（交通信息工程及控制专业论文）CBTC系统中数据存储单元DSU的数据安全研究.pdf

中文摘要 摘要：基于通信的列车运行控制( 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 b t c ) 系 统利用连续的车地双向数字通信，实现列车控制信息和列车状态信息传输，是今 后轨道交通列车运行控制系统的发展趋势。数据存储单元( d a t a b a s es t o r a g eu n i t ， d s u ) 作为c b t c 系统中的核心组成部分，肩负着为c b t c 系统的运行提供线路 静态数据信息、动态数据信息、子系统配置数据信息、整个信号系统数据管理以 及为列车提供行车许可( m a ) 的必要数据等重要功能，其数据的安全性是d s u 以及c b t c 系统安全连续运行的重要保证，数据安全的任何失误都可能造成严重 的事故。因此，d s u 的数据安全研究对整个c b t c 系统具有非常重要的意义。 首先，论文在分析了当前数据库及数据安全研究现状的基础上，结合安全苛 求系统和c b t c 的具体需求，按照安全数据与安全逻辑相结合的方法，研究了d s u 的数据精确性与实时性要求，详细设计了d s u 的线路描述方式、组织结构，在此 基础上，将数据安全划分为数据静态安全和数据动态安全两个方面来保证数据安 全。 其次，在数据安全分析的基础上，从数据静态安全方面为保证进入数据库的 数据能够正确反映线路实际情况，制定了数据的安全录入规则，设计了数据的关 联关系检查和合法性错误防护措施，保证录入的数据与线路情况相一致；引入m d 5 算法对数据的存储入库进行检验，保证存入数据存储单元的数据与最后一次修改 的数据的一致性。 最后，从数据动态安全角度，针对数据传输中存在的问题，设计了数据传输 的安全防护机制。在此基础上，设计了基于版本控制方式的分布数据一致性监督 和检查方法，建立了版本控制下保持数据一致性的数据更新策略，并搭建c b t c 系统的仿真环境对设计的策略进行了测试验证，最终得到与设计一致的测试结果。 关键词：c b t c ；d s u 数据安全；数据静念安全；数据动态安全 分类号：t p 3 0 9 2 a b s t r a c t 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 l ( c b t c ) s y s t e mi st h et r e n do fu r b a n r a i lt r a n s i ti nt h ef u t u r e , w h i c hi su s e df o rt r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o no ft r a i nc o n t r o la n d t r a i ns t a t et h o u g hb i d i r e c t i o n a ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o no f w a y s i d e - t r a i nc o n t i n u o u s l y a s ac o r ec o m p o n e n to ft h ec b t cs y s t e m , d a t a b a s es t o r a g eu n i t ( d s u ) p r o v i d et h e n e c e s s a r yd a t ai n f o r m a t i o nf o rc b t cs y s t e m ，s u c ha sl a n es t a t i cd a t a , d y n a m i cd a t a , t h e c o n f i g u r a t i o nd a t a , m a n a g e m e n td a t a , a n dm o v e m e n ta u t h o f i wd a t a t h es a f e t yo f d a t a i st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e eo fd s ua n ds a f e t yo p e r a t i o nc o n t i n u o u s l yo fc b t c s y s t e m ni sl e a dt os e r i o u sa c c i d e n t si ft h e r ei sa n ye = t r o ro ft h ed a t as a f e t y t h e r e f o r e , i ti sg r e a t s i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h