三维CAD软件测评标准研究★

陆定聪，吴蕾

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）

0 引言

三维计算机辅助设计（CAD：Computer Aided Design）软件在当前我国由制造大国向制造强国转型、挺进高端制造中起着越来越重要的作用，并且被广泛地应用在机械、航空、航天、电子、模具和汽车等领域，关系到国家安全和国计民生。同时三维CAD软件是实现产品数字化定义的支撑软件，是打造数字孪生和实现智能制造的关键支撑技术，是企业进行产品创新的有力工具[1-2]。

因为生产制造中机械的工作过程或产品的外观形状相对复杂，对许多装备及产品的研制产生了较大的阻碍。在设计分析过程中，大量的计算是必不可少的，对设计人员造成了较大的困难。传统方法中复杂的结构分析往往通过手工作图完成，然后根据经验给出结论。这种设计手段的效率低下，无法满足产品设备发展的需求。而三维CAD软件能直观地表达出产品的外部特征，使人们能够快速准确地了解，而且计算方便。如图1所示的机械臂的整机装配模型，外观一目了然地表现了出来；同时设计人员也可以对相关参数进行多次修改、分析和仿真，从大量烦琐的计算中解放出来，摆脱耗费大量精力的传统方法。三维CAD软件有助于发挥设计人员的才能，构思新的产品[3]。

图1 机械臂的整机装配模型

国产三维CAD软件与国外同类产品相比，功能大体类似，差别主要在性能上，但性能表现受测试的环境、用例和过程等因素影响大，难以直接确定指标的绝对值。唯有建立统一的评测标准，使用相同的测试用例、方法和工具，通过对国外对标软件的对比测试来建立参照基准，才能对三维CAD软件的质量做出科学评价。然而，目前尚无成熟的三维CAD软件评测标准体系，指标难以量化，难以对国产三维CAD的软件能力做出全面评测。因此，编制符合三维CAD软件特点的测试标准，规范三维CAD软件测试工作，为软件项目管理、软件开发等提供依据，具有重要的意义。

1 三维CAD软件的发展现状

三维CAD软件在工业软件中属于设计类软件，是后续进行模型仿真、制造等计算机应用的根本基础数据来源，其是工业产品数字化设计和仿真的核心工具，支撑保障着工业产品的创新研制[4]。不同于现在二维CAD软件国内外技术差距极小的现状，三维CAD软件的发展呈现着“国外为主，国内追赶”的局面。

20世纪60年代，由于流体力学、应力分析和数控加工等学科技术的需求，出现了首批电脑和图形终端系统软件；并且基于大型飞机研发的需要，法国达索公司率先开始了相关模型软件的研发。20世纪60、70年代，国内开始推动国产CAD软件的研发，以科研与生产相结合的方式进行，我国是最早布局CAD软件研发的国家之一，但缺乏可成熟应用的软件系统。

20世纪80年代，达索系统公司和IBM公司共同发布的CATIA 1.0版本，优先应用于航天和汽车行业，例如：达索航空公司、德国宝马和日本本田汽车等。随后达索CATIA软件的发展步入成熟期，对Solidworks和Deneb等公司进行并购，并推出了第5版CATIA软件，可以支持产品生命周期管理架构。到80、90年代我国开始尝试三维CAD产品的研发，在“甩图板”工程的推动下，掀起自主研发CAD软件的高潮，但是国内涌现出的国产CAD软件更多仍是二维CAD软件，如开目CAD、CAXA、凯图CAD等自主研发的二维CAD系统，和基于AUTOCAD二次开发的InteCAD、中望CAD和天舟CAD等。

21世纪初，随着制造业转型升级，服务模式创新趋势演进，国内资本逐步地投向云制造、制造服务和工业互联网等领域，在企业开始大量地购买和应用国外软件产品的同时，国外CAD软件厂商通过并购扩大规模。例如：法国达索CATIA迅速地形成了集团研发模式，占领国内市场；而国内软件厂商因资金不足和用户流失面临着生存困难甚至倒闭的局面。近年来通过国内市场的牵引和政策的引导，国内工业软件厂商加快并加强了三维CAD软件的研发。

当前国内CAD软件公司主要有中望龙腾、山大华天和数码大方等，武汉开目从最初的二维CAD软件转战到计算机辅助工艺过程设计再到现在的三维工艺辅助软件，清软英泰也从最初的二维计算机辅助设计软件转战到现在的产品数据管理，而基于AutoCAD二次开发的天河软件则转战到集成解决方案领域。目前，中望软件已经成为中国最大的CAx（CAD/CAE/CAM）解决方案供应商，也是中国唯一同时拥有二、三维CAD自主核心技术的软件厂商。但是，在软件质量上国内三维CAD软件还是与国外软件存在较大的差距。

