ヘンドリック・ウェイド・ボーデ

ヘンドリック・ウェイド・ボーデ
生まれる	( 1905-12-24 )1905年12月24日 マディソン、ウィスコンシン州、米国
死亡	1982年6月21日(1982-06-21)（享年76歳） 米国マサチューセッツ州ケンブリッジ
国籍	アメリカ人
母校	オハイオ州立大学 コロンビア大学
知られている	制御理論 電子工学 電気通信 ボードフィルタ ボード線図 ボードゲイン位相関係 ボード感度積分
受賞歴	リチャード・E・ベルマン・コントロール・ヘリテージ賞 （1979年） ルーファス・オルデンバーガー賞 （1975年） 大統領功労賞 エジソン賞 （1969年） アーネスト・オーランド・ローレンス賞 （1960年）
科学者としてのキャリア
フィールド	制御システム、物理学、数学、電気通信
機関	オハイオ州立大学 ベル研究所 ハーバード大学

ヘンドリック・ウェイド・ボーデ（/ ˈ b oʊ d i / BOH -dee、オランダ語: [ˈboːdə] ; ^[1] 1905年12月24日 - 1982年6月21日）^[1]は、オランダ系アメリカ人のエンジニア、研究者、発明家、作家、科学者である。近代制御理論と電子通信の先駆者として、彼は自らの研究分野の内容と方法論の両方に革命をもたらした。情報理論の父であるクロード・シャノンとの相乗効果により、情報化時代の技術収束の基礎が築かれた。

彼は第二次世界大戦中に対空システムの設計、誘導、制御に重要な貢献をした。彼は第二次世界大戦中にロンドンをV-1飛行爆弾から守った自動砲の開発に貢献した。戦後、ボーデは戦時中のライバルでV-2ロケットの開発者であり、後に米国宇宙計画の父となるヴェルナー・フォン・ブラウンとともに、 NASAの前身である国家航空諮問委員会（NACA）の委員を務めた。冷戦中には、ミサイルや弾道ミサイル防衛の設計と制御に貢献した。^[2]

彼はまた、ボード線図、ゲイン余裕、位相余裕を発明し、制御システム理論と線形システムの安定性を分析するための数学的ツールに重要な貢献をしました。

ボードは、その時代を代表する偉大な工学哲学者の一人でした。^[3]世界中の学界で長く尊敬されてきた彼は、^{[4] [5]また、彼の名を冠した}漸近的な大きさと位相の図、ボード線図を開発したことで、現代の工学部の学生にも広く知られています。

特に彼の研究貢献は多面的であるだけでなく、広範囲に及び、米国の宇宙計画にまで及んだ。^{[6] [7] [8]}

ボードはウィスコンシン州マディソンで生まれた。彼の父親は教育学の教授で、幼いヘンドリックが小学校に入学する頃にはイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の教員だった。彼はリール小学校に入学し、アーバナの学校制度を急速に進み、14歳で高校を卒業した。^{[1] [9]}

高校卒業後すぐにイリノイ大学への入学を申請したが、年齢を理由に拒否された。数十年後の1977年、同大学は彼に名誉理学博士号を授与した。^[1]

彼は最終的に、父親も教鞭をとっていたオハイオ州立大学に応募し、合格し、 1924年19歳で数学の学士号を、 1926年には修士号を取得した。 ^[10]修士号を取得後、彼は母校に残り、さらに1年間助手として働いた。 ^[1]

大学院を卒業したばかりの彼はすぐにニューヨークのベル研究所に採用され、そこで電子フィルタとイコライザの設計者としてキャリアをスタートさせた。^[11]その後、1929年に数学研究グループに配属され、^{[12]電子ネットワーク理論とその通信への応用に関する研究で優れた業績を上げた。ベル研究所の支援を受けて、今度は}コロンビア大学の大学院に再入学し、 1935年に物理学の博士号を取得した。 ^{[13] [14] [15]}

