（交通运输规划与管理专业论文）列车运行图网络数据权限及传输安全问题研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 f 实现全路列车运行图的计算机统一“网上编制”对于增强铁路运输组 织工作的灵活性和机动性具有重要意义是铁路在运输市场中竞争制胜的 基础，也是计算机编图适应“网运分离”改革的必然发展趋势。) 一 本论文在计算机编制列车运行图系统v 2 0 的基础上针对目前国内 计算机编图系统的主要不足无法安全有效的实现数据信息共享，提出基于 b s 体系架构的新型编图系统整体方案，并对处于网络互联状态下、分布式处 理系统的列车运行图数据访问权限以及数据传输安全问题进行深入的研究。 论文的主要研究内容包括： 对目前我国列车运行图管理体制和编制流程进行详细分析。，根据其“几 、 卜几下”的特点，并结合未来“网运分离”体制改革的变化预测，选择采用与 之相适应的基于b s 体系架构、三层业务分布、二层数据分布的整体方案，实 现业务与数据的分离降低丌发与应用过程的复杂度和总体成本；) 对列车运行图系统的数掘信息进行分析设计符合3 n f 规范的数据e r 关系模型，并着重研究处于分布式系统中的列车运行图数据信息的访问权限和 ，一 数据安全问题j 提出以视图模式结合用户识别权限审定实现数据权限划分，以 并发处理、容错技术、恢复技术提高系统的数据安全性； 拄基于b s 架构的系统整体方案基础上对当前多种数据传输技术进行 、 、 分析比较墚用b i s d n 为主干网、a d s l 为接入端的基于公用数据网络分组交 换技术的系统网络体系结构，并针对网络自身安全性和黑客攻击与侵入问题， 详细讨论综合采用差错控制、防火墙、数据加密解密等技术手段提高系统的网 络安全性能。 关键词：列车运行图；b s 体系架构；数据权限；传输安全 、vv 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i ti ss i g n i f i c a n tt of u l f i l lt h em a k i n go f t h ew h o l e r a i l w a y t r a i nd i a g r a mb a s e do n c o m 椰t e rn e t w o r k sf o rt h ei m p r o v i n g o ft h ea d a p t a b i l i t ya n df l e x i l i t y i ti sa l s ot h e f o u n d a t i o nf o rt h er a i l w a yt oc o m p e t ei nt h et r a n s p o r t a t i o nm a r k e ta n dt h ec e r t a i n d i r e c t i o nt oa c c o m m o d a t et h ei r m o v m i o ni nf u t u r e 1 1 1 i sp a p e rf o c u s e so nt h em a i nl i m i t a t i o n u n a b l et os h a r et h ed a t as u r e l ya n d e f f e c t i v e l y - o ft h ee x i s t i n gs y s t e m s o nt h eb a s i so f t h ec o m p u t e rm a k i n gt r a i n d i a g r a ms y s t e mv j r 2 0 b r i n g s f o r w a r dt h en e ws t y l es y s t e mo fm a k i n gd i a g r a m w i t hc o m p u t e rb a s e do nt h eb sa r c h i t e c t u r e i nt h ep a p e r , t h ea u t h o rm a k e ss t u d i e s o nt h ed a t a p e r m i s s i o ns e c u r i t ya n dt r a n s p o r ts e c u r i t yp r o b l e m s o ft h et r a i n d i a g r a m s y s t e m t h a ti sb a s e do nc o m p u t e rn e t w o r k sa n dd i s t r i b u t e ds y s t e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： a f t e rt h ea n a l y z i n go ft h ep r o c e s so f m a k i n g t r a i nd i a g r a m a c c o r d i n gw i t hi t s c h a r a c t e r , a n dt a k ei n t oa c c o u n tt h et r e n do fi r m o v a t i o n ，c h o o s e st h et o t a ls o l u t i o n b a s e do nt h eb sa r c