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精勤不倦 傲迎一個又一個科技的春天

日期：2009年5月20日 作者：本刊記者 周宏梅

“虛擬儀器為現(xiàn)代儀器技術(shù)掀開了新的一頁” ——王大珩院士為秦樹人的題詞

——記重慶大學(xué)測試理論與測試儀器專家秦樹人教授

“通過對秦教授負責(zé)的國家863項目的驗收，使我看到我國虛擬儀器已經(jīng)進入了產(chǎn)業(yè)化的實施階段。

我為秦樹人教授所取得的成績高興，為我國有了自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器產(chǎn)品而高興。秦樹人教授在研究工作中，不斷進取、銳意創(chuàng)新，他10余次獲得國家級、省部級獎勵和10余項專利，出版了10余部學(xué)術(shù)著作和教材，發(fā)表了200余篇學(xué)術(shù)論文，是一位在國內(nèi)外享有一定知名度的著名學(xué)者，他多年來的研究工作為我國測試測量技術(shù)的發(fā)展作出了很大貢獻！” ——葉聲華院士為秦樹人教授的執(zhí)著與進取贊嘆。

秦樹人教授于1999年在國家自然科學(xué)基金委主持的“21世紀儀器儀表研討會”上首次提出“智能虛擬控制件”的概念，同年他又相繼提出“智能控件化虛擬儀器的形成”與“虛擬儀器拼搭場”的概念，自此“智能虛擬控件和控件化虛擬儀器”在內(nèi)容和形式上形成了完整的模式，稱為“秦氏模型”。按照“秦氏模型”的思想建立起的“智能控件化虛擬儀器”是一種新的儀器模式，它使虛擬儀器的設(shè)計與制造進入了一個新的階段，控件化的虛擬儀器必將成為虛擬儀器的重要發(fā)展方向。經(jīng)過堅持不懈的努力，2004年他和他的團隊榮獲了國家科技進步二等獎。他絲豪不在已有的成績面前止步，2005年他又提出“巖石模型”的思想。“巖石模型”是對“秦氏模型”的繼承與深入發(fā)展，通過對“秦氏模型”智能虛擬控件再深層次地集成，創(chuàng)立一個深度集成的復(fù)雜功能系統(tǒng)——“有界無限的巨型儀器庫”，這是虛擬儀器發(fā)展中的又一新的里程碑！

秦樹人教授在幾十年的刻苦科研探索中提出了一系列真知灼見和原創(chuàng)思想，凝聚著他的嚴謹、堅強、敏銳與對科學(xué)事業(yè)的無限熱愛。從他取得的累累碩果中，我們看到了一位崇高的科研工作者與奉獻者。

秦樹人教授長期從事測試技術(shù)、智能儀器和虛擬儀器等方面的研究和開發(fā)，先后取得20余項成果，獲得國家科技進步一、二、三等獎以及省部級科技進步獎共14項；獲得發(fā)明專利5項、出版學(xué)術(shù)專著和高校教材共10部著作；在國內(nèi)外發(fā)表論文253篇，培養(yǎng)博士生20余人、碩士生50余人。近幾年來，秦樹人教授主要從事虛擬儀器的研究和開發(fā)，主持研制成功50余種國產(chǎn)虛擬測試儀器。

他的創(chuàng)新研究成果“智能虛擬控件”在國家自然科學(xué)基金委重點項目的驗收中被評為A級。

針對當(dāng)今發(fā)展和制造技術(shù)快速進步引發(fā)的許多新型測量問題，秦教授認為當(dāng)前第一要務(wù)應(yīng)著力推動傳感器、測試測量儀器的研究與發(fā)展，促使測量技術(shù)領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新原理、新技術(shù)、新裝置系統(tǒng)。

對未來的測試測量及儀器技術(shù)的發(fā)展，秦教授指出，我國的測量計量技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，和發(fā)達國家存在明顯差距，尤其在新型測試技術(shù)及儀器設(shè)備領(lǐng)域中還有較大差距。針對這樣的問題和發(fā)展趨勢，秦教授認為：著力加大科研投入，重視基礎(chǔ)研究，緊密聯(lián)系工程應(yīng)用，相信在不久的將來我國測試測量技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域定可獲得快速的發(fā)展。