1938年^[16] 、彼は漸近位相および振幅プロット（現在はボード線図として知られる）を開発し、システムの周波数応答を明確に表示した。自動（フィードバック）制御システムに関する研究は、システム安定性の研究に革新的な方法を導入し、エンジニアはゲインと位相余裕の周波数領域の概念を使用して時間領域の 安定性を調査できるようになり、その研究は彼の今では有名なプロットによって助けられた。^{[17] [16]} 本質的に、彼の方法は安定性を時間領域と周波数領域の両方で透過的にし、さらに彼の周波数領域ベースの分析は従来の時間領域ベースの方法よりもはるかに高速でシンプルだった。これにより、エンジニアは今日でも広く使用されている高速で直感的な安定性分析およびシステム設計ツールを手に入れた。彼はハリー・ナイキストとともに、増幅回路の安定性に適用できる理論的条件も開発した。^[15]

第二次世界大戦の避けられない始まりとともに、ボーデは制御システムの研究の軍事的応用に目を向けた。この方向転換は程度の差こそあれ、彼のキャリアの最後まで続くことになる。彼はベル研究所のディレクタープロジェクト^{[18] （}国防研究委員会（NDRC）セクションD-2の資金提供）で働き、自動対空制御システムを開発することで国に奉仕するようになった。このシステムでは、レーダー情報を使用して敵機の位置に関するデータを提供し、それを対空砲のサーボ機構にフィードバックすることで、レーダーで補強された敵機の弾道を自動的に追跡できる^[19]、つまりレーダーの助けを借りて敵機を自動的に撃墜できる。使用されたサーボモーターは電気式と油圧式の両方があり、後者は主に重対空砲の位置決めに使用された。^[18]

レーダー信号は目標にロックされ、そのデータは砲兵サーボ機構フィードバック制御システムに接続された地上受信機に無線で送信され、サーボは角度位置を正確に修正し、最適な時間その位置を維持し、計算された（予測された）目標座標に発砲して目標を正常に追跡するのに十分な時間維持しました。^[18]

座標の予測は、指揮官T-10の機能でした。これは、空中の目標に対する砲の位置を指示するために使用されたため、そのように名付けられた一種の電気コンピュータです。^[18]また、レーダーによって提供された位置情報に基づいて目標の平均速度を計算し、通常は時間の線形関数である想定される飛行経路方程式に基づいて将来の目標の位置を予測しました。^{[18]このシステムは、現代の}弾道ミサイル防衛 モデルの初期バージョンとして機能しました。^[20] 統計分析も、敵機の正確な位置の計算を支援し、信号の変動やノイズの影響により目標から取得したデータを平滑化するために使用されました。^{[18] [21]}

ボーデは、無線データ通信、電気コンピュータ、統計原理、フィードバック制御システム理論を組み合わせることで、自動制御システムの歴史上初の無線データフィードバックループを実現した。彼は、この学際的な連携を「できちゃった結婚」と呼んでユーモアのセンスを見せた。^{[6] [22]彼は、彼の歴史的な発明の起源である}対空砲に言及し、「これは、第二次世界大戦の軍事問題の圧力によって私たちに強いられた、一種のできちゃった結婚だ」と述べた。彼はさらに、それを「相容れない2人の性格の間の一種の『できちゃった結婚』」と表現し、その連携の産物を「できちゃった結婚の息子」と特徴づけた。^{[23] [24] [25]}

この「結婚」の産物である自動砲は、ロボット兵器とも考えられます。その機能は、センサーに無線で送信されたデータを処理し、搭載されたコンピューターを使用して受信したデータに基づいて、角度位置と発射機構のタイミングとして定義された出力を決定することです。このモデルには、データ処理、自動化、人工知能、サイバネティクス、ロボット工学など、 後の概念のすべての要素が見られます。

さらに、ボードはフィードバック増幅器に関する豊富なスキルを応用して、ディレクターT-10の改良モデルであるディレクターT-15のターゲットデータ平滑化および位置予測ネットワークを設計しました。ディレクターT-15の研究は、ウォルター・マクネアの指揮の下、NDRCと協力してベル研究所の新しいプロジェクト「基礎ディレクター研究」の下で行われました。^[18]

このプロジェクトの資金提供機関であるNDRCは、科学研究開発局（OSRD ）の傘下で活動していた。^[26]

