虛擬原型技術是在虛擬的逼真環(huán)境下，對產(chǎn)品設計信息進行協(xié)同仿真驗證的有效手段，它可有效支持并行設計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期.在分析了虛擬原型與并行設計的關系后，提出了基于域對象的虛擬原型建模與仿真方法，并闡述了支持虛擬原型的集成框架的關鍵技術.

1、引言

面對現(xiàn)代高技術產(chǎn)品的設計復雜性障礙和激烈的市場競爭，產(chǎn)品設計生產(chǎn)部門非常需要能有效地提高產(chǎn)品設計質量、縮短產(chǎn)品研制周期、降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本的新技術的支持。

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計與制造過程中，為了驗證產(chǎn)品的整體性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)方法，但是這種方法生產(chǎn)周期長，成本高.進入90年代后，隨著計算機技術和CIMS技術的迅猛發(fā)展，虛擬原型(Virtual Prototype)在產(chǎn)品設計和制造過程中起到越來越大的作用.虛擬原型是根據(jù)產(chǎn)品設計信息或產(chǎn)品概念產(chǎn)生的在功能、行為以及感官(視覺、聽覺、觸覺等)特性方面與實際產(chǎn)品盡可能相似的可仿真數(shù)字模型.由于虛擬原型技術對推動并行工程和擬實制造技術的發(fā)展有重要意義，國外許多研究機構和軟件供應商都很重視研究、開發(fā)和應用虛擬原型技術，現(xiàn)已深入到機械、電子、航空航天、船舶、汽車與通訊等多個領域。

本文分析了虛擬原型與并行設計的關系，提出了基于域對象的虛擬原型建模與仿真方法，并重點闡述了支持虛擬原型的集成框架的關鍵技術。

2、虛擬原型與并行設計

并行設計是對產(chǎn)品及其相關過程集成地、并行地進行設計.強調產(chǎn)品開發(fā)人員一開始考慮產(chǎn)品從概念設計到消亡的整個生命周期里的所有相關因素的影響，把一切可能產(chǎn)生的錯誤、矛盾和沖突盡可能及早地發(fā)現(xiàn)和解決，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質量.

并行設計包含2個方面：其一是多過程集成的并行設計，其二是多個產(chǎn)品開發(fā)組(Teams)協(xié)同的并行設計.

虛擬原型是實現(xiàn)并行設計的重要手段，它在上述2個方面都可對并行設計提供有力的支持.

2.1　虛擬原型與上下游并行設計　虛擬原型與上下游并行設計

在進行上游概念設計和功能設計的同時，進行下游物理規(guī)劃或虛擬物理設計，并行、全面地規(guī)劃影響產(chǎn)品質量、成本和周期的各種相關因素，產(chǎn)生合理的約束，用約束驅動設計，并重視上游設計的充分驗證。

圖1是采用虛擬原型的產(chǎn)品并行設計流程示意圖.在上游結構功能設計與驗證完成后，根據(jù)產(chǎn)品功能結構信息、庫元件信息及一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)生成產(chǎn)品的虛擬原型；虛擬原型中包含有所需的系統(tǒng)結構行為、結構和物理設計信息.以虛擬原型為基礎，并行設計規(guī)劃綜合考慮各種約束，對虛擬原型進行仿真和測試，對物理參數(shù)信息進行分析和規(guī)劃，判斷性能指標是否能夠滿足，設計方案是否合理，并給出產(chǎn)品的工程可實現(xiàn)性評價.如果發(fā)現(xiàn)性能指標和各種約束不能滿足，則提出相應的修改建議，重新生成虛擬原型或修改設計方案；否則，規(guī)劃出設計優(yōu)化約束規(guī)則，驅動下游設計。

圖1　采用虛擬原型的產(chǎn)品并行設計流程示意圖

2.2　虛擬原型與協(xié)同設計

產(chǎn)品的設計空間可以看作是一個多維空間，每一維表示影響產(chǎn)品生命周期的一個制約因素，如性能、成本、可制造性、可維護性等，而這些制約因素之間又相互影響.對某一維而言，某個產(chǎn)品的設計方案可能是很好的，但由于受到其它維因素的制約，有可能成為不可行方案.在設計中，每一個領域內(nèi)的專家由于受知識與主觀愿望的制約，總是會過多地考慮產(chǎn)品某一方面的指標，而忽略了產(chǎn)品的綜合指標.對復雜產(chǎn)品，由多個專家協(xié)作設計是不可避免的.而產(chǎn)品設計中的評價多是不確定性問題，用傳統(tǒng)方法無法解決.采用虛擬原型是解決多專家協(xié)同設計的有效途徑。

在多個產(chǎn)品開發(fā)組協(xié)同設計環(huán)境中，分布在不同地點、不同部門的專業(yè)人員圍繞逼真的虛擬原型，從不同角度、不同需求出發(fā)，對虛擬原型進行測試、仿真和評價，并改進和完善.他們也可通過虛擬原型達到相互交流和共享信息的目的.這可以確保在產(chǎn)品設計開發(fā)的早期消除設計隱患，提高產(chǎn)品設計質量，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。

3、基于域對象的虛擬原型建模與仿真

3.1　域對象與領域實體對象

域對象是為了在不同工具或領域間實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)的共享，將領域中相應的工具、模型、數(shù)據(jù)及方法進行封裝，形成的一個具有真實產(chǎn)品部件功能特性的實體.域對象由智能接口、設計數(shù)據(jù)和仿真工具等部分組成.智能接口是域對象和外部世界之間的智能代理.域對象內(nèi)部的設計數(shù)據(jù)由同一種設計工具產(chǎn)生，而不同域對象之間則存在著很大的異構性.在域對象外部，可以把產(chǎn)品部件看成是具有一定功能的實體，只關心其激勵響應特性，而不考慮其內(nèi)部細節(jié).從而便于消除工具間的差異，實現(xiàn)異構的集成。

對于每一類域對象，在虛擬原型服務器上都有一個領域實體對象與之對應.領域實體對象中存有和該設計實體相關的屬性信息，由設計者在總體設計階段創(chuàng)建.針對不同領域的設計實體，系統(tǒng)為領域實體對象的創(chuàng)建提供一些預定義的模板，用戶根據(jù)設計需要選用，并定制自己的領域實體對象.同時，可以用圖形編輯的方式定義各領域實體對象間的結構關系，系統(tǒng)可以根據(jù)互連關系及各領域實體對象的定義自動產(chǎn)生接口關系信息。