（交通信息工程及控制专业论文）数据库存储单元在CBTC系统中的应用与研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 摘要 基于通信的列车运行控制( c b t c ) 系统是目前世界上研究应用最为广泛的列控 系统，是利用连续、大容量的车地双向通信来实现数据传输的列控系统。它包括 诸多子系统，这些子系统相互协调相互配合，共同完成c b t c 系统的强大功能。 其中，d s u 是数据库存储单元的简称，它是c b t c 系统所包含的诸多子系统 之一。d s u 存在的意义在于为c b t c 系统存储和提供所有的系统数据，并在系统 的范围内实现诸如数据查询、数据交换、数据下载等数据处理功能。论文在大量 阅读相关文献的基础之上，针对d s u 子系统进行了全方面的研究和设计。论文系 统定义了d s u 系统内部数据库的结构配置和特征功能，分析了各种数据处理方式 的具体实现方案，对d s u 所包含的数据存储处理子系统( d s m s ) 进行了模块化构 建，提出了开发具有实时性特点的嵌入式d s u 软件系统平台的策略，并重点论述 了平台的设计步骤和开发流程。 考虑到仿真系统及其实际设备的安全性要求，论文提出了在安全计算机的环境 中开发d s u 系统的理念，并在嵌入式实时操作系统v x w o r k s 的环境下，利用c 语言对d s u 子系统内部的源代码进行编写。此外，论文还对d s u 中的数据安全 以及数据库安全性特点进行了的定性研究，并重点分析了d s u 的结构是如何体现 数据安全性要求的。最后论文对所作的工作进行了总结，并对今后的实际设备投 入工作进行了展望。 关键字：c b t c ；数据库存储单元；系统分析设计；数据安全；安全性 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e mi st h em o s tp o p u l a ra n di m p o r t a n t a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o ls y s t e mi nt h em o d e mw o r l d i tc a ra c c o m p l i s hi t sd a t a c o m m u n i c a t i o nu t i l i z i n gc o n t i n u o u s ，h i g hc a p a c i t y , h i - d i r e c t i o n a lt r a i n t o - w a y s i d ed a t a c o m m u n i c a t i o n s c b t cs y s t e mc o n t a i n sal o to fs u b s y s t e m s ，w h i c ha r ei n o s c u l a t e d t o g e t h e ra n d c a nr e a l i z et h ep o w e r f u lf u n c t i o no fc b t cs y s t e m h e r e i n t o ，d s ui ss h o r t e df o rd a t a b a s es t o r a g eu n i t i ti so n es u b s y s t e mo f c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o l ( c m os y s t e m d s uc a ns a v ea n dp r o v i d ea l lo f t h ec b t cd a t a , a n dr e a l i z em a n yd a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n s ，s u c ha sd a t ar e s e a r c h , d a t a e x c h a n g ea n dd a t ad o w n l o a d a f t e rc o n s u l t i n gm a n yc o r r e l a t i v em a t e r i a l si n f o r m a t i o n , t h i sp a p e rg e n e r a l l yr e s e a r c h e sa n dd e s i g n st h ed s u s u b s y s t e mo fc b t cs y s t e m t h i s p a p e rd e f i n e st h ec o n f i g u r a t i o na n dc h a r a c t e rf u n c t i o n so fa l lt h es u b - d a t a b a s e s ，a n d a n a l y s e sa l lk i n d so fd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d