2 三维CAD软件标准的发展现状

目前，国际标准化组织没有设立专门的三维CAD软件技术委员会等机构，三维CAD软件相关的标准化工作分别由多个ISO和IEC的技术委员会/分技术委员会完成。与三维CAD软件相关的标准化组织主要有ISO/IEC JTC1、ISO/TC184和ISO/TC10。在ISO/IEC JTC1中有多项与软件质量相关的标准规范，如《系统和软件工程—系统和软件质量要求和评估》可以应用到三维CAD软件的质量评价中。而在其计算机图形学、图像处理和环境数据表示分技术委员会中，与三维CAD软件直接相关的标准有《三维图形内核系统》 《图形内核系统》等。ISO/TC 184，即国际标准化组织自动化系统与集成技术委员会，其标准化领域包括信息系统、自动化和控制系统，以及集成技术。该技术委员会直接与三维CAD软件相关的、更多的是工业模型数据交换的标准规范，如《数据质量》 《工业自动化系统和集成-产品数据表示和交换》和《数字孪生制造框架》等。ISO/TC 10，即国际标准化组织技术产品文件标准化技术委员会，其主要职能是对制造业产品生产过程中所产生的技术文件，包括设计、制造、检验、使用和回收等产品生命周期中手工的和计算机所涉及到的各种文件，以及这些文件的管理技术等方面开展国际标准化工作，如《技术产品文件CAD图层的组织和命名 第1部分：概述与原则》等。另外，美国国家标准与技术研究院、电气和电子工程师协会、美国机械工程师学会和德国标准化协会等国外的标准化工作组织也发布了一些与CAD软件相关的标准，如德国标准化协会发布的《CAD标准件数据库.几何形状和参数规范.圆截制动环》。这些标准化组织更多地聚焦于CAD软件应用方面的标准化工作，缺乏针对三维CAD软件质量属性测评的标准规范。

而在国内与CAD软件相关的标准化组织主要有SAC/TC 28、SAC/TC 159、SAC/TC 260和SAC/TC 146，分别承担着信息技术、自动化系统与集成、信息安全和技术产品等领域的工作。其中，SAC/TC 28全国信息技术标准化技术委员会中与三维CAD软件测评相关的标准已发布的有《计算机软件测试规范》 《计算机软件测试文档编制规范》等国家标准，用于指导软件的质量测试。全国自动化系统与集成标准化技术委员会主要开展的是自动化系统与集成领域的标准化工作，其发布了与三维CAD软件质量测评相关的是国家标准GB/T 25108—2010 《三维CAD软件功能规范》，该标准规定了三维CAD软件的基本功能和扩展功能，适用于三维CAD软件的选型、开发和测评等活动。另外，还有SAC/TC 260全国信息安全标准化技术委员会、SAC/TC 146全国技术产品文件标准化技术委员会开展的标准化工作与三维CAD软件有一定的相关性，例如：SAC/TC 146发布的《机械工程CAD制图规则》规定了设计人员使用CAD绘图时的规则等。

目前国内外的标准化组织已经发布了三维CAD软件在数据要求、功能规范、技术要求、文件管理和制图要求等方面的一些相关标准，但现有的标准较为零散，未形成标准体系，尤其在三维CAD软件评测方面还缺乏相关的标准，难以对三维CAD软件进行科学的评测。

3 三维CAD软件测评标准的编制方法

依据《计算机软件测试规范》 《软件工程 软件产品质量要求与评价商业现货软件产品的质量要求和测试细则》等国家标准，软件测试包括单元测试、集成测试、配置项测试、系统测试、验收测试和回归测试等类型，测试内容涵盖功能测试、边界测试、性能测试、接口测试、安全性测试、可靠性测试、恢复性测试、人机交互界面测试、配置测试和安装性测试，以及兼容性测试等[5-6]。三维CAD软件的测评标准编制需根据其具体的应用特点和软件架构等，确定对其质量特性的基本要求。进而对软件测试过程及结果做出规范，核心是解决软件需要进行何种测试，以及测试需要达到何种技术要求的问题[7]。三维CAD软件测评标准的编制方法如下所述。

a）分析三维CAD软件的特点，建立质量模型

质量模型是一组质量特性及其相互关系。需要根据三维CAD软件的特征和具体的测试要求来构造其质量模型，然后依次测试各个质量特性是否满足相应的质量要求[7]。三维CAD软件根据行业使用要求、使用环境和体系架构，以及用户特定要求等，从完整的软件质量模型中提取质量特性或子特性，形成质量模型，如图2所示；明确质量各个属性要求，包括功能、性能效率、兼容性和安全性。其中，功能性以草图设计等功能模块，性能效率以装配能力等场景，兼容性以与国产软硬件架构兼容等场景，以及安全性以不可控的内存分配等缺陷项作为测试内容。

