我们用振动台为国家填空
我们用振动台为国家填空
文/万湖小舟
八十年代思想解放后，不仅给文艺界，教育界带来了春天，给科技界和各行各业都注入了活力。全国各个高校和研究单位的科研工作者都鼓足了干劲要把耽误了时间补回来，要追赶世界科技。
当时一项重要的科研任务由国家下达到了我们大学国家重点试验室。要求研制数字式随机振动控制系统，填补国内空白，或弥补航天部国有产品的不足。不然国家每年要花费大量外汇进口有关设备。光配套一部设备的软件就要30几万美元。
这个随机振动控制系统是用来做环境试验的。设计的工业产品，比如汽车的底盘，卫星，导弹，电子产品等等，在工作环境中都要经历随机振动。要判断产品的质量和可靠性，以及发现问题，改进设计，就要让制造出来的产品在实际的工作环境中经历考验。比如让制造出来的汽车随机的在不同的路况上跑出二，三十万公里，然后来检查产品的质量。这种方法就是环境试验。
让产品在实际工作环境中接受考验，好是好，但缺点是太费时，太费力。试验周期太长。不能尽快发现问题，改进产品设计，提高质量。能不能把环境试验搬到试验室里来，把要试验的产品放到振动台上，让计算机发出模拟工作环境的随机振动的信号。这样就能极大地缩短试验时间，提高试验效率。
美国人走到了前面。美国军方通过大量的试验以后，制订了试验标准。也就是对什么样的产品，应该用什么样的随机激振信号。美国著名的惠普公司研制了相应的控制系统。全球销售。中国是其销售的重点区域。中国人花钱，花得心痛；美国人数钱，数得手软。
既然信号是随机的，如何还有标准? 标准是规定这些随机时域信号中包含的各种频率带宽，频率幅值大小和形状。比如汽车的激振信号就不同于卫星的激振信号，因为它们在工作环境下经受的振动频率和带宽不同。我们的任务之一就是把频域里的各种标准谱图转变成时域里的随机激振信号，驱动振动台振动。
举国体制的好处是效率高。统筹安排，大学负责研制控制系统，大型国有企业负责制造振动台，通力合作。
学校调兵遣将。国家重点试验室组成了科研队伍。Y老师挂帅。这位试验力学专家巾帼不让须眉，是课题组长。我作为研究生也有幸被学校选为课题组成员。由于这个项目是我们专业的课题，物理方面的原理我比其他组员了解多一些。让我负责应用软件开发。其他组员，有的来自工厂负责振动台和计算机的接口电路设计。有的来自计算机系，他们负责实时操作系统的应用。各负其责。用现在的科技语言来讲就是研制实时控制的嵌入式系统。
那时课题组成员都很年轻，接受新东西快，也能吃苦。当时国内几乎没有参考设备和相应的中文资料。航天部为我们进口的所有设备，其说明书和有关资料全是英文的，而且需要使用的计算机语言，操作系统，是面向实时控制用的，那时国内都没有使用过。看到一箱一箱的英文参考资料和文献。不说搞课题，光看英文资料，对我们都是一项挑战。
夏天来临时，试验室虽然有空调，但人多嘈杂。为了尽快学习实时控制语言，开发应用软件。我拿起厚厚的一本英文资料去了学校的林荫丛中。科技文献阅读是研究生英语训练的一门课程。真正排上用场，还是那次科研项目。在树下细读，精读，有了感悟就赶快到试验室，开机写代码。
应用软件包括，模数和数模转换，数据采集，信号处理，数理统计，科学计算，包括快速傅里叶变换和反变换(FFT和IFFT)，自功率谱测量和分析，随机相位调制, 闭环控制，系统管理。还有计算机之间的通讯，人机对话，实时图形显示等等。
有时乘坐公共汽车，在汽车上也在苦思冥想，为何输出的信号不合理，想到了可能有一处代码有误，下车就直奔实验室改进代码调试，当正确的数据显示出来的时候，获得的成就感直书脸颊。
