Хендрик Уэйд Боде ( / ˈ b oʊ d i / boh-dee ; нидерландский: [ˈbodə] ; [1] 24 декабря 1905 – 21 июня 1982) [1] был американским инженером, исследователем, изобретателем, автором и учёным, голландского происхождения. Будучи пионером современной теории управления и электронных телекоммуникаций, он произвел революцию как в содержании, так и в методологии выбранных им областей исследований. Его сотрудничество с Клодом Шенноном , отцом теории информации , заложило основы технологической конвергенции информационного века .
Он внес важный вклад в проектирование, наведение и управление зенитными системами во время Второй мировой войны. Он участвовал в разработке автоматического артиллерийского оружия, которое защищало Лондон от летающих бомб Фау-1 во время Второй мировой войны . После войны Боде вместе со своим военным соперником Вернером фон Брауном , разработчиком ракеты Фау-2 , а позже и отцом космической программы США, входил в состав Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA), предшественника НАСА . Во время Холодной войны он участвовал в разработке и управлении ракетами и противоракетами . [2]
Он также внес важный вклад в теорию систем управления и математические инструменты для анализа устойчивости линейных систем , изобретая графики Боде , запас усиления и запас по фазе .
Боде был одним из величайших инженерных философов своей эпохи. [3] Давно уважаемый в академических кругах по всему миру, [4] [5] он также широко известен современным студентам-инженерам, главным образом, за разработку асимптотического модуля и фазового графика, носящего его имя, графика Боде .
В частности, его исследовательский вклад был не только многоплановым, но и далеко идущим, вплоть до космической программы США . [6] [7] [8]
Боде родился в Мэдисоне, штат Висконсин . Его отец был профессором педагогики и преподавателем в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн к тому времени, когда юный Хендрик был готов пойти в начальную школу. Он поступил в начальную школу Леал и быстро продвинулся по школьной системе Урбаны и окончил среднюю школу в возрасте 14 лет. [1] [9]
Сразу после окончания средней школы он подал заявление о поступлении в Университет Иллинойса, но ему было отказано из-за возраста. Десятилетия спустя, в 1977 году, тот же университет присвоит ему почетную степень доктора философии. степень. [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, оба по математике. [10] После получения степени магистра он остался в своей альма-матер, работая ассистентом преподавателя , еще на год. [1]
Сразу после окончания аспирантуры он был сразу же 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 Колумбийский университет , и успешно защитил докторскую диссертацию по физике в 1935 году .
В 1938 году [16] он разработал асимптотические графики фазы и величины, теперь известные как графики Боде , которые четко отображали частотную характеристику систем. Его работа над системами автоматического управления ( с обратной связью ) представила инновационные методы исследования стабильности системы, которые позволили инженерам исследовать стабильность во временной области, используя концепции коэффициента усиления и запаса по фазе в частотной области , изучению которых способствовали его теперь знаменитые графики. . [17] [16] По сути, его метод сделал стабильность прозрачной как для временной, так и для частотной области, 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 для анализа стабильности и проектирования систем, который широко используется и сегодня. Он вместе с Гарри Найквистом также разработал теоретические условия, применимые к стабильности цепей усилителей. [15]
С неумолимым началом Второй мировой войны Боде обратил внимание на военное применение своих исследований систем управления, и это изменение направления продлилось 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 оборонных исследований (NDRC) Секция D-2) по разработке автоматических систем зенитного управления, в рамках которых радиолокационная информация использовалась для предоставлять данные о местонахождении самолета противника, которые затем передавались на сервомеханизмы зенитной артиллерии , обеспечивая возможность автоматического, радиолокационного баллистического сопровождения самолетов противника, [19] иными словами, автоматического сбивания самолетов противника с помощью радара. Используемые серводвигатели имели как электрический, так и гидравлический привод, причем последний использовался в основном для позиционирования тяжелых зенитных орудий. [18]
Радиолокационный сигнал фиксировался на цели, а его данные передавались по беспроводной сети на наземный приемник, который был подключен к системе управления с обратной связью артиллерийского сервомеханизма, заставляя сервопривод точно изменять свое угловое положение и поддерживать его в течение оптимального времени, достаточно долгого. вести огонь по рассчитанным (прогнозируемым) координатам цели и таким образом успешно сопровождать цель. [18]
