【技术大联盟】虚拟样机技术的技术与方法体系研究

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引 言

虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology, VPT)是上世纪 90 年代中后期兴起的一种现代设计方法和手段，是CAx/DFx、建模/仿真、虚拟现实等技术相互结合的产物。其基本思想是在物理样机实现之前，通过在虚拟样机上的全面仿真，对产品功能、性能、外观等进行预测、评估和优化，以达到提高产品质量、降低开发成本、缩短开发周期的目的。 VPT 的目标是减少甚至取消物理样机，因此特别适合于物理样机制造周期长、费用昂贵的复杂产品的开发。图1 给出了基于虚拟样机(实线)和基于物理样机(虚线)的两种产品开发模式的比较。 

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虚拟样机技术的技术体系 

VPT 以虚拟样机为核心、仿真为手段、各种 CAx/DFx为工具，它主要包括面向虚拟样机的建模技术、基于虚拟样机的仿真技术、针对虚拟样机的管理技术、各类工具的集成技术以及VR/人机界面技术，其技术体系如图2 所示。

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虚拟样机及其建模

3.1 虚拟样机定义

虚拟样机是 VPT 的核心，是实际产品在计算机内部的一种表示，这种表示能全面、准确反映产品在功能、性能、外观等各个方面的特征和特性。即虚拟样机是物理样机在计算机内的一种映射(图 3)，这种映射能够保证基于虚拟样机的仿真结果和基于物理样机的测试结果在一定精度范围内等同，从而可用仿真替代测试。 

虚拟样机是产品数字模型的一种拓展。后者是产品信息在计算机内的一种数字化表示，其特征是数字量与模拟量的区别。它侧重于产品几何信息的描述，并能完成一些基于几何信息的仿真（如装配、切削过程模拟），现有CAD 模型均属于数字模型。而虚拟样机不仅包括产品的几何信息，同时还包括各种物理仿真的规则数据，以支持不同领域、不同学科的基于物理原理的数值计算。 

3.2 虚拟样机特性 

虚拟样机应具有以下特性： 

(1) 多视图特性 

产品往往具有多个领域、多种类型的物理特性，如机械性能、电气性能、控制性能、美学特性、人机友好特性等。为了能对产品特性进行全面仿真，虚拟样机必须能够反映产品的各种性能，以为不同领域的仿真提供相应的原始数据。因此虚拟样机应具有多个不同的特性视图，图4 给出了虚拟样机的多视图结构。 

(2) 集成性与一致性 

虚拟样机是不同领域 CAx/DFx 模型、仿真模型与 VR/可视化模型的有效集成，实现虚拟样机的关键是如何对这些模型进行统一、一致的描述。 

虚拟样机建模技术应能给用户提供一个可描述产品全生命周期各种信息且逻辑上一致的公共产品模型描述方法，它可以：

· 支持模型在产品全生命周期的一致表示； 

· 支持各类不同模型的信息共享、集成与协同运行； 

· 支持模型相关数据信息的映射、提炼与交换；

· 支持各类模型的协同建模与协同仿真活动。 

(3) 耦合性 

各领域数据并非完全独立，它们存在一定程度的相互影响。因此在虚拟样机的建模中必须考虑这些影响及其规律，以正确反映产品特征和特性。

3.3 虚拟样机建模技术 

根据虚拟样机的特性，虚拟样机建模具有如下特点： 

· 多主体/多层次性：建模活动由多个学科、多个领域的设计小组协同工作； 

· 多目标/多模式性：各领域的应用背景、工作条件、参与角色不同，设计目标、协同方式、工作流程也各不相同；

· 异地/异构性：支持异地、异构情况下的建模活动； 

· 开放性/柔性：支持多种模型的装入和卸出，支持模型的灵活配置，以及剪裁/重组/重用等操作。 

传统的产品建模已取得了一定研究成果，但主要集中在单领域产品的建模。对于复杂产品，传统建模方法难以在系统层次上进行统一表达，不能有效支持产品全生命周期的集成化开发过程。图5 提出了未来建模技术的几个发展方向。

前述虚拟样机包含产品的 CAD 模型、外观表示模型、功能和性能模型、分析模型以及环境模型等。因此需要一种建模方法将这些模型组织在一个统一的框架下。STEP 标准能够作为实现虚拟样机建模的重要起点，在很大程度上满足虚拟样机的需要。STEP 是ISO 制定的一个产品数据表达与交换标准，目标是提供一种不依赖于具体系统的中性机制以描述产品整个生命周期中的产品数据，并在不同系统间交换时保持数据的一致性与完整性。 

XML 语言的出现，为产品建模中的数据交换提供了一个新的途径。XML 是一种开放的、以文字为基础的标识语言，提供结构的以及与语义有关的信息给数据，具有强大的数据描述功能。良好的数据存储结构、可扩展性、高度结构化和便于网络传输是XML 的4大特点。已有人提出用XML和STEP 共同完成产品信息建模和数据共享。 

