三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架研究

王云鋒， 陳 杰， 潘康華， 辛明哲， 薛 蓮， 李春雨， 賈琳琳

（中機生產(chǎn)力促進中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

三維CAD 軟件在當(dāng)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，并且廣泛應(yīng)用在機械、航空、航天、電子、模具、汽車等領(lǐng)域，關(guān)系到國家安全和國計民生[1-2]。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，是僅次于操作系統(tǒng)和辦公軟件的第三大基礎(chǔ)軟件。 經(jīng)過40多年的改革開放， 我國已逐步發(fā)展成全球制造業(yè)大國和“世界工廠”， 但當(dāng)前我國制造業(yè)仍處在全球產(chǎn)業(yè)鏈中低端，制造業(yè)“大而不強”問題十分突出。 我國制造業(yè)存在“硬件不硬”、“軟件不強”的“空心化”危機，尤其在工業(yè)軟件方面與國外差距巨大。 經(jīng)過多年發(fā)展， 國產(chǎn)三維CAD軟件取得了長足進步，但與國際先進水平相比，還存在較大差距，我國三維CAD 軟件的技術(shù)成熟度、產(chǎn)品商品化程度和用戶認可度還處于較低水平。

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、過程等因素影響大，難以直接確定指標(biāo)的絕對值。 唯有建立共同的評測標(biāo)準(zhǔn)，使用相同的測試用例、方法和工具，通過對國外對標(biāo)軟件的對比測試建立參照基準(zhǔn)，才能對國產(chǎn)三維CAD 的性能做出科學(xué)評價[3]。 然而，目前尚無成熟的三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)體系， 指標(biāo)難以量化，難以對國產(chǎn)三維CAD 的軟件能力做出全面評測。

1 三維CAD 軟件發(fā)展與應(yīng)用情況

在國際三維CAD 的發(fā)展過程中，經(jīng)歷了從早期的五大公司，到現(xiàn)在的四大譜系并存的局面。主要有法國達索CATIA、美國PTC、西門子UG、美國Autodesk、法國達索SolidWorks、美國Bentley 等，基本形成四大譜系：

（1）IBM/Dassault—CATIA、CATWEB、ENOVIA、Euclid/Styler、SolidWorks。

（2）EDS/Unigraphics—UG II、iMAN、SDRC/I -DEAS、Metaphase、Parasolid、SolidEdge。

（3）PTC—Pro/ENGINEER、Pro/Desktop、Windchill、CV/CADDS5、Division/VR。

（4）Autodesk—AutoCAD、MDT、Inventor、3D Studio MAX、MapGuide。

上個世紀(jì)90 年代之初， 國內(nèi)的CAD 軟件市場基本上是國外產(chǎn)品一統(tǒng)天下。 隨著市場機制的逐步完善和CAD 應(yīng)用工程的實施， 在政府直接支持引導(dǎo)和一批產(chǎn)業(yè)開發(fā)者的共同努力下， 我國的CAD 軟件產(chǎn)業(yè)已從無到有，逐漸形成了一批CAD 軟件企業(yè)、并發(fā)展出一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的商品化CAD 軟件，打破了國外產(chǎn)品壟斷的局面。

目前， 國產(chǎn)CAD 軟件產(chǎn)品也已從單一的二維CAD繪 圖 軟 件 發(fā) 展 為 涵 蓋CAD、CAPP、CAE、CAM、PDM 和ERP 等方面的系列化產(chǎn)品。 但是，國產(chǎn)三維CAD 軟件，無論是在三維CAD 核心支撐平臺的研發(fā)，還是在三維CAD應(yīng)用系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化方面， 與國外水平仍然存在著很大的差距。 目前，三維CAD 軟件市場基本上還是被國外公司所壟斷[4]。

2 國內(nèi)外三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

2.1 國外三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織沒有設(shè)立專門的 “三維CAD 軟件”技術(shù)領(lǐng)域，三維CAD 軟件相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)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。目前，與三維CAD 軟件相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有ISO/IEC JTC1、ISO/TC184 及ISO/TC10。

ISO/IEC JTC1 是信息技術(shù)領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會，下設(shè)22 個分技術(shù)委員會（SC）和19 個工作小組。 其中，ISO/IEC JTC1/SC7 軟件和系統(tǒng)工程分技術(shù)委員會和三維CAD 軟件相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要涉及詞匯、 軟件測試、軟件評估、計算機圖形學(xué)、計算機系統(tǒng)模型、質(zhì)量管理、體系結(jié)構(gòu)、軟件開發(fā)方法及工具等領(lǐng)域。

ISO/TC184 自動化系統(tǒng)與集成技術(shù)委員會負責(zé)自動化系統(tǒng)領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)化及其在產(chǎn)品及其相關(guān)服務(wù)的設(shè)計，采購，制造，生產(chǎn)和交付，支持，維護和處置方面的集成。 其中，ISO/TC 184/SC 4 工業(yè)數(shù)據(jù)分技術(shù)委員會主要涉及數(shù)據(jù)質(zhì)量，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示和交換等標(biāo)準(zhǔn)；ISO/TC 184/SC 5 企業(yè)系統(tǒng)和自動化應(yīng)用程序的互操作性，集成和體系結(jié)構(gòu)分技術(shù)委員會主要涉及使用信息交換需求建模和軟件功能分析的應(yīng)用程序集成方法等標(biāo)準(zhǔn)。

ISO/TC10 技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會主要職能是開展對制造業(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、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要求， 以及對這些文件管理技術(shù)等方面的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。

在三維CAD 軟件領(lǐng)域，目前已發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)約90余項，主要涉及計算機圖形接口標(biāo)準(zhǔn)CGI、計算機圖形核心系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)GKS、程序員層次交互圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)PHIGS、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)、文件管理標(biāo)準(zhǔn)等。