s t h ep a p e ra l s oc o n s t r u c t sa l lm o d u l e so f t h ed a t a s t o r a g ea n dm a n a g e m e n ts u b s y s t e mi nd s us y s t e m ，a n dp r o v i d e st h e d e v e l o p m e n ts t r a t e g y o fe m b e d d e dd s us o f t w a r e s y s t e mi n c l u d i n gr e a l t i m e c h a r a c t e r i s t i c t h ed e s i g ns t e p sa n dd e v e l o p m e n tf l o w so ft h es o f t w a r es y s t e ma r e e m p h a s i z e di nt h i sp a p e ri no r d e r t oe s t a b l i s ht h ee m b e d d e dd s us o f t w a r ep l a t f o r m c o n s i d e r i n gt h es a f e t yd e m a n d so ft h es i m u l a t i o ns y s t e ma n di t sa c t u a le q u i p m e n t ， t h i sp a p e rs u g g e s t sd e v e l o p i n gt h ed s u s y s t e mb a s e do nt h es a f e t yc o m p u t e r a n di t s h o u l db ed o n eb yu t i l i z i n gc o m p u t e rc l a n g u a g et oc o m p i l et h es o u r c ec o d eo ft h e p r o g r a mb a s e do nv x w o r k s ，w h i c hi so u eo fe m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m b e s i d e s ，t h ep a p e rm a k e saq u a l i t a t i v er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r so fd a t as e c u r i t ya n d d a t a b a s es e c u r i t yi nd s us y s t e m a n dt h ee m p h a s i si st h a th o wt h ec o n s t r u c t i o no fd s u r e p r e s e n tt h ed e m a n do fd a t as e c u t i t y f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h et a s k ，a n dl o o k s f o r w a r dt op r o s p e c t ，f o re x a m p l eh o wt op u tt h ea c t u a le q u i p m e n ti n t of u r t h e r j o b k e y w o r d s ：c b t c ；d a t a b a s es t o r a g eu n i t ；s y s t e md e s i g n ；d a t as e c u r i t y ；s a f e t y c l a s s n 0 ： 致谢 本论文的工作是在我的导师唐涛教授的悉心指导下完成的。唐涛教授作为轨道 交通领域的知名专家，其雍容大度的学者风范、严谨的治学态度、科学的工作方 法、敏锐的科学思维和丰富的研究经验给了我极大的帮助和影响。在近三年的时 间里，从理论学习、论文选题、方案制订、科研攻关到论文撰写、修改和定稿的 过程中，我所取得的每一个进步无不凝聚着唐老师辛勤的汗水和大量心血。在此， 我衷心感谢唐老师对我在思想、学习、工作和生活上的关心和帮助。 感谢在科学研究和毕业论文的进行过程中给我极大帮助的郜春海、马连川、刘 波、黄友能、王悉等老师。在许多疑难问题的解决过程中，这些老师给了我许多 无私的帮助，使我的论文能够顺利完成，对我的工作给予了极大的促进，同时也 使我的实践技能有了长足的提高。 此外，感谢我的同学宋晓伟、王成、吕继东、梁敬敏、苟径、薛辉、赵波波、 吴成岩、杨景蓝、朱晓航，以及实验室的陈磊、陈鹤、朱镝、刘宏杰等同学，是 你们与我相互激励，相互扶持，共同进步，并在我的工作和生活中给予了莫大的 帮助。 同时借此机会，向生我养我，关心我激励我在漫漫求学路上不断进取的父亲和 母亲表示由衷的感谢。