Хендрик Уэйд Боде ( / ˈ b oʊ d i / BOH -dee , голландский: [ˈboːdə] ; [1] 24 декабря 1905 — 21 июня 1982) [1] был американским инженером, исследователем, изобретателем, автором и ученым голландского происхождения. Как пионер современной теории управления и электронных телекоммуникаций он произвел революцию как в содержании, так и в методологии своих избранных областей исследований. Его синергия с Клодом Шенноном , отцом теории информации , заложила основы технологической конвергенции Информационной эпохи .
Он внес важный вклад в проектирование, управление и контроль зенитных систем во время Второй мировой войны. Он помог разработать автоматическое артиллерийское оружие, которое защищало Лондон от летающих бомб V-1 во время Второй мировой войны . После войны Боде вместе со своим военным соперником Вернером фон Брауном , разработчиком ракеты V-2 , а позднее отцом космической программы США, были членами Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA), предшественника NASA . Во время холодной войны он внес вклад в проектирование и контроль ракет и противоракет . [2]
Он также внес важный вклад в теорию систем управления и математические инструменты для анализа устойчивости линейных систем , изобретя диаграммы Боде , запасы по усилению и фазе .
Боде был одним из величайших философов-инженеров своего времени. [3] Давно уважаемый в академических кругах по всему миру, [4] [5] он также широко известен современным студентам-инженерам, главным образом, за разработку асимптотического графика амплитуды и фазы , который носит его имя — графика Боде .
Его исследовательский вклад, в частности, был не только многомерным, но и далеко идущим, простирающимся вплоть до космической программы США . [6] [7] [8]
Боде родился в Мэдисоне, штат Висконсин . Его отец был профессором образования и преподавателем в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне к тому времени, когда юный Хендрик был готов к начальной школе. Он поступил в начальную школу Leal и быстро продвигался по школьной системе Урбаны, чтобы закончить среднюю школу в возрасте 14 лет. [1] [9]
Сразу после окончания средней школы он подал заявление на поступление в Иллинойсский университет, но ему отказали из-за его возраста. Спустя десятилетия, в 1977 году, тот же университет присвоил ему почетную степень доктора наук . [1]
В конце концов он подал заявление и был принят в Университет штата Огайо , где также преподавал его отец, и получил степень бакалавра в 1924 году, в возрасте 19 лет, и степень магистра в 1926 году, обе по математике. [10] После получения степени магистра он остался в своей альма-матер, работая помощником преподавателя , еще год. [1]
Сразу после окончания аспирантуры он был немедленно принят на работу в Bell Labs в Нью-Йорке, где начал свою карьеру в качестве разработчика электронных фильтров и эквалайзеров. [11] Впоследствии, в 1929 году, он был назначен в Группу математических исследований, [12] где он преуспел в исследованиях, связанных с теорией электронных сетей и ее применением в телекоммуникациях. При поддержке Bell Laboratories он снова поступил в аспирантуру, на этот раз в Колумбийском университете , и успешно закончил докторскую диссертацию по физике в 1935 году. [13] [14] [15]
В 1938 году [16] он разработал асимптотические графики фазы и амплитуды, теперь известные как графики Боде , которые наглядно отображали частотную характеристику систем. Его работа над автоматическими системами управления ( с обратной связью ) ввела инновационные методы в изучение устойчивости системы, которые позволили инженерам исследовать устойчивость во временной области, используя концепции усиления и запаса по фазе в частотной области , изучению которых способствовали его теперь знаменитые графики. [17] [16] По сути, его метод сделал устойчивость прозрачной как для временной, так и для частотной областей, и, кроме того, его анализ на основе частотной области был намного быстрее и проще, чем традиционный метод на основе временной области. Это предоставило инженерам быстрый и интуитивно понятный инструмент анализа устойчивости и проектирования систем, который широко используется и сегодня. Он, вместе с Гарри Найквистом , также разработал теоретические условия, применимые к устойчивости схем усилителей. [15]