ed a t as a f e t yo fd s u f o r t h ew h o l ec b t cs y s t e m f i r s t l y ，b a s e do nc u r r e n t l yr e s e a r c ho nd a t a b a s ea n dd a t a b a s es a f e t y , t h i sp a p e r c o m b i n e ds a f e t yi n t e g r i t yl e v e la n dc b t cs y s t e mr e q u i r e m e n t s ，i na c c o r d a n c e 、) l ，i mt h e m e t h o do fd a t as a f e t ya n dl o g i cs a f e t y , r e s e a r c h e do na c c u r a c ya n dr e a l t i m e r e q u i r e m e n t , r o u t ed e s c r i p t i o n , s t r u c t u r ew e r ed e s i g n e dp a r t i c u l a r l y o nt h i sb a s i s ，d a t a s e c u r i t yw a sd i v i d e di n t od a t as t a t i cs a f e t ya n dd a t ad y n a m i cs a f e t yt op r o t e c td a t a s a f e t y s e c o n d l y , o nt h e b a s i so fa n a l y s i so fd a t as a f e t y , r u l e so fs a f e t yr e c o r dw a s c o n s t i t u t e di no r d e rt oe n s u r en l a tt h ed a t ai n t ot h ed a t a b a s ec a na c c u r a t e l yr e f l e c tt h e a c t u a ls i t u a t i o ni nl i n e ，c h e c k i n go fr e l e v a n c er e l a t i o n s h i pa n dp r o t e c t i v em e a s u r e so f l e g i t i m a c yw r o n gw e r ed e s i g n e dt oe n s u r et h a tt h ei n p u t t i n gd a t aw a sc o n s i s t e n tw i t h t h el i n es i t u a t i o n ；m d 5a l g o r i t h mw i l l si n t r o d u c e dt oc h e c kd a t as t o r a g e ，i no r d e rt o e n s u r et h a tt h ed a t ai n t ot h ed a t as t o r a g eu n i tw e r ec o n s i s t e n tw i mt h ed a t am o d i f i e da t t h el a s tt i m e f i n a l l y , t h ep a p e rd e s i g n st h es e c u r i t ym e c h a n i s m so fd a t at r a n s f e rf r o mt h ev i e w o ft h ed y n a m i cd a t as a f e t yf o rt h ee x i s t i n gp r o b l e mi nt h ed a t at r a n s f e r i td e s i g n sa m e t h o do fc o n s i s t e n c ym o n i t o r i n ga n dc h e c ko fd i s t r i b u t e dd a t ab a s e do nt h ew a yo f v e r s i o nc o n t r 0 1 d e v e l o p e das t r a t e g yo fm a i n t a i nt h ec o n s i s t e n c yo fd a t au p d a t i n g w h i c hi sb a s e do nt h ev e r s i o nc o n t r o l ，t h