虽然他们已经去逝，但是他们的爱与奉献一直是我精神上 和意志上的强大动力，用言语无法表达我对父母的感激之情。 最后，感谢在交大六年多来所有曾经帮助过我的老师、同学和朋友们! 北京交通大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 课题的研究背景与意义 随着经济的飞速发展，世界各国的城市化规模正逐渐加快，其结果必然导致城 市人口不断增加。目前世界上人口超过千万的大城市越来越多，城市交通拥挤日 趋严峻，这也成为世界范围内亟待解决的问题。而二十年来的经验表明，城市轨 道交通因为具有客运周转量大、速度快、安全系数高、受干扰少等其它交通工具 望尘莫及的优点，它已成为解决城市交通拥挤问题的首要方案。 近年来，基于通信的列车控制( c 明陀：c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 系统 已经被证明对于提高城市轨道交通的运输效率和运输密度是非常有效的。它能够 在原有线路、原有车辆数等同样硬件设施的情况下，极大程度的提高列车的运行 速度和载客能力。而根据c b t c 系统的设计要求，需要有基于实时数据库0 t t d b ： r e a l - t r i n ed a t a b a s e ) 技术的数据库系统来进行c b t c 系统的配套应用，并向c b t c 系统提供所需要的数据与数据库。数据库存储单元( d s u ：d a t a b a s es t o r a g eu n i t ) 就 是这样一个安全型设备，它包含了c b t c 系统中各子系统使用的所有数据库和配 置文件。因此，对d s u 进行安全性设计是具有相当重要的意义的，c b t c 系统对 d s u 的研发也提出了相当高的要求。 本文的内容就是针对这样一个数据库存储单元。既然是数据库存储单元，那么 它最重要的作用就是存储并处理相关的数据。在此基础之上，d s u 还要实现的是 与c b t c 系统内其它相关子系统的数据通信，以及d s u 数据的相关下载等等。而 为了实现d s u 子系统的数据与数据库安全，d s u 需要在2 x 2 0 0 2 结构的安全计算 机设备上进行系统研发。同时要求要求d s u 子系统基于嵌入式实时操作系统 v x w o r k s 进行开发，采用非常成熟的c 语言进行源代码的编写，并与安全计算机 平台协调配合，从而提高d s u 子系统以及整个c b t c 系统的安全性与可靠性。 因此可以说，d s u 的研究与开发在c b t c 系统的设计中是扮演着相当重要的 角色的，它是建立c b t c 系统仿真测试平台的基础工作之一；它可以为列控系统 研究人员提供方便的研究环境；它可以为测试人员提供测试系统性能优劣的判断 标准；它可以为实际线路的系统评估提供可靠的数据；它可以应用于实际的教育 与教学工作；它可以为系统后续的改进提供强有力的支持；它还可以为实际设备 的投入工作创造保障条件，意义十分重大。 北京交通大学硕士学位论文 1 2c b t c 系统发展概述 基于通信的列车控制( c b 哟系统独立于轨道电路，它采用高精度的列车定位 和连续、高速、双向的数据通信，通过车载和地面安全设备实现对列车的控制。 是通信的技术手段对列车运行方向、运行间隔和运行速度进行控制，从而保证运 行安全、提高运输效率的系冽。 c b t c 系统最初是以无线自动闭塞系统出现的。上世纪中旬，我国铁路信号界 就已经提出了这种构想。从8 0 年代末期开始，世界范围内陆续出现很多c b t c 系 统的现场实验项目，例如a t c s 、a r e s ，a s t r e e 、c a r a t 及e t c s 等等。包括 阿尔卡特、西门子、阿尔斯通等多家列控系统设备提供商均开发出了自己的c b t c 系统，并在温哥华、伦敦、巴黎、香港、纽约等多个城市的轨道交通线路上运行。 1 9 9 9 年，电气和电子工程师协会轨道交通运输车辆接口委员会( i e e er a i l t r a n s i tv e h i c l ei n t e r f a c es t a n d a r d sc o m m i t t e e ，i e e er t w s c ) 制定并颁布了c b t c 技 术标准e e l s t d1 4 7 4 1 1 9 9 9 i e e e 基于通信列车控制的性能和功能要求( i e e e s t a n d a r d sf o rc o m m u n i c a t i o n s - b a s e dt r a i n c o n t r o l ( c b t c ) p e r f o r m a n c e a n d f u n c t i o n a la n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ”，以下简称标准) 。该标准详细的定义了 a 3 t c 系统的功能，并全方面的对c b t c 系统中诸多技术指标进行了规定，例如 列车运行间隔、安全性、可靠性、可用性等等。 标准中首次列举了典型的c b t c 系统的功能框图，如图1 1 所示【2 】。 