NDRCの資金提供を受けたベル研究所でのセクションD-2（制御システム部門）契約に基づく彼の研究は、最終的に関連分野の他の重要な発展につながり、多くの今日の発明の基礎を築きました。たとえば、制御理論の分野では、現代のロボット工学の重要な要素であるサーボ機構の設計と制御のさらなる発展に貢献しました。ボーデによる無線データ通信理論の開発は、携帯電話や無線ネットワークなどの後の発明につながりました。

この新しいプロジェクトの理由は、T-10 ディレクターがターゲットの位置を微分してターゲットの速度を計算するのに困難に直面したためである。レーダー信号の不連続性、変動、ノイズにより、位置の微分係数が激しく変動することがあり、これにより砲のサーボ機構の制御信号が微分係数の値に基づいていたため、サーボ機構に不規則な動きが生じていた。^[18]これはデータを平滑化または平均化することで軽減できるが、これによりフィードバック ループに遅延が生じ、ターゲットが逃げる原因となっていた。^{[18]また、T-10 ディレクターのアルゴリズムでは、}直交座標から極座標への変換と直交座標への変換を何度も行う必要があり、このプロセスによって追加の追跡エラーが発生していた。^[18]

ボーデは、微分法の代わりに有限差分法を適用して、ディレクターT-15の速度計算ネットワークを設計しました。^[18]この方式では、ターゲットの位置座標は、通常はポテンショメータまたはカムである機械的メモリに格納されます。^[18]次に、メモリに格納されている現在の位置の座標と前回の読み取り値の座標の差を取り、それぞれの時間の差で割ることで速度が計算されました。^{[18]この方法は微分法よりも堅牢であり、有限の時間ステップサイズが}ランダム信号インパルス（スパイク）の影響を受けにくいため、信号の乱れも平滑化されました。^{[18]また、当時採用されていた古典的な}微積分ベースのアナログ信号処理アプローチではなく、現代のデジタル信号処理理論に適したアルゴリズムを初めて導入しました。偶然ではないが、これは現代のデジタル制御理論とデジタル信号処理の不可欠な部分であり、後方差分アルゴリズムとして知られています。^[27]さらに、T-15ディレクターは直交座標でのみ動作し、座標変換に基づく誤差を排除しました。これらの設計上の革新はパフォーマンスの利益をもたらし、T-15ディレクターは前任者よりも2倍の精度と2倍の速さでターゲットに収束しました。^[18]

彼の砲兵設計研究における射撃管制アルゴリズムの実装とフィードバック増幅器に関する広範な研究は、計算方法の最先端の進歩をもたらし、最終的には今日のデジタルコンピュータの代替となるオペアンプベースの電子アナログコンピュータ[ ^28]の開発につながった。

このような発明は、軍事研究に端を発しているにもかかわらず、民間の領域にも深く永続的な影響を及ぼしてきました。

ボーデが開発に協力した自動対空砲は、戦争中に数多くの例で効果的に使用された。1944年2月、ディレクターT-15の初期バージョンをベースにした自動射撃管制システム（ベル研究所ではディレクターT-10、軍ではディレクターM-9と呼ばれていた）がイタリアのアンツィオで初めて実戦に投入され、100機以上の敵機の撃墜に貢献した。Dデイには39のユニットがノルマンディーに配備され、ヒトラーのドイツ空軍から連合軍の侵攻を防いだ。^[18]