h i t e c t u r e ，3 - t i e ro p e r a t i o nd i s t r i b u t e da n d2 一t i e rd a t ad i s t r i b u t e d t os e p a r a t et h ed a t af r o mo p e r a t i o na n ds i m p l i f yt h ed e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c e ； t h ee - rd a t am o d e lt h a ti sa c c o r dw i t ht h e3 n fc r i t e r i o nj sd e s i g n e da f t e r a n a l y z i n g t h ed a t as t r u c t u r eo ft h et r a i nd i a g r a ms y s t e m e m p h a s i so nt h e p e r m i s s i o ns e c u r i t y o f t h ed i s t r i b u t e ds y s t e m ，t a k et h ev i e ws c h e m a ，c o u p l e dw i t ht h e i o g i n a u t h e n t i c a t i o na n d p e r m i s s i o n s v a l i d a t i o n ，t o e n s u r et h ed a t a a c c e s s i n g d o m i n a t i o n ，a n dt a k et h es y n c h r o n i z a t i o n ，e r r o rc o n t r o l ，a n d r e s t o r ec a p a b i l i t yt o a d v a n c et h ed a t as e c u r i t y ； o nt h eb a s i so fb ss o l u t i o na r c h i t e c t u r e ，a f t e rc o m p a r i n gt h ee x i s t i n g t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g i e s , b i s d n a n da d s li ss e l e c t e da st h em a j o rs o l u t i o n a r c h i t e c t u r eb a s e do nt h ep a c k a g e s w i t c h e dn e t w o r k s f u r t h e r m o r e ，e r r o rc o n t r o l ， f i r e w a l l ，a n de n c r y p t i o nt e c h n i q u e sa r ci n t r o d u c e dt op r e v e n tt h eh a c k e ra r a c ka n d e n s u r et h en e t w o r k ss a f e t y k e y w o r d s ：t r a i nd i a g r a m ，b i s a r c h i t e c t u r e ，d a t ap e r m i s s i o n ，t r a n s p o r ts e c u r i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 计算机网络技术发展 随着计算机广泛应用于社会各个方面需要改变计算机的使用方式。社会 信息的激烈增长，要求更有效的传送、处理和管理信息。这种日益增长的需求 是计算机网络发展的广泛的社会基础。 同时，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，也使得功能 众多的计算机网络不仅成为了现实，而且也更加迅速的发展，只益深入的影响 着社会生活的各个领域。 就通信学科的通信技术演变而言，计算机技术的应用是通信技术现代化的 基础。计算机在通信中的应用迅速发展，使数据通信和数字通信等新的通信技 术领域相继出现，并随计算机技术的发展而迅速发展。初期的数据通信网经过 进一步的完善，实现了全网的资源共享和广大地域范围内的数据处理，进而发 展为全球性的计算机网络。因此，计算机网络是涉及计算机硬件、软件、通信、 信息处理和信息工程学科的综合性学科。 多个自主计算机( a u t o n o m o u sc o m p u t e r s ) 系统通过通信子网组成互联 ( i n t e r c o n n e c t e d ) 集合，这样就成为了计算机网络。它的核心问题是资源共享， 计算机在广大的地域范围内互联之后，资源子网中各主机的资源原则上都可共 享可突破地域范围的限制。第二个目的是依靠可替代的资源柬提供高可靠性 如果有单个部件或少量计算机失效，由于相同的资源可分布在不同的计算机上， 网络可通过不同路由来访问这些资源，不影响用户对同类资源的访问。第三个 目的是提高可扩充性，对计算机网络的最主要的应用模式客户服务器( c s ) 模式和浏览器服务器( b s ) 模式，当应用需求增长时，只需增加相应的客户机 或服务器。