i 墨要黧j 图1 1 ：典型的c b t c 系统功能框图 从图1 1 可见，典型的c b t c 系统包括地面设备和车载设备两大部分，它们通 过数据通信网络连接起来，构成系统的核心。该功能框图中还定义了联锁功能模 块，并与c b t c 的地面设备相连接。而相邻的c b t c 地面设备模块设置的原因在 于考虑到不同的线路长度可能需要多套地面设备。最后，在c b t c 设备的基础之 2 北京交通大学硕士学位论文 上，增加了 t s 模块，用于实现系统的a t s 功能。 但是，图1 1 中列举的只是标准中定义的c b t c 系统的典型结构，而实际设备 往往由于设备供应商和不同工程的需要而有所差异。况且标准中的定义并不完善， 与c b t c 系统相关的诸多具体指标与参数在标准中并没有详细规定。因此，自1 9 9 9 年以来，为了不断的完善c b t c 系统的结构与功能，i e e er t v i s c 又陆续制定并 颁布了诸多与c b l r c 系统相关的技术标准，主要有： 1 ) i e e e s t d1 4 7 3 1 9 9 9 ，车载单元( 车辆内、车辆问) 问通信协议标准； i e e es t d1 4 7 5 1 9 9 9 ，车载控制功能及与动力系统、制动系统的接口标准； 3 1i e e es t d1 4 8 2 1 1 9 9 9 ，车载事件记录仪标准； 4 1i e e es t d1 4 8 3 - 2 0 0 0 ，铁路运输控制处理器系统安全功能验证标准。 所有这些标准所涉及的c b t c 系统均采用数据通信网络、地面设备、车载设备， 并实现a t p 功能，其控制列车的安全稳定运行的核心是一致的而随着c b t c 系 统的不断完善，诸如数据库存储单元( d s u ) 等子系统也逐渐添加到c b t c 系统中， 成为c 圈r c 系统的重要组成部分，并发挥着重要的作用。 近年来，实验室的重点研究项目就是基于通信的列车运行控制系统，该系统具 体包含诸多子系统，例如：列车自动监控系统( a t s ：a u t o m a t i c t r a i n s u p e r v i s i o n ) 、 区域控制器( z c ：z o n ec o n t r o l l e r ) 、车载控制器( v o b c ：v e h i c l eo n b o a r dc o n t r o l l e r ) 、 联锁系统( c i ：c o m p u t e ri n t e r l o c k ) 、数据通信系统( d c s ：d a t ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 、d s u 等等。这些子系统既独立工作，又相互关联，彼此相辅相成的构成 了一套系统功能庞大的，能够完成列车运行控制功能的现代化城市轨道交通系统。 其中，数据库存储单元( d s u ) 隶属于实时数据库系统的范围，它完成的主要功 能是针对c b t c 系统内所有的数据信息的，具体操作包括数据的存储、查询、通 信、下载等过程，并保证数据与数据库在数据处理的过程中绝对安全。下面首先 介绍实时数据库系统的相关内容，而后将具体介绍d s u 的研究与实现过程。 1 3 实时数据库系统介绍 1 3 1 数据库技术的发展 数据库技术是当今数据信息管理的最新技术，它的发展已经成为先进信息技术 的重要组成部分，是现代计算机信息系统和计算机应用系统的基础和核心。 数据库技术最初产生于2 0 世纪6 0 年代中期，根据数据模型的发展，可以划分 为三个阶段【3 l ：第一代的网状、层次数据库系统；第二代的关系数据库系统；第三 北京交通大学硕士学位论文 代的以面向对象模型为主要特征的数据库系统。 第一代数据库的代表是1 9 6 9 年i b m 公司研制的层次模型的数据库管理系统 i m s ，以及7 0 年代美国数据库系统语言协商c o d a s y l 下属数据库任务组d b t g 提议的网状模型。层次模型的数据库管理系统是定向有序树，网状模型对应的是 有向图。它们的体系结构非常类似，如图1 2 所示。 图1 2 ：传统数据库体系结构简图 这两类数据库具有如下共同点：1 ) 支持三级模式，可以保证数据库系统具有数 据与程序的物理独立性和逻辑独立性；2 ) 用存取路径来表示数据之间的联系；3 1 具有独立的数据定义语言；4 ) 具有导航式的数据操纵语言。一般来说，这类传统的 数据库应该包括数据库描述功能、数据库管理功能、数据库查询及操作功能、数 据库维护功能。其中，最基本最主要的功能包括提供高级用户接口、查询处理和 优化、数据目录管理、并发控制、功能恢复、完整性约束检查、访问控制等等。 它们共同奠定了现代数据库技术的基础，为未来数据库的发展打下了坚实的根基。 第二代数据库的主要特征是支持关系数据模型，它具有以下特点：1 1 关系模型 概念单一，实体和实体之间的联系用关系来表示；2 ) 以关系数学为基础；3 ) 数据的 物理存储和存取路径对用户不透明；4 ) 关系数据库语言是非过程化的。 4 北京交通大学硕士学位论文 第三代数据库出现于上世纪8 0 年代，是科学技术进步和商业领域需求的必然 产物。