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多领域、多学科分布式协同仿真技术 

VPT 是一种基于仿真的设计(simulation-based design)。仿真是 VPT 的功能体现，具有深刻的内涵和广泛的外延。面向产品生命周期、多领域多学科分布协同是其主要特征。

4.1 仿真类型与方法体系 

仿真可分为基于几何原理和基于物理规则的仿真(图6)。前者利用模型的几何信息验证产品特性，主要是可视化方面的内容，如可装配性、可维护性、外观、机械运动等。

计算机图形学、CAD、虚拟现实(VR)、人机交互技术等是这类仿真的理论基础和支撑技术。特别是VR 技术的发展，为可视化仿真提供了极大支持，人们可在具有沉浸感的虚拟环境下，通过视觉、听觉和触觉验证和分析产品性能；后者是基于物理原理、利用数值方法对产品性能进行数值计算。这类仿真所依赖的物理原理十分广泛，如基于力学原理的强度、刚度计算，基于传热学原理的温度场计算，基于流体力学的流场计算，基于控制原理的控制系统仿真等等。 

4.2 虚拟样机仿真技术的基本特征 

(1) 面向产品全生命周期的综合仿真 

从概念设计到报废回收的产品生命周期中，各个环节都将对产品提出要求，因此设计过程必须面向各个环节。现有仿真多是从单一环节的要求出发，在某个知识领域内分析产品性能。如制造过程仿真是从产品的可制造性要求出发，预测、计算产品的工艺性能、加工成本和加工效率。面向单一环节的仿真只能使产品某个方面的性能达到最优，但难以使产品整体性能最好。 

VPT 强调在产品设计阶段，在虚拟样机上对产品各个阶段的性能仿真，以充分预测产品的综合性能。面向产品生命周期的仿真如图7 所示。 

(2) 多领域、多学科协同仿真 

复杂产品一般具有不同领域的性能要求。如雷达产品有结构强度、刚度和动态性能，天线旋转的机械传动系统和控制系统性能，天线运动的运动和动力学特性，电子机箱的热特性和电磁兼容特性等。因此，为满足使用要求，人们必须对强度、刚度、振动性能、传动性能、控制性能、传热特性、电磁兼容特性以及可靠性、可制造性、可装配性、可维护性等进行全面分析。 

不同性能分析的理论基础不一样，包括力学、振动学、机械运动与动力学、传热学、电磁学等，因此虚拟样机技术的仿真涉及多种学科。由于产品某些性能相互耦合，因此各类仿真并不能相互独立进行。不同的分析人员基于同一虚拟样机，从不同的知识领域并行、协同仿真，是虚拟样机技术的主要技术特征，如图8 所示。

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虚拟样机管理技术

虚拟样机包含大量的、多层次的知识和信息，因此在虚拟样机开发过程中必然涉及大量的数据、模型、工具、流程和人员，这就需要高效的组织和管理，保证在正确的时刻把正确的数据按正确方式传递给正确的人。 

虚拟样机管理技术包括数据/模型的管理和项目/过程的管理，即信息集成和过程集成，具体内容见图9。

虽然PDM、ERP 系统在一定程度上实现了对产品设计和制造过程与信息的管理，但其信息管理粒度还没有达到仿真建模需要的程度，因此无法实现对仿真建模活动和相关数据的有效管理。另外这些系统也没有提供对各个领域典型仿真软件的集成，使得仿真与设计活动缺乏底层功能支持，而无法有效结合在一起形成基于虚拟样机的产品设计平台。 

基于 PDM、ERP 等已有的项目管理和数据管理技术，进一步拓展对项目的多目标、模型库和知识库的管理功能和性能，是实施虚拟样机数据、模型、工具、流程以及人员管理的有效途径。

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总体集成框架技术

虚拟样机技术涉及大量工具，包括 CAx/DFx 工具、仿真工具、管理工具、虚拟现实工具等，为了形成集成、协同的开发环境，需要将各种工具集成在一起，形成工具之间的功能、信息和过程集成。 

6.1 总体集成框架体系结构 

图 10 是一种较理想的虚拟样机总体集成框架，它包含了原有的企业信息管理功能，实现了各类开发工具的全面继承，为用户提供统一的界面，支持产品开发全生命周期的设计与仿真活动。但目前这种体系的实现还有一定难度。

目前很多企业采用PDM 系统实现产品开发过程、各种信息以及各种 CAx/DFx 工具的集成，形成设计支撑平台。但PDM 还不能很好地集成各类仿真软件，因为其信息管理粒度没有达到仿真建模需要的程度。在基于PDM 系统建立的设计平台之外，建立一个相对独立的分布协同仿真平台，两个平台之间存在必要的信息交换与共享，共同完成虚拟产品设计，这是构造虚拟样机支撑平台的一种的途径。 

6.2 分布协同仿真平台的构建（仿真工具集成） 

OMG（对象模型管理组织）提出了MDA（模型驱动体系结构），它包含了许多技术来实现具有高度重用性和平台 独立性的系统，如图11 所示。

实际上协同仿真支撑平台就是基于MDA 思想的产品虚拟样机开发和运行支撑平台，其中包含了许多基于模型开发的思想和技术，并逐渐成为开发虚拟样机的主要工具。下面是几种基于中间件技术构建仿真平台的体系结构。 

