基于虚拟原型的设计方法

从新产品的设计、到批量生产的过程中，需要制作多个产品原型，用来支持设计方案讨论、设计验证、提交用户试用等等。传统设计与制造过程中，往往采用制造物理原型(Physal Prototype)的方法，比如汽车工业中在设计早期阶段使用木材和粘土等材料制作的比例模型以及后期定型阶段生产的样车等。但是物理原型，特别是具有内在功能的物理原型生产长，成本高。进入九十年代后，随着计算机技术和计算机集成制造系统(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显示出越来越重要的作用。

虚拟原型在产品设计过程中所起的作用和物理原型类似，即提供一个可操作的原型产品。虚拟原型在模仿产品的特性方面要求功能上至少和物理原型等同。可仿真特性包括产品的视觉特性、声音特性、用户界面功能、产品功能与行为、用户与产品交互中的触觉及受力反馈等诸多方面。虚拟原型技术是一种基于高级建模、多领域协同仿真、交互式用户界面和虚拟现实技术的集成应用。虚拟原型技术发展的目标是基于现有的产品设计信息尽可能逼真地生成产品的虚拟原型。应用虚拟原型，可以使产品的设计者、使用者和制造者，在产品研制的早期，在虚拟环境中，直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真。这对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误有重要意义。与物理原型相比，虚拟原型的优势主要体现在：

1) 成本低。节省了制造物理原型的昂贵费用;

2) 速度快。建立虚拟原型的时间远远小于物理原型的制作时间;

3) 灵活性强。虚拟原型易于修改，数据可被重新利用;

4) 减少设计反复。可以利用虚拟原型对各种设计方案进行综合比较，选出最优设计，同时尽早发现设计中可能出现的错误;

5) 有利于并行设计的实现。基于虚拟原型，各专家可在各自的领域中，利用自己熟悉的工具，并行地、协同地进行设计与仿真。

因此，虚拟原型技术大大拓展了原型在设计过程中的作用。主要体现在:

1) 有助于分析应用环境对产品的需求。虚拟原型是进行需求论证的有效手段，可在新产品开发和生产之前演示其对应用需求的满足和应用效益的增强;

2) 设计早期就可以更好地进行决策，避免在设计晚期做代价昂贵的修改。在产品尚未投产以前，甚至在产品详细设计前，用户就可以借助虚拟原型对产品的可用性、可维护性及使用性能做出评价，以便及时反馈，改进设计;

3) 可以加强多方协作。电子产品的设计需要多领域技术的支持。但是通常情况下，在样品生产出来以前，具有不同技术背景的人，以及技术人员和非技术人员(如管理、销售人员和最终用户等)之间往往很难实现有效地沟通。虚拟原型可以填补这一空白，加强设计过程中的多领域协作。

4) 可以促进设计活动的并行。在产品设计过程中，不同的设计活动之间可能存在着一定的因果依赖关系。比如，软件调试需要在硬件平台上进行;在传统的基于物理原型的设计过程中，必须完成硬件的详细设计、生产和调试等工作以后才能开始软件调试。利用虚拟原型技术，则可以提前提供虚拟的硬件平台供软件调试使用，从而提高软硬件设计的并行度。

5) 提高设计一次成功率。现代产品涉及的技术越来越复杂，单凭数学解析手段来论证新技术的可行性已十分困难。产品设计、生产和使用部门可以通过虚拟原型进行持续的协作，通过虚拟的试验场进行测试，从而对整个生命周期有更深入的认识;

6) 有助于更快更好地训练使用人员，改进产品应用的组织和管理。由此我们可以看出，虚拟原型技术的发展对提高产品设计水平具有十分积极的意义。但是，目前虚拟原型技术在设计中的应用处于比较零散的局面，缺乏系统的方法学上的指导。
在领域，基于虚拟原型设计的方法正在被更多的接受。广泛使用的虚拟原型大多基于Syst开发。