关于Digital Mockup、Digital prototyping和Virtual prototyping的剖析
本文标签: 数字化样机 新产品开发 PLM CAD CAE PDM 

    在与产品的数字化设计相关的领域，形成了很多名词术语，有些提法看起来很相似，但实质的概念又有很多差异。同时，一些专业名词的翻译也是五花八门，一些文章上的用词也存在混用、滥用的问题。由于多数信息化领域的名词都是英语的翻译，因此，力求准确，正本清源是非常必要的。本文就对其中三个重要的名词术语Digital Mockup、Digital prototyping和Virtual prototyping的准确含义和正确的翻译进行探讨。之所以要讨论这个问题，是因为这三个名词，目前在很多文章中，都被笼统地翻译为数字化样机、电子样机或虚拟样机，但实际上，这三个概念的内涵是不同的。

    针对这三个名词，我查询了很多相关资料，得出本文的结论，敬请批评指正。本文讨论的内容，在5月8日举行的数字化样机普及应用研讨会上，得到了著名专家童秉枢、肖田元老师的指导和肯定。

    1. 关于Mockup和Prototype的含义

    首先来看Mockup和Prototype这两个词的含义：Mockup是一种结构或装置，一般用于教学、演示、检查设计方案等。Prototype是指产品开发过程中开发出来的原型产品。Prototype通常具有功能，即便可能不是完整的功能；而Mockup仅仅是看起来像真实的系统，不具有功能。（维基百科的解释：In common usage, a mockup is a scale or full-size non-functional model of a structure or device, used for teaching, demonstration, testing a design, promotion, etc.A mockup is not a prototype: prototypes are at least partly functional versions of the design.）关于Prototype，在线词典的解释是：1) An original type, form, or instance serving as a basis or standard for later stages. 2) An original, full-scale, and usually working model of a new product or new version of an existing product.  3) An early, typical example.  4) Biology A form or species that serves as an original type or example.

   2. 关于Digital Mockup

    关于Digital Mockup，相关厂商对其功能的描述是：DMU技术能够使工程师能够对任何复杂的模型进行内部观察、漫游、检查和模拟。DMU包括以下功能：1.与CAX系统完全集成。2.提供强大的可视化手段，除了虚拟显示和多种浏览功能，还集成了DMU漫游和截面透视等先进手段。3.具备各种功能性检测手段，如安装/拆卸、机构运动、干涉检查、截面扫描等。4.具有产品结构的配置和信息交流功能。

    通过这段描述，我们可以看出，DMU的基础是三维CAD，而DMU的主要用途，是在产品的详细设计过程中，针对产品的装配模型，提供快速的浏览、可视化和装配模拟等功能。其应用特点是围绕着三维模型的。其底层支撑技术是轻量化的三维模型技术。事实上，DMU技术的产生，就是由于当时的计算机硬件性能还不够理想，对于汽车、飞机等复杂的产品模型，即通常说的大装配，如果要调出完整的产品结构、特征信息，要装配环境下编辑零件，进行各种编辑操作，效率极低。因此，诞生了以轻量化三维模型为核心的DMU技术，将涉及到“看”的功能，与涉及到详细“编辑”的功能区分开来，以解决硬件性能不足的问题。由此，我们可以得出一个结论，即DMU是特指在三维CAD环境下，对复杂产品的大装配模型进行浏览、可视化和装配模拟的相关技术。随着计算机硬件技术的发展，尤其是CPU、内存和专业显卡技术的发展，以及CAD软件本身性能的提升，对于大装配的处理技术逐渐提高，中端三维CAD也逐渐可以处理大装配，对于复杂产品的“看”和“编辑”的矛盾逐渐没有那么突出了。同时，轻量化技术的发展，诞生了JT、3D XML、DWF、E-DRAWING、3D PDF等三维轻量化文件格式，这样浏览复杂产品逐渐变得更加方便了。

    经过仔细研究，我认为将DMU翻译为数字样机、数字化样机，或者电子样机是值得商榷的！因为样机，在中文中的意思是原型产品。而DMU的对象只是产品在计算机中建立的三维装配模型。因此，DMU实际上应该翻译为：数字化装配模拟技术，更为准确。在台湾的翻译中，DMU被称为：数位视讯模拟，或者数位模拟。从中可以看出其含义，都不涉及“样机”。而在中国大陆的文献中，也有将DMU翻译为数字化装配和数字化模装的。相对而言，数字化装配模拟技术更能够涵盖这个概念的实质，或者也可以把DMU称为数字化产品模型技术。总体来说，DMU属于CAD的范畴。

    在Digital Mockup的基础上，西门子PLM在NX5软件当中，提出了Active Mockup的概念。这个概念强调的是在用户编辑大装配时，系统可以自动现实轻量化的三维模型。而如果要编辑其中的某个零件，则会自动调出相应的特征模型，这样兼顾显示速度和编辑功能。从这样的功能也可以看出，与Mockup有关的功能是在CAD软件当中实现的。

    进行这样的分析并不是吹毛求疵。其重要性在于，如果把DMU也翻译为数字化样机，就模糊了基本概念，让很多人认为有了三维CAD，就应用了数字化样机技术了。这样容易造成误导。

    3. 关于Virtual Prototyping

    关于Virtual Prototyping，或者Virtual Prototype，我找到的网上资料更多地来自与CAE应用有关的文档。来自清华大学的范文惠、熊光楞、曾庆良等学者在一篇学术论文中对虚拟样机技术(Virtual Prototyping，VP)给出的介绍是：

    Virtual Prototyping是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。应用虚拟样机技术，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、加快产品开发周期有重要意义。 

    虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，以及广泛应用网络技术、计算机技术、信息技术、集成技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法，可以显著地提高设计质量、降低产品开发成本，极大地提高企业的创新能力、竞争能力和经济效益。具体说来就是在建造第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立产品系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。由于虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性，借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立产品系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统。

   与Virtual Prototyping有关的一个概念是Functional Virtual Prototyping。在MSC.Software公司的一份资料中指出，产品开发的三步循环包括构形（Form）、装配（Fit）、功能（Function）。而MSC.Software公司提出的VPD（Virtual Product Development，虚拟产品开发）技术，对应的三步循环是： CAD设计、数字化装配（Digital Mock-up）和数字化功能样机仿真(Functional virtual prototyping)构成。从这里可以看出CAD、Digital Mockup和Virtual Prototyping的区别。

  CAE技术泛指各类仿真(Simulation)技术，应用领域可以是地震、爆炸等各行各业。而Virtual Prototyping技术是指用在制造业的与产品性能仿真有关的技术。Virtual Prototyping强调的是在产品的三维模型基础上，建立仿真模型，并在仿真模型的基础上，模拟各种真实的物理场，施加各类载荷，并模拟强度、刚度、疲劳、噪声、振动等各种物理性能参数，模拟碰撞、跌落的产品工作中可能出现的工况。在汽车行业，还有更加专业的仿真功能，如NVH分析，模拟人乘坐车辆的感受等。通过这些分析，来减少实物样机的制作数量。通过虚拟仿真与物理实验的对比，建立对虚拟仿真的置信度，从而减少物理实验的比例，降低研发成本。Virtual Prototyping，实际上强调的是针对产品，综合应用各类虚拟仿真技术，进行分析、仿真。Virtual Prototyping，应当属于CAE技术的范畴。需要指出的是，Virtual Prototyping技术是非常复杂的、专业的，包括了多学科的仿真技术、优化技术。

    针对Virtual这个词，清华大学肖田元教授在5月8日的研讨会上指出，在牛津大辞典上，对Virtual这个词的第一重要的解释是Essential，换句话是接近真实。因此，将Virtual Prototyping翻译为“虚拟样机”，实际上有些含糊。因此，有学者将Virtual翻译为“拟实”。另外，肖教授也指出，Prototyping，是一个动名词，因此是包含了一个过程。综上所述，我认为，从理解其含义的角度来说，将Virtual Prototyping翻译为数字化功能样机开发更为准确，并容易理解，与其实际的内涵更为接近。

    4. 关于Digital Prototyping

    相对与上述两个概念，Digital Prototyping是一个较新的提法（参见：http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_prototyping）。这个提法，是比较正式地由国际知名的研究公司Aberdeen提出来的，同时，另一家研究公司IDC也发表了与Digital Prototyping相关的白皮书。Aberdeen公司与主流的CAD、PLM厂商共同完成了一项研究，表明使用Digital Prototyping技术，不仅能够大大减少实物样机的制作数量，从而降低成本，而且可以提高产品研发效率，缩短产品上市周期，降低产品研发的风险，是研发的产品更加适应市场需求。

    Digital Prototyping技术使得概念设计、工程设计、制造、销售和市场部门可以在产品制造之前虚拟地体验完整的产品。工业造型师、制造工程师和设计工程师使用数字化样机技术在整个产品开发过程中对产品进行设计、优化、验证和可视化。市场人员可以使用数字化样机技术来在产品制造之前创建产品的真实感渲染和在模拟实景的环境中的动画模拟。Digital prototyping 包含了创建和应用数字化样机的完整过程。

    与上述两个概念不同，Digital Prototyping向前延伸到概念设计阶段，向后延伸到市场推广方面的应用。换句话说，是把一个创意(Idea）变成一个可以向客户推销的数字化的产品原型的全过程。而向客户推销时，并没有开始真实的制造过程。在获得了客户订单，或者客户的认同之后，才真正开始进行实物样机的制造。这样，就大大降低了产品研发的风险。

    所以，相对Digital Mockup和Virtual Prototyping而言，Digital Prototyping是一个较为宽泛的概念。支撑技术包括概念设计（工业设计）软件、CAD（二维、三维，机械、电气等）、EDA、CAE、CAM、PDM、三维动画软件等，实际上与通常说的C3P（中国称为C4P，还包括CAPP）比较接近。与PLM还包括大修维护、报废、设计质量管理、设计成本管理相比，Digital Prototyping的范围要窄一些，涵盖了产品的整个产生过程，但没有包括产品的使用过程。目前，与Digital Prototyping相关的技术已经逐渐成熟。因此针对大多数企业而言，可以实现普及应用。

    通过以上的分析可以看出，对于Digital Prototyping这个概念，翻译为数字化样机开发比较妥当，而Digital Prototype可以翻译为数字化样机。

    5. 小结

    关于IT领域的术语，我认为在翻译和使用的过程中，应当力求准确，同时要考虑容易理解。同时，我国的研究人员与媒体应该建立更加科学和严谨的态度，不能过于随意。例如，最近一个流行的术语：虚拟化（Virtualization）技术，我认为翻译得很不好，很不容易让用户理解这个技术的实质，按其含义翻译则更为准确。我认为,Virtualization技术强调是IT资源（服务器、PC、存储等等）的充分利用，因此，翻译为IT资源优化技术，恐怕更容易理解，也可以更准确地反应地本质含义。

    再次强调，撰写本文的目的是本着务实求真的态度进行探讨，诚挚欢迎大家对本文的观点进行讨论和批评指正。