时最大熵谱(STMEM)的谱阵分析,实现非平稳信号的有限分析。
      3.变时基最大熵谱(VTBMEM)的谱阵分析技术,实现变频、变速信号频谱分析。
      4.大容量、超大容量数据的梳状滤波技术(低通、高通、多个带通、多个带阻)。
      5.FDB频率阻尼位图法,从图上可直接得到精确的频率、阻尼、幅值、相位。
      6.传递函数的智能谱修正技术,大大提高脉冲和天然脉动激励的导纳图精度。
      7.大容量、超大容量数据的滑动不对称可变指数窗修正信号并提取卓越周期的技术。
      8.用于瞬态和脉冲信号的Y1、Y2窗及可变指数窗技术。
      9.精确最大熵谱分析(幅值、频率均准确)技术。
      10.由变时基延拓产生的多通道(1-16-32)“多时基”的采集、显示、分析技术。
      11.由变时基延拓产生单通道具有2-512个多时基的采集、显示、分析技术。
      12.VFB/ZOOMBDFT技术--变频基、大容量数据频域任意区间聚焦细化(频率显微镜)技术,频率误差小于千万分之一,幅值误差小于十万分之一。
      13.基于卷积的拟小波动态时频分析技术,用于非平稳分析。
      14.BDFWPS技术——大容量数字滤波,波形压缩谱分析技术。
      15.超长数据中任选超短信号(7-1024点任选)分析技术。
      16.大容量数据时域保持最大信息量压缩技术(峰值保持压缩技术)。
      17.动绕度及前后阶跃响应计算反演技术。
      18.模态分析的PPM(功率谱Laplace变换)方法。
      19.模态分析的PZM(功率谱Z变换)方法。
      20.桥梁索力的精确计算,考虑介于固支和简支中间状态以及动刚度的影响。
      21.在声学测量中包括了声压和声强测量、现场环境的声强测量、声阵列测量——噪声源定位、生理声学语图分析、声品质——响度谱阵分析等技术。
      22.硬件频率高精度校准技术。
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