(1) 基于CORBA 的三层体系结构 

CORBA 是分布式对象的一套标准，其目的是实现不同机器、不同软件系统之间分布式对象的通信，具有平台 独立性和语言独立性。三层客户机/服务器体系结构是在传统两层客户机/服务器的基础上增加一层应用服务器层(图 12)，它将两层体系结构中驻留在客户机层或者数据库服务器层的应用逻辑独立出来，从而使得三层体系结构在可升级性、强壮性和灵活性方面具有巨大的优势。 

(2) 基于HLA 的多领域分布式仿真体系结构 

HLA(High Level Architecture)能够灵活、高效地支持分布式交互仿真系统的建立，已经在军事领域开始逐步替代DIS 成为新的军事分布仿真标准。采用 HLA/RTI 能够保证开发最少的新工具软件，将现有的商用仿真软件集成进来（图13）。 

这种集成的核心是一个非常复杂的运行时间框架(Run Time Infrastructure，RTI)机制。每个联邦成员都要通过发布请求向RTI 说明其能够提供哪些HLA 中的对象属性，而RTI为所有联邦成员发布的属性更新信息提供有效的路由服务，对象行为由联邦成员具体实现。但由于大多数主流的单领域仿真软件并不支持HLA/RTI，为了实现基于HLA 的多领域仿真，就需要通过一个中间件，将RTI 与这些仿真软件连接起来，负责软件之间的数据交换和时间同步。 

(3) 基于网格技术的分布协同仿真系统体系结构 网格技术是一项新兴并且正在发展的技术，其核心是解决网上各种资源(如计算资源、存储资源、软件资源及数据资源等)的动态共享与协同应用。网格与仿真的结合为各类仿真应用对仿真资源的获取、使用和管理提供了巨大的空间。同时，它以崭新的理念和方法为仿真领域中诸多挑战性的难题的解决提供了技术支撑，如仿真应用的协同开发，仿真运行的协调、安全和容错，模型和服务的发现机制，新的资源管理机制，资源监控和负载平衡等。

一种基于网格技术的分布协同仿真系统体系结构如图14 所示。仿真用户通过仿真网格所提供的门户服务提交仿真作业，并对作业的运行环境及所需要的资源提出需求。

仿真网格通过用户管理器对用户的身份进行验证，根据用户的身份分配用户使用资源的权限，并将用户的权限和验证码发送给网格中的所有节点，使用户合法地使用仿真网格资源。随后资源调度器根据所生成的资源描述和网格中的资源状况，根据资源匹配算法寻找适合仿真作业运行的节点。作业分配器将仿真作业分发到所选择的仿真节点上，根据仿真作业的运行条件启动各节点的仿真作业，并且在仿真作业的运行过程中监控仿真作业的运行。

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结 论

虚拟样机技术是一种新兴的现代设计方法和手段，对于提高产品开发效率、降低开发成本、提高产品质量具有重要作用。目前已在汽车、飞机、工程机械以及军事武器等产品的开发中得到应用。当然，作为一种新兴技术和方法，VPT技术仍有很多内容值得进一步研究和发展，主要包括以下几个方面： 

(1) 多学科异类、异构数据的虚拟样机多视图集成表示技术 基于虚拟样机能够完成产品整个生命周期中各种性能的仿真，因此虚拟样机必须包括用于各类仿真的模型数据。

为此，需要研究一种统一的模型表示方法和数据结构，将产品几何信息、拓扑信息和各类仿真模型集成在一起，正确定义各类模型的相关性，形成统一、集成、完整、一致的虚拟样机模型，真正像物理样机那样具有唯一性。目前的建模方法还很难做到各类数据的有效集成。 

(2) 虚拟样机不同视图的自动转换与快速样机生成技术 虚拟样机建模过程非常复杂，如果建模时间太长，将严重影响和制约 VPT 的实际应用。因此如何快速建立虚拟样机，是促进VPT 应用的关键。 

不同仿真模型的结构不一样，通常首先是建立产品的CAD 模型，在此基础上形成有限元模型、机构分析模型、DFx 模型等。这就需要一种有效方法实现不同模型的自动转换，减少人的干预和劳动强度，大幅度提高虚拟样机的建模速度。 

(3) 虚拟样机的“制造”误差控制和模型验证与置信度评估技术仿真是 VPT 的核心，仿真结果将代替对实物的测试结果作为指导和修改设计的依据，因此对仿真结果的精度必须提出要求。仿真算法一定时，仿真精度主要取决于模型精度，因此在VPT 的应用过程中，分析虚拟样机的“制造”误差，对模型精度进行有效控制，并根据误差来源与规律，建立模型验证和置信度的定量评估方法，是保证 VPT 实际应用的重要手段。 

#The End #

作者：杜平安, 于德江，岳萍

图片及内容来源：互联网

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