おそらく、このような自動砲兵システムの設計仕様に最も適した脅威は、1944年6月に現れた。それは別のロボットだった。ヴェルナー・フォン・ブラウンの支援を受けたドイツの航空技術者たちは、独自のロボットを製作した。それが、自動誘導爆弾で巡航ミサイルの前身と広く考えられているV-1飛行爆弾である。^{[29] [30]}その飛行仕様は、ディレクターT-10の目標設計基準、つまり一定速度で水平にまっすぐ飛行する航空機にほぼ完全に適合しており、^[18]言い換えれば、ディレクターT-10のような線形予測モデルの計算能力にうまく適合する目標だった。ドイツ人は、爆弾を高速かつ低空で飛行させてレーダーを回避するという秘密の技を持っていたが、これは今日でも広く採用されている技術である。ロンドン大空襲の際には、ウィンストン・チャーチルの特別要請により、ディレクターT-10の支援を受けた100門の90 mm自動砲ユニットがロンドン南部の境界線上に配置対空砲には、MIT放射線研究所で製造されたSCR-584レーダー装置と、 NDRCのマール・テューヴと彼の特別部門Tが開発した近接信管機構^{[18]が含まれていた。これは、VT（可変時限信管）と呼ばれる}マイクロ波制御信管を使用して目標の近くで爆​​発し、爆発範囲を広げて成功の可能性を高めた。1944年6月18日から7月17日の間に、343発のV-1爆弾が撃墜された。これはドイツが送り込んだV-1爆弾の総数の10％であり、撃墜されたV-1爆弾の総数の約20％に相当した。7月17日から8月31日まで、自動砲撃による撃墜数は1286発のV-1ロケット弾に上り、これはドイツから送り込まれたV-1爆弾の総数の34％に相当し、ロンドン上空で実際に撃墜されたV-1爆弾の50％に相当した。^[18]これらの統計から、ボードが設計に協力した自動化システムが第二次世界大戦の重要な戦いに大きな影響を与えたことがわかります。^{[31]また、}ロンドン大空襲の当時のロンドンが、他の場所と比べて、元祖ロボット戦場になったこと もわかります。

1945年、戦争が終結に向かう中、NDRCは最終的な閉鎖の前触れとして技術報告書の要約を発表していた。射撃管制に関する巻の中で、ラルフ・ビーブ・ブラックマン、ヘンドリック・ボーデ、クロード・シャノンが共著した「射撃管制システムにおけるデータの平滑化と予測」と題する特別論文は、射撃管制の問題を情報の伝達、操作、利用の特殊なケースとして正式に紹介した。^{[18] [21]}言い換えれば、それはデータと信号処理の観点から問題をモデル化し、情報化時代の到来を告げるものだった。情報理論の父とみなされているシャノンは、この研究に多大な影響を受けた。^{[18]情報化時代の}技術的収束に先立って、これらの科学者とその協力者との間の相乗効果 があったことは明らかである。

1944年、ボードはベル研究所の数学研究グループの責任者に任命された。^[32]

この間も、彼の電子通信、特にフィルタとイコライザの設計に関する研究は続けられていました。 ^{[33] 1945年には、その成果として}「ネットワーク分析とフィードバック 増幅器の設計」というタイトルの本が出版されました。^{[34]この本は、}電子通信の分野では古典とみなされており、さまざまな大学の大学院課程やベル研究所の社内研修コースの教科書として広く使用されました。^[35] 彼はまた、権威ある科学技術雑誌に掲載された多くの研究論文の著者でもありました。

1948年、ハリー・S・トルーマン大統領は、戦争とアメリカ合衆国に対する彼の顕著な科学的貢献を称え、大統領功労賞を授与した。 ^[14]

戦争が終結に近づくにつれ、彼の研究の焦点は軍事だけでなく民間の研究プロジェクトにも移っていった。軍事面では、弾道ミサイル防衛や関連する計算 アルゴリズムの研究を含む弾道ミサイルの研究を続け、民間の領域では現代の通信理論に集中した。戦後の軍事研究の最前線では、ダグラス・エアクラフトとのチームの一員としてナイキ・ゼウス・ミサイル・プロジェクトに携わり、^{[15]後には}弾道ミサイル防衛の設計にも取り組んだ。^[2]

1952年、彼はベル研究所の数学的研究のディレクターに昇進した。1955年には物理科学の研究ディレクターとなり、1958年に軍事開発とシステムエンジニアリングを担当する2人の副社長の1人に昇進するまでその職に留まり、引退するまでその職を務めた。^{[10] [15]彼はまた、}アポロ計画に関連する企業であるベルコムのディレクターにもなった。^[15]

ベル研究所での長年にわたる応用研究は、数多くの特許取得済みの発明につながり、そのうちのいくつかは彼の名前で登録されました。退職するまでに、彼は信号増幅器や砲兵制御システムなど、電気および通信工学のさまざまな分野で合計25件の特許を保有していました。^[1]

彼は1967年10月、61歳でベル研究所を退職し、40年以上にわたり現代工学の中核となる要素の多くを変えた関係に終止符を打った。

引退後まもなく、ボードは学術的に権威のあるハーバード大学のゴードン・マッケイシステム工学教授に選出された。^[36]

