三維CAD軟件測評標準研究★

陸定聰，吳蕾

（工業(yè)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(shè)計（CAD：Computer Aided Design）軟件在當前我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)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(yīng)用在機械、航空、航天、電子、模具和汽車等領(lǐng)域，關(guān)系到國家安全和國計民生。同時三維CAD軟件是實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化定義的支撐軟件，是打造數(shù)字孿生和實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵支撐技術(shù)，是企業(yè)進行產(chǎn)品創(chuàng)新的有力工具[1-2]。

因為生產(chǎn)制造中機械的工作過程或產(chǎn)品的外觀形狀相對復(fù)雜，對許多裝備及產(chǎn)品的研制產(chǎn)生了較大的阻礙。在設(shè)計分析過程中，大量的計算是必不可少的，對設(shè)計人員造成了較大的困難。傳統(tǒng)方法中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析往往通過手工作圖完成，然后根據(jù)經(jīng)驗給出結(jié)論。這種設(shè)計手段的效率低下，無法滿足產(chǎn)品設(shè)備發(fā)展的需求。而三維CAD軟件能直觀地表達出產(chǎn)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(xiàn)了出來；同時設(shè)計人員也可以對相關(guān)參數(shù)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(tǒng)方法。三維CAD軟件有助于發(fā)揮設(shè)計人員的才能，構(gòu)思新的產(chǎn)品[3]。

圖1 機械臂的整機裝配模型

國產(chǎn)三維CAD軟件與國外同類產(chǎn)品相比，功能大體類似，差別主要在性能上，但性能表現(xiàn)受測試的環(huán)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(tǒng)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(zhì)量做出科學(xué)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(chǎn)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(guī)范三維CAD軟件測試工作，為軟件項目管理、軟件開發(fā)等提供依據(jù)，具有重要的意義。

1 三維CAD軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

三維CAD軟件在工業(yè)軟件中屬于設(shè)計類軟件，是后續(xù)進行模型仿真、制造等計算機應(yīng)用的根本基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，其是工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計和仿真的核心工具，支撐保障著工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新研制[4]。不同于現(xiàn)在二維CAD軟件國內(nèi)外技術(shù)差距極小的現(xiàn)狀，三維CAD軟件的發(fā)展呈現(xiàn)著“國外為主，國內(nèi)追趕”的局面。

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

20世紀80年代，達索系統(tǒng)公司和IBM公司共同發(fā)布的CATIA 1.0版本，優(yōu)先應(yīng)用于航天和汽車行業(yè)，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(fā)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(chǎn)品生命周期管理架構(gòu)。到80、90年代我國開始嘗試三維CAD產(chǎn)品的研發(fā)，在“甩圖板”工程的推動下，掀起自主研發(fā)CAD軟件的高潮，但是國內(nèi)涌現(xiàn)出的國產(chǎn)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(fā)的二維CAD系統(tǒng)，和基于AUTOCAD二次開發(fā)的InteCAD、中望CAD和天舟CAD等。

21世紀初，隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，服務(wù)模式創(chuàng)新趨勢演進，國內(nèi)資本逐步地投向云制造、制造服務(wù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，在企業(yè)開始大量地購買和應(yīng)用國外軟件產(chǎn)品的同時，國外CAD軟件廠商通過并購擴大規(guī)模。例如：法國達索CATIA迅速地形成了集團研發(fā)模式，占領(lǐng)國內(nèi)市場；而國內(nèi)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(nèi)市場的牽引和政策的引導(dǎo)，國內(nèi)工業(yè)軟件廠商加快并加強了三維CAD軟件的研發(fā)。

當前國內(nèi)CAD軟件公司主要有中望龍騰、山大華天和數(shù)碼大方等，武漢開目從最初的二維CAD軟件轉(zhuǎn)戰(zhàn)到計算機輔助工藝過程設(shè)計再到現(xiàn)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(shè)計軟件轉(zhuǎn)戰(zhàn)到現(xiàn)在的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，而基于AutoCAD二次開發(fā)的天河軟件則轉(zhuǎn)戰(zhàn)到集成解決方案領(lǐng)域。目前，中望軟件已經(jīng)成為中國最大的CAx（CAD/CAE/CAM）解決方案供應(yīng)商，也是中國唯一同時擁有二、三維CAD自主核心技術(shù)的軟件廠商。但是，在軟件質(zhì)量上國內(nèi)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(fā)展現(xiàn)狀

