三維CAD軟件測評標準研究★

陸定聰，吳蕾

（工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

三維計算機輔助設計（CAD：Computer Aided Design）軟件在當前我國由制造大國向制造強國轉型、挺進高端制造中起著越來越重要的作用，并且被廣泛地應用在機械、航空、航天、電子、模具和汽車等領域，關系到國家安全和國計民生。同時三維CAD軟件是實現產品數字化定義的支撐軟件，是打造數字孿生和實現智能制造的關鍵支撐技術，是企業進行產品創新的有力工具[1-2]。

因為生產制造中機械的工作過程或產品的外觀形狀相對復雜，對許多裝備及產品的研制產生了較大的阻礙。在設計分析過程中，大量的計算是必不可少的，對設計人員造成了較大的困難。傳統方法中復雜的結構分析往往通過手工作圖完成，然后根據經驗給出結論。這種設計手段的效率低下，無法滿足產品設備發展的需求。而三維CAD軟件能直觀地表達出產品的外部特征，使人們能夠快速準確地了解，而且計算方便。如圖1所示的機械臂的整機裝配模型，外觀一目了然地表現了出來；同時設計人員也可以對相關參數進行多次修改、分析和仿真，從大量煩瑣的計算中解放出來，擺脫耗費大量精力的傳統方法。三維CAD軟件有助于發揮設計人員的才能，構思新的產品[3]。

圖1 機械臂的整機裝配模型

國產三維CAD軟件與國外同類產品相比，功能大體類似，差別主要在性能上，但性能表現受測試的環境、用例和過程等因素影響大，難以直接確定指標的絕對值。唯有建立統一的評測標準，使用相同的測試用例、方法和工具，通過對國外對標軟件的對比測試來建立參照基準，才能對三維CAD軟件的質量做出科學評價。然而，目前尚無成熟的三維CAD軟件評測標準體系，指標難以量化，難以對國產三維CAD的軟件能力做出全面評測。因此，編制符合三維CAD軟件特點的測試標準，規范三維CAD軟件測試工作，為軟件項目管理、軟件開發等提供依據，具有重要的意義。

1 三維CAD軟件的發展現狀

三維CAD軟件在工業軟件中屬于設計類軟件，是后續進行模型仿真、制造等計算機應用的根本基礎數據來源，其是工業產品數字化設計和仿真的核心工具，支撐保障著工業產品的創新研制[4]。不同于現在二維CAD軟件國內外技術差距極小的現狀，三維CAD軟件的發展呈現著“國外為主，國內追趕”的局面。

20世紀60年代，由于流體力學、應力分析和數控加工等學科技術的需求，出現了首批電腦和圖形終端系統軟件；并且基于大型飛機研發的需要，法國達索公司率先開始了相關模型軟件的研發。20世紀60、70年代，國內開始推動國產CAD軟件的研發，以科研與生產相結合的方式進行，我國是最早布局CAD軟件研發的國家之一，但缺乏可成熟應用的軟件系統。

20世紀80年代，達索系統公司和IBM公司共同發布的CATIA 1.0版本，優先應用于航天和汽車行業，例如：達索航空公司、德國寶馬和日本本田汽車等。隨后達索CATIA軟件的發展步入成熟期，對Solidworks和Deneb等公司進行并購，并推出了第5版CATIA軟件，可以支持產品生命周期管理架構。到80、90年代我國開始嘗試三維CAD產品的研發，在“甩圖板”工程的推動下，掀起自主研發CAD軟件的高潮，但是國內涌現出的國產CAD軟件更多仍是二維CAD軟件，如開目CAD、CAXA、凱圖CAD等自主研發的二維CAD系統，和基于AUTOCAD二次開發的InteCAD、中望CAD和天舟CAD等。

21世紀初，隨著制造業轉型升級，服務模式創新趨勢演進，國內資本逐步地投向云制造、制造服務和工業互聯網等領域，在企業開始大量地購買和應用國外軟件產品的同時，國外CAD軟件廠商通過并購擴大規模。例如：法國達索CATIA迅速地形成了集團研發模式，占領國內市場；而國內軟件廠商因資金不足和用戶流失面臨著生存困難甚至倒閉的局面。近年來通過國內市場的牽引和政策的引導，國內工業軟件廠商加快并加強了三維CAD軟件的研發。

當前國內CAD軟件公司主要有中望龍騰、山大華天和數碼大方等，武漢開目從最初的二維CAD軟件轉戰到計算機輔助工藝過程設計再到現在的三維工藝輔助軟件，清軟英泰也從最初的二維計算機輔助設計軟件轉戰到現在的產品數據管理，而基于AutoCAD二次開發的天河軟件則轉戰到集成解決方案領域。目前，中望軟件已經成為中國最大的CAx（CAD/CAE/CAM）解決方案供應商，也是中國唯一同時擁有二、三維CAD自主核心技術的軟件廠商。但是，在軟件質量上國內三維CAD軟件還是與國外軟件存在較大的差距。

