虚拟原型技术是在虚拟的逼真环境下，对产品设计信息进行协同仿真验证的有效手段，它可有效支持并行设计，缩短产品开发周期.在分析了虚拟原型与并行设计的关系后，提出了基于域对象的虚拟原型建模与仿真方法，并阐述了支持虚拟原型的集成框架的关键技术.

1、引言

面对现代高技术产品的设计复杂性障碍和激烈的市场竞争，产品设计生产部门非常需要能有效地提高产品设计质量、缩短产品研制周期、降低产品开发和生产成本的新技术的支持。

在传统的产品设计与制造过程中，为了验证产品的整体性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)方法，但是这种方法生产周期长，成本高.进入90年代后，随着计算机技术和CIMS技术的迅猛发展，虚拟原型(Virtual Prototype)在产品设计和制造过程中起到越来越大的作用.虚拟原型是根据产品设计信息或产品概念产生的在功能、行为以及感官(视觉、听觉、触觉等)特性方面与实际产品尽可能相似的可仿真数字模型.由于虚拟原型技术对推动并行工程和拟实制造技术的发展有重要意义，国外许多研究机构和软件供应商都很重视研究、开发和应用虚拟原型技术，现已深入到机械、电子、航空航天、船舶、汽车与通讯等多个领域。

本文分析了虚拟原型与并行设计的关系，提出了基于域对象的虚拟原型建模与仿真方法，并重点阐述了支持虚拟原型的集成框架的关键技术。

2、虚拟原型与并行设计

并行设计是对产品及其相关过程集成地、并行地进行设计.强调产品开发人员一开始考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量.

并行设计包含2个方面：其一是多过程集成的并行设计，其二是多个产品开发组(Teams)协同的并行设计.

虚拟原型是实现并行设计的重要手段，它在上述2个方面都可对并行设计提供有力的支持.

2.1　虚拟原型与上下游并行设计　虚拟原型与上下游并行设计

在进行上游概念设计和功能设计的同时，进行下游物理规划或虚拟物理设计，并行、全面地规划影响产品质量、成本和周期的各种相关因素，产生合理的约束，用约束驱动设计，并重视上游设计的充分验证。

图1是采用虚拟原型的产品并行设计流程示意图.在上游结构功能设计与验证完成后，根据产品功能结构信息、库元件信息及一些经验数据生成产品的虚拟原型；虚拟原型中包含有所需的系统结构行为、结构和物理设计信息.以虚拟原型为基础，并行设计规划综合考虑各种约束，对虚拟原型进行仿真和测试，对物理参数信息进行分析和规划，判断性能指标是否能够满足，设计方案是否合理，并给出产品的工程可实现性评价.如果发现性能指标和各种约束不能满足，则提出相应的修改建议，重新生成虚拟原型或修改设计方案；否则，规划出设计优化约束规则，驱动下游设计。

图1　采用虚拟原型的产品并行设计流程示意图

2.2　虚拟原型与协同设计

产品的设计空间可以看作是一个多维空间，每一维表示影响产品生命周期的一个制约因素，如性能、成本、可制造性、可维护性等，而这些制约因素之间又相互影响.对某一维而言，某个产品的设计方案可能是很好的，但由于受到其它维因素的制约，有可能成为不可行方案.在设计中，每一个领域内的专家由于受知识与主观愿望的制约，总是会过多地考虑产品某一方面的指标，而忽略了产品的综合指标.对复杂产品，由多个专家协作设计是不可避免的.而产品设计中的评价多是不确定性问题，用传统方法无法解决.采用虚拟原型是解决多专家协同设计的有效途径。

在多个产品开发组协同设计环境中，分布在不同地点、不同部门的专业人员围绕逼真的虚拟原型，从不同角度、不同需求出发，对虚拟原型进行测试、仿真和评价，并改进和完善.他们也可通过虚拟原型达到相互交流和共享信息的目的.这可以确保在产品设计开发的早期消除设计隐患，提高产品设计质量，缩短产品开发时间。

3、基于域对象的虚拟原型建模与仿真

3.1　域对象与领域实体对象

域对象是为了在不同工具或领域间实现异构数据的共享，将领域中相应的工具、模型、数据及方法进行封装，形成的一个具有真实产品部件功能特性的实体.域对象由智能接口、设计数据和仿真工具等部分组成.智能接口是域对象和外部世界之间的智能代理.域对象内部的设计数据由同一种设计工具产生，而不同域对象之间则存在着很大的异构性.在域对象外部，可以把产品部件看成是具有一定功能的实体，只关心其激励响应特性，而不考虑其内部细节.从而便于消除工具间的差异，实现异构的集成。

对于每一类域对象，在虚拟原型服务器上都有一个领域实体对象与之对应.领域实体对象中存有和该设计实体相关的属性信息，由设计者在总体设计阶段创建.针对不同领域的设计实体，系统为领域实体对象的创建提供一些预定义的模板，用户根据设计需要选用，并定制自己的领域实体对象.同时，可以用图形编辑的方式定义各领域实体对象间的结构关系，系统可以根据互连关系及各领域实体对象的定义自动产生接口关系信息。