最后，计算机网络的发展促进了分如式数据处理和分靠式数据库的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 发展，通过把数据信息和数据处理功能分散到各个计算机上，可利用丽甭丽 来实现分布处理和建立性能优良、可靠性高的分布式数据库系统。 1 2 计算机编制列车运行图的研究及应用现状 利用计算机编制列车运行图对提高列车运行图编制质量、缩短编图周期具 有极其重要的意义。因此，从本世纪五十年代后期开始，国内外专家学者在这 方面开展了长时问的大量的研究工作取得了一些成果和经验。 早在六七十年代初，r 本就开展了利用计算机编制具有实用价值的列车运 行时刻表的研究。到七十年代初期，己在部分线路丌始采取人机交互方式编制 列车运行图取得了显著的效果。近几年来，同本在研究“人工智能”的基 础上进行列车运行图编制专家系统的丌发，把人的判断能力和计算机的高速运 行能力结合起来，丌发了列车运行图编制系统( d i a p s ) ，并在1 9 9 1 年后在实际 工作中得到了应用【2 】。 前苏联从血十年代后期丌始试图用模拟人工算法、试探法、逻辑代数法以 及数学规划法束解决计算机编制列车运行图问题，但均因算法的局限性而未能 达到实用。进入八十年代他们从追求最优到着眼于实用，在计算机选定方案 的基础上进行人机交互方式的修改调整直到满意为止。到九十年代，已在 部分双线线路上采用计算机编制列车运行图，对单线列车运行图的计算机编制 研究也取得了一定的进展。 美国、英国、德国、加拿大、比利时等国家也先后进行了计算机编制列车 运行图的研究，取得了一定的成果。 在我国，铁科院于六十年代初期丌始计算机编制列车运行图的研究。进入 七十年代，通过一定时期的研究由铁科院研制的“人机对话方式铺画全路直 通客车方案系统”达到了实用程度，标志着我国计算机编制列车运行图的研究 工作向前迈出了实质性的一步。 八十年代初期西南交通大学丌始了计算机编制列车运行图的研究。通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 对国内外计算机编制列车运行图的研究现状和采用的方法进行深瓦芬丽i 云芬 吸取其成功经验，并结合我国实际情况，采取了以模型控制计算机处理为主， 人机交互为辅的人机系统设计方法，充分利用各类模型及规律分层决策，由计 算机负责处理，产生运行图方案。近几年相继成功推出了计算机编制列车运 行图系统v 1 o 和计算机编制列车运行图系统v 2 0 ，这为我国计算机编制 列车运行图走向实用和实现全路列车运行图的统一编制提供了科学的手段和依 据也是我国铁路运输走向市场的良好开端。 但是，到目前为止我国研制的计算机编制列车运行图系统基本都是建立 在单机运行基础上的无法实现信息共享。由西南交通大学开发的计算机编 制列车运行图系统v 2 o 采用cj s 结构体系设计，运用分布式数据库技术和 s q l 查询语言，在一定程度上实现了列车运行图数据的网络共享与交互。但是 在网络安全性与信息安全性方面，特别是用户身份验证、数据权限、数据安全、 数据保密与保护等事关系统萨常运行的问题，离实用需求尚有一定差距，有待 于进一步的深入研究。 1 3 列车运行图系统分布式总体架构 实现铁道部、铁路局( 分局) 之恻的运行图数据信息共享的关键是利用现代 通信技术和数搌管理技术合理组织和管理系统数据。随着计算机技术的发展， 我国计算机编制列车运行图系统数据管理技术的发展至今经历了文件系统和数 据库系统两个阶段【5 卯。其中文件系统阶段由于文件是面向应用程序的即文 件与一个或几个应用程序相对应，存在着较大的数据冗余( r e d u n d a n c y ) 和不一 致性( i n c o n s i s t e n c y ) 给系统的开发和应用带柬了较大的困难，随着数据库管理 系统的出现，文件系统方式逐渐被淘汰：采用数据库管理系统组织数据使得数 据具有较高的独立性，冗余度也明显减少更重要的是它提供了方便的应用接 口( 语言、交互命令、程序方式等) 为实现数据共享创造了条件。所以进入数 据库系统阶段以来，计算机编制列车运行图系统得到了飞速的发展目前计 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 算机编制列车运行图系统v 2 o 就是采用这种方式来管理和组织数据的( 如图 l l 所示) 。 蚓1 - 1 计算机编制列车运行圈系统v 2 0 数据组织方式 运行图数据库在单机上运行，数据分布在每个用户计算机上。这样铁道部、 铁路局和铁路分局之间就出现了信息脱节现象，无法实现数据的集中管理与共 享。因此，大部分数据维护工作就成为重复劳动，冗余的工作增加了用户使用 的复杂程度，而且延长了编图周期。其次，以单机模式运行，应用程序和数据 全部堆放在一台机器上，造成了单机负载过重，运行效率低等缺陷。 分却式数据库是数据库技术与网络技术相结合的产物，它的数据被分布存 放在多台计算机上，计算机之问由数据通信网络联系( 如图1 2 所示) 。本地计 算机能单独处理的任务，由本地计算机完成，本地计算机不能单独处理的任务， 可通过数据通信网络取得其它计算机的支持，这就使得各个局部的处理系统不 必为了功能的完备而过于庞大1 3 0 1 。分布式数据库系统兼顾了数据的集中管理和 分散处理两个方面，数据库虽然分柿在网络的各个节点上但仍然是统一管理， 因此，既可独立完成局部应用也能协作完成全局应用。 