三維CAD 軟件評測標準框架研究

王云鋒， 陳 杰， 潘康華， 辛明哲， 薛 蓮， 李春雨， 賈琳琳

（中機生產力促進中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

三維CAD 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，并且廣泛應用在機械、航空、航天、電子、模具、汽車等領域，關系到國家安全和國計民生[1-2]。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，是僅次于操作系統和辦公軟件的第三大基礎軟件。 經過40多年的改革開放， 我國已逐步發展成全球制造業大國和“世界工廠”， 但當前我國制造業仍處在全球產業鏈中低端，制造業“大而不強”問題十分突出。 我國制造業存在“硬件不硬”、“軟件不強”的“空心化”危機，尤其在工業軟件方面與國外差距巨大。 經過多年發展， 國產三維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 軟件的技術成熟度、產品商品化程度和用戶認可度還處于較低水平。

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、過程等因素影響大，難以直接確定指標的絕對值。 唯有建立共同的評測標準，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建立參照基準，才能對國產三維CAD 的性能做出科學評價[3]。 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。

1 三維CAD 軟件發展與應用情況

在國際三維CAD 的發展過程中，經歷了從早期的五大公司，到現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90 年代之初， 國內的CAD 軟件市場基本上是國外產品一統天下。 隨著市場機制的逐步完善和CAD 應用工程的實施， 在政府直接支持引導和一批產業開發者的共同努力下， 我國的CAD 軟件產業已從無到有，逐漸形成了一批CAD 軟件企業、并發展出一批具有自主知識產權的商品化CAD 軟件，打破了國外產品壟斷的局面。

目前， 國產CAD 軟件產品也已從單一的二維CAD繪 圖 軟 件 發 展 為 涵 蓋CAD、CAPP、CAE、CAM、PDM 和ERP 等方面的系列化產品。 但是，國產三維CAD 軟件，無論是在三維CAD 核心支撐平臺的研發，還是在三維CAD應用系統的產業化方面， 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 國內外三維CAD 軟件標準化現狀

2.1 國外三維CAD 軟件標準化現狀

國際標準化組織沒有設立專門的 “三維CAD 軟件”技術領域，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。目前，與三維CAD 軟件相關的標準化組織主要有ISO/IEC JTC1、ISO/TC184 及ISO/TC10。

ISO/IEC JTC1 是信息技術領域的國際標準化委員會，下設22 個分技術委員會（SC）和19 個工作小組。 其中，ISO/IEC JTC1/SC7 軟件和系統工程分技術委員會和三維CAD 軟件相關的標準主要涉及詞匯、 軟件測試、軟件評估、計算機圖形學、計算機系統模型、質量管理、體系結構、軟件開發方法及工具等領域。

ISO/TC184 自動化系統與集成技術委員會負責自動化系統領域中的標準化及其在產品及其相關服務的設計，采購，制造，生產和交付，支持，維護和處置方面的集成。 其中，ISO/TC 184/SC 4 工業數據分技術委員會主要涉及數據質量，產品數據表示和交換等標準；ISO/TC 184/SC 5 企業系統和自動化應用程序的互操作性，集成和體系結構分技術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用程序集成方法等標準。

ISO/TC10 技術產品文件標準化技術委員會主要職能是開展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、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要求， 以及對這些文件管理技術等方面的國際標準化工作。

在三維CAD 軟件領域，目前已發布的國際標準約90余項，主要涉及計算機圖形接口標準CGI、計算機圖形核心系統標準GKS、程序員層次交互圖形系統標準PHIGS、數據交換標準、數字化定義標準、文件管理標準等。

2.2 國內三維CAD 軟件標準化現狀

國內與CAD 軟件相關的標準化組織主要有SAC/TC28、SAC/TC159、SAC/TC260 及SAC/TC146，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。