第三代数据库技术呈现出网络化、智能化、标准化和超大型化的发展趋势， 它具有以下特征：1 ) 支持数据管理、对象管理和知识管理；2 ) 保持和继承了第二代 数据库系统的技术；3 ) 对其它系统开放，支持数据库语言标准，支持标准网络协议， 具有良好的可移植性、可连接性、可扩展性和互操作性。第三代数据库技术支持 面向对象的模型，可以和诸多新技术相结合，并广泛应用于多个领域，由此也衍 生出许多多种新型的数据库存储与管理技术。 从此以后，计算机数据存储的需要不断膨胀，世界各国对未来的数据库提出了 更多更高的要求。2 0 0 6 年底，全球数据库软件市场将达到创记录的2 0 0 亿美元， 这将是一个历史性的数字。而我国数据库管理系统的市场份额平均每年以2 0 左 右的速度增长，可见数据库市场的潜力还是非常巨大的。不过目前国外数据库厂 商垄断了我国大部分产品市场，他们占据了9 6 4 以上的市场份额。而且国外厂商 的软件价格极其昂贵，我国政府和企业早已不堪重负。因此早日改变数据库市场 由国外软件占领的格局，研制具有自主版权的数据库系统，一直是我国科研技术 人员的梦想。 1 3 2 实时数据库的发展现状 实时数据库( r t d b ：r e a lt i m ed a t a b a s e ) 是数据和事务都有显式定时限制的数 据库，其系统的正确性不仅依赖于事务的逻辑结果，还依赖于逻辑结果产生的时 间。r t d b 是数据库技术的一个发展分支，它最早出现在1 9 8 8 年3 月的a c m s i g m o dr e c o r d 的一期专刊中同时这也标志着实时系统领域与数据库领域的融 合的开始，标志着实时数据库这个新兴研究领域的确立。随后，一个成熟的研究 群体逐渐出现，尤其是美国、英国、德国、瑞典等国对r t d b 的研究非常关注。 此后，世界范围内出现了大批有关实时数据库方面的论文和原型系统。继而又出 现许多成功的实验系统，有的甚至已商品化，典型的有h i p a c 、z i pr t d b m s 等 系统。与此同时，国内对于r t d b 的研究起步虽然稍晚，基本上是在8 0 年代末、 9 0 年代初才开始，但是发展却非常之快，目前己经有了许多成功的实时数据库实 验系统。 现代的r t d b 技术适用于处理不断更新变化的数据及具有时间限制的实时事 务。它是实时系统和数据库技术相结合的产物，研究人员希望利用数据库技术来 解决实时系统中的数据管理问题，同时利用实时技术为实时数据库提供时间驱动 调度和资源分配算法。然而，实时数据库并非实时系统和数据库在概念、结构和 方法上的简单集成，而需要针对不同的应用需求与应用特点，对实时数据模型、 5 北京交通大学硕士学位论文 实时事务调度与资源分配策略，实时数据查询语言、实时数据通信等大量问题进 行深入的理论研究。 进入二十一世纪以来，r t d b 己经成为现代数据库研究的主要方向，它的发展 与应用已经受到了数据库界和实时系统界的极大关注。目前，r t d b 技术已经形成 了一个系统体系，r t d b 技术的研究也朝着系统化与多元化的方向不断前进。 1 3 3 实时数据库的特点和前景 实时数据库系统最大的特点是具有严格的时间响应限制 4 1 。实时性的基本指标 是响应时间，即系统从发出处理要求起，到给出某些应答信号为止所经历的时间 要求。 图1 3 ：实时数据库事务处理系统模型简图 图1 3 是实时数据库事务处理系统的模型简鹰 1 5 1 1 3 1 ，从中可见时限控制器的存 在是为了控制整个实时数据库系统的时限响应。时限控制器的作用体现在r t d b 系统的整体框架中，它可以控制事务接受器、事务等待队列、事务管理器、并发 控制器的响应时间，而且这些时间在整体上是协调一致的，这可以充分体现r t d b 系统实时性的要求。因此r t d b 系统是事务和数据都具有严格的定时限制或显式 定时限制的数据库系统。显然，r t d b 系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果， 还同时依赖于逻辑结果的产生时间。 这里需要强调的是，实时数据库系统的实时并非就是简单的“快”，也不一定 就是m s 级或i is 级的定时限制。“快”固然重要，但应当恰到好处。因此，“实时” 6 北京交通大学硕士学位论文 意在用户可显式的施加所要求的时间限制，并能通过系统的时间识别与处理机制 来处理，并保证或尽可能地保证满足与各种活动相关联的时间限制。 目前，随着计算领域的迅速扩张，r t d b 已经广泛应用于航空业、国防业、工 业自动化、w e b 服务、交通信息控制业等需要保存的大量信息，同时也需要被不 同安全权限的多个用户共享的综合系统中。在这些应用中，事务和数据客体有不 同的安全级别，对非法的直接和间接访问提供防卫措施对r t d b 来说是非常关键 的。然而由于事务必须在其截止时间内完成的限制性条件的存在，在没有统一访 问模式的系统中并不能准确预测数据库的工作量，这很容易造成截止时间的丢失。 同时系统保存的大量信息需要被不同安全权限的多个用户共享，r t d b 的安全性保 障必须满足时间和安全限制条件的要求，这也是实时数据库的发展方向之一。 1 3 4 实时数据库的研究核心 在未来的研究工作中，为了进一步提高实时数据库的性能，以下的一些工作将 成为未来r t d b 系统研究的核心问题【4 j 。 