在職中、彼は現代のファジー論理の前身とされる確率過程に基づく軍事的意思決定アルゴリズムと最適化技術の研究に取り組んだ。^[37] また、現代社会に対する技術の影響を研究し、ハーバード大学の科学・公共政策セミナーで同じテーマのコースを教え、同時に工学・応用物理学部門で学部生と大学院生を指導・教育した。^[36]

教授としての職務で多くの時間を費やす必要があったが、彼は研究成果を残すことに熱心に気を配っていた。同時に、ベル研究所の研究者としての豊富な経験を詳述した新しい本に取り組んでおり、1971年に「シナジー：ベルシステムにおける技術統合と技術革新」というタイトルで出版した。^[38]素人にも理解しやすい用語を使用して、ベル研究所で実践されているシステムエンジニアリングの技術的および哲学的側面を分析および拡張した。^[38]一見異なるエンジニアリング分野がどのように融合しているかを説明し、以前は明確に定義されていた境界を越えたシステムコンポーネント間の情報の流れの必要性に導かれ、技術的なパラダイムシフトを紹介した。^[39]本のタイトルと内容から明らかなように、彼は、技術の収束、インフォメトリクス、情報処理などの用語が存在する前から、これらの分野の先駆者の一人となった。

1974年に彼は2度目の退職をし、ハーバード大学は彼に名誉教授の地位を与えた。しかし彼はハーバード大学にオフィスを置き、主に政策問題に関する政府の顧問としてそこで仕事を続けた。^[10]

ボード氏は数々の賞、栄誉、そして専門的な功績を受賞しました。

1960年にアーネスト・オーランド・ローレンス賞を受賞した。^[40]

1969年、IEEEは彼に「通信、計算、制御の技術への根本的な貢献、工学上の問題に数学的科学を応用するリーダーシップ、システム工学における指導と創造的な助言」に対して有名なエジソンメダルを授与しました。 ^[1]これは、研究者として工学科学と応用数学に、また顧問および教授として社会に彼がもたらした幅広い革新的な貢献を雄弁に要約した賛辞でした。

1975年、アメリカ機械学会は彼にルーファス・オルデンブルガー賞を授与した。受賞理由は「自動制御の科学技術の発展、特にフィードバック制御システムの設計に広く使用されている周波数領域技術の開発に対する功績」である。 ^{[41] [1] [42]}

1979年、彼はアメリカ自動制御協議会からリチャード・E・ベルマン制御遺産賞の初代受賞者となった。^{[43]この賞は「}自動制御の理論や応用に顕著な貢献をした」研究者に贈られるもので、「米国の制御システムエンジニアや科学者にとって、職業上の功績に対する最高の表彰」である。^[44]

1989年、 IEEE制御システム学会は、制御システム科学や工学への顕著な貢献を表彰するために、ヘンドリック・W・ボーデ講演賞を設立しました。 ^[45]

彼はまた、 IEEE、アメリカ物理学会、応用数学会、アメリカ芸術科学アカデミー（米国国立アカデミーには属さない独立したアメリカのアカデミー）など、数多くの科学・工学団体の会員またはフェローでもありました。^[46]

1957年、彼は米国科学アカデミーの会員に選出された。^{[46]米国科学アカデミーは}南北戦争の最中の1863年に当時の大統領エイブラハム・リンカーンによって設立された米国最古かつ最も権威のある国立アカデミーである。

1967 年から 1971 年まで、彼は米国科学アカデミー評議会の会員を務めました。同時に、科学と公共政策に関する委員会 (COSPUP) のアカデミー工学部門の代表も務めました。

深い思索家であり、明晰な著述家でもあった彼は、COSPUPの重要な3つの研究に大きく貢献した。 基礎研究と国家目標（1965年）、応用科学と技術進歩（1967年） 、技術：評価と選択のプロセス（1969年） 。これらの研究は、アカデミーが立法府、より具体的には米国下院の科学宇宙委員会のために作成した初めての研究であるというさらなる特徴があり、^[10]アカデミーの憲章に基づく米国政府への諮問機関としての使命を果たした。