2 三維CAD軟件標準的發展現狀

目前，國際標準化組織沒有設立專門的三維CAD軟件技術委員會等機構，三維CAD軟件相關的標準化工作分別由多個ISO和IEC的技術委員會/分技術委員會完成。與三維CAD軟件相關的標準化組織主要有ISO/IEC JTC1、ISO/TC184和ISO/TC10。在ISO/IEC JTC1中有多項與軟件質量相關的標準規范，如《系統和軟件工程—系統和軟件質量要求和評估》可以應用到三維CAD軟件的質量評價中。而在其計算機圖形學、圖像處理和環境數據表示分技術委員會中，與三維CAD軟件直接相關的標準有《三維圖形內核系統》 《圖形內核系統》等。ISO/TC 184，即國際標準化組織自動化系統與集成技術委員會，其標準化領域包括信息系統、自動化和控制系統，以及集成技術。該技術委員會直接與三維CAD軟件相關的、更多的是工業模型數據交換的標準規范，如《數據質量》 《工業自動化系統和集成-產品數據表示和交換》和《數字孿生制造框架》等。ISO/TC 10，即國際標準化組織技術產品文件標準化技術委員會，其主要職能是對制造業產品生產過程中所產生的技術文件，包括設計、制造、檢驗、使用和回收等產品生命周期中手工的和計算機所涉及到的各種文件，以及這些文件的管理技術等方面開展國際標準化工作，如《技術產品文件CAD圖層的組織和命名 第1部分：概述與原則》等。另外，美國國家標準與技術研究院、電氣和電子工程師協會、美國機械工程師學會和德國標準化協會等國外的標準化工作組織也發布了一些與CAD軟件相關的標準，如德國標準化協會發布的《CAD標準件數據庫.幾何形狀和參數規范.圓截制動環》。這些標準化組織更多地聚焦于CAD軟件應用方面的標準化工作，缺乏針對三維CAD軟件質量屬性測評的標準規范。

而在國內與CAD軟件相關的標準化組織主要有SAC/TC 28、SAC/TC 159、SAC/TC 260和SAC/TC 146，分別承擔著信息技術、自動化系統與集成、信息安全和技術產品等領域的工作。其中，SAC/TC 28全國信息技術標準化技術委員會中與三維CAD軟件測評相關的標準已發布的有《計算機軟件測試規范》 《計算機軟件測試文檔編制規范》等國家標準，用于指導軟件的質量測試。全國自動化系統與集成標準化技術委員會主要開展的是自動化系統與集成領域的標準化工作，其發布了與三維CAD軟件質量測評相關的是國家標準GB/T 25108—2010 《三維CAD軟件功能規范》，該標準規定了三維CAD軟件的基本功能和擴展功能，適用于三維CAD軟件的選型、開發和測評等活動。另外，還有SAC/TC 260全國信息安全標準化技術委員會、SAC/TC 146全國技術產品文件標準化技術委員會開展的標準化工作與三維CAD軟件有一定的相關性，例如：SAC/TC 146發布的《機械工程CAD制圖規則》規定了設計人員使用CAD繪圖時的規則等。

目前國內外的標準化組織已經發布了三維CAD軟件在數據要求、功能規范、技術要求、文件管理和制圖要求等方面的一些相關標準，但現有的標準較為零散，未形成標準體系，尤其在三維CAD軟件評測方面還缺乏相關的標準，難以對三維CAD軟件進行科學的評測。

3 三維CAD軟件測評標準的編制方法

依據《計算機軟件測試規范》 《軟件工程 軟件產品質量要求與評價商業現貨軟件產品的質量要求和測試細則》等國家標準，軟件測試包括單元測試、集成測試、配置項測試、系統測試、驗收測試和回歸測試等類型，測試內容涵蓋功能測試、邊界測試、性能測試、接口測試、安全性測試、可靠性測試、恢復性測試、人機交互界面測試、配置測試和安裝性測試，以及兼容性測試等[5-6]。三維CAD軟件的測評標準編制需根據其具體的應用特點和軟件架構等，確定對其質量特性的基本要求。進而對軟件測試過程及結果做出規范，核心是解決軟件需要進行何種測試，以及測試需要達到何種技術要求的問題[7]。三維CAD軟件測評標準的編制方法如下所述。

a）分析三維CAD軟件的特點，建立質量模型

質量模型是一組質量特性及其相互關系。需要根據三維CAD軟件的特征和具體的測試要求來構造其質量模型，然后依次測試各個質量特性是否滿足相應的質量要求[7]。三維CAD軟件根據行業使用要求、使用環境和體系架構，以及用戶特定要求等，從完整的軟件質量模型中提取質量特性或子特性，形成質量模型，如圖2所示；明確質量各個屬性要求，包括功能、性能效率、兼容性和安全性。其中，功能性以草圖設計等功能模塊，性能效率以裝配能力等場景，兼容性以與國產軟硬件架構兼容等場景，以及安全性以不可控的內存分配等缺陷項作為測試內容。