（出處：《科學(xué)中國人》2009年第五期）

我國虛擬儀器的研發(fā)和生產(chǎn)呈現(xiàn)廣闊前景

國家科技進步二等獎獲得者重慶大學(xué)測試中心秦樹人教授

新華社記者：秦教授祝賀您。您主持的國產(chǎn)虛擬儀器系列產(chǎn)品獲得了2004年國家科技進步二等獎的殊榮，這真是一個了不起的成績！

問：秦教授，虛擬儀器是一項新技術(shù)，有許多人對它還很陌生，您能告訴我們什么是虛擬儀器？它與傳統(tǒng)儀器相比，它有什么特點嗎？

答：虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是虛擬技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用。它是日益發(fā)展的計算機硬件、軟件和總線技術(shù)在向其它技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過程中，與測試技術(shù)、儀器儀表密切結(jié)合，共同孕育出的一項新的成果。20世紀80年代，美國國家儀器公司（National Instruments Corporation，簡稱NI）率先提出了“虛擬儀器”的概念，指出虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測試系統(tǒng)，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。如果需要作進一步說明，則虛擬儀器是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等基本智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致，同時又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬儀器”。有的資料上甚至直接將虛擬儀器這種形式稱為“軟件即儀器”。

與傳統(tǒng)儀器相比較，虛擬儀器具有很多優(yōu)點和特點，其中最主要的是傳統(tǒng)硬件化儀器是一個封閉系統(tǒng)、靈活性，擴展性差；反之虛擬儀器是一個開放系統(tǒng)，具有很強的靈活性、擴展性和集成性，更重要的是傳統(tǒng)儀器，特別是高端儀器價格昂貴，與同類儀器比較虛擬儀器價格可低幾倍至幾十倍！有的特別高端的儀器——例如小波信號分析儀，由硬件實現(xiàn)現(xiàn)非常困難，而制造一臺虛擬式小波信號分析儀則比較容易。

問：傳統(tǒng)儀器的生產(chǎn)都有一個生產(chǎn)車間，而虛擬儀器的生產(chǎn)車間（或開發(fā)平臺）就是PC機和開發(fā)平臺，當(dāng)前有哪些流行的虛擬儀器開發(fā)平臺？

答：自NI公司推出虛擬儀器以來，世界各國著名的儀器公司也相繼推出了一些虛擬儀器的開發(fā)平臺軟件。用戶利用這些開發(fā)平臺軟件使可以組建自己需要的虛擬儀器或測試系統(tǒng)。最早的并具有較達影響的開發(fā)平臺軟件是NI公司的Lab VIEW和Lab Windows/CVI平臺軟件。之外，還有美國Agilent公司的VEE平臺軟件，美國Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS平臺軟件，美國HEM Data公司的Snap-Master平臺軟件以及DasyLab、DT Measure FOUNDRY、SoftWIRE、TestPoint平臺軟件等等。

問：LabVIEW等開發(fā)平臺有什么特點？

答：LabVIEW等開發(fā)平臺，是一類圖形編程，是目前世界上流行很廣。這些開發(fā)平臺軟件和所有的程序語言一樣，都是一種程序設(shè)計語言，都具有各種數(shù)據(jù)類型，類型、結(jié)構(gòu)、循環(huán)和選擇等語法，因此使用它的設(shè)計人員不僅需要熟悉工程測試的內(nèi)容和方法，同時還要學(xué)會使用這一語言編程。顯然這是一種外延豐富、用戶需要有較多參與性的平臺如果將這一系統(tǒng)面向普通的、沒有經(jīng)歷過儀器設(shè)計制造的使用者就會有一定困難，可以LacVIEW平臺應(yīng)該項說主要還是面向有一定素養(yǎng)或?qū)＜业囊环N中間產(chǎn)品。

問：國內(nèi)在虛擬儀器開發(fā)平臺的研究方面有什么進展？國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的競爭情況如何？