在國家有關部門的指導下， 國內相應開展了相關CAD 標準的制定工作， 同時等效采用或非完全等效采用相關國際標準， 近幾年自主研制的相關標準也在逐步增加。 目前，我國已發布三維CAD 軟件相關標準100 余項，包括三維CAD 軟件術語標準、字體標準、圖形系統標準、圖元文件及接口標準、產品數據表達與交換標準、零件庫標準、軟件功能規范、數據規范、三維建模等相關標準。

通過對國際及國內三維CAD 軟件標準化現狀的研究和分析，目前三維CAD 軟件在數據要求、功能規范、技術要求、文件管理、制圖要求等方面已經發布了一些相關標準，但現有標準較為零散，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，難以實現對國產三維CAD 軟件的科學評測。

3 三維CAD 軟件評測標準框架研究

3.1 標準框架的構建原則

3.1.1 繼承采用，兼顧特色

三維CAD 軟件評測標準框架構建過程中充分吸取與借鑒三維CAD 軟件領域國際、國內相關標準化成果與經驗，最大程度繼承其適用內容；同時結合三維CAD 軟件領域的發展現狀和發展需求對體系進行擴展和細化，形成能夠支撐國產三維CAD 軟件應用和發展的三維CAD 軟件評測標準體系。

3.1.2 立足實際，適度前瞻針對三維CAD 軟件在各領域、 各行業應用程度不同、應用需求不一致的現狀，加強三維CAD 軟件標準化工作的頂層設計和統籌規劃，分步推進三維CAD 軟件評測標準框架建設和相關標準制修訂工作； 在充分消化吸收已有的國家、行業三維CAD 軟件標準的同時，適度前瞻，為三維CAD 軟件標準化工作指明發展方向。

3.1.3 協調一致，動態更新

建立的三維CAD 軟件評測標準框架應處理好體系中各部分之間的關系，確定好標準之間的技術關系、層次關系、引用關系，使體系內標準之間協調一致；三維CAD軟件評測標準框架要體現開放性，結合三維CAD 軟件發展情況，積極將各行業、各領域三維CAD 軟件標準化工作新思路、科技研發新成果等引入體系建設中去，持續優化完善體系結構。

3.2 標準框架構建

標準框架是標準化工作的藍圖， 是系統開展標準化工作的基礎和依據。 圍繞三維CAD 軟件領域的發展現狀和發展趨勢，以規范和指導三維CAD 軟件的應用和發展為出發點，建立完整的、協調的和開放的三維CAD 軟件評測標準框架，對三維CAD 軟件標準化的總體思路和發展重點進行科學規劃。

三維CAD 軟件評測標準框架見圖1，主要包括“基礎共性標準”“技術方法標準”“產品功能性能規范標準”“服務標準”和“行業應用標準”五個部分。 其中，基礎共性標準用于統一三維CAD 軟件相關概念， 解決三維CAD 軟件的基礎共性問題，包括術語及定義、數據交換、測試及評估標準等；技術方法標準針對國外三維CAD 軟件發展方向、卡脖子的技術制定我國三維CAD 軟件的關鍵技術標準，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數學計算等標準；產品功能性能規范標準是針對三維CAD 軟件的通用技術，定義相關的標準要求，包括功能、性能技術標準，對于保證和提高產品質量， 提高生產和使用的經濟效益，具有重要意義；服務標準包括質量管理標準、咨詢設計標準、配置要求標準、集成實施標準、運行維護標準和產品生命周期標準等， 從為用戶提供服務的角度出發，推廣國產三維CAD 軟件解決方案遵循的標準；行業應用標準從行業領域出發，制定各個行業的個性化的三維CAD軟件的標準。

圖1 三維CAD 軟件評測標準框架Fig.1 3D CAD software evaluation standard framework

4 結束語

三維CAD 軟件評測標準框架以標準規范形式固化了三維CAD 軟件領域科研成果，總結、交流、推廣和共享三維CAD 軟件應用實踐經驗， 能夠為三維CAD 軟件的應用和發展提供規范和指導。 同時，隨著三維CAD 軟件相關技術的發展，三維CAD 軟件評測標準框架需要不斷完善和修正，保證標準框架與技術發展相協調。