e nb u i l ts y s t e ms i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tt o v e r i f yt h er e s u l t a tl a s t ，t h ed e s i r e dr e s u l tw a si nc o n s i s t e n c ew i t hd e s i g n k e y w o r d s ：c b t c ；d a t as a f e t y ；d a t as t a t i cs a f e t y ；d a t ad y n a m i cs a f e t y c l a s s n o ：t p 3 0 9 2 图索引 图1 1c b t c 列车运行控制基本原理图2 图1 2 论文结构图5 图2 - 1z c 对d s u 的数据需求8 图2 - 2v o b c 对d s u 的数据需求9 图2 3 道岔点连接区段关系示意图1 0 图2 4 区段逻辑方向的规定1 2 图2 5 列车精确定位原理图。1 3 图2 6 列车精确定位举例1 3 图2 7 数据库分布结构示意图1 4 图2 - 8d s u 端数据库体系15 图2 - 9 应用端数据库体系1 6 图2 一1 0 安全计算机平台的结构1 8 图2 1 l 章节体系结构图2 0 图3 1 数据安全存储过程2 l 图3 2 区段、道岔、信号机、应答器、计轴器间关联关系。2 4 图3 3 区段、道岔间关联关系2 5 图3 4 区段连接有效性检查。2 6 图3 5 两次录入比对2 8 图3 6 数据绘制图2 9 图3 7 线路图2 9 图3 8m d 5 算法过程3 0 图3 9m d 5 计算一3 2 图3 1 0 数据安全存储入库检查3 3 图3 1 1 区段数据查看3 4 图3 一1 2 应答器数据查看3 5 图3 1 3 章节体系结构图3 6 图4 _ l 序列号的产生和变化3 9 图4 2 超时检查4 0 图禾3 报文完整性检验4 1 图乒4 静态数据更新过程4 2 图4 5 动态数据更新过程4 3 图4 - 6 数据更新流程4 4 6 2 图4 7 不同网络质量下两种数据重传方式比对4 6 图4 8 应用方状态迁移4 8 图4 - 9d s u 方状态迁移。5 0 图4 1 0v x w o r k s 下的测试结果( 应用第1 - 4 周期) 5 1 图4 1 lv x w o r k s 下的测试结果( d s u 第1 - 4 周期) 。5 2 图4 1 2v x w o r k s 下的测试结果( 应用第5 - 1 4 周期) 5 3 图4 - 1 3v x w o r k s 下的测试结果( d s u 第7 一1 5 周期) 5 4 图4 1 4v x w o r k s 下的测试结果( 应用第1 9 - 2 6 周期) 5 5 图4 - 1 5v x w o r k s 下的测试结果( d s u 第1 7 - 2 6 周期) 5 6 图4 - 1 6 章节体系结构图5 7 表索引 表3 1 区段信息取值规则2 3 表4 1 “断点续传 方式传输结果4 5 表4 _ 2 “应答确认 方式传输结果4 6 表4 _ 3 应用方状态定义4 7 表4 - 4 应用本地信息4 7 表4 5 应用事件定义4 7 表4 6d s u 方状态定义4 9 表4 _ 7d s u 本地信息4 9 表4 8d s u 事件定义4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 套刎 导师签名： 签字日期：加刁年月7 日 签字日期：哆年月，7 日 致谢 衷心感谢我的导师郜春海副教授! 本文的工作是在郜老师的悉心指导下完成 的。郜老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我很大的帮助，使我受益匪浅 并圆满完成学业。无论是学术上还是做人上，郜老师都为我做出了表率，他的人 格魅力也深深的影响着我。在此，衷心的感谢他两年来对我的教诲，以及在生活 上对我的关心和帮助。 黄友能老师悉心指导我完成了在实验室的科研工作，并在学习上和生活上都 给予了我极大的关心和帮助，在此向黄老师表示衷心的感谢。 感谢轨道交通控制与安全国家重点实验室唐涛、刘波、步兵、张建明、王悉、 周达天等各位老师，他们对我在实验室的科研工作给予了很多的指导和建议，使 我学到了很多，科研能力得到了很大的提高，在此向他们表示由衷的谢意。 在论文的选题和撰写期间，实验室的王海峰、马连川、燕飞、于震宇等各位 老师对我进行了耐心的指导并提出了宝贵的意见和建议，借此向他们表达我深深 的感激之情。 感谢我的同学杨扬、刘丽娟、王观宁、任军、孙伟、李伟、秦玲、梁楠、贺 广宇、王洪涛、夏夕盛、惠希云、王艳、李晓琴等，在论文的撰写过程中，你们 给了我很大的帮助和建议，感谢你们在我迷茫时对我的鼓励，两年的研究生生涯， 在你们的陪伴下，充满了快乐，给了我一个美好的研究生生活。