2.2 國內(nèi)三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

國內(nèi)與CAD 軟件相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有SAC/TC28、SAC/TC159、SAC/TC260 及SAC/TC146，分別承擔(dān)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。

在國家有關(guān)部門的指導(dǎo)下， 國內(nèi)相應(yīng)開展了相關(guān)CAD 標(biāo)準(zhǔn)的制定工作， 同時等效采用或非完全等效采用相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)， 近幾年自主研制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在逐步增加。 目前，我國已發(fā)布三維CAD 軟件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)100 余項，包括三維CAD 軟件術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、字體標(biāo)準(zhǔn)、圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、圖元文件及接口標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達與交換標(biāo)準(zhǔn)、零件庫標(biāo)準(zhǔn)、軟件功能規(guī)范、數(shù)據(jù)規(guī)范、三維建模等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

通過對國際及國內(nèi)三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀的研究和分析，目前三維CAD 軟件在數(shù)據(jù)要求、功能規(guī)范、技術(shù)要求、文件管理、制圖要求等方面已經(jīng)發(fā)布了一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)較為零散，未形成標(biāo)準(zhǔn)體系，尤其在三維CAD 軟件評測方面還缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，難以實現(xiàn)對國產(chǎn)三維CAD 軟件的科學(xué)評測。

3 三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架研究

3.1 標(biāo)準(zhǔn)框架的構(gòu)建原則

3.1.1 繼承采用，兼顧特色

三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架構(gòu)建過程中充分吸取與借鑒三維CAD 軟件領(lǐng)域國際、國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化成果與經(jīng)驗，最大程度繼承其適用內(nèi)容；同時結(jié)合三維CAD 軟件領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展需求對體系進行擴展和細化，形成能夠支撐國產(chǎn)三維CAD 軟件應(yīng)用和發(fā)展的三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)體系。

3.1.2 立足實際，適度前瞻針對三維CAD 軟件在各領(lǐng)域、 各行業(yè)應(yīng)用程度不同、應(yīng)用需求不一致的現(xiàn)狀，加強三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)化工作的頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃，分步推進三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架建設(shè)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作； 在充分消化吸收已有的國家、行業(yè)三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)的同時，適度前瞻，為三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)化工作指明發(fā)展方向。

3.1.3 協(xié)調(diào)一致，動態(tài)更新

建立的三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架應(yīng)處理好體系中各部分之間的關(guān)系，確定好標(biāo)準(zhǔn)之間的技術(shù)關(guān)系、層次關(guān)系、引用關(guān)系，使體系內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)之間協(xié)調(diào)一致；三維CAD軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架要體現(xiàn)開放性，結(jié)合三維CAD 軟件發(fā)展情況，積極將各行業(yè)、各領(lǐng)域三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)化工作新思路、科技研發(fā)新成果等引入體系建設(shè)中去，持續(xù)優(yōu)化完善體系結(jié)構(gòu)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)框架構(gòu)建

標(biāo)準(zhǔn)框架是標(biāo)準(zhǔn)化工作的藍圖， 是系統(tǒng)開展標(biāo)準(zhǔn)化工作的基礎(chǔ)和依據(jù)。 圍繞三維CAD 軟件領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以規(guī)范和指導(dǎo)三維CAD 軟件的應(yīng)用和發(fā)展為出發(fā)點，建立完整的、協(xié)調(diào)的和開放的三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架，對三維CAD 軟件標(biāo)準(zhǔn)化的總體思路和發(fā)展重點進行科學(xué)規(guī)劃。

三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架見圖1，主要包括“基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)”“技術(shù)方法標(biāo)準(zhǔn)”“產(chǎn)品功能性能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)”“服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)”和“行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)”五個部分。 其中，基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)用于統(tǒng)一三維CAD 軟件相關(guān)概念， 解決三維CAD 軟件的基礎(chǔ)共性問題，包括術(shù)語及定義、數(shù)據(jù)交換、測試及評估標(biāo)準(zhǔn)等；技術(shù)方法標(biāo)準(zhǔn)針對國外三維CAD 軟件發(fā)展方向、卡脖子的技術(shù)制定我國三維CAD 軟件的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括2D/3D 約束求解、三維幾何引擎、幾何及拓撲、三維渲染引擎、幾何編程接口以及基礎(chǔ)數(shù)學(xué)計算等標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)品功能性能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是針對三維CAD 軟件的通用技術(shù)，定義相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，包括功能、性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對于保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量， 提高生產(chǎn)和使用的經(jīng)濟效益，具有重要意義；服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)包括質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)、咨詢設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、配置要求標(biāo)準(zhǔn)、集成實施標(biāo)準(zhǔn)、運行維護標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品生命周期標(biāo)準(zhǔn)等， 從為用戶提供服務(wù)的角度出發(fā)，推廣國產(chǎn)三維CAD 軟件解決方案遵循的標(biāo)準(zhǔn)；行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)從行業(yè)領(lǐng)域出發(fā)，制定各個行業(yè)的個性化的三維CAD軟件的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架Fig.1 3D CAD software evaluation standard framework

4 結(jié)束語

三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范形式固化了三維CAD 軟件領(lǐng)域科研成果，總結(jié)、交流、推廣和共享三維CAD 軟件應(yīng)用實踐經(jīng)驗， 能夠為三維CAD 軟件的應(yīng)用和發(fā)展提供規(guī)范和指導(dǎo)。 同時，隨著三維CAD 軟件相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，三維CAD 軟件評測標(biāo)準(zhǔn)框架需要不斷完善和修正，保證標(biāo)準(zhǔn)框架與技術(shù)發(fā)展相協(xié)調(diào)。