一種基于Iron/Rust的船舶電力模擬訓練系統RESTFUL服務方法

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(1.海軍駐大連426廠軍代表室，遼寧 大連 116001；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；3.海軍工程大學 電氣工程學院，武漢 430033)

隨著電力監控系統在船舶中的引入，亟須建立船舶電力虛擬模擬訓練系統，對船員進行相應的培訓輔導，使其盡快掌握必要的基礎知識和實際的操作技能[1-5]。在大型船舶中，電力監控系統也需要進行多戰位設置，實現對系統的梯隊化管理，需要模擬訓練系統提供多戰位協同訓練功能。在多人協同交互的模擬訓練場景中，為保證各訓練部位信息顯示的一致性，信息的實時交互至關重要。受訓人員需要在訓練客戶端上，通過虛擬場景進行各種模擬操作，如機組的啟動、合閘、并車、解列、停機等，需要與實時或非實時服務器等進行數據交互。虛擬模擬訓練系統不僅需要模擬與實船相同的電力系統，提供電力系統實時仿真服務，在需要時能夠實時地對受訓人員的操作進行提示和反饋，而且需要提供仿真電力系統關鍵數據、施訓人員和受訓人員信息、受訓人員訓練時間、地點以及訓練效果和考核結果等信息的存儲管理。以上數據的交互均需要考慮實時性。研究分布式虛擬模擬訓練系統通信的實時性技術，即研究虛擬模擬訓練的實時數據分發方法，對于構建一個可用性強的模擬訓練系統十分必要。基于以上需求，提出一種基于Iron/Rust的船舶電力模擬訓練系統RESTFUL服務方法，滿足船舶電力虛擬模擬訓練系統對指令處理的實時性需求。

1 基于Serde庫的序列化

由于在電力模擬訓練系統仿真服務器中，需要完成對船舶電力系統中包括發電機組、斷路器等各種設備在內的虛擬呈現，將整個系統虛擬化，在進行模擬仿真時，虛擬化的設備需要以類的形式進行運行產生數據。用戶在通過客戶端進行模擬訓練時，訓練人員的操作指令按照規定的通信協議通過艦載平臺網打包發送至系統服務器，服務器根據收到的操作指令結合設定的訓練程序生成反饋數據。該數據需要按照相同的通訊協議通過平臺網發送至訓練客戶端，更新訓練客戶端的訓練界面，在多戰位的協同訓練過程中，可以保持各訓練部位訓練進程的一致性，維持訓練的協調持續進行。服務器同時要將收到的客戶端操作指令進行記錄分類歸檔，用于后期的訓練查詢及考核評估。在發送端對需要發送的數據按照存儲或通訊協議的要求進行編排，在接收端按照已定的解析協議對收到的數據進行信息解析，即序列化和反序列化的過程。基于RSETful的數據交換時，序列化和反序列化是系統必須要解決的問題。

序列化操作可以讓其他程序模塊訪問未進行序列化便無法修改或查看的對象數據。在對象數據進行相應序列化后，系統在需要查看或修改這些數據時，不需要考慮對象成員的可訪問性，相應地，數據的反序列化將接收到的已序列化的數據中解析出需要的數據，用于更新對象狀態。

Serde是Rust中應用最為廣泛的序列化和反序列化框架，主要用于將序列化后的數據按照Rust結構進行轉換，反之亦然。在研究準備構建的訓練模擬訓練系統中，主要基于Rust結構與JSON數據的轉化。

2 基于RESTFUL的數據分發方法

REST(Representational State Transfer)是一種充分利用Web特性的分布式軟件架構風格，可以降低系統開發的復雜性，提供系統的可伸縮性。利用統一資源標識符(URI)來定位和識別資源，并通過HTTP協議中的方法(PUT、GET、POST、DELETE)在資源進行CRUD操作。

基于Rust語言的Iron框架建立船舶模擬訓練系統的RESTFUL數據，需要建立基本的REST API路由：

mount_root.mount("/api/v1/", mount_api);

mount_root.mount("/client/", Static::new(Path::new("./client")));

在船舶電力模擬訓練中，資源信息主要分為四類：用戶信息、訓練操作信息、訓練過程信息以及戰位信息。各類信息包括全部顯示、創建、查找、更新和刪除五類子信息。在REST服務架構中，URI應該包含所有作用域信息，其設計有三條基本原則：用路徑變量來表示層次結構；在路徑變量里加上標點符號，以消除誤解；用查詢變量來表達算法的輸入[6-7]。

文中利用對各種資源確定URI。對四類資源信息確定URI部分路徑，其拓撲關系見圖1。

圖1 模擬訓練資源信息的拓撲示意

以用戶信息為例，確定其子信息的路徑與對應的HTTP操作，其他各類信息可同理確定其URI。見表1。

其拓撲關系圖見圖2。

表1 模擬訓練資源子信息的URI部分路徑及HTTP操作

圖2 模擬訓練資源子信息示意

3 RESTFUL服務負載測試與分析

為對設計的RESTFUL服務架構性能進行比較與分析，必須通過定量化、通用的一些性能測試工具與方法，對上述方法進行測試，并對結果進行比較與分析。負載測試是為檢驗系統在給定負載下能否達到預期性能指標。文中將主要采用siege工具進行負載測試。

利用siege工具，分別模擬10個客戶端并行、100個客戶端并行訪問相應典型數據，對restful數據分發方法進行5次測試，得到相應的測試結果，見圖3、4。

圖3 仿真電力系統數據測試結果

圖4 指令數據測試結果

由圖3、4可知，隨著并行客戶端訪問量的增加，傳輸的平均總數據也相應增加；由于并行客戶端訪問量增加，服務器的響應時間也相應增大。由于仿真電力系統數據幀較長，在單次獲取仿真電力系統數據幀時，總的通信數據量為0.41 MB。服務器獲取仿真電力系統數據幀的響應時間，由10客戶端的≤30 ms，增大至100客戶端所對應的≤250 ms 。由于在所有實時分發數據中，仿真電力系統數據幀屬于最長的數據幀，其大小為84.59 k，而指令數據幀均比較短，大小在1 k以內。仿真電力系統數據幀為周期數據，模擬訓練服務器每100 ms更新一次，網頁客戶端每600 ms請求一次仿真電力系統數據幀。指令數據幀為間歇性隨機數據，由客戶端根據用戶的操作而隨機發送。通過測試可知，對于實際情況中最常用的1～10個并行客戶端場景，其通信延遲時間≤1 ms，對于極限情況下的100個并行客戶端場景，其通信延遲時間≤10 ms。實時數據分發性能完全滿足船舶電力模擬訓練系統實際應用的需求。

4 結論

提出一種基于Iron/Rust的船舶電力模擬訓練系統RESTFUL服務方法。對模擬訓練所需的各種數據資源確定URI；構建各個數據資源的子信息的路徑與對應的HTTP操作，即CRUD；對上述RESTFUL服務方法進行負載測試。結果表明，該方法能滿足船舶電力模擬訓練系統實際應用需求。