圖2 三維CAD軟件質量的屬性要求

b）參考已有的標準，結合實際工作來編制規范

參考目前現行的與三維CAD軟件相關的標準規范，對三維CAD軟件質量屬性的測試內容進行更有依據的設計，例如：參考GB/T 25108—2010《三維CAD軟件功能規范》對三維CAD軟件的功能區分為基本功能和擴展功能，在編制三維CAD軟件功能評測規范時可參照其功能分類對兩個部分的功能進行測試并且賦予不同的權重，最終實現對三維CAD軟件功能質量的有效評價。在編制三維CAD軟件質量屬性評測規范的基礎上，對軟件的測試環境、過程和用例設計等進行規范。軟件測試環境及測試過程是軟件測評的重要內容要素，它們直接影響了三維CAD軟件質量屬性測試的結果，測試環境和過程的統一可以有效地支撐科學、可比對的三維CAD軟件質量測評。而軟件測試用例是軟件測試結果的主要體現，測試用例的規范設計有助于獲取三維CAD軟件的質量情況。以采用一般計算機軟件測試國家、行業標準為主，并結合三維CAD軟件測試實際工作經驗補充的方式，提出對三維CAD軟件測試環境、過程和用例設計等方面的要求與規定。

4 三維CAD軟件測評標準的主要技術內容

三維CAD軟件測試標準主要對測試內容，以及技術要求、測試環境、測試過程和測試用例等進行規范。

a）測試內容及技術要求

根據三維CAD軟件的特征，對其進行必要的功能、性能、安全性和兼容性等測試和質量評價，各項三維CAD軟件質量測試內容及主要技術要求如表l所示。

表1 三維CAD軟件質量測試內容及技術要求

b）測試環境

測試環境包括測試環境使用要求和原則、測試環境使用流程、環境權限部署、測試環境備份和測試工具部署等。測試環境的使用應遵循流程要求，確保被測三維CAD軟件運行在統一的測試環境中，避免測試結果受到非關鍵因素的影響；另外，測試工具應選用經過認可的工具。

c）測試過程

三維CAD軟件測試過程可劃分為測試計劃、測試設計、測試執行和測試總結4個階段。測試計劃階段主要是分析明確測試范圍、測試策略、測試的充分性要求、資源和技術需求等，明確測試過程中的問題管理流程、變更管理流程、進度管理流程和缺陷管理流程等，從而制定詳細的測試計劃。測試設計階段主要是依據測試需求，選用已有的測試用例或設計新的測試用例。測試執行階段主要是執行測試用例，獲取并分析、判定測試結果，進而根據結果采取相應的措施。測試總結階段主要是整理和分析測試數據，對測試工作進行分析和評價，編寫測試報告，在測試報告中應明確測試結論。

在測試執行前，應達到準入要求后才可以開展測試執行；測試準入要求包括上一個測試級別達到準出要求、測試計劃通過審核等。而測試執行的準出標志著整個測試實施過程的結束，測試準出要求主要關注用例執行情況、缺陷解決情況和系統質量情況。

d）測試用例

設計測試用例時，應遵循以下原則：1）基于測試需求的原則，應按照測試級別的不同要求，設計測試用例；2）基于測試方法的原則，應明確所采用的測試用例的設計方法，為達到不同的測試充分性要求，應采用相應的測試方法；3）兼顧測試充分性和效率的原則，測試用例集應兼顧測試的充分性和測試的效率（每個測試用例的內容也應完整，具有可操作性）；4）測試執行的可重復性原則，應保證測試用例執行的可重復性，每個測試用例都應包括名稱和標識、用例追溯、用例說明、測試條件、測試輸入、期望結果、實際結果和測試步驟。

5 結束語

三維CAD軟件標準以遵循國家標準為前提，結合在工業制造中三維CAD軟件的實際特點和質量要求進行編制。標準的研究一方面使應用軟件質量管理工作有據可依，便于三維CAD軟件用戶方更直接地了解軟件質量情況；另一方面使應用軟件開發過程有據可依，便于軟件開發單位規范應用軟件的生產過程，不斷地提高應用軟件產品質量，從而能夠更好地服務于工業行業的發展。