答：由于國內(nèi)在這一領(lǐng)域起步較晚，人們對虛擬儀器還有進一步了解和認識，從目前的資料顯示，國內(nèi)還主要是高等院校和某些研究院所在利用LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)一些特定工程測試項目。其它部門雖然也有采用的，但相對而言用戶數(shù)量比較少。重慶大學(xué)測試中心經(jīng)過多年的積累，開發(fā)了14大類共50余種具自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器的最終產(chǎn)品，在國內(nèi)27個省市的大學(xué)、院所和部分工廠得到了推廣應(yīng)用。但就總體而言，我國的這項技術(shù)迄今還沒有什么明顯規(guī)模的投資，因此國產(chǎn)虛擬儀器真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、建立有規(guī)模的現(xiàn)代化工廠還有較長的路要走。

問：現(xiàn)在測試儀器庫中已有多少可供用戶選擇的功能模塊？它們都適用于哪些領(lǐng)域？

答：在現(xiàn)在的儀器庫中已有記錄、示波、單、雙通道FFT、小波分析、測溫、控溫、扭矩功率、機械效率、音頻、噪音、軸心軌跡、設(shè)備預(yù)測維護、旋轉(zhuǎn)機械等測試分析儀器。這些虛擬儀器可廣泛用于機械、電子、能源、交通、航空航天、石油、化工、環(huán)保、輕工以及國防、科研、教學(xué)等全方位的領(lǐng)域。

問：有哪些因素會影響到虛擬儀器的性能？

答：準確地說是影響虛擬儀器系統(tǒng)的精度和性能。影響虛擬儀器系統(tǒng)精度和性能的因素主要有傳感器的精度、線性度和溫漂、信噪比等指標；傳輸線纜的抗衰減性和電子干擾等性能；信號調(diào)理電路的模擬帶寬、A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率（8、12、16、24bit）和最高采樣率、數(shù)字芯片的帶寬以及存儲深度、傳輸總線的性能；計算機系統(tǒng)、操作系統(tǒng)軟件的可靠性和穩(wěn)定性，虛擬儀器軟件的穩(wěn)定性和計算處理精度和實時性等等。因此要作出一臺高精度、高性能的虛擬儀器，不僅需要高超的軟件編程技術(shù)，同時對傳感器、調(diào)理器和A/D卡和計算機本身的性能都要有相應(yīng)的高要求才能達到目的。

問：虛擬儀器開發(fā)生產(chǎn)出來后，如何確定它的精度和性能是否符合要求？有什么標準？是不是需要一臺硬件儀器作為參照？

答：我是這樣看的，虛擬儀器首先是一臺儀器，是一臺軟件化的儀器，然后它當(dāng)然也是一套軟件。對外，我們是以現(xiàn)行硬件同類儀器的標準來度量和測定它的，也就是你剛才所說的用硬件儀器作為參考，不過作為參考的這臺儀器必須是公認的、符合現(xiàn)行標準的、高性能、高精度的儀器。作為軟件，我們在研制開發(fā)過程中，是按照軟件設(shè)計的思路規(guī)劃、設(shè)計和測試的，用這樣的方法來保證軟件在相應(yīng)平臺上的正確、安全、穩(wěn)定的運行。

問：虛擬儀器的功能和面板控件既然是用軟件來實現(xiàn)的，那么是否也存在受計算機病毒的威脅？

答：這種可能是存在的，畢竟計算機和操作系統(tǒng)是虛擬儀器的平臺，因此它也可能受到病毒的侵害。當(dāng)然可以采取防病毒的措施，例如儀器啟動后不允許執(zhí)行常規(guī)的Windows等軟件，不允許回到操作系統(tǒng)界面等等。不過這樣做便限制了作為虛擬儀器硬件平臺的計算機的應(yīng)用范圍，使計算機成為一個專用平臺。

問：虛擬儀器作為一種特殊的應(yīng)用軟件，它的知識產(chǎn)權(quán)如何界定和保護？

答：在國外、軟件和儀器兩方面都可以取得專利等；在國內(nèi)，軟件目前還只實行作品登記制度，而對虛擬儀器這類特殊的軟件，我認為應(yīng)該主要把它作為儀器的知識產(chǎn)權(quán)來保護。

