應(yīng)懷樵與虛擬儀器的緣分彷佛是早已注定的。幾十年來(lái)，他致力于信號(hào)處理、虛擬儀器、測(cè)控技術(shù)、振動(dòng)與噪聲控制等領(lǐng)域的研究，自主創(chuàng)新研發(fā)完成DASP虛擬儀器庫(kù)和INV系列虛擬儀器——移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，被學(xué)術(shù)界稱為“中國(guó)虛擬儀器之父”。然而，每當(dāng)榮譽(yù)和贊美涌向他時(shí)，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(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科學(xué)儀器登上國(guó)際領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)，并改變國(guó)人使用外國(guó)儀器的習(xí)慣，是希望讓中國(guó)自主創(chuàng)新的信號(hào)處理與虛擬儀器技術(shù)走出國(guó)門，達(dá)到世界普及，并希望讓中國(guó)的振動(dòng)與噪聲技術(shù)能夠朝著更開闊的方向發(fā)展�！�

　　突破十大世界性難題

　　應(yīng)懷樵是我國(guó)最早提出“虛擬儀器”構(gòu)想、最早提出和實(shí)現(xiàn)“用軟件制造儀器”，“用軟硬件相結(jié)合”來(lái)取代傳統(tǒng)的主要由硬件組成的模擬式儀器的學(xué)者。豐碩的成果源于扎實(shí)的積累。1965年，他參加國(guó)防核爆炸防護(hù)工程課題——地下鐵道核爆炸震動(dòng)噪聲與動(dòng)力學(xué)測(cè)試分析的研究，發(fā)現(xiàn)用硬件設(shè)備無(wú)法獲得道床的下沉殘余位移(0Hz)。1973年開始自行嘗試用數(shù)字計(jì)算機(jī)的軟件數(shù)字積分與頻譜分析取代傳統(tǒng)硬件的方法解決該難題，于1979年獲得成功。這是虛擬儀器模塊應(yīng)用的最早成功范例。同年，在國(guó)防科委召開的核試驗(yàn)全國(guó)防護(hù)工程學(xué)術(shù)會(huì)(保密會(huì))上，原創(chuàng)提出虛擬儀器的核心概念——“軟件制造儀器”，獲得主持會(huì)議的力學(xué)所所長(zhǎng)鄭哲敏院士、清華副校長(zhǎng)張維院士、同濟(jì)校長(zhǎng)李國(guó)豪院士的贊揚(yáng)和支持，并與7年后美國(guó)NI公司“軟件是儀器”的概念不謀而合。1993年，由他主持研制的INV306虛擬儀器參加加拿大多倫多市的新技術(shù)展覽會(huì)，贏得高度贊譽(yù)，列表?yè)P(yáng)名單第一名。

　　虛擬儀器發(fā)展中有許多技術(shù)難題，但是應(yīng)懷樵總是看準(zhǔn)了方向便勇往直前。他不僅創(chuàng)辦了東方振動(dòng)與噪聲技術(shù)研究所(簡(jiǎn)稱東方所)，研發(fā)了DASP和INV系列虛擬儀器庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“把實(shí)驗(yàn)室拎著走”的理念，取得100多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。更為難能可貴的是，應(yīng)懷樵及其團(tuán)隊(duì)還研制攻克了十大世界性技術(shù)難題，使我國(guó)虛擬儀器和動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀器的性能從一般的低精度低檔次測(cè)量?jī)x器躍入了高端高精度測(cè)量?jī)x器的領(lǐng)先水平。