近年来非常流行的一种分布式系统体系架构是b s 架构，它要求将系统处 理任务根据具体情况合理分布在客户( c l i e n t ) 端和服务器( s e r v e r ) 端。客户端通 常使用浏览器获取系统信息而服务器端则根据业务需求设置有多层服务器， 使客户和服务器能够相互配合，密切合作，以便最大限度的发挥各自的工作潜 力更好的满足用户对应用系统的整体要求，这对要求实现集中( “几上”) 与 西南交通大学硕士研究生学位论文第s 页 幽1 2 分布式数据j 车系统示意l 芏1 分散( “几下”) 相结合的计算机编制全路列车运行图系统柬说无疑是最佳的选 择。因此，研究如何开发基于b s 架构的计算机编图系统对于实现系统资源共 享保证编图信息的存储、传输及处理，改善数据信息的管理和交流，实现编 图业务的整体化提高编图效率，具有极其重要的意义。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文针对目前计算机编制列车运行图系统的罡要不足无法安全、有 效的实现数掘信息共享，提出基于b i s 系统架构的新代计算机编制列车运行 图系统，并对其建立及应用过程中数掘管理和网络安全等技术问题进行研究。 论文的主要内容包括： 在对b i s 体系架构进行一般性介绍和对列车运行图编制过程进行详细的 分析后，提出适合我国国情的计算机编制列车运行图系统的b i s 架构整体方案； 对计算机编制列车运行图系统数掘信息深入分析，设计系统数据库结构， 重点研究数掘访问权限和数据安全技术问题： 对系统b s 体系架构的接入技术和网络安全性能进行专门研究，提出基于 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 b s 架构的列车运行图系统安全解决方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章系统b s 体系架构 b t s ( 浏览器服务器) 体系架构是在c s ( 客户服务器) 架构的基础上发展起 来的、闩趋成熟的一种分布式应用体系架构。它主要是指将一个数据应用系统 分解为前台的客户和后台的服务器应用程序，通过通信子网将客户和服务器连 接在一起。它提供了一种新型的资源共享方式，有效的利用了客户机和服务器 的资源，大大的减少了网络的数掘通信负担，提高了系统运行的总体性能。而 且在客户端也仅需要安装浏览器简化了客户端应用程序的丌发和维护工作 降低了系统总体拥有成本和使用维护成本。 2 1b i s 架构基本概念 b i s 体系架构作为一种全新的资源共享方式是计算机资源使用方式逐渐演 变的结果。早期的计算机系统采用用户作业排队和主机批量处理的作业方式， 系统资源利用效率极低；在使用了分时系统后。用户可以在终端上以交互方式 提交作业主机轮流为每个用户作业服务，这样用户的需求在一定程度上得到 了满足。在这种方式下，一切部依赖于叶1 心主机；当把几台工作站与中心主机 连接组成一个网络时主机上的资源就可以在这些网络成员间共享使用。在这 种模式中系统数掘信息集中在主机一卜当要查询数据信息时，工作站通过网 络从主机上读取要查询的全部信息：当要向主机写信息时，工作站要先独占全 部数据并把数据信息读到工作站上，在指定位置插入数据，然后把数掘送回 服务器【硝i ( 如图2 - 1 所示) 。在这种方式下当网络上同时有多个用户活动时， 网络的数据流量就会急剧增加，很容易造成网络阻塞，对于低速连接的远程客 户极为不利。 b t s 体系架构是在c i s 架构基础上发展起束的。c i s 架构的核心就是服务器 接受请求、完成计算、返回结果：其它机器称为客户机，负责向服务器发送请 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 泵，丽酉瓢蔼i 丽菊丽丽泵酾葡丽蔽再丽活丽磅再磊巨 所以数据流量大大的降低了。 幽2 - 1 共享资源系统示意| 兰| 幽2 - 2c s 系统架构示意剧 所有的b s 体系都可以分为三部分：客户机、中间件和服务器( 参看图2 3 ) ， 其中客户机是体系结构的核心部分，是一个面向最终用户的接口设备和应用程 序它是一项服务的消费者，可向其它设备和应用程序提出服务请求然后再 把得到的结果信息显示给用户；服务器是一项服务的提供者，它包含并管理数 据库和通信设备，为客户请求过程提供服务：中问件是用来连接客户机和服务 器的部分，如网络连接、网络协议、应用接口掣旧l 。 图2 - 3 表示了c s 的数据处理过程：用户通过客户端应用程序发出存取请 求，应用程序调用数据库a p i 将用户请求转变为s o l 语句，再经过系统网络接 口传到网上：在服务器端，经过服务器的网络接口传给数据库服务器，由数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 库服务器的开放数据引擎组件执行s q l 语句。当然，其谆丽磁五丽天丽百丽 通过服务器端的操作系统来完成的。实现对数据库的访问后，从数据库中取得 的数据结果，将按反方向送回给用户。从图2 - 3 可以明显的看出在网络上传 输的是s q l 语句及其执行结果。s q l 语句从c l i e n t 传向s e r v e r ，其执行结果从 s e r v e r 传向c l i e n t ，客户机和服务器通过网络来实现协同工作。 