NASAの前身はNACAである。NACAの宇宙技術特別委員会は、議長のガイフォード・スティーバーにちなんでスティーバー委員会とも呼ばれ、連邦政府のさまざまな部門、米国内の民間企業、大学をNACAの目的に合わせて調整し、宇宙計画を開発するために専門知識を活用するという使命を持って結成された特別運営委員会であった。^[7] 委員会のメンバーには、ボーデと米国宇宙計画の父であるヴェルナー・フォン・ブラウンが含まれていた。^{[6] [7]}

第二次世界大戦中にロンドン上空でナチスのV-1飛行爆弾を撃墜したロボット兵器の開発に携わったヘンドリック・ウェイド・ボーデが、実はV-1の開発に携わり、ロンドンを恐怖に陥れた兵器V-2の開発チームのリーダーでもあったヴェルナー・フォン・ブラウンと同じ委員会に所属し、同じテーブルに座っていたというのは歴史的な皮肉である。^{[29] [30] [31]}

ボードは暇な時には熱心な読書家でもあった。^[14]また、妻バーバラと共著で架空の物語『Counting House』を執筆し、 1936年8月にハーパーズ・マガジン誌に掲載された。^{[47]ボードは}ボート遊びも楽しんでいた。キャリアの初期、ニューヨークのベル研究所で働いていた頃、ロングアイランド湾でボートを漕いだ。^{[14]第二次世界大戦後、}余剰の上陸用舟艇（LCT）を改造して購入した船で、メリーランド州東岸近くのチェサピーク湾上流域を探検した。 ^[14]また、ガーデニングや日曜大工も楽しんでいた。^{[14]バーバラ・ボード（}旧姓プア）と結婚し、2人の間にはキャサリン・ボード・ダーリントン博士とアン・ハサウェイ・ボード・アーネス夫人という2人の子供がいる。^{[10] [14]}

ボーデは、学界と政府の両方から高い評価を受けたにもかかわらず、その栄誉に甘んじることはなかった。彼は、工学という組織は科学と同じくらい学界の殿堂に名を連ねるに値すると信じていた。彼は工学界特有の機知に富んだ対応で、別のアカデミーの設立に協力することで問題を解決した。^{[口調] [引用が必要]}

彼は米国工学アカデミーの創立メンバーの一人であり、正会員を務めた。^{[48] [49]}米国工学アカデミーは1964年12月に設立され、101年の間に2番目の米国国立アカデミーとして設立された。現在、米国国立アカデミーの一部となっている。^[50]

こうして彼は、エンジニアと科学者の長年の論争を昇華させ、学者同士の論争へと高めることに貢献した。^{[トーン] [引用が必要]}この微妙でありながらも強力に象徴的な功績は、彼の遺産の中でも魅力的な部分を構成している。^{[トーン] [引用が必要]}

ヘンドリック・ウェイド・ボード氏はマサチューセッツ州ケンブリッジの自宅で76歳で亡くなった。

• ネットワーク解析とフィードバックアンプ設計（1945）
• シナジー：ベルシステムにおける技術統合と技術革新（1971）
• カウンティング・ハウス（フィクション）ヘンドリック・W（ヘンドリック・ウェイド）ボードとバーバラ・ボードハーパーズ・マガジンライオンズ・マウス・デプト、pp. 326–329、1936年8月

• HW Bode インピーダンス補正法 Bell System Technical Journal、v9: 1930
• HW ボーデ「電波フィルタの一般理論」ベルシステム技術ジャーナル、v14: 1935
• HW Bode と RL Dietzold の理想波フィルタ Bell System Technical Journal、v14: 1935
• HW ボーデ可変イコライザー ベルシステム技術ジャーナル、v17: 1938
• HW フィードバック増幅器設計における減衰と位相の関係 ベルシステム技術ジャーナル、v19: 1940

ボーデの発明に対して、米国特許庁は 25 件の特許を発行しました。特許は、データ伝送ネットワーク、電子フィルタ、増幅器、平均化機構、データ平滑化ネットワーク、砲兵コンピュータなどの分野をカバーしていました。

• 増幅器
• アナログフィルター
• イミタンス
• イノベーション（信号処理）
• ラティスネットワーク