同时，也要感谢 陈法仲、岳龙、胡薇薇、王丹、王超等师弟师妹们给我的热心帮助。 非常感谢我的父母及家人，你们对我的支持和帮助一直是我最大的精神力量， 在漫长的求学生涯中，你们的无限关怀和鼓励使我有了克服困难的勇气和动力。 本论文由国家自然科学基金项目“列车运行控制及组织的基础理论与关键技 术研究( 项目号：6 0 6 3 4 0 1 0 ) 支持。 1 综述 1 1选题背景和意义 城市轨道交通以其客运周转量大，运营速度快，安全可靠性高，受干扰少等 特点，已成为城市中主要的交通工具，是解决城市交通拥挤的首要选择【l 】。c b t c 系统利用高精度的列车定位，车一地之间大容量的数据通信来实现列车的运行控制 【2 】，运行速度快，运行间隔短，具有更高的安全要求，需要一个安全的数据库为其 提供所需的数据信息，并对数据进行管理，这就是c b t c 系统中的数据库子系统一 数据存储单元( d a t a b a s es t o r a g eu n i t ，以下简称d s u ) 。 d s u 子系统中存储了c b t c 系统中各个子系统使用的线路数据信息和配置文 件信息，与v o b c 和z c 共同构成a t c 系统( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 的 安全控制部分。数据存储单元对整个信号系统得数据库进行管理，是c b t c 系统 的安全组成之一。作为c b t c 系统中的安全型设备，d s u 中数据的安全性和可靠性 直接关系到系统的运行效率和行车安全，如果数据的安全性遭到破坏，轻则对系统 的运营效率造成影响，重则可能引发严重的事故和经济财产损失；同时，如何保 证d s u 设计的数据安全性，又对c b t c 系统的相关设计提出了要求。因此，d s u 系统的数据安全设计与研究，在c b t c 系统设计中具有相当的重要性。 c b t c 系统的正常运行，是系统运行逻辑与安全数据相互作用的结果，两者缺 一不可。本文以财政部“c b t c 系统研发及中试试验 重大科技专项为背景，对 c b t c 系统中d s u 的数据安全问题进行了深入研究，针对数据在存储和传输中可 能出现的安全问题进行分析和防护。本文给出了初步的保证c b t c 系统d s u 中数 据安全性的设计思路，并在大连中试实验中进行了应用，应用结果表明，较好的 保证了数据存储单元中数据的安全性，为下一步d s u 在国内第一条具有自主知识 产权的c b t c 线路一亦庄线中的应用，奠定了坚实的基础。 1 2c b t c 系统原理 1 9 9 9 年9 月，电气和电子工程师协会轨道交通运输车辆接口委员会制定并颁 布了第一个c b t c 标准，( i e e es t d1 4 7 4 1 1 9 9 9 ) ，该标准详细定义了c b t c 系统 的功能，将c b t c 定义为：利用( 不依赖于轨道电路的) 高精度列车定位、双向 大容量车一地数据通信和车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控 制系统。并规定了c b t c 系统的列车运行间隔，安全性和可用性等技术指标【3 】。 一个典型的c b t c 系统包括：列车自动监控系统a t s ( a u t o m a t i et 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 l l 仃o l l e r ) 、数据库存储单元d s u ( d a t a b a s e s t o r a g eu m t ) 、计算机联锁c i ( c o m p m e ri n t 甜o c k i i l g ) 、车载控制器v o b c ( v e h i c l e o nb o a r dc o 曲0 l l c r ) 和数据通信系统d c s ( d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，包括骨 干网、网络交换机、无线接入点及车载移动无线设备) 。c b t c 系统的控制基本原 理图如图1 - 1 所示f 4 j 。 可能的倒溜位置偏差 图1 1c b t c 列车运行控制基本原理图 f i g u r e1 1t h e o r yo f t m mo p e r a t i o nc o n t r o li i lc b t cs y s t e m 以下对c b t c 系统各组成部分的功能进行简单的介绍【5 】： 1 ) 列车自动监控系统a t s ：完成列车运行监控、报警显示、进路排列和运行 图的调整等功能，还可以提供近期的列车运行记录的查询。 2 ) 联锁c i 子系统：完成管辖范围内列车进路的办理和取消以及道岔等障碍物 状态的采集和相关操作。 