С неумолимым началом Второй мировой войны Боде обратил свой взор на военное применение своих исследований систем управления, изменение направления, которое продлится в той или иной степени до конца его карьеры. Он пришел на службу своей стране, работая над проектом директора в Bell Labs [18] (финансируемым Национальным комитетом по оборонным исследованиям (NDRC) Раздел D-2), разрабатывая автоматические системы управления ПВО , в которых радиолокационная информация использовалась для предоставления данных о местоположении вражеского самолета, которые затем возвращались в сервомеханизмы зенитной артиллерии , обеспечивая автоматическое, дополненное радаром баллистическое отслеживание вражеских самолетов, [19] другими словами, автоматическое сбивание вражеских самолетов с помощью радара. Используемые серводвигатели имели как электрический, так и гидравлический привод, последний использовался в основном для позиционирования тяжелых зенитных орудий. [18]
Сигнал радара был зафиксирован на цели, и его данные передавались по беспроводной связи на наземный приемник, который был подключен к системе управления обратной связью сервомеханизма артиллерии, заставляя сервопривод точно изменять свое угловое положение и поддерживать его в течение оптимального периода времени, достаточного для стрельбы по рассчитанным (прогнозируемым) координатам цели и, таким образом, успешно отслеживать цель. [18]
Прогнозирование координат было функцией директора T-10, формы электрического компьютера, названного так потому, что он использовался для управления позиционированием пушки относительно воздушной цели. [18] Он также вычислял среднюю скорость цели на основе информации о местоположении, предоставленной радаром, и предсказывал будущее местоположение цели на основе ее предполагаемого уравнения траектории полета, обычно линейной функции времени. [18] Эта система функционировала как ранняя версия современной модели противоракетной обороны . [20] Статистический анализ также использовался для помощи в вычислении точного местоположения вражеского самолета и для сглаживания данных, полученных от цели из-за колебаний сигнала и шумовых эффектов. [18] [21]
Поэтому Боде реализовал первый беспроводной контур обратной связи в истории систем автоматического управления, объединив беспроводную передачу данных, электрические компьютеры, принципы статистики и теорию систем управления с обратной связью. Он проявил свое сухое чувство юмора, назвав эту междисциплинарную связь браком дробовика , [6] [22] ссылаясь на зенитную артиллерию , истоки его исторического изобретения, говоря: «Это, сказал я, был своего рода брак дробовика, навязанный нам давлением военных проблем во Второй мировой войне». Он также описал это далее как «своего рода „брак дробовика“ между двумя несовместимыми личностями» и охарактеризовал продукт этой связи как «сына брака дробовика». [23] [24] [25]
Продукт этого «брака», то есть автоматизированное артиллерийское орудие, также можно рассматривать как роботизированное оружие. Его функция требовала обработки данных, которые передавались по беспроводной связи на его датчики, и принятия решения на основе данных, полученных с помощью его бортового компьютера, о его выходе, определяемом как его угловое положение и время срабатывания его огневого механизма. В этой модели мы можем видеть все элементы более поздних концепций, таких как обработка данных , автоматизация , искусственный интеллект , кибернетика , робототехника и т. д.
Боде, кроме того, применил свои обширные навыки работы с усилителями обратной связи для проектирования сетей сглаживания целевых данных и предиктора положения улучшенной модели директора T-10, названной директором T-15 . Работа над директором T-15 была предпринята в рамках нового проекта в Bell Labs под названием «Фундаментальные исследования директора» в сотрудничестве с NDRC под руководством Уолтера Макнейра. [18]
NDRC, финансирующее этот проект агентство, работало под эгидой Управления научных исследований и разработок ( OSRD ). [26]
Его финансируемое NDRC исследование в Bell Labs по контракту с разделом D-2 (раздел систем управления) в конечном итоге привело к другим важным разработкам в смежных областях и заложило краеугольный камень для многих современных изобретений. В области теории управления , например, оно помогло в дальнейшем развитии проектирования и управления сервомеханизмами, важнейшего компонента современной робототехники . Разработка теории беспроводной передачи данных Боде привела к более поздним изобретениям, таким как мобильные телефоны и беспроводные сети .