图2 三维CAD软件质量的属性要求

b）参考已有的标准，结合实际工作来编制规范

参考目前现行的与三维CAD软件相关的标准规范，对三维CAD软件质量属性的测试内容进行更有依据的设计，例如：参考GB/T 25108—2010《三维CAD软件功能规范》对三维CAD软件的功能区分为基本功能和扩展功能，在编制三维CAD软件功能评测规范时可参照其功能分类对两个部分的功能进行测试并且赋予不同的权重，最终实现对三维CAD软件功能质量的有效评价。在编制三维CAD软件质量属性评测规范的基础上，对软件的测试环境、过程和用例设计等进行规范。软件测试环境及测试过程是软件测评的重要内容要素，它们直接影响了三维CAD软件质量属性测试的结果，测试环境和过程的统一可以有效地支撑科学、可比对的三维CAD软件质量测评。而软件测试用例是软件测试结果的主要体现，测试用例的规范设计有助于获取三维CAD软件的质量情况。以采用一般计算机软件测试国家、行业标准为主，并结合三维CAD软件测试实际工作经验补充的方式，提出对三维CAD软件测试环境、过程和用例设计等方面的要求与规定。

4 三维CAD软件测评标准的主要技术内容

三维CAD软件测试标准主要对测试内容，以及技术要求、测试环境、测试过程和测试用例等进行规范。

a）测试内容及技术要求

根据三维CAD软件的特征，对其进行必要的功能、性能、安全性和兼容性等测试和质量评价，各项三维CAD软件质量测试内容及主要技术要求如表l所示。

表1 三维CAD软件质量测试内容及技术要求

b）测试环境

测试环境包括测试环境使用要求和原则、测试环境使用流程、环境权限部署、测试环境备份和测试工具部署等。测试环境的使用应遵循流程要求，确保被测三维CAD软件运行在统一的测试环境中，避免测试结果受到非关键因素的影响；另外，测试工具应选用经过认可的工具。

c）测试过程

三维CAD软件测试过程可划分为测试计划、测试设计、测试执行和测试总结4个阶段。测试计划阶段主要是分析明确测试范围、测试策略、测试的充分性要求、资源和技术需求等，明确测试过程中的问题管理流程、变更管理流程、进度管理流程和缺陷管理流程等，从而制定详细的测试计划。测试设计阶段主要是依据测试需求，选用已有的测试用例或设计新的测试用例。测试执行阶段主要是执行测试用例，获取并分析、判定测试结果，进而根据结果采取相应的措施。测试总结阶段主要是整理和分析测试数据，对测试工作进行分析和评价，编写测试报告，在测试报告中应明确测试结论。

在测试执行前，应达到准入要求后才可以开展测试执行；测试准入要求包括上一个测试级别达到准出要求、测试计划通过审核等。而测试执行的准出标志着整个测试实施过程的结束，测试准出要求主要关注用例执行情况、缺陷解决情况和系统质量情况。

d）测试用例

设计测试用例时，应遵循以下原则：1）基于测试需求的原则，应按照测试级别的不同要求，设计测试用例；2）基于测试方法的原则，应明确所采用的测试用例的设计方法，为达到不同的测试充分性要求，应采用相应的测试方法；3）兼顾测试充分性和效率的原则，测试用例集应兼顾测试的充分性和测试的效率（每个测试用例的内容也应完整，具有可操作性）；4）测试执行的可重复性原则，应保证测试用例执行的可重复性，每个测试用例都应包括名称和标识、用例追溯、用例说明、测试条件、测试输入、期望结果、实际结果和测试步骤。

5 结束语

三维CAD软件标准以遵循国家标准为前提，结合在工业制造中三维CAD软件的实际特点和质量要求进行编制。标准的研究一方面使应用软件质量管理工作有据可依，便于三维CAD软件用户方更直接地了解软件质量情况；另一方面使应用软件开发过程有据可依，便于软件开发单位规范应用软件的生产过程，不断地提高应用软件产品质量，从而能够更好地服务于工业行业的发展。