那时国内没有像现在那么有钱。由于课题经费的限制，课题组无法购买昂贵的专用硬件FFT板卡（比如昂贵的专用DSP硬件），要求快速傅里叶变换（FFT）和反变换（IFFT）用软件实现。我一边看FFT的工作原理，一边用实时控制语言来开发FFT和IFFT的软件包。八十年代初专门用于加速复杂的浮点运算的数学协处理器（Intel 8087 math coprocessor）刚刚问世，中期引入中国。为了提高速度，我采用汇编语言直接底层操作 8087 协处理器的各个寄存器，尽量减少 CPU 访问内存的次数来优化代码，同时采用指令周期最短的指令。把FFT和IFFT的软件做成高级语言和汇编语言的混合体，开发了两种语言相互调用和参数传递的方法。还编写了利用计算机内部时钟测量程序运行时间的软件，由此可以观察到代码优化的效率，硬是一点一点地把运行FFT/IFFT的时间从200多毫秒、100多毫秒、直到打磨到最快的30-40毫秒。因为只有把 FFT/IFFT 的运行时间控制在30-40毫秒以内，振动台才能实时响应控制信号，整个系统才真正具备工程应用价值，从而满足了课题要求。
由此我写了一篇文章介绍这种汇编语言和高级计算机语言相互调用和参数传递，以及代码优化的方法，在国内一个科技杂志上刊登过。
前段时间看到外媒一篇报道，当下一些中国企业在面对高端芯片限制时，通过优化底层代码的方法，让低端芯片的性能几乎赶上高端芯片的性能。我常常会心一笑，那种用汇编语言直接操作寄存器优化代码，并使用指令周期最短的指令来提高芯片执行速度的方法，也许是国内那些企业采用的方法之一。
课题中涉及大量计算机的应用，比如异种机的通讯，软件测试，计算机内部时钟的使用，中断服务程序的开发，计算机内部芯片和接口电路的应用等等。对于这些技术我也写了一篇文章，被美国当年计算机应用的国际年会录用了，要求与会宣读论文。我们学校还有一篇文章也被那次会议录用，是我们学校计算机系系主任的文章。他听说我的文章也在其中，极为鼓励和表扬。
那时物质条件并不丰富。没有人干工作是为了钱。看到Y老师一位布衣学者，身负重任，统领"全军"，起早贪黑，反映了当时中国知识分子为国奉献的品质。课题组成员都努力工作，废饮忘食，知难而进。每个人都是为课题做出了很大的贡献。
这个科研项目终于研制成功了。看到振动台在我们的数字式随机振动控制系统发出的信号下振动时，大家都开心的笑了。这项科研成果获得部级二等奖。
当时学校规定，硕士生论文必须要有两位校外专家审阅。我的硕士生论文的校外专家之一是一位清华大学的试验力学教授。记得我的导师在我答辩前高兴地通知我，清华大学对我的硕士论文的评句写的比本校还好。他让我放心，答辩一定能取的好成绩。
这个项目锻炼了每一个人。此后Y老师又不断承担国家级项目，向科研高峰迈进。工厂派来的课题组成员Z（也是我的校友），后来成了他们大型企业的总工。计算机系负责实时操作系统应用的校友W，以后在美国成了这方面的专家，被很多公司请去办讲座，讲授实时控制操作系统。
我多年后在德国刚完成博士论文写作，就被一所德国大学的金属成型研究所（也有德国人说是欧洲最大，最先进的金属成型研究所）录用为全职研究工程师。该所让我负责德国奥迪汽车公司委托的一个科研项目。完成该项目需要用计算机成像，图像识别，曲线拟合，塑性力学理论等技术来做汽车部件的应力和应变分析，并指导冲压机器的调整，改进产品受力状况。也受益于国内那个科研项目打下的计算机应用基础。研究所的德国同事称每个负责课题的科研人员为Maschinenvater (机器之父)。他们也称我是为奥迪汽车公司研制出来的那台机器的"机器之父"。
也正是德国这个科研项目的成功，加拿大一家研究所才邀请我来到加国从事一个为美国三大汽车公司研制液压成型试验机科研项目的课题组长。这一来，开弓就没有回头箭了，那是后话。
时光荏苒，子在川上曰：“逝者如斯夫！不舍昼夜。“每每念及在林荫下与英文文献、计算机代码为伴的炎夏，心中总涌起一股泥土与草木的清香。现如今，异国他乡，回望那个科研项目，脑海中浮现最多的，仍是当年课题组长Y老师和同仁们顶风冒雨，布衣草帽、如“采茶人”般在数据中抽丝剥茧、在振动台的反馈信号中察言观色，“关山河渡“的身影。特赋“如梦令”一首，以志那段无悔的流年：
【如梦令】似水流年
(新韵)
文/万湖小舟
曾饮桑菊驱暑，
林下沉思独处。
又见采茶人，
草帽关山河渡
注目，
注目，
报喜那天十五。
相关阅读：
（孔湃乐Copilot制图）