Прогнозирование координат было функцией директора Т-10, разновидности электрического компьютера, названного так потому, что он использовался для определения положения орудия относительно воздушной цели. [18] Он также рассчитал среднюю скорость цели на основе информации о местоположении, предоставленной радаром, и спрогнозировал будущее местоположение цели на основе 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 расчета точного положения самолета противника и сглаживания данных, полученных от цели, из-за колебаний сигнала и шумовых эффектов. [18] [21]
Таким образом, Боде реализовал первую в истории систем автоматического управления петлю обратной связи по беспроводным данным, объединив беспроводную передачу данных, электрические компьютеры, принципы статистики и теорию систем управления с обратной связью. Он продемонстрировал свое сухое чувство юмора, назвав эту междисциплинарную связь браком с дробовиком , [6] [22] ссылаясь на происхождение своего исторического изобретения в области зенитной артиллерии , сказав: «Это, как я сказал, был своего рода браком с дробовиком, навязанным нам под давлением военных проблем во Второй мировой войне». Он также описал это как «своего рода «брак на дробовике» между двумя несовместимыми личностями» и охарактеризовал продукт этой связи как «сын брака на дробовике». [23] [24] [25]
Продукт этого «брака», то есть автоматизированную артиллерийскую пушку, также можно рассматривать как роботизированное оружие. Его функция заключалась в обработке данных, передаваемых по беспроводной сети на его датчики, и на основе данных, полученных с помощью бортового компьютера, принятия решения о его выходных данных, определяемых как его угловое положение и время срабатывания ударно-спускового механизма. В этой модели мы можем увидеть 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 с обратной связью для разработки сетей сглаживания целевых данных и прогнозирования положения улучшенной модели директора Т-10, названной директором Т-15 . Работа над директором Т-15 велась в рамках нового проекта Bell Labs под названием « Фундаментальные исследования директора» в сотрудничестве с NDRC под руководством Уолтера Макнейра. [18]
NDRC, финансирующее агентство этого проекта, действовало под эгидой Управления научных исследований и разработок ( OSRD ). [26]
Его исследования в Bell Labs, финансируемые NDRC, в рамках контракта по разделу D-2 (раздел систем управления) в конечном итоге привели к другим важным разработкам в смежных областях и заложили краеугольный камень для многих современных изобретений. Например, в области теории управления это помогло дальнейшему развитию проектирования и управления сервомеханизмами, важнейшим компонентом современной робототехники . Развитие теории беспроводной передачи данных Боде привело к более поздним изобретениям, таким как мобильные телефоны и беспроводные сети .
Причиной нового проекта стало то, что директор Т-10 столкнулся с трудностями при расчете скорости цели путем дифференцирования положения цели. Из-за разрывов , изменений и шума в радиолокационном сигнале производные положения иногда сильно колебались, и это вызывало беспорядочное движение сервомеханизмов пушки, поскольку их управляющий сигнал основывался на значении производных. [18] Это можно было смягчить, сглаживая или усредняя данные, но это приводило к задержкам в контуре обратной связи, который позволял цели ускользнуть. [18] Кроме того, алгоритмы директора Т-10 требовали ряда преобразований из декартовых (прямоугольных) координат в полярные и обратно в декартовы, и этот процесс вносил дополнительные ошибки отслеживания . [18]
Боде спроектировал сети вычисления скорости директора Т-15, применив метод конечных разностей вместо дифференцирования . [18] Согласно этой схеме координаты положения цели сохранялись в механической памяти, обычно в потенциометре или кулачке . [18] Затем скорость рассчитывалась путем взятия разницы между координатами текущего положения и координатами предыдущего показания, которые были сохранены в памяти, и деления на разницу их соответствующих времен. [18] Этот метод был более надежным, чем метод дифференцирования, а также сглаживал помехи сигнала, поскольку конечный размер временного шага был менее чувствителен к случайным импульсам сигнала ( всплескам ). [18] Он также впервые представил алгоритм, лучше подходящий для современной теории цифровой обработки сигналов, а не для классического подхода к аналоговой обработке сигналов, основанного на исчислении , который использовался тогда. Не случайно 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, что исключало ошибки, связанные с преобразованием координат . Эти конструктивные новшества принесли дивиденды в производительности, и директорный Т-15 был в два раза точнее своего предшественника и в два раза быстрее приближался к цели. [18]
Реализация алгоритма управления огнем в результате его исследований по проектированию артиллерии и его обширная работа с усилителями с обратной связью продвинули современное состояние вычислительных методов и привели в конечном итоге к разработке электронного аналогового компьютера , [28] альтернативы сегодняшним цифровым компьютерам на основе операционного усилителя . .