　　一、基于平臺(tái)式設(shè)計(jì)的虛擬儀器庫(kù)技術(shù)。應(yīng)懷樵課題組研究的DASP虛擬儀器庫(kù)系統(tǒng)是我國(guó)開發(fā)最早的虛擬儀器庫(kù)系統(tǒng)。早在1979年，應(yīng)懷樵就原創(chuàng)性地提出虛擬儀器的核心概念——“軟件制造儀器，用軟硬件結(jié)合取代主要由硬件構(gòu)成的傳統(tǒng)儀器”，這一具有里程碑式劃時(shí)代意義的新路線對(duì)儀器制造業(yè)和測(cè)試技術(shù)界科學(xué)儀器、分析儀器、高端儀器及各種電子測(cè)量?jī)x器會(huì)產(chǎn)生巨大影響，還能實(shí)現(xiàn)一些硬件實(shí)現(xiàn)不了的功能(如超低頻和0Hz的積分器)，對(duì)科學(xué)研究和國(guó)民經(jīng)濟(jì)有深遠(yuǎn)影響。1985年，他提出“把實(shí)驗(yàn)室拎著走”的目標(biāo)，并研制成功中國(guó)第一臺(tái)虛擬儀器，成功應(yīng)用于杭州錢塘江大橋的火箭激勵(lì)模態(tài)試驗(yàn)。1993年，隨北京新技術(shù)展覽會(huì)到加拿大展出，獲得表?yè)P(yáng)名單第一名，1995年用于“長(zhǎng)三捆”火箭全箭模態(tài)試驗(yàn)獲得成功，1996年用于神舟號(hào)載人飛船移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)模態(tài)試驗(yàn)獲得成功，2004年用于航天員超重訓(xùn)練設(shè)備臂架系統(tǒng)模態(tài)分析獲得成功。實(shí)踐證明，這是功能最完善、技術(shù)水平最高，且完全具有民族自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一套虛擬儀器系統(tǒng)，代表了我國(guó)在虛擬儀器研發(fā)方面的最高水平。

　　二、變時(shí)基(VTB)傳遞函數(shù)(導(dǎo)納)測(cè)量分析方法。變時(shí)基技術(shù)相對(duì)于國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的等時(shí)基方法，能顯著提高瞬態(tài)激勵(lì)測(cè)試結(jié)果的精度與穩(wěn)定性。目前，此項(xiàng)技術(shù)結(jié)合彈性聚能力錘，成功解決了大型低頻結(jié)構(gòu)錘擊模態(tài)試驗(yàn)問題，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，已獲國(guó)家發(fā)明專利。已完成神舟飛船750噸移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)模態(tài)試驗(yàn)、“長(zhǎng)三捆”大型運(yùn)載火箭模態(tài)試驗(yàn)、烏海黃河大橋模態(tài)試驗(yàn)、航天員超重訓(xùn)練機(jī)模態(tài)試驗(yàn)等數(shù)十項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，效果良好。

　　三、高精度頻率、幅值、相位和阻尼測(cè)量技術(shù)。東方所原創(chuàng)的高精度頻率計(jì)和幅值計(jì)，克服了FFT頻率分析中頻率步進(jìn)值的限制和泄漏的影響，軟件本身的頻率與幅值均可達(dá)到十進(jìn)制12~14位數(shù)字測(cè)量精度，已經(jīng)相當(dāng)于并可同時(shí)替代高端頻率計(jì)和電壓表等硬件設(shè)備，目前已經(jīng)在中國(guó)計(jì)量院等單位推廣使用，比國(guó)外常規(guī)方法提高精度100萬(wàn)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(jìn)制5~6位提高到7~8位。這一技術(shù)使虛擬儀器從一般低精度儀器進(jìn)入高端科學(xué)儀器的行列，具有重大國(guó)際影響力。