目前，國際標準化組織沒有設(shè)立專門的三維CAD軟件技術(shù)委員會等機構(gòu)，三維CAD軟件相關(guān)的標準化工作分別由多個ISO和IEC的技術(shù)委員會/分技術(shù)委員會完成。與三維CAD軟件相關(guān)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(zhì)量相關(guān)的標準規(guī)范，如《系統(tǒng)和軟件工程—系統(tǒng)和軟件質(zhì)量要求和評估》可以應(yīng)用到三維CAD軟件的質(zhì)量評價中。而在其計算機圖形學(xué)、圖像處理和環(huán)境數(shù)據(jù)表示分技術(shù)委員會中，與三維CAD軟件直接相關(guān)的標準有《三維圖形內(nèi)核系統(tǒng)》 《圖形內(nèi)核系統(tǒng)》等。ISO/TC 184，即國際標準化組織自動化系統(tǒng)與集成技術(shù)委員會，其標準化領(lǐng)域包括信息系統(tǒng)、自動化和控制系統(tǒng)，以及集成技術(shù)。該技術(shù)委員會直接與三維CAD軟件相關(guān)的、更多的是工業(yè)模型數(shù)據(jù)交換的標準規(guī)范，如《數(shù)據(jù)質(zhì)量》 《工業(yè)自動化系統(tǒng)和集成-產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示和交換》和《數(shù)字孿生制造框架》等。ISO/TC 10，即國際標準化組織技術(shù)產(chǎn)品文件標準化技術(shù)委員會，其主要職能是對制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的技術(shù)文件，包括設(shè)計、制造、檢驗、使用和回收等產(chǎn)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(shù)等方面開展國際標準化工作，如《技術(shù)產(chǎn)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(shù)研究院、電氣和電子工程師協(xié)會、美國機械工程師學(xué)會和德國標準化協(xié)會等國外的標準化工作組織也發(fā)布了一些與CAD軟件相關(guān)的標準，如德國標準化協(xié)會發(fā)布的《CAD標準件數(shù)據(jù)庫.幾何形狀和參數(shù)規(guī)范.圓截制動環(huán)》。這些標準化組織更多地聚焦于CAD軟件應(yīng)用方面的標準化工作，缺乏針對三維CAD軟件質(zhì)量屬性測評的標準規(guī)范。

而在國內(nèi)與CAD軟件相關(guān)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(shù)、自動化系統(tǒng)與集成、信息安全和技術(shù)產(chǎn)品等領(lǐng)域的工作。其中，SAC/TC 28全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會中與三維CAD軟件測評相關(guān)的標準已發(fā)布的有《計算機軟件測試規(guī)范》 《計算機軟件測試文檔編制規(guī)范》等國家標準，用于指導(dǎo)軟件的質(zhì)量測試。全國自動化系統(tǒng)與集成標準化技術(shù)委員會主要開展的是自動化系統(tǒng)與集成領(lǐng)域的標準化工作，其發(fā)布了與三維CAD軟件質(zhì)量測評相關(guān)的是國家標準GB/T 25108—2010 《三維CAD軟件功能規(guī)范》，該標準規(guī)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(fā)和測評等活動。另外，還有SAC/TC 260全國信息安全標準化技術(shù)委員會、SAC/TC 146全國技術(shù)產(chǎn)品文件標準化技術(shù)委員會開展的標準化工作與三維CAD軟件有一定的相關(guān)性，例如：SAC/TC 146發(fā)布的《機械工程CAD制圖規(guī)則》規(guī)定了設(shè)計人員使用CAD繪圖時的規(guī)則等。

目前國內(nèi)外的標準化組織已經(jīng)發(fā)布了三維CAD軟件在數(shù)據(jù)要求、功能規(guī)范、技術(shù)要求、文件管理和制圖要求等方面的一些相關(guān)標準，但現(xiàn)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(guān)的標準，難以對三維CAD軟件進行科學(xué)的評測。

3 三維CAD軟件測評標準的編制方法

依據(jù)《計算機軟件測試規(guī)范》 《軟件工程 軟件產(chǎn)品質(zhì)量要求與評價商業(yè)現(xiàn)貨軟件產(chǎn)品的質(zhì)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(tǒng)測試、驗收測試和回歸測試等類型，測試內(nèi)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(fù)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(jù)其具體的應(yīng)用特點和軟件架構(gòu)等，確定對其質(zhì)量特性的基本要求。進而對軟件測試過程及結(jié)果做出規(guī)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(shù)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(zhì)量模型

質(zhì)量模型是一組質(zhì)量特性及其相互關(guān)系。需要根據(jù)三維CAD軟件的特征和具體的測試要求來構(gòu)造其質(zhì)量模型，然后依次測試各個質(zhì)量特性是否滿足相應(yīng)的質(zhì)量要求[7]。三維CAD軟件根據(jù)行業(yè)使用要求、使用環(huán)境和體系架構(gòu)，以及用戶特定要求等，從完整的軟件質(zhì)量模型中提取質(zhì)量特性或子特性，形成質(zhì)量模型，如圖2所示；明確質(zhì)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(shè)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(chǎn)軟硬件架構(gòu)兼容等場景，以及安全性以不可控的內(nèi)存分配等缺陷項作為測試內(nèi)容。