Подобные изобретения, несмотря на их военное исследовательское происхождение, оказали глубокое и продолжительное влияние на гражданскую сферу.
Автоматизированные зенитные орудия, в разработке которых участвовал Боде, неоднократно успешно использовались 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 директором М-9 военными, впервые была задействована в Анцио , Италия. где помог сбить более ста самолетов противника. В день «Д» 39 подразделений были развернуты в Нормандии для защиты союзных сил вторжения от гитлеровских Люфтваффе . [18]
Вероятно, угроза, наиболее подходящая для конструктивных особенностей такой автоматизированной артиллерийской системы, появилась в июне 1944 года. Это был еще один робот. Немецкие авиационные инженеры при поддержке Вернера фон Брауна создали собственного робота: летающую бомбу Фау-1 , бомбу с автоматическим наведением, которая широко считается предшественником крылатой ракеты . [29] [30] Его летные характеристики почти идеально соответствовали критериям проектирования цели, заданным директором Т-10, а именно самолету, летящему прямо и горизонтально с постоянной скоростью, [18] другими словами, цель, хорошо соответствующая вычислительным возможностям линейного самолета. модель-предиктор, такая как директор Т-10. Хотя у немцев была в запасе инженерная хитрость, заставившая бомбу лететь быстро и низко, чтобы уклониться от радаров, этот метод широко применяется даже сегодня. Во время лондонского блиц-арта по специальному требованию Уинстона Черчилля по периметру к югу от Лондона были выставлены сто 90-мм автоматических артиллерийских установок при содействии директора Т-10 . В состав зенитных установок входили радар SCR-584, произведенный Радиационной лабораторией Массачусетского технологического института, и механизм неконтактного взрывателя , разработанный Мерлем Тювом и его специальным отделом Т в NDRC [18] , который взрывался вблизи цели с помощью взрывателя, управляемого микроволновым излучением, называемого VT, или взрыватель с регулируемым временем действия, обеспечивающий большую зону детонации и увеличивающий шансы на успешный исход. С 18 июня по 17 июля 1944 г. было сбито 343 бомбы Фау-1, или 10% от общего количества отправленных немцами Фау-1 и около 20% от общего количества сбитых бомб Фау-1. С 17 июля по 31 августа количество сбитых из автоматического оружия ракет Фау-1 выросло до 1286, или 34% от общего количества Фау-1, отправленных из Германии, и 50% фактически сбитых Фау-1 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 , среди прочего, оригинальным полем битвы роботов.
В 1945 году, когда война уже заканчивалась, NDRC выпускал сводку технических отчетов в качестве прелюдии к своему окончательному закрытию. Внутри тома, посвященного управлению огнем, есть специальное эссе под названием « Сглаживание и прогнозирование данных в системах управления огнем» , написанное в соавторстве с Ральфом Бибом Блэкманом , Хендриком Боде и Клодом Шенноном , формально представляющее проблему управления огнем как особый случай передачи, манипулирования и использования. интеллекта , [18] [21] другими словами, он смоделировал проблему с точки зрения обработки данных и сигналов и, таким образом, провозгласил наступление информационной эпохи . Эта работа оказала большое влияние на Шеннона, считающегося отцом теории информации . [18] Очевидно, что технологической конвергенции информационного века предшествовала синергия между этими научными умами и их сотрудниками.