Причиной нового проекта было то, что директор Т-10 столкнулся с трудностями в вычислении скорости цели путем дифференциации положения цели. Из-за разрывов , вариаций и шума в сигнале радара производные положения иногда сильно колебались, и это вызывало беспорядочное движение в сервомеханизмах пушки, поскольку их управляющий сигнал был основан на значении производных. [18] Это можно было смягчить путем сглаживания или усреднения данных, но это вызывало задержки в контуре обратной связи, что позволяло цели уйти. [18] Кроме того, алгоритмы директора Т-10 требовали ряда преобразований из декартовых (прямоугольных) в полярные координаты и обратно в декартовы, процесс, который вносил дополнительные ошибки отслеживания . [18]
Боде разработал сети вычисления скорости директора T-15, применив метод конечных разностей вместо дифференциации . [18] В этой схеме целевые позиционные координаты хранились в механической памяти, обычно потенциометре или кулачке . [18] Затем скорость вычислялась путем взятия разницы между координатами текущего положения и координатами предыдущего считывания, которые хранились в памяти, и деления на разницу их соответствующих времен. [18] Этот метод был более надежным, чем метод дифференциации, и он также сглаживал возмущения сигнала, поскольку конечный размер временного шага был менее чувствителен к случайным импульсам сигнала ( пикам ). [18] Он также впервые представил алгоритм, лучше подходящий для современной теории цифровой обработки сигналов , чем для классического подхода к аналоговой обработке сигналов, основанного на исчислении , который использовался тогда. Неслучайно он является неотъемлемой частью современной теории цифрового управления и цифровой обработки сигналов и известен как алгоритм обратной разности . [27] Кроме того, директор Т-15 работал только в прямоугольных координатах, тем самым устраняя ошибки, связанные с преобразованием координат . Эти нововведения в конструкции принесли дивиденды производительности, и директор Т-15 был в два раза точнее своего предшественника и сходился к цели в два раза быстрее. [18]
Реализация алгоритма управления огнем в ходе его исследований в области артиллерийского проектирования и его обширная работа с усилителями с обратной связью продвинули вперед современный уровень вычислительных методов и привели к окончательной разработке электронного аналогового компьютера [28] , альтернативы современным цифровым компьютерам на основе операционного усилителя .
Подобные изобретения, несмотря на то, что они возникли в результате военных исследований, оказали глубокое и долгосрочное влияние на гражданскую сферу.
Автоматизированные зенитные орудия, которые Боде помог разработать, успешно применялись во многих случаях во время войны. В феврале 1944 года автоматизированная система управления огнем, основанная на более ранней версии директора Т-15, названная Bell Labs директором Т-10 или военными директором М-9, впервые приняла участие в боевых действиях в Анцио , Италия, где она помогла сбить более ста вражеских самолетов. В день Д 39 подразделений были развернуты в Нормандии для защиты союзных вторгшихся сил от гитлеровских Люфтваффе . [18]
Возможно, угроза, наиболее подходящая для технических требований к проектированию такой автоматизированной артиллерийской системы, появилась в июне 1944 года. Это был другой робот. Немецкие авиационные инженеры при поддержке Вернера фон Брауна создали собственного робота: летающую бомбу V-1 , автоматически управляемую бомбу, широко считающуюся предшественником крылатой ракеты . [29] [30] Ее летные характеристики почти идеально соответствовали критериям проектирования цели директора Т-10, то есть самолета, летящего прямо и горизонтально с постоянной скоростью, [18] другими словами, цели, хорошо соответствующей вычислительным возможностям линейной предсказательной модели, такой как директор Т-10. Хотя у немцев был трюк в рукаве инженеров, заставив бомбу лететь быстро и низко, чтобы уклониться от радаров, метод, широко используемый даже сегодня. Во время Лондонского блица сто 90-мм автоматизированных артиллерийских установок при поддержке директора Т-10 были установлены по периметру к югу от Лондона по особой просьбе Уинстона Черчилля . В состав зенитных ракетных установок входили радар SCR-584, разработанный в лаборатории радиации Массачусетского технологического института , и механизм бесконтактного взрывателя , разработанный Мерлом Туве и его специальным подразделением T в NDRC [18] , который взрывался вблизи цели с использованием микроволнового управляемого взрывателя, называемого VT, или взрывателя с переменным временем, что позволяло расширить зону досягаемости детонации и повысить шансы на успешный исход. В период с 18 июня по 17 июля 1944 года было сбито 343 бомбы V-1, или 10% от общего числа V-1, отправленных немцами, и около 20% от общего числа сбитых бомб V-1. С 17 июля по 31 августа число сбитых автоматическими пушками ракет возросло до 1286 ракет V-1, или 34% от общего числа V-1, отправленных из Германии, и 50% от числа V-1, фактически сбитых над Лондоном. [18] Из этой статистики видно, что автоматизированные системы, которые Боде помог разработать, оказали значительное влияние на решающие сражения Второй мировой войны . [31] Также можно увидеть, что Лондон во время Блица стал , помимо прочего, первым полем боя роботов.