依赖实时事务和具有指定时间特性并用精确方式定义的时态数据库模型技术 的发展，必须清晰的指定数据存储的有效性和定时限制； 依赖有关具有时间特性事务的研究方法学的发展，给出一个应用时间特性和设 置时间需求的断言表示，并指定相关的断言时间。如果断言是通过一个用时间指 定的定理推导的，由于事务处理具有准确的时间指定，那么这个系统是安全的。 否则，由于时间特性带来的断言没有遵循定理的推导，那么这个系统具有本质上 的不安全性； 依赖基于调度协议和并发控制协议的时间驱动优先级策略的发展，需要一个动 态方式集成管理资源，例如通信资源和设备等，以及实现强制优先的具有定时 限制的复杂事务的执行； 当然，操作系统和数据管理是要求高度集成和协作的，并要求具有很快的可预 测能力，因为一个数据库系统必须应用在有效的操作系统中，正确的执行和数据 库的时间特性分配都依赖于操作系统的具体服务。因此，r t d b 系统的发展要和操 作系统的发展相互促进，尤其是涉及到实时性的数据库和操作系统的发展更要相 辅相成，以达到系统资源的最佳优化配置。 1 4 本文的重点和组织结构 本文所研究的内容是数据库存储单元，重点讨论了其在c b t c 系统中的应用， 7 北京交通大学硕士学位论文 并针对d s u 的数据安全与数据库安全进行了模块化的设计与开发。本人通过几年 来在实验室的工作积累，通过与研究小组各成员的沟通与协作，已经能够完成d s u 子系统的研究与开发工作，并在系统的分析与模型实现方面取得了一定的成果， 积累了宝贵的经验。 本文经过广泛的资料查询和大量的文献分析，结合目前国内外数据库技术的发 展与应用，对c b t c 系统中的d s u 进行描述和分析，并侧重更高层次的要求来设 计d s u 的结构，使其充分适应c b t c 系统的需求，达到存储、处理与维护相结合。 同时，我们在安全计算机平台上研究并开发d s u 子系统，从而提高d s u 系统以 及整个c b t c 系统的安全性。 论文分章节重点进行了以下几个方面的研究与论述： 1 、介绍了c b t c 列车运行控制系统的组成，重点阐述了c b t c 系统中数据库 存储单元的重要性和必要性。并在北京地铁环线的基础之上，提出了一套具有良 好性能的d s u 结构模型，使其能够充分适应c t r r c 系统的运营要求； 2 、分析了d s u 的结构与特征，重点分析了d s u 所包含的各子数据库的类型 与功能，并在与z c 和v o b c 通信的基础之上，阐述了d s u 系统的数据组成与查 询方式。此外，文章还重点讨论了d s u 数据的下载处理，并分析了数据下载的流 程与故障处理方式； 3 、文章在第3 章介绍了d s u 软件系统平台的开发策略。文章在分析了d s u 的功能体系结构之后，针对c b t c 系统中d s u 的设计要求，对数据存储与管理单 元( d s m s ) 进行了细致的模块化构建。并提出了基于安全计算机平台开发d s u 予系 统的理论依据； 4 、同时，论文还对d s u 系统中的数据安全和数据库安全进行了理论分析，重 点讨论了d s m s 的设计结构是如何体现d s u 的数据安全的。此外，第4 章还介绍 了数据库安全的相关概念，针对影响数据库安全的潜在因素提出了解决方案。 1 5 本章小结 本章内容介绍了论文的研究背景以及相关技术资料，即c b t c 系统的发展现状 以及d s u 所隶属的实时数据库系统的相关技术。重点在于实时数据库的特点与研 究核心，并强调了d s u 开发所基于该技术的原因。最后对论文的整体结构进行了 系统规划与安排。 8 北京交通大学硕士学位论文 d s u 中数据库的结构与特征研究 第2 章d s u 中数据库的结构与特征研究 2 1d s u 子系统的功能与配置结构 2 1 1d s u 在c b t c 系统中的位置与功能 图2 1 是d s u 所在的c b t c 列车运行控制系统的基本原理图。从中可见d s u 与c b t c 系统中其它子系统的相互关系。其中，d s u 与v o b c 和z c 共同构成a t c 系统的安全控制部分。这些设备之间的通信是通过非安全的数据传输系统d c s 来 完成的。通信的安全性通过使用序列号和每个报文中的循环冗余校验来保证。认 证运算法要应用于每一个报文中，并且只有安全设备才知道产生序列号的运算法 则，这样可以防止d c s 系统中的非安全设备引起的系统破坏。 可能的倒溜位置偏差 图2 1 ：c b t c 列车运行控制系统基本原理图 数据库存储单元d s u 在c b t c 系统的设计与开发中，占据着非常重要的地位。 d s u 是c b t c 系统的安全组成部分之一，它存储着c b t c 系统内所有子系统所使 用的所有数据信息和配置文件。z c 和v o b c 等都需要使用一个安全的通信协议从 d s u 下载线路数据库硅e 路数据库都有一个版本号，每隔一定时间，在z c 和v o b c 之间就会对版本号进行交叉检测。当列车第一次进入系统，以及以后的每隔一定 时间，v o b c 和z c 之间也会进行相同的检测。 9 北京交通大学硕士学位论文 d s u 中数据库的结构与特征研究 d s u 在c b t c 系统中的拓扑连接关系如图2 2 所示，可见d s u 是通过以太网 的方式与其它子系统相关联的。