В 1944 году Боде был назначен руководителем группы математических исследований в Bell Laboratories. [32]
В это время продолжалась его работа над электронными коммуникациями, особенно над дизайном фильтров и эквалайзеров [33] . В 1945 году это завершилось публикацией его книги под названием « Сетевой анализ и проектирование усилителя обратной связи» [34] , которая считается классической в области электронных телекоммуникаций и широко использовалась в качестве учебника для многих аспирантур в различных университетах. а также на внутренние курсы обучения 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 Почетной грамотой в знак признания его выдающегося научного вклада в военные усилия и в развитие Соединенных Штатов Америки. [14]
Когда война подошла к концу, его исследовательская деятельность сместилась и теперь включает не только военные, но и гражданские исследовательские проекты. В военной сфере он продолжал заниматься исследованиями в области баллистических ракет, включая исследования в области противоракетной обороны и связанных с ними вычислительных алгоритмов , а в гражданской сфере он сосредоточился на современной теории связи. На послевоенном фронте военных исследований он работал над проектом ракеты Nike Zeus в составе команды Douglas Aircraft , [15] и позже над проектированием противоракет . [2]
В 1952 году его повысили до уровня директора математических исследований 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 одного из двух вице-президентов, отвечающих за военное развитие и системную инженерию, и эту должность он занимал до выхода на пенсию. [10] [15] Он также стал директором Bellcomm, компании, связанной с программой «Аполлон» . [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 связи, 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 Гордона Маккея в Гарвардском университете . [36]
Во время своего пребывания там он занимался исследованием алгоритмов принятия военных решений и методов оптимизации , основанных на случайных процессах , которые считаются предшественниками современной нечеткой логики . [37] Он также изучал влияние технологий на современное общество и преподавал курсы по тому же предмету на Гарвардском семинаре по науке и государственной политике, одновременно руководя и обучая студентов и аспирантов на факультете инженерии и прикладной физики. [36]
Хотя его профессорские обязанности отнимали у него много времени, он внимательно следил за тем, чтобы оставить свое исследовательское наследие. Одновременно он работал над новой книгой, в которой излагал свой обширный опыт исследователя в Bell Labs, которую он опубликовал в 1971 году под названием « Синергия: техническая интеграция и технологические инновации в системе Bell» . [38] Используя термины, доступные даже непрофессионалам, он проанализировал и расширил технические и философские аспекты системной инженерии, практикуемые в Bell Labs. [38] Он объяснил, как, казалось бы, различные области инженерии сливаются, руководствуясь необходимостью потока информации между компонентами системы, выходящего за ранее четко определенные границы, и, таким образом, он познакомил нас со сдвигом технологической парадигмы . [39] Как ясно из названия книги, а также ее содержания, он стал одним из первых сторонников технологической конвергенции , инфометрики и обработки информации еще до того, как эти термины появились.
В 1974 году он во второй раз вышел на пенсию, и Гарвард присвоил ему почетное звание почетного профессора . Тем не менее он сохранил свой офис в Гарварде и продолжал работать оттуда, в основном в качестве советника правительства по политическим вопросам. [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 связи, вычислений и управления; за лидерство в использовании математической науки для решения инженерных проблем; а также за руководство и творческий совет в области системной инженерии » [1]. дань уважения, которая красноречиво суммировала широкий спектр его новаторского вклада в инженерные науки и прикладную математику как исследователя, а также в общество как советника и профессора.
В 1975 году Американское общество инженеров-механиков наградило его медалью Руфуса Ольденбургера со ссылкой: « В знак признания его достижений в развитии науки и техники автоматического управления и особенно за разработку методов частотной области, которые широко используются при разработке обратной связи. системы управления » [41] [1] [42]
В 1979 году он стал первым лауреатом премии Ричарда Э. Беллмана Control Heritage Award от Американского совета по автоматическому управлению . [43] Награда вручается исследователям с «выдающимся карьерным вкладом в теорию или применение автоматического управления », и «это высшее признание профессиональных достижений американских инженеров и ученых по системам управления ». [44]
Посмертно , в 1989 году, Общество систем управления IEEE учредило премию Хендрика В. Боде за лекции в целях: признания выдающегося вклада в науку и технику систем управления. [45]
Он также был членом или научным сотрудником 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, не являющаяся частью Национальные академии США . [46]
В 1957 году он был избран членом Национальной академии наук , [46] старейшей и самой престижной Национальной академии США, созданной в разгар Гражданской войны , в 1863 году, тогдашним президентом Авраамом Линкольном .