В 1945 году, когда война подходила к концу, NDRC выпускал сводку технических отчетов в качестве прелюдии к своему окончательному закрытию. Внутри тома по управлению огнем специальное эссе под названием « Сглаживание и прогнозирование данных в системах управления огнем» , написанное в соавторстве с Ральфом Бибом Блэкманом , Хендриком Боде и Клодом Шенноном , официально представило проблему управления огнем как особый случай передачи, манипулирования и использования разведданных , [18] [21] другими словами, оно смоделировало проблему в терминах обработки данных и сигналов и, таким образом, возвестило о наступлении информационной эпохи . Шеннон, которого считают отцом теории информации , находился под большим влиянием этой работы. [18] Очевидно, что технологической конвергенции информационной эпохи предшествовала синергия между этими научными умами и их соавторами.
В 1944 году Боде был назначен руководителем математической исследовательской группы в Bell Laboratories. [32]
Его работа над электронными коммуникациями, особенно над проектированием фильтров и эквалайзеров, [33] продолжалась в это время. В 1945 году она достигла кульминации в публикации его книги под названием Network Analysis and Feedback Amplifier Design , [34] которая считается классикой в области электронных телекоммуникаций и широко использовалась в качестве учебника для многих аспирантских программ в различных университетах, а также для внутренних учебных курсов в Bell Labs. [35] Он также был плодовитым автором многих исследовательских работ, которые были опубликованы в престижных научных и технических журналах .
В 1948 году президент Гарри С. Трумэн наградил его Президентской грамотой за заслуги в знак признания его выдающегося научного вклада в военные действия и развитие Соединенных Штатов Америки. [14]
Когда война подошла к концу, его исследовательский фокус сместился, включив не только военные, но и гражданские исследовательские проекты. В военной сфере он продолжал заниматься исследованиями баллистических ракет, включая исследования противоракетной обороны и связанных с ней вычислительных алгоритмов , а в гражданской сфере он сосредоточился на современной теории связи. На послевоенном военном исследовательском фронте он работал над проектом ракеты Nike Zeus в составе команды Douglas Aircraft , [15] а затем над проектированием противоракет . [2]
В 1952 году он был повышен до должности директора по математическим исследованиям в Bell Labs . В 1955 году он стал директором по исследованиям в области физических наук и оставался там до 1958 года, когда его снова повысили до должности одного из двух вице-президентов, отвечающих за военные разработки и системную инженерию, и он занимал эту должность вплоть до выхода на пенсию. [10] [15] Он также стал директором Bellcomm, компании, связанной с программой Apollo . [15]
Его прикладные исследования в Bell Labs на протяжении многих лет привели к многочисленным запатентованным изобретениям, некоторые из которых были зарегистрированы на его имя. К моменту выхода на пенсию он имел в общей сложности 25 патентов в различных областях электротехники и коммуникационной техники, включая усилители сигналов и системы управления артиллерией . [1]
Он ушел из Bell Labs в октябре 1967 года в возрасте 61 года, положив конец сотрудничеству, которое длилось более четырех десятилетий и изменило облик многих основных элементов современной инженерии.