客户机服务器 豳2 3 c s 数据存取过程 但是，在b s 体系架构中通常并不需要为客户端开发特制的应用程序， 而是使用现有的浏览器软件，如i n t e m e te x p l o r e r 和n e t s c a p eb r o w s e r 等，通过 w e b 页面的形式访问数据信息并与服务器进行交互；在服务器端采用多层模 型，将数据、应用、访问等服务功能分离开来分别设置d a t as e r v e r 、b u s i n e s s s e r v e r 和w e bs e r v e r ，并通过高速局域网连接起来。在业务处理过程中，客户 端浏览器向w e b 服务器发送h t t p 请求，w e b 服务器根据请求打丌相应的h t m l 或a s p 文件若打丌a s p 文件。则运行文件中的脚本程序脚本程序访问b u s i n e s s 服务器实旖业务逻辑规则，并通过b u s i n e s s 服务器访问d a t a 服务器执行查询操 作，并将查询结果返回w e b 服务器，w e b 服务器将查询结果生成h t m l 页面 并以h t t p 响应形式返回客户端浏览器客户端浏览器解释接收到的h t m l 页 面，并将其显示出来。 从图2 - 4 中可以看出，b s 体系架构有下列特点： 把处理任务在客户和服务器问分开，客户提交请求服务器完成数据查询 任务并返回结果； 减少网络负载，网络上传输的只是h t t p 格式的客户请求和查询结果，不 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 客户端使用通用测览器软件，避免为客户端开发特制应用程序，降低了系 统总体拥有成本和维护成本，简化了系统的运行维护工作； 数据库平台与客户端平台无关，由于数据库采用集中管理，客户通过s q l 语句访问数据库。因此，客户端不限于一种平台，可以选用w i n d o w s 、 m a c i n t o s h i 等具备g u i 功能的操作系统，而服务器端则可使用o s 2 、u n i x 等 稳定性较好的操作系统： 客户端 图2 4 聃架构系统示意图 数据库系统与客户端应用程序无关，由于数据库采用集中管理，客户通过 s q l 访问数据库，因此，当数据库系统更换时，客户程序将不需要或只需要极 少量钓改变i 维护数据的完整性和一致性，数据集中管理，数据库采用基于事务的 r d b m s ，保留事务日志和数据备份，恢复机制； 将服务按功能设置于多台服务器上，使服务器负载均衡，避免服务器成为 系统瓶颈，同时提高了系统的可扩展性。 2 2 列车运行图编制过程分析 列车运行图的编制是一个涉及因素繁多、数据信息复杂、精度要求较高的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 多优化目标的系统工程。编制列车运行图既要考虑车、机、i 币雨再i 吾疆； 具体条件及状念，又要结合不断变化钓各种运行要求，处理好上述多种因素问 存在的相互配合及相互制约关系，在确保运输安全的前提下解决好市场供需 矛盾，实现铁路运输的优质服务及最大经济效益【4 引。 在目前的铁路运输管理体制下，既有从中央到地方的部、局、分局三级机 构，又有按照专业功能划分的各相关职能部门。因而，列车运行图作为铁路运 输的综合性计划和运输组织的基本依据，其编制过程涉及到铁路内部各级机关 的各个部门。 在图2 5 和图2 - 6 中，可以看出在目前列车运行图编制过程中，其业务流程 和数据流程都是非常复杂的。这种业务和数掘的复杂度是出于铁路运输组织的 特点和管理机构体系的特点决定的。计算机编制列车运行图系统的实施并不会 从根本上改变铁路运输组织及其管理机构体系。因此从本质上说也不能降 低列车运行图编制工作的业务复杂度和数据复杂度。 但是，从图中还可以发现在列车运行图的编制过程中，存在着“集中与 分散”的过程，也就是通常的“几上几下”：从业务流程来看，存在着上级机关 向下级机关发布命令以及下级机关向一h 级机关返回结果申请报批的过程；从数 据流程来看，存在着j 二级机关向下级机关提供政策性指导以及下级机关向上级 机关申请计划执行的过程；而且，在路局、分局一级还存在着路局问、分局问 的协调过程。 目前在全路列车运行图的编制过程中，解决“几上几下”问题采用会议的 形式，通常在铁道部和铁路局都有“集中”“分散”“再集中” “再分散”的过程。这种方式不仅费时费力，延长了编图周期，耗费了大量资 金更重要的是不能满足列车运行图为适应市场需求而作出经常性的局部调整 造成铁路运输组织方式对市场变化反应迟钝在客、货运输市场竞争中失去主 动 矧。 随着分布式数据库技术和计算机网络技术的r 趋完善成熟，采用b s 架构 越柬越多的为系统提供整体解决方案。而列车运行图编制过程中的“集中与分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 散”j 孺，。1 币沥丽雨甄丽蓟诵丽勇两幕嘉f 一 氅黧雾叫歪阔叫巫鲴叫叠珂 i 绘制列车时刻表i 一 图2 - 5 列车运行图编制业务流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 铁道部编幽j 作绵 领导小组l 指导 、 jl l 跨周协调协调编努协调协 i j 编幽 客车综台综台 计戈综台综台技术 方案审拟审扣 及登审批市 f | 资料 政 r 哒斤麂| f 斤能 物后舵 后能 列下 策 局囊 客育乍起货物旅璃时刻 下力 方寡行睦列印列寸表指 案编伟运行运 j标能 技井圈幽力分 1 要球 j 多 1 1 铁路局编幽l 政策 铁路局编i 笙| r 作暇l 协迥l 。 