虛擬原型技術(shù)是在虛擬的逼真環(huán)境下，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息進(jìn)行協(xié)同仿真驗(yàn)證的有效手段，它可有效支持并行設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期.在分析了虛擬原型與并行設(shè)計(jì)的關(guān)系后，提出了基于域?qū)ο蟮奶摂M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(guān)鍵技術(shù).

1、引言

面對(duì)現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜性障礙和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)部門(mén)非常需要能有效地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本的新技術(shù)的支持。

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，為了驗(yàn)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(zhǎng)，成本高.進(jìn)入90年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CIMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬原型(Virtual Prototype)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中起到越來(lái)越大的作用.虛擬原型是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息或產(chǎn)品概念產(chǎn)生的在功能、行為以及感官(視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等)特性方面與實(shí)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(shù)對(duì)推動(dòng)并行工程和擬實(shí)制造技術(shù)的發(fā)展有重要意義，國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)和軟件供應(yīng)商都很重視研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用虛擬原型技術(shù)，現(xiàn)已深入到機(jī)械、電子、航空航天、船舶、汽車(chē)與通訊等多個(gè)領(lǐng)域。

本文分析了虛擬原型與并行設(shè)計(jì)的關(guān)系，提出了基于域?qū)ο蟮奶摂M原型建模與仿真方法，并重點(diǎn)闡述了支持虛擬原型的集成框架的關(guān)鍵技術(shù)。

2、虛擬原型與并行設(shè)計(jì)

并行設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程集成地、并行地進(jìn)行設(shè)計(jì).強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員一開(kāi)始考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到消亡的整個(gè)生命周期里的所有相關(guān)因素的影響，把一切可能產(chǎn)生的錯(cuò)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(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量.

并行設(shè)計(jì)包含2個(gè)方面：其一是多過(guò)程集成的并行設(shè)計(jì)，其二是多個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)組(Teams)協(xié)同的并行設(shè)計(jì).

虛擬原型是實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)的重要手段，它在上述2個(gè)方面都可對(duì)并行設(shè)計(jì)提供有力的支持.

2.1　虛擬原型與上下游并行設(shè)計(jì)　虛擬原型與上下游并行設(shè)計(jì)

在進(jìn)行上游概念設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)的同時(shí)，進(jìn)行下游物理規(guī)劃或虛擬物理設(shè)計(jì)，并行、全面地規(guī)劃影響產(chǎn)品質(zhì)量、成本和周期的各種相關(guān)因素，產(chǎn)生合理的約束，用約束驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，并重視上游設(shè)計(jì)的充分驗(yàn)證。

圖1是采用虛擬原型的產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)流程示意圖.在上游結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證完成后，根據(jù)產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)信息、庫(kù)元件信息及一些經(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)行為、結(jié)構(gòu)和物理設(shè)計(jì)信息.以虛擬原型為基礎(chǔ)，并行設(shè)計(jì)規(guī)劃綜合考慮各種約束，對(duì)虛擬原型進(jìn)行仿真和測(cè)試，對(duì)物理參數(shù)信息進(jìn)行分析和規(guī)劃，判斷性能指標(biāo)是否能夠滿足，設(shè)計(jì)方案是否合理，并給出產(chǎn)品的工程可實(shí)現(xiàn)性評(píng)價(jià).如果發(fā)現(xiàn)性能指標(biāo)和各種約束不能滿足，則提出相應(yīng)的修改建議，重新生成虛擬原型或修改設(shè)計(jì)方案；否則，規(guī)劃出設(shè)計(jì)優(yōu)化約束規(guī)則，驅(qū)動(dòng)下游設(shè)計(jì)。

圖1　采用虛擬原型的產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)流程示意圖

2.2　虛擬原型與協(xié)同設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)空間可以看作是一個(gè)多維空間，每一維表示影響產(chǎn)品生命周期的一個(gè)制約因素，如性能、成本、可制造性、可維護(hù)性等，而這些制約因素之間又相互影響.對(duì)某一維而言，某個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，每一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的專(zhuān)家由于受知識(shí)與主觀愿望的制約，總是會(huì)過(guò)多地考慮產(chǎn)品某一方面的指標(biāo)，而忽略了產(chǎn)品的綜合指標(biāo).對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品，由多個(gè)專(zhuān)家協(xié)作設(shè)計(jì)是不可避免的.而產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的評(píng)價(jià)多是不確定性問(wèn)題，用傳統(tǒng)方法無(wú)法解決.采用虛擬原型是解決多專(zhuān)家協(xié)同設(shè)計(jì)的有效途徑。

在多個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)組協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中，分布在不同地點(diǎn)、不同部門(mén)的專(zhuān)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(duì)虛擬原型進(jìn)行測(cè)試、仿真和評(píng)價(jià)，并改進(jìn)和完善.他們也可通過(guò)虛擬原型達(dá)到相互交流和共享信息的目的.這可以確保在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的早期消除設(shè)計(jì)隱患，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。

3、基于域?qū)ο蟮奶摂M原型建模與仿真

3.1　域?qū)ο笈c領(lǐng)域?qū)嶓w對(duì)象

域?qū)ο笫菫榱嗽诓煌�工具或領(lǐng)域間實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享，將領(lǐng)域中相應(yīng)的工具、模型、數(shù)據(jù)及方法進(jìn)行封裝，形成的一個(gè)具有真實(shí)產(chǎn)品部件功能特性的實(shí)體.域?qū)ο笥芍悄芙涌凇⒃O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和仿真工具等部分組成.智能接口是域?qū)ο蠛屯獠渴澜缰�間的智能代理.域?qū)ο髢?nèi)部的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)由同一種設(shè)計(jì)工具產(chǎn)生，而不同域?qū)ο笾�間則存在著很大的異構(gòu)性.在域?qū)ο笸獠�，可以把產(chǎn)品部件看成是具有一定功能的實(shí)體，只關(guān)心其激勵(lì)響應(yīng)特性，而不考慮其內(nèi)部細(xì)節(jié).從而便于消除工具間的差異，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的集成。

對(duì)于每一類(lèi)域?qū)ο螅�在虛擬原型服務(wù)器上都有一個(gè)領(lǐng)域?qū)嶓w對(duì)象與之對(duì)應(yīng).領(lǐng)域?qū)嶓w對(duì)象中存有和該設(shè)計(jì)實(shí)體相關(guān)的屬性信息，由設(shè)計(jì)者在總體設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建.針對(duì)不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)實(shí)體，系統(tǒng)為領(lǐng)域?qū)嶓w對(duì)象的創(chuàng)建提供一些預(yù)定義的模板，用戶根據(jù)設(shè)計(jì)需要選用，并定制自己的領(lǐng)域?qū)嶓w對(duì)象.同時(shí)，可以用圖形編輯的方式定義各領(lǐng)域?qū)嶓w對(duì)象間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，系統(tǒng)可以根據(jù)互連關(guān)系及各領(lǐng)域?qū)嶓w對(duì)象的定義自動(dòng)產(chǎn)生接口關(guān)系信息。