Вскоре после выхода на пенсию Боде был избран на академически престижную должность профессора системной инженерии имени Гордона Маккея в Гарвардском университете . [36]
Во время своей работы там он занимался исследованиями в области военных алгоритмов принятия решений и методов оптимизации , основанных на стохастических процессах , которые считаются предшественниками современной нечеткой логики . [37] Он также изучал влияние технологий на современное общество и преподавал курсы по той же теме на семинаре по науке и государственной политике Гарвардского университета, одновременно руководя и обучая студентов бакалавриата и магистратуры в отделении инженерии и прикладной физики. [36]
Хотя его профессорские обязанности требовали от него много времени, он внимательно следил за тем, чтобы оставить свое исследовательское наследие. Одновременно он работал над новой книгой, в которой излагался его обширный опыт в качестве исследователя в Bell Labs, которую он опубликовал в 1971 году под названием Synergy: Technical Integration and Technological Innovation in the Bell System . [38] Используя термины, легко доступные даже неспециалистам, он проанализировал и расширил технические и философские аспекты системной инженерии, практикуемые в Bell Labs. [38] Он объяснил, как, казалось бы, разные области инженерии сливаются, руководствуясь необходимостью потока информации между компонентами системы, которые выходят за рамки ранее четко определенных границ, и таким образом он познакомил нас со сменой технологической парадигмы . [39] Как ясно из названия книги, а также из ее содержания, он стал одним из первых представителей технологической конвергенции , инфометрии и обработки информации еще до того, как эти термины появились.
В 1974 году он вышел на пенсию во второй раз, и Гарвард присвоил ему почетную должность профессора-эмерита . Тем не менее, он сохранил свой офис в Гарварде и продолжил работать оттуда, в основном в качестве советника правительства по вопросам политики. [10]
Боде получил награды, почести и профессиональные отличия.
В 1960 году он получил премию Эрнеста Орландо Лоуренса . [40]
В 1969 году IEEE наградил его знаменитой медалью Эдисона за « фундаментальный вклад в искусство коммуникации, вычислений и управления; за лидерство в применении математической науки к решению инженерных проблем; и за руководство и творческие советы в области системной инженерии » [1] , что красноречиво суммировало широкий спектр его новаторского вклада в инженерную науку и прикладную математику как исследователя, а также в общество как консультанта и профессора.
В 1975 году Американское общество инженеров-механиков наградило его медалью Руфуса Олденбургера со следующей формулировкой: « В знак признания его достижений в развитии науки и техники автоматического управления и, в частности, за разработку методов частотной области, которые широко используются при проектировании систем управления с обратной связью » . [41] [1] [42]
В 1979 году он стал первым обладателем премии Ричарда Э. Беллмана Control Heritage Award от Американского совета по автоматическому управлению . [43] Эта награда присуждается исследователям с «выдающимся вкладом в теорию или применение автоматического управления », и «это высшее признание профессиональных достижений для инженеров и ученых в области систем управления США ». [44]
Посмертно , в 1989 году, Общество систем управления IEEE учредило премию имени Хендрика В. Боде в целях: признания выдающегося вклада в науку или технику систем управления. [45]
Он также был членом или членом ряда научных и инженерных обществ, таких как IEEE , Американское физическое общество , Общество промышленной и прикладной математики и Американская академия искусств и наук , независимая американская академия, которая не является частью Национальных академий США . [46]
В 1957 году он был избран членом Национальной академии наук [46], старейшей и самой престижной Национальной академии США, основанной в разгар Гражданской войны , в 1863 году, тогдашним президентом Авраамом Линкольном .
С 1967 по 1971 год он был членом Совета Национальной академии наук. В то же время он был представителем инженерной секции Академии в Комитете по науке и общественной политике (COSPUP).
Будучи глубоким мыслителем и ярким писателем, он внес значительный вклад в три важных исследования COSPUP: «Базовые исследования и национальные цели» (1965) , «Прикладная наука и технический прогресс» (1967) и «Технологии: процессы оценки и выбора» (1969) . Эти исследования имели дополнительное отличие в том, что были первыми, когда-либо подготовленными Академией для Законодательной ветви власти , или, более конкретно, для Комитета по науке и астронавтике Палаты представителей США , [10] таким образом выполняя мандат Академии, согласно ее Уставу, как консультативного органа при правительстве США .