领导小组r 三百 麓熹 l 1 审 i跨压 协调货够协【月分析 后艇及镑编制别1编弗f 逆 客寸内霜j 亓的编鼾 后降奔货 政 一爿 乍力客乍 计戋客登别干 策 列寸运 _ 格隆窠二分 格幽 运轭幽 幽 1 1 _ 髫 札l 1 分岛1 幽 铁l 分 | 塾| 2 - 6 列下运行| 璺| 编制数据流科 2 3 系统适应性与扩展性要求 目l j i ，全路列车运行图的编制工作是分三级机关具体执行1 2 l 。铁道部负责 组织全路各铁路局的编图工作，审核各铁路局基础数掘和列车运行图数据，协 调铁路局间的列车运行图，审查并批准各铁路局列车运行图；铁路局负责组织 本局管内各铁路分局的编图工作，审核备分局基础数据和列车运行图数据，协 调本局内各分局以及与邻局问的列车运行图，审查本局内各分局列车运行图， 上报本局列车运行图，并组织各分局的新图实旌工作：铁路分局负责本分局管 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 内基础数据及列车运行图数据的采集、处理，本分局列车运行瞎丁的真面丽i 面 上报本分局列车运行图，参与协调与邻分局的列车运行图，并负责组织本分局 内基层生产单位实施新图工作。 从以上分析可以看出，列车运行图编制工作是分布于铁道部、铁路局和铁 路分局三级机关的。因此，整个系统的设计必须满足这种业务分布的需求。 “网运分离”是铁路运输管理体制改革的发展方向。实行“网运分离”后， 铁路将会垂直划分为多个专业性公司，这些专业公司之间是既竞争又合作的关 系，以改变铁路“大而统”的经营模式。但这些专业公司之间并不是完全独立 的，它们会或多或少的存在着相互影响和制约。而且，由于我国疆域辽阔，线 路和车站数量繁多，多数线路运能与运量矛盾突出并且各地方还有一些特殊 情况需要特殊处理。因此，单一的以业务功能为依据垂直划分显然是不够的， 还需要根据区域范围的横向划分，才能更加高效率的、公平的组织铁路运输工 作，适应市场变化。联系各区域、各专业公司，协调它们之间关系的正是列车 运行图。作为铁路运输组织工作基础性依据和指导性计划的列车运行图，它的 编制工作的职责和权限的划分仍然是一个t f 在研究探讨的问题，没有明确的定 论。在此情况下，参考民航系统的管理体制，提出一种以区域划分为主、结合 业务划分特点的方法： 存在一个全国性的、非赢利的机构，负责组织全路列车运行图的编制工作 以及运输组织中的协调仲裁工作； 在该机构之下，存在多个区域性的、非赢利的机构负责本区域内列车运 行图的编制工作及与其它区域的协调工作； 各专业公司的同常运营工作以列车运行图为基本依据，对列车运行图的调 整要求应通过本区域或全国协调机构执行。 在这种方案下不仅能够保证铁路运输市场公平、有序的竞争而且利于 铁路运输体现国家意志，实现最大的全局经济效益和社会效益。因此，对列车 运行图系统的设计，也要考虑到“网运分离”改革对铁路运输管理体制所带来 的影响和变化，以最小代价最大限度的适应未来的变化，延长系统的生命周期。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 4 列车运行图系统业务分布 计算机编制列车运行图系统层次方案设计的核心是如何规划和设置编图处 理层次，以便提高编图效率和编图质量。 从以上分析中可以看出，现存编图方式由于受编图技术手段和列车运行图 管理体制的现状限制采用的是铁道部、铁路局、铁路分局三级层次方案。在 这种方案下，对于标准确定、客车方案确定及运行图审查等，采用的几上( 集中) 几下( 分散) 涉及到部、局、分局三缴人员。 考虑到现代通信手段和网络技术的成熟，现存编图过程频繁的几上几下协 调问题可以采用计算机网络通信方式加以解决i 司时为了适应将来运行图管理 体制的改革和发展变化，计算机编制列车运行图系统宜采用部、局二缴中心及 分局工作站的三层业务分布方案。该方案在铁道部设立编图中心，负责旅客列 车客车方案、跨局旅客列车和重点货物列车运行线的制定；在各路局设立编图 分中心，负责处理本路局管内列车运行图的编制与协调工作；而只在分局设立 编图工作站，负责编图基本数据的收集和分局管内列车运行图的编制。这样既 利于跨局列车的整体优化，又可以使各路局在编图中具有较大的独立性；既减 少了编图工作的中间环节，又适应了体制改革的要求。 铁道部编幽中心 铁路局编幽中， 铁路分同编图i 作站铁路分局编幽j ：作站铁路分局编幽i 作站铁路分局编幽i ：怍站 幽2 7 别乍运行幽系统二层业务分布 采用三层业务分布系统架构，将列车运行图的编制任务划分到铁道部、铁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 未柬“网运分离”体制改革后尽管会按职能划分为多个专业性公司但由于 列车运行图在铁路运输组织工作中的指导性地位，它的编制仍然需要某种程度 的集中管理。 2 5 列车运行图系统数据分布 列车运行图系统的数据分布模式设计是指在存在全路、路局等众多数据库 的情况下，如何确定它们在系统中的具体分布方案，包括集中式数据库、分布 式数据库。 集中式数据库是指整个数据集中存放在一个中心数据库中，实现集中统一 存储、统一维护。对于计算机编制列车运行图系统来说，由于数据量大采用 集中式数据库无疑会增加网络负担，产生瓶颈效应而且给系统的扩展带来困 难。 从概念上讲，分柿式数据库系统就是数据库被划分成逻辑关联而物理分散 于不同地点的数据子集，并提供了充分操作这些子集的数据存取功能的数据库 系统。