С 1967 по 1971 год он был членом Совета Национальной академии наук. Одновременно он был представителем инженерного отдела Академии в Комитете по науке и государственной политике (КОСППУП).
Будучи глубоким мыслителем и ярким писателем, он внес значительный вклад в три важных исследования COSPUP: « Фундаментальные исследования и национальные цели» (1965) , «Прикладная наука и технологический прогресс» (1967) и «Технологии: процессы оценки и выбора» (1969) . Эти исследования имели дополнительную особенность: они были первыми в истории, подготовленными Академией для законодательной власти или, более конкретно, для Комитета по науке и астронавтике Палаты представителей США , [ 10] тем самым выполняя мандат Академии в рамках ее Хартия как консультативный орган при правительстве США .
Предшественником НАСА было NACA. Специальный комитет NACA по космическим технологиям, также называемый Комитетом Стива, в честь его председателя Гайфорда Стива , был специальным руководящим комитетом, который был сформирован с мандатом координировать различные ветви федерального правительства, частные компании, а также университеты в Соединенных Штатах. с целями NACA, а также использовать свой опыт для разработки космической программы. [7] В состав комитета входили: Боде и Вернер фон Браун, отец космической программы США. [6] [7]
Историческая ирония состоит в том, что Хендрик Уэйд Боде, человек, который участвовал в разработке роботизированного оружия, сбившего нацистские летающие бомбы Фау-1 над Лондоном во время Второй мировой войны, на самом деле работал в том же комитете и сидел за одним столом с Вернером. фон Браун, который работал над разработкой Фау-1 и был руководителем группы, разработавшей Фау-2, оружие, терроризировавшее Лондон. [29] [30] [31]
В свободное время Боде был заядлым читателем. [14] Он также написал в соавторстве со своей женой Барбарой вымышленный рассказ « Счетный дом» , который был опубликован 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 берега Мэриленда с помощью переоборудованного десантного корабля ( LCT ) , который он купил. [14] Ему также нравилось заниматься садоводством и проектами «сделай сам» . [14] Он был женат на Барбаре Боде ( урожденной Пур). Вместе у них было двое детей: доктор Кэтрин Боуд Дарлингтон и миссис Энн Хэтэуэй Боде Аарнс. [10] [14]
Боде, несмотря на все высокие награды, которые он получил как от академических кругов, так и от правительства, не почивал на лаврах. Он считал, что инженерное дело как институт заслуживает места в пантеоне академических кругов так же, как и наука. С типичной инженерной изобретательностью он решил проблему, помогая создать еще одну академию. [ тон ] [ нужна ссылка ]
Он входит в число основателей и был постоянным членом Национальной инженерной академии , [48] [49] , созданной в декабре 1964 года, всего лишь второй Национальной академии 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 превратил их в дебаты между учеными. [ тон ] [ нужна цитата ] Это тонкое, но в то же время мощное символическое достижение составляет неотъемлемую часть его наследия. [ тон ] [ нужна ссылка ]
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, механизмы усреднения, сети сглаживания данных и артиллерийские компьютеры.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )Я сказал, что это был своего рода брак по принципу дробовика, навязанный нам давлением военных проблем во Второй мировой войне.
Боде охарактеризовал это сочетание методов проектирования систем управления как «сын дробового брака».
Боде описал получившуюся смесь как «своего рода «брак дробовика» между двумя несовместимыми личностями».
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )Это был рассвет 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.
Хендрик Уэйд Боде, инженер-исследователь, родился в Мэдисоне, штат Висконсин, 24 декабря 1905 года. Он получил степень бакалавра… Доктор Боде является обладателем патентов в области теории электрических цепей и военных устройств. Он автор книги... Он получил премию Эрнеста Орландо Лоуренса в 1960 году.
Цитирование ХЕНДРИКА УЕЙДА БОДЕ: «В знак признания его достижений в развитии науки и техники автоматического управления и особенно за разработку методов частотной области, которые широко используются при проектировании систем управления с обратной связью».
Следующие лица названы членами-основателями Академии: Хендрик Уэйд Боде, Уокер Ли Сислер, Хью Латимер Драйден, Элмер Уильям Энгстром, Уильям Литтелл Эверитт, Антуан Марк Годен, Майкл Лоуренс Хайдер, ...