Предшественником NASA было NACA. Специальный комитет NACA по космическим технологиям, также называемый Комитетом Стевера, в честь его председателя Гайфорда Стевера , был специальным руководящим комитетом, который был сформирован с мандатом на координацию различных ветвей федерального правительства, частных компаний, а также университетов в Соединенных Штатах с целями NACA, а также на использование их опыта для разработки космической программы. [7] В состав комитета входили: Боде и Вернер фон Браун, отец космической программы США. [6] [7]
Историческая ирония заключается в том, что Хендрик Уэйд Боде, человек, который помог разработать роботизированное оружие, сбившее нацистские летающие бомбы V-1 над Лондоном во время Второй мировой войны, на самом деле работал в том же комитете и сидел за тем же столом, что и Вернер фон Браун, работавший над разработкой V-1, и был главой команды, которая разработала V-2 — оружие, терроризировавшее Лондон. [29] [30] [31]
Боде был заядлым читателем в свободное время. [14] Он также написал в соавторстве со своей женой Барбарой вымышленную историю Counting House , которая была опубликована журналом Harper's Magazine в августе 1936 года. [47] Боде также любил кататься на лодке . В начале своей карьеры, работая в Bell Labs в Нью-Йорке, он плавал на лодке по проливу Лонг-Айленд . [14] После Второй мировой войны он исследовал верховья Чесапикского залива недалеко от восточного побережья Мэриленда с помощью переоборудованного излишнего десантного судна ( LCT ), которое он купил. [14] Он также любил садоводство и проекты «сделай сам» . [14] Он был женат на Барбаре Боде ( урожденной Пур). У них было двое детей: доктор Кэтрин Боде Дарлингтон и миссис Энн Хэтэуэй Боде Аарнес. [10] [14]
Боде, несмотря на все высокие награды, которые он получил от академических кругов и правительства, не почивал на лаврах. Он считал, что инженерия как институт заслуживает места в Пантеоне академических кругов так же, как и наука. С типичной инженерной находчивостью он решил проблему, помогая создать еще одну академию. [ тон ] [ необходима цитата ]
Он входит в число основателей и является постоянным членом Национальной инженерной академии , [48] [49] , которая была создана в декабре 1964 года, став второй Национальной академией США за 101 год с момента создания первой, и которая теперь является частью Национальных академий США . [50]
Таким образом, он помог сублимировать вековые дебаты инженеров против ученых и возвысил их до дебатов между учеными. [ тон ] [ необходима цитата ] Это тонкое, но в то же время мощное символическое достижение составляет убедительную часть его наследия. [ тон ] [ необходима цитата ]
Хендрик Уэйд Боде умер в возрасте 76 лет в своем доме в Кембридже, штат Массачусетс .
Патентное ведомство США выдало Боде двадцать пять патентов на его изобретения. Патенты охватывали такие области, как сети передачи данных , электронные фильтры , усилители, усредняющие механизмы, сети сглаживания данных и артиллерийские компьютеры.
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )Это, как я сказал, был своего рода брак по принципу дробовика, навязанный нам давлением военных проблем Второй мировой войны.
Боде охарактеризовал этот кроссовер методов проектирования систем управления как «сын брака по принципу дробовика».
Боде описал получившуюся смесь как «своего рода «брак под дулом пистолета» между двумя несовместимыми личностями».
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )Это было начало нового мира, поскольку на заседаниях этого комитета фон Браун, создатель нацистских ракет, сидел за столом напротив Хендрика Уэйда Боде, создателя британского автоматического артиллерийского робота, который сбивал те самые ракеты.
Уэйд Боде, инженер-исследователь, родился в Мэдисоне, штат Висконсин, 24 декабря 1905 г. Он получил степень бакалавра ... Доктор Боде имеет патенты в области теории электрических цепей и военных устройств. Он является автором книги ... Он получил премию Эрнеста Орландо Лоуренса в 1960 г.
Ссылка на ХЕНДРИКА УЭЙДА БОДА: «В знак признания его достижений в развитии науки и техники автоматического управления и, в частности, за его разработку методов частотной области, которые широко используются при проектировании систем управления с обратной связью».
Следующие лица названы в качестве членов-основателей Академии: Хендрик Уэйд Боде, Уокер Ли Сислер, Хью Латимер Драйден, Элмер Уильям Энгстром, Уильям Литтел Эверитт, Антуан Марк Годен, Майкл Лоуренс Хайдер, ...