图中的a p 是无线接入点( a c c e s sp o i n t ) ，它隶属于 d c s 数据通信系统，是实现车地通信的重要设备，它也通过以太网与d s u 相互关 联。v o b c 要通过a p 与轨旁设备，如z c 等实现数据通信，而地面的信息( 如列车 定位等) 也可以通过a p 发送到车载v o b c 设备中。同时v o b c 也要通过a p 从d s u 中查询数据信息，并以此来对列车进行定位。此外，v o b c 还可以通过a p 来向 d s u 索要最新的数据库版本号，并与z c 进行比较。在版本号一致的情况下，a t s 才能向v o b c 发送列车运行信息，并排列列车的进路。 图2 2 ：d s u 在c b t c 网络的拓扑结构图 总之，c b t c 系统依据的就是这样一个统一的数据库存储单元，并由它来管理 c b t c 系统的数据库。因此，在系统软硬设计的过程中，要充分考虑c b t c 系统 内各子系统的功能与需求，力求做到各子系统在数据的存储格式、查询方式与版 本号下载等方面做到协调一致，使之更好的为c b t c 系统服务。 2 1 2d s u 的结构与硬件配置 数据库存储单元d s u 与其它的实时数据库相同，它由三个级别构成，分别是 内部级、概念级和外部级1 6 l 。图2 3 是实时数据库系统的三级结构简图，可见d s u 通过不同的模式映像直接或间接的影响着三个级别的处理和操作。但是，对于实 时性较强的数据库存储单元，用户可以不经过概念级的操作，也可以不进行子模 式到外模式的映射和概念模式到存储模式的映射，而直接面对d s u 内的数据文件 1 0 北京交通大学硕士学位论文 d s u 中数据库的结构与特征研究 进行操作处理。 图2 3 中的核心是数据库存储单元d s u ，它单独形成一个体系，是r t d b 管 理系统中对数据进行存储与处理的单元。r t d b 系统的一切操作，包括数据的查询 与更新、数据的处理和控制、以及数据库版本的下载等都是通过d s u 来实现的。 图2 3 ：实时数据库系统的三级结构图 d s u 的硬件设备由两套相互关联的双机热备系统组成，形成了2 乘2 取2 ( 2 x 2 0 0 2 ：d o u b l e2o u to f2 ) 的安全冗余系统配置f ”，以达到系统安全性和可靠性保障 的要求。同时d s u 软件需要在安全计算机平台上进行近一步的设计与开发，这样 可以大大提高d s u 内的数据安全性。此外，d s u 子系统还包括诸多子数据库，用 来存储c b t c 系统内的各种静态和动态数据，并以此来实现c b t c 系统的实际配 置。下一节将对d s u 子系统下的各子数据库的配置进行分析。 2 2d s u 子系统的数据库类型及其功能 d s u 子系统内设置诸多类型的数据库，既包括静态线路数据库、动态数据库、 兼容数据库等专用数据库，同时也包括与z c 和v o b c 子系统配置相关的可配置 参数数据斟卅。其中，每个数据库都有特定的结构，每个数据库在d s u 中都占据 着相当重要的地位，发挥了重要的作用。 2 2 1 静态线路数据库 静态线路数据库是一个非常强大灵活的数据库，也是所有d s u 子数据库中最 重要的数据库。静态线路数据库存储与处理的是与轨道线路相关的拓扑信息，包 1 1 北京交通大学硕士学位论文d s u 中数据库的结构与特征研究 括区段、坡度、曲率、道岔、信号机、应答器、站台等。同时，静态线路数据库 也提供允许系统实现不同功能的系统构成数据，包括防淹门、屏蔽门等信息。例 如它将提供防淹门的静态位置及其关闭区域等信息。静态线路数据库还能够提供 列车运行的物理信息和路径信息，例如车次、进路、路径、方向等信息。简单的 说，静态线路数据库的作用在于规划c b t c 系统的轨道线路，它对于实现列车在 c b l r c 系统中正常的运行起到了铺垫基石的作用。 表2 1 到表2 7 静态线路数据库内所存储的部分数据列表，包括区段、坡度、 曲率、道岔、信号机、应答器、进路和车次列表等。它们都是以文本文件的方式 存储在系统中的，并随着系统的调用而即时的存储于系统存储器内，供c b t c 系 统内其它子系统查询和调用。 表z 1 ；静态线路数据库的区段( o u d u a n ) 数据列表( 部分) i dd 瓜 l e n g t h 】【s 1l4 9 5 38 0 313 0 2 68 0 2 003 7 33 5 表2 2 ：静态线路数据库的坡度( p o d u ) 数据列表( 部分) u u dp d n u m p o d u 】) ( s 【】 i e n 】 l3+ 3 0 0 0 3 4 2 0- 2 5 0 0 0 1 5 03 5 01 5 0 2 0 0 1 4 5 3 32+ 6 0 0 0+ 3 0 0 01o2 5 012 5 05 2 61 21 o 0 0 011o112 9 511 表2 3 ；静态线路数据库的曲率( q u l ，v ) 数据列表( 部分) l k i dq i n u m q l 【】x s 】k n 【】 11+ 6 0 0 o o o13 0 012 9 5 31 31+ 8 0 0 0 0 011 0 011 0 01 20111111 表2 4 ：静态线路数据库的道岔( d a o c h a ) 数据列表( 部分) i dn a m es t a t e q d l 0 施e t l q d 2 o f f s e t 2x s x s _ r a n g e 1d 0 0 103 o 8o 3 5 5 2d 0 0 201 2 1 9 6 5 1 01 2 1 43 55 6d 0 0 6o1 81 5 42 03 7 33 5 5 北京交通大学硕士学位论文d s u 中数据库的结构与特征研究 表2 j ：静态数据库的信号机。