分布式数据库物理上分散在计算机网络各节点上，而在逻辑上属于同 系统的数掘集合，系统强调节点的自治性，而不强调系统的集中控制，且系统 应保持数据分布透明性，使用户处理业务时完全不用考虑数据的分布情况。和 传统的集中式数据库相比，分句式数据库具有很突出的优点： 局部自立：数据所服务的单位逻辑上常常是分布的，物理上也是分却的。 分靠式数据库系统允许单位内部的各个组织对其自身的数据实行局部控制，有 独立自主处理事务的能力； 可靠性和可用性：分布式数据库系统在个别节点或个别通信链路发生故障 的情况下，可以继续处理大部分业务具有较高的可靠性而且由于冗余性， 数据的可用性也得到了改进，只要有一个数据拷贝可用则数据是可用的； 效率和灵活性：分布式数据库中的数据可以存贮在靠近业务处理频繁的节 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 点，这样画面藏! ! 诉疆五环行、丽而磊两葡萄葡贰一 图2 - 8 列车运行图系统二层数据分布 按照1 3 8 架构的特点，计算机编制列车运行图系统宣在铁道部编图中心和 各铁路局编圈中心设立运行图数据库( 图2 - 8 ) 。其中路局数据库存放本局与列车 运行图有关的信息，中央数据库存放全路旅客列车、跨局货物列车和运行图基 本数据等信息。这样，铁道部编图中心编制和管理旅客列车方案、旅客列车运 行图、重点货物列车方案时，可利用中央数据库存放的数据信息和通过公用敛 据传输网获取各路局上报数据，完成编调图决策过程：铁踌局编图中心则通过 公用数据传输网获取分局上报数据和中央数据库的下载数据，完成路局数据库 数据的更新、修改、维护和管理，铁路局编图中心进行编调图决策时，大部分 数据从路局数据库中获取，少量通过公用数据传输网从中央数据库获取；铁路 分局终端用户通过编图工作站直接对路局数据库中相应的数据进行访问和操 作。这样就减少了对计算机通信网络实时传输数据的压力，能有效保证编调工 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 作的顺利进行，避免由于同时频繁的传输大量数据造成的时间延误对运行图编 制工作的影响。 2 6 列车运行图系统b s 体系架构 图2 - 9 表示了列车运行图系统基于b s 体系架构的整体方案。在铁道部、 铁路局二级编图中心设置数据服务器、应用服务器和w e b 服务器，铁路分局设 内 部 相 关 部 门 | 囊 ：门 i 曼璺! 竺1 圈2 - 9 系统b t s 体系架构示意图 铁道部 铁路局 铁路分局 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 置编图终端工作站；通过w e b 服务器利用a s p 技术生成活动页面，实现用户对 系统数据信息的访问和操作；通过公用数据传输网，实现数据信息的共享；通 过交换设备向内部相关业务部门提供访问服务和数据服务。 基于b s 体系架构的列车运行图系统实现了列车运行图编制和管理的业务 分靠处理及数据分布处理。同时，三层业务分布和二层数据分布的结构将业务 与数据分离业务处理分市于相关业务部门，数掘管理维护集中于编图中心； 减少了系统数据冗余，利于保证数据一致性；降低了丌发和维护工作的复杂度， 符合目前大型软件系统多层模型的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章列车运行图数据权限与数据安全 列车运行图分布式数据库的基础是关系数据库系统，它的核心是将现实世 界中的信息抽象组织为符合关系运算规则的数据集合；同时根据业务的需求， 对数掘信息的访问权限进行合理划分，并且提供一定程度的安全性能咀保证数 据的可靠性和可用性。 3 1 关系数据库系统 关系模型由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。 关系模型有严格的理论基础，提供较高的数据独立性。 关系是元组的集合，各个元组在关系中的顺序是无关紧要的。在实际系统 中一个关系的诸元组是具备一定存储顺序的，只不过元组的顺序对用户来说具 有透明性： 关系的每一属性都是不可再分的基本数据类型，即在关系的二维表中每行 每列位置i ：的值都是原于值，而不能是集合、元组或其组合： 允许属性值为空值( n u l lv a l u e ) ，空值用以表达未知情况，支持对不完全 信息的处理： 同一关系任意两个元组不允许全部相同即若把关系作为元组集，则其中 不能有相同的元组。 3 1 1 关系数据库三级模式 关系数据库系统的三级模式结构指外模式、模式和内模式三级结构： 模式( s c h e m a ) 数据库系统模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉 及到型的描述，不涉及到具体的值。模式的一个具体值称为模式的一个实例 ( i n s t a n c e ) 。同一个模式可以有很多实例。模式是相对稳定的，而实例随着数据 库中的数据不断更新而作相对变动。模式反映的是数据的结构及其联系，实例 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 反映的是数据库某一时刻的状态。模式是数据库系统模式结构的中削层既不 涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、使用的应用丌发 工具及高级程序设计语言无关。一个数据库只有一个模式。关系数据库模式以 某个关系数据模型为基础，统一综合的考虑了所有用户的需求，将这些需求有 机的组合成一个逻辑整体。 