圖2 三維CAD軟件質(zhì)量的屬性要求

b）參考已有的標準，結(jié)合實際工作來編制規(guī)范

參考目前現(xiàn)行的與三維CAD軟件相關(guān)的標準規(guī)范，對三維CAD軟件質(zhì)量屬性的測試內(nèi)容進行更有依據(jù)的設(shè)計，例如：參考GB/T 25108—2010《三維CAD軟件功能規(guī)范》對三維CAD軟件的功能區(qū)分為基本功能和擴展功能，在編制三維CAD軟件功能評測規(guī)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(quán)重，最終實現(xiàn)對三維CAD軟件功能質(zhì)量的有效評價。在編制三維CAD軟件質(zhì)量屬性評測規(guī)范的基礎(chǔ)上，對軟件的測試環(huán)境、過程和用例設(shè)計等進行規(guī)范。軟件測試環(huán)境及測試過程是軟件測評的重要內(nèi)容要素，它們直接影響了三維CAD軟件質(zhì)量屬性測試的結(jié)果，測試環(huán)境和過程的統(tǒng)一可以有效地支撐科學(xué)、可比對的三維CAD軟件質(zhì)量測評。而軟件測試用例是軟件測試結(jié)果的主要體現(xiàn)，測試用例的規(guī)范設(shè)計有助于獲取三維CAD軟件的質(zhì)量情況。以采用一般計算機軟件測試國家、行業(yè)標準為主，并結(jié)合三維CAD軟件測試實際工作經(jīng)驗補充的方式，提出對三維CAD軟件測試環(huán)境、過程和用例設(shè)計等方面的要求與規(guī)定。

4 三維CAD軟件測評標準的主要技術(shù)內(nèi)容

三維CAD軟件測試標準主要對測試內(nèi)容，以及技術(shù)要求、測試環(huán)境、測試過程和測試用例等進行規(guī)范。

a）測試內(nèi)容及技術(shù)要求

根據(jù)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(zhì)量評價，各項三維CAD軟件質(zhì)量測試內(nèi)容及主要技術(shù)要求如表l所示。

表1 三維CAD軟件質(zhì)量測試內(nèi)容及技術(shù)要求

b）測試環(huán)境

測試環(huán)境包括測試環(huán)境使用要求和原則、測試環(huán)境使用流程、環(huán)境權(quán)限部署、測試環(huán)境備份和測試工具部署等。測試環(huán)境的使用應(yīng)遵循流程要求，確保被測三維CAD軟件運行在統(tǒng)一的測試環(huán)境中，避免測試結(jié)果受到非關(guān)鍵因素的影響；另外，測試工具應(yīng)選用經(jīng)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(shè)計、測試執(zhí)行和測試總結(jié)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(shù)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(shè)計階段主要是依據(jù)測試需求，選用已有的測試用例或設(shè)計新的測試用例。測試執(zhí)行階段主要是執(zhí)行測試用例，獲取并分析、判定測試結(jié)果，進而根據(jù)結(jié)果采取相應(yīng)的措施。測試總結(jié)階段主要是整理和分析測試數(shù)據(jù)，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(yīng)明確測試結(jié)論。

在測試執(zhí)行前，應(yīng)達到準入要求后才可以開展測試執(zhí)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(zhí)行的準出標志著整個測試實施過程的結(jié)束，測試準出要求主要關(guān)注用例執(zhí)行情況、缺陷解決情況和系統(tǒng)質(zhì)量情況。

d）測試用例

設(shè)計測試用例時，應(yīng)遵循以下原則：1）基于測試需求的原則，應(yīng)按照測試級別的不同要求，設(shè)計測試用例；2）基于測試方法的原則，應(yīng)明確所采用的測試用例的設(shè)計方法，為達到不同的測試充分性要求，應(yīng)采用相應(yīng)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(yīng)兼顧測試的充分性和測試的效率（每個測試用例的內(nèi)容也應(yīng)完整，具有可操作性）；4）測試執(zhí)行的可重復(fù)性原則，應(yīng)保證測試用例執(zhí)行的可重復(fù)性，每個測試用例都應(yīng)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(jié)果、實際結(jié)果和測試步驟。

5 結(jié)束語

三維CAD軟件標準以遵循國家標準為前提，結(jié)合在工業(yè)制造中三維CAD軟件的實際特點和質(zhì)量要求進行編制。標準的研究一方面使應(yīng)用軟件質(zhì)量管理工作有據(jù)可依，便于三維CAD軟件用戶方更直接地了解軟件質(zhì)量情況；另一方面使應(yīng)用軟件開發(fā)過程有據(jù)可依，便于軟件開發(fā)單位規(guī)范應(yīng)用軟件的生產(chǎn)過程，不斷地提高應(yīng)用軟件產(chǎn)品質(zhì)量，從而能夠更好地服務(wù)于工業(yè)行業(yè)的發(fā)展。