( 瑚 i a 0 j i ) 数据列表( 左) ( 部分) 和应答器0 ( m g d a q i ) 数据列表( 右) ( 部分) i dn a m eu 时kf ho f f s e tl i d n a m 匣d tu n ko f i 辩t 11 x 1 o4 9 5 311112 0 0 22 x1 21o 33 13o 2 5x2 0 0 6601 61 4 0 表2 6 ：静态线路数据库的进路( j i n h ) 数据列表( 部分) i dd 瓜l s zc zi k n u m l k 【j d a 川，md c 玎d 】 d c z t 】舢sx m e 1 0 i i 31 2 1 41 611211011 2 xd 2 40il22 42 611o1 1111- 11 0 x3 2 x 81ii31 19712561o019 xd 1 表2 7 ：静态线路数据库的车次( c h c c i ) 数据列表 i i dc h e c ij u q u m j h 】 1 0 0 11 0 0 14724 2 8 1 0 0 7 1 0 0 r 7472 4 2 8 在静态线路数据库的数据列表中，最常见的一项是l i n k ( 简称为l k ) 和o f f s e t ， 其概念分别是轨道区段号和偏移量。这两个参数也是所有静态数据中最重要的概 念，它们既定义了线路本身的基本拓扑信息，也定义了与线路相关的轨旁设备的 位置信息。例如线路的坡度信息中，就用l k i d 来唯一定义该坡度所描述的是哪一 轨道区段；而在信号机和应答器等轨旁设备数据列表中，l k 可以表示该设备所处 的是哪一轨道区段，o f f s e t 定义了该设备所处的轨道区段的具体位置。 图2 4 ：d s u 数据库中轨道区段号和偏移量的概念示意图 图2 4 是轨道区段号和偏移量的概念示意图。其中，轨旁设备m 可以由该段 轨道的轨道区段号( l i n k i d ) s 1 和偏移量( o f f s e t ) a 唯一确定。这样的确定方式可以 北京交通大学硕士学位论文 d s u 中数据库的结构与特征研究 体现出d s u 的数据安全性能。因为静态线路数据库中的数据量是非常庞大的，而 使用轨道区段号加偏移量的方式可以使其它子系统在对该数据库进行数据查询的 时候，仅仅通过顺序查询就可以快速准确的进行数据定位。静态数据库中的数据 存储方式是静态单向链表，它也是一种安全的数据结构。a t s 操作员在对d s u 进 行初次设计的过程中要对数据进行大量的修改和删除操作，而静态单向链表的结 构可以保证这些数据操作不会大量移动数据元素，也不需要对数据结构进行大规 模的改动，从而大大节省数据处理时间，并提高系统的安全性能。 在某些需要定义方向的概念中，不仅需要l i n k i d 和o f f s e t 这两个概念，还需 要知道列车的运行方向。例如在z c 与d s u 进行数据交换的时候，z c 需要从d s u 处得知列车所处的位置信息。此时，列车运行方向的概念就尤为重要。列车运行 方向是指列车运行在区段上的相对于轨道区段逻辑方向的实际运行方向。着用0 1 表示，则o 代表运行方向与轨道区段逻辑方向一致；1 代表运行方向与轨道区段逻 辑方向相反。总之，用轨道区段和偏移量，以及必要的方向信息就可以唯一定义 c b t c 列车运行控制系统中与轨道线路相关所有的拓扑信息，这样的定义方式也可 以大大提高形成列车位置报告l o c 过程中的准确性与安全性。 图2 5 ：列车进路的描述示意图 在表2 6 所示的进路数据中，还涉及到列车极性的概念。列车极性用来表示相 对于轨道区段正常逻辑方向的列车运行方向，即列车正常通过这条进路时应该运 行的相对于轨道区段正常逻辑方向的列车运行方向这里也可以用0 1 表示，即0 代表与轨道区段正常逻辑方向一致，而1 代表与轨道区段正常逻辑方向相反。按 照这个要求，以及轨道区段、方向以及列车极性的定义，对于列车的进路就可以 很方便直观的表达出来。例如在图2 5 的列车进路描述示意图中，列车沿s 1 、s 5 、 s 4 号区段运行，再由s 4 折返至s 2 区段这一路径运行的过程。首先定义此进路为 进路1 ，然后在进路表中按照( 区段编号列车极性) 的格式定义该条路径链接，即进 路1 ：( s 1 o ) ( s s o ) ( s 4 0 ) ( s 4 1 ) ( s 2 1 ) ，表示含义是列车完成进路1 的运行应该依 此走过：轨道区段s 1 的正方向 轨道区段s 5 的正方向 轨道区段