、 外模式( e x t e r n a ls c h e m a ) 外模式也称子模式( s u b s e h e m a ) 或用户模式，它是数据库用户( 包括应用程 序员和最终用户) 能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据 库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据逻辑表示。外模式通常是模式的 子集，一个数据库可以有多个外模式。出于它是各个用户的数据视图，如果不 同的用户在应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求等方面存在差异， 则其外模式描述就是不同的。即使对模式中同一数据在外模式中的结构、类型、 长度、保密级别等都可以不同。另一方面，同一外模式也可以为某一用户的多 个应用程序所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。外模式是保证数据 库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据， 数据库中的其余数据是不可见的。 内模式( i n t e r n a ls c h e m a ) 内模式也称存储模式( s t o r a g es c h e m a ) ，一个数据库只有一个内模式。它是 数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。 系统三级模式结构如图3 1 所示。 3 1 2 关系数据模型的数据独立性 关系数据模型的数据独立性是通过数据库系统的二级映象功能实现的。数 据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别，它把数据的具体组织留给 d b m s 管理，使用户能逻辑的处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表 示方式与存储方式。为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系和转换，数据 库管理系统在这三级模式之间提供了两层映象，从而保证了数据库系统中的数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性。 图3 - 1 关系数据库二级模式结构 外模式膜式映象 模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构。 对应于同一个模式可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，数据库系统都 有一个外模式，模式映象，它定义了该外模式与模式之自j 的对应关系。这些映象 定义通常包含在各自外模式的描述中。当模式改变时，只需对各个外模式、模 式的映象作相应改变，可以使外模式保持不变。应用程序是依据数据的外模式 编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，这便是数 据的逻辑独立性。 模式内模式映象 模式、内模式映象定义了数据库全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。 该映象的定义通常包含在模式的描述中。当数据库的存储结构改变了，只需将 模式、内模式的映象作相应变换可咀使模式保持不便，从而应用程序也不必 改变。保证了数据与程序的物理独立性，这便是数据的物理独立性。 特定的应用程序是在外模式描述的数据结构上编制的，它依赖于特定的外 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 模式与数据库的模式和内模式独立不同的应用程序可以共用一个外模式。 数据库的二级映象保证了数据库外模式的稳定性，从而从底层保证了应用程序 的稳定性。 3 1 3 关系数据模型结构 关系数据结构通常描述如下： 域( d o m a i n ) ：一组具有相同数据类型的值的集合： 关系( r e l a t i o n s h i p ) ：描述实体问的关系，一个关系通常被描述为一张表： 元组( t u p l e ) ：表中的每一行即为一个元组； 属性( a t t r i b u t e ) ：表中的- - y o z p 为一个属性给每一个属性起一个名称郎 为属性名： 分量( c o m p o n e n t ) ：元组中的一个属性值； 侯选码( c a n d i d a t ek e y ) ：若关系中的某一属性组的值能唯一的标识一个元 组，则称浚属性组为候选码： 主码( p r i m a r yk e y ) ：若一个关系有多个侯选码，则选定其中一个为主码， 主码的属性称为主属性( p r i m a r ya t t r i b u t e ) ，不包含在任何候选码中的属性称为 非主码属性( n o n k e ya t t r i b u t e ) ，如果关系模式的所有属性组是这个关系模式的 候选码，称为全码( a 1 1 k e y ) ； 关系模式：对关系的描述，是一个关系的属性名序列，也就是一个关系的 型。 3 2 概念模型设计 概念模型设计是对信息世界建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象。