　　四、超低頻信號(hào)快速測(cè)量技術(shù)。對(duì)于超低頻信號(hào)(0.1Hz~0.00001Hz)的準(zhǔn)確測(cè)定，尤其對(duì)于頻率未知的情況，常規(guī)測(cè)量需要非常長(zhǎng)的時(shí)間才可以完成，而東方所的方法，則可以實(shí)現(xiàn)僅僅測(cè)量1/4甚至更少周期的信號(hào)即可獲取準(zhǔn)確的頻率、幅值、相位和失真度等參數(shù)，使得超低頻信號(hào)得到快速測(cè)量，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外空白。對(duì)于100秒周期的低頻率信號(hào)測(cè)試，僅需2~3分鐘即可同時(shí)得到頻率、幅值、失真度相位和傳感器標(biāo)定靈敏度等參數(shù)，比起類似的美國(guó)HP35670儀器，時(shí)間縮短為原來(lái)的1/20，并且后者還不具備多種參數(shù)同時(shí)測(cè)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(duì)短時(shí)間序列具有更好的效果，比國(guó)外提出的LPC法可靠，已得到國(guó)內(nèi)外專家肯定，達(dá)到倒譜分析的國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　六、FFT/FT分析方法。FFT變換雖然大大提高了運(yùn)算速度但是頻率分辨率受到了限制，對(duì)于有限長(zhǎng)信號(hào)，F(xiàn)FT/FT則可以進(jìn)行無(wú)限細(xì)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(xì)化的主要方法之一。

　　七、振動(dòng)全息AVD“一入三出”實(shí)時(shí)測(cè)試分析創(chuàng)新技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的微積分一直沒有解決辦法，應(yīng)教授課題組創(chuàng)新提出了全程微積分方法。該方法尤其適合于連續(xù)采集的時(shí)間序列，充分考慮全程波形的特征，有效避免傳統(tǒng)微積分的缺陷，使得在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)信號(hào)采集過(guò)程中，創(chuàng)新虛擬通道技術(shù)，可實(shí)時(shí)得到一二次微積分后的準(zhǔn)確波形，實(shí)現(xiàn)AVD“一入三出”振動(dòng)全息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量。

　　八、自動(dòng)化模態(tài)分析方法。模態(tài)試驗(yàn)和分析由于包含較多的技術(shù)內(nèi)容，通常操作比較復(fù)雜，需要操作人員具有相當(dāng)豐富的理論知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)，才可以獲取較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但是通過(guò)自動(dòng)化模態(tài)分析手段，一般工程人員通過(guò)簡(jiǎn)單操作即可獲得專家級(jí)的模態(tài)分析結(jié)果。

　　九、24位“雙核”變幅基A/D高精度超量程160dB數(shù)采儀技術(shù)。24位雙核采集儀具有160dB的超寬量程范圍，既保證大信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，又可同時(shí)保證微弱信號(hào)不會(huì)因?yàn)榍份d而導(dǎo)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(yàn)。

　　十、突破了傳遞函數(shù)的測(cè)試及實(shí)時(shí)控制和反演關(guān)鍵技術(shù)，為提高儀器測(cè)量精度和范圍開辟了新途徑。

　　傳遞函數(shù)的測(cè)試及實(shí)時(shí)控制和反演是一項(xiàng)世界難題。提出由軟件構(gòu)成的在數(shù)采過(guò)程中實(shí)時(shí)快速精確測(cè)試幅頻相頻曲線，并通過(guò)YSL專門技術(shù)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)的控制和反演，已在DASP軟件中取得成功應(yīng)用。此技術(shù)可以大大擴(kuò)展儀器的頻率測(cè)試范圍，提高測(cè)試精度，極具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。此項(xiàng)技術(shù)是2010年12月9日提出，12月24日完成的，使得中美兩國(guó)共同創(chuàng)造的虛擬儀器達(dá)到可以問鼎諾貝爾物理獎(jiǎng)的具有世界性重大意義的成果。其意義可與光纖之父諾獎(jiǎng)得主高錕教授的“光纖通信”的成果相提并論。