問：虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)有范圍如何，有哪些應(yīng)用前景？

答：虛擬儀器在發(fā)達國家應(yīng)用得十分普遍電子、石化、冶金、機械、航空航天、能源、科研和教學(xué)等領(lǐng)域以及與人們的生活息息相關(guān)的許多其他領(lǐng)域，如電信、醫(yī)學(xué)等方面都得到了廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，虛擬儀器也逐步取得認可，近年來也出現(xiàn)了虛擬儀器在若干領(lǐng)域中的成功應(yīng)用。例如在動態(tài)信號分析、網(wǎng)絡(luò)教育、計算機模擬仿真、CAI技術(shù)、通信測試技術(shù)等方面虛擬儀器都應(yīng)用得比較成功。

這里特別要著重說一下虛擬儀器對高等學(xué)校實驗室的應(yīng)用。高等學(xué)校特別是理工科學(xué)校，教學(xué)、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備，特別是實驗教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，但是有的儀器價格昂貴，因此實驗設(shè)備所需的投資巨大，一般學(xué)校很難承受，造成不少學(xué)校儀器設(shè)備缺乏或陳舊等現(xiàn)象，嚴重影響教學(xué)和科研的進行。如果應(yīng)用虛擬儀器，情況就大不一樣了。例如，目前國內(nèi)有二百多個單位和大學(xué)共購買了3000多臺QLV型虛擬儀器和200多套ZK-3VIC型、ZK-4VIC型虛擬測試振動與控制實驗裝置，這些學(xué)校只花很少的經(jīng)費就裝備起可供幾十位學(xué)生同時進行信號處理、機械參量測試、噪聲測試和振動測試等實驗。因此虛擬儀器對高等學(xué)校而言是一種價廉物美的實驗和科研儀器裝置。

問：虛擬儀器的發(fā)展趨勢如何？它最終在儀器市場中的份額能占多大？

答：隨著計算機和計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)速度不斷提高，利用現(xiàn)在的Internet網(wǎng)絡(luò)組建網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)是今后虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的一個趨勢，這也是測試儀器發(fā)展中一個質(zhì)的飛躍。

網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也稱為虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化，其一般特征是指將虛擬儀器、昂貴的外部設(shè)備、被測試點以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源共享，使設(shè)備投入資金更少，科研人員可以在任何地點、任何時間獲得測量信息或數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器可以在距離測量系統(tǒng)、測量數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)、企業(yè)級測試系統(tǒng)等方面大力應(yīng)用。例如遠程醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)教育、遠程設(shè)備監(jiān)測和故障診斷等等。從學(xué)校實驗教學(xué)的角度看，一臺網(wǎng)絡(luò)化測試儀器就像一臺網(wǎng)絡(luò)打印機一樣同時為許多學(xué)生服務(wù)，可以大大提高儀器的使用率。從工業(yè)應(yīng)用看，設(shè)備工程師可在辦公室通過網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器對生產(chǎn)現(xiàn)場進行遠程集中監(jiān)控，使他們能準確及時地了解設(shè)備的運行狀態(tài)，為安全、高效生產(chǎn)提供可靠保障。

至于虛擬儀器的市場份額，“國際自動化儀表”雜志有署名認為虛擬儀器最終將在測控儀器中占據(jù)50%的份額！這顯示出虛擬儀器具有巨大的前景。

問：虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器在價格上有多大的優(yōu)勢？

答：虛擬儀器比同類傳統(tǒng)硬件儀器，特別是復(fù)雜、高端的儀器在價格上有很大的優(yōu)勢，有的可以相差幾十倍！這是因為虛擬儀器以軟件為核心，計算機和統(tǒng)一為硬件平臺的儀器系統(tǒng)，故可以大幅度降低成本。如一臺FFT分析儀，國產(chǎn)硬件儀器價格在8萬元~10萬元，進口儀器價格在15萬元~80萬元之間，而虛擬式FFT分析儀售價不到1萬元，比同類硬件儀器便宜許多倍，其它各種高端虛擬儀器的價格與同類硬件儀器比較，基本上都要便宜十~幾十倍，具有很高的性能價格比。

問：為什么說采用虛擬儀器，個人可擁有一個實驗室不是夢？

答：這是因為虛擬儀器，特別是高端的虛擬儀器比同類的傳統(tǒng)硬件化儀器要便宜很多，便宜的程度使許多個人也能買得起；其次是個人計算機是虛擬儀器主要平臺，這就意味著凡有PC機的人中，有一部分人只要他愿意就可以實現(xiàn)擁有一個實驗室的夢想。