　　實(shí)踐證明，“軟件制造儀器”省掉大量昂貴和笨重的硬件材料和人力物力、設(shè)備、廠房及能源，便于生產(chǎn)、攜帶，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸還能實(shí)現(xiàn)“云智慧”科學(xué)儀器。目前，已廣泛用于國(guó)防軍工、航天航空等許多部門，參與完成火箭、神舟飛船、大橋高層建筑和大型機(jī)械設(shè)備等上百項(xiàng)國(guó)家重大工程項(xiàng)目的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了許多常規(guī)儀器和硬件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，東方所已有2000多家用戶，累計(jì)經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)1億元，為國(guó)家節(jié)省外匯約數(shù)億美元。其經(jīng)濟(jì)價(jià)值按我國(guó)2007年儀器產(chǎn)值估算，若按軟件取代硬件一半計(jì)算，將會(huì)產(chǎn)生1000多億元的巨大價(jià)值。

　　推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)“達(dá)到世界普及”

　　應(yīng)教授在全國(guó)20多所重點(diǎn)高校，如清華、北大、浙大、中國(guó)科大、上海交大、西安交大和香港理工大學(xué)等高校講學(xué)幾十次，并成功組織和主持了二十三屆全國(guó)振動(dòng)與噪聲高技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，還為有關(guān)部門培訓(xùn)了一大批從事振動(dòng)噪聲、信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)測(cè)試和虛擬儀器方面的急需人才。同時(shí)，聯(lián)合指導(dǎo)培養(yǎng)碩士、博士和博士后研究生30余名，為國(guó)家培養(yǎng)了信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)測(cè)試和虛擬儀器技術(shù)的高端人才。

　　上世紀(jì)90年代，應(yīng)懷樵研發(fā)的虛擬儀器技術(shù)已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，并在市場(chǎng)上初露鋒芒。然而，由于超負(fù)荷的工作，長(zhǎng)期加班熬夜和巨大壓力導(dǎo)致過(guò)度疲勞，1994年1月14日，在北京郵電大學(xué)學(xué)術(shù)交流大會(huì)報(bào)告的講臺(tái)上，應(yīng)懷樵突發(fā)腦出血，送往醫(yī)院急救，昏迷了3天，左邊半身不遂，出院后，拄上了拐杖。2003年，突發(fā)腦血栓。2004年、2005年突發(fā)心梗阻……

　　“3次中風(fēng)、4次心梗，我7次至閻王殿，閻王都沒收我�！闭f(shuō)到此處，應(yīng)懷樵微笑著感慨萬(wàn)分。盡管現(xiàn)在病情有些好轉(zhuǎn)，可是他幾乎時(shí)刻都處在生命危險(xiǎn)之中。藥物只能控制他的病情，卻不能讓他徹底擺脫病痛困擾。

　　功夫不負(fù)有心人。如今，研究所已經(jīng)初步建立起一支研發(fā)與市場(chǎng)開發(fā)隊(duì)伍�！艾F(xiàn)在，我們的科研隊(duì)伍壯大起來(lái)了，從副所長(zhǎng)到總工程師都是博士，具有很強(qiáng)的科研能力�！彼�看到虛擬儀器的發(fā)展前景，要盡全力推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)“達(dá)到世界普及”的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，應(yīng)懷樵對(duì)未來(lái)依然充滿信心�！白孖NV系統(tǒng)走進(jìn)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室，讓DASP軟件運(yùn)行在每個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上�！边@是應(yīng)懷樵的理想。

　　面對(duì)當(dāng)今科技的飛速發(fā)展，應(yīng)懷樵還告訴我們，隨著“云計(jì)算”和“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的到來(lái)。在2009年11月桂林全國(guó)虛擬儀器大會(huì)和2010年8月沈陽(yáng)全國(guó)振動(dòng)工程及應(yīng)用會(huì)議上，應(yīng)懷樵提出實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)云時(shí)代——“云智慧儀器實(shí)驗(yàn)室”與“云智慧故障診斷中心”的構(gòu)想，提議國(guó)家盡快開展相關(guān)研究。并且，在此基礎(chǔ)上，還可以建立起云智慧醫(yī)療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，為我國(guó)搶占高科技的制高點(diǎn)，推動(dòng)科學(xué)儀器與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，集聚高智慧、推廣高新技術(shù)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平，制定出科學(xué)合理的研究計(jì)劃和戰(zhàn)略步驟。