3 ) 车载v o b c 系统：可以对列车进行定位并向其它系统汇报自己的位置和延伸 申请等信息，同时接收z c 发送的m a ，并对列车进行安全控制。 4 ) d c s 系统：它实现c b t c 系统每个子系统之间的数据传输。d c s 系统包括地面 骨干网络和地车无线网络，骨干网络采用双重冗余以太网结构。 5 ) 区域控制器z c 系统：接收列车的位置报告信息，并为列车提供移动授权m a 。 6 ) 数据存储单元d s u 系统：保存所有的线路数据信息和配置文件信息。依照 车载v o b c 系统与区域控制器z c 系统的要求完成线路数据的实时查询和数 2 据更新工作，接收a t s 系统的命令，完成动态信息的修改工作。 如同传统的基于轨道电路的系统，c b t c 也以“目标一距离 的原则控制列车。 两种系统的不同之处在于分辨率：在轨道电路系统中，移动授权是以轨道电路区 段为单位来给出，而在无线c b t c 系统中，移动授权拥有更高的分辨率。 c b t c 系统具有如下特点【6 1 ： 1 ) 大容量连续双向车一地通信； 2 ) 地面设备及车载设备均采用安全计算机实时处理列车状态、控制命令，实 现连续的间隔控制、进路控制、速度防护、自动驾驶等； 3 ) 高精度列车定位； 4 ) 列车运行控制灵活、高精度，可实现移动闭塞； 5 ) 设备集成度高，可减少地面设备，系统结构简单，并改善可靠性和可维修 性，减少全寿命周期成本； 6 ) c b t c 信息可以叠加在既有信号系统上，便于既有线改造，可实现城市轨道 交通的互联互通。 1 3数据安全研究现状 1 3 1 国内外数据安全研究 随着信息化，电子化进程的发展，数据越来越成为企业，事业单位日常运作 的核心决策发展的依据【7 】。随着计算机系统越来越成为国内企业的数据载体，如何 保证数据安全也成为我们迫切需要研究的一个课题。数据的不安全性来自大约以 下几个方面：病毒，非法操作，黑客攻击，内部人员故意破坏篡改，误操作，自 然灾害等。数据安全应分为两个层面，一是数据的静态安全，一是数据的动态安 全。静态安全是指防止存放在数据服务器存储设备内的数据被盗窃、修改、删除、 破坏。动态安全是指防止在数据传输交易过程中被截取或篡改。 i e e e 计算机协会主办的存储安全工作组会议( s e c u r i t yi ns t o r a g ew o r k s h o p ， s i s w ) 已经举办了三届。2 0 0 5 年a c m 创办了存储安全性与可生存性工作组会议 ( s t o r a g es e c u r i t ya n ds u r v i v a b i l i t y ，s t o r a g e s s ) ，其研究一般围绕机密性、完整性、 可用性三方面展开。 在国内，一些科研院校也在进行存储安全方面的研究，例如华中科技大学外 存储实验室对加密文件系统进行了研究，在n a s 系统上实现了一种堆叠式加密文 件系统。中科院软件所对存储通道的识别进行了优化。另外，从数据保护的角度 看，数据备份、容灾、恢复等方案也可归入存储安全范畴，如清华大学t h m s n s 3 中的数据备份恢复系统【引，以及中科院计算所的自适应动态容灾系统等。 数据传输安全主要解决在网络环境下用户之间身份验证、数据加密传输以及 实现数字鉴名三个方面问题【9 1 ： 1 ) 用户身份验证保证了通信的源点和目的点的正确性； 2 ) 数据加密传输保证了数据在网络的中间节点不会泄露通信秘密； 3 ) 数字签名技术保证发送信息的一方不能对自己发送过的信息进行否认。 身份认证的目的是确定系统和网络的访问者是否是合法用户。主要采用登录 密码、代表用户身份的物品( 如智能卡、i c 卡等) 或反映用户生理特征的标识鉴 别访问者的身份。 数据传输加密技术目的是对传输中的数据流加密，以防止通信线路上的窃听、 泄漏、篡改和破坏。 1 3 2 轨道交通控制中的数据安全研究 铁路信号控制系统担负着指挥列车安全运行的任务，关系到成千上万乘客的 生命和财产安全，为此需要考虑在系统出现故障或操作人员不慎进行错误操作的 情况下，系统仍能最大限度地维护乘客安全系统的安全性，系统如果发生问题， 将导致灾难性的后果。2 0 0 7 年4 月2 8 日发生在胶济铁路周村至王村之间的“4 2 8 事故”，根据事后分析，造成事故的一个主要原因，就是由于事故段的线路限速已 改变的情况下，运行的信号系统的数据没有同步更新，导致列车行驶在该路段时， 列车车体脱线与邻线正在运行的列车相撞，造成了巨大的灾难后果和人员伤亡。 安全是安全相关系统的固有属性【l o 】。近年来出现了大量关于安全相关系统的 开发标准，对安全系统的软件和硬件的安全开发进行了深入的研究。安全相关系 统的数据被看作是分离的独特的整体，数据驱动的安全相关系统的安全操作越来 越依赖于数据的正确性，安全相关系统中的数据安全管理变得越来越重要。然而， 在多数应用系统中，对数据的管理往往是没有组织的，这使数据错误检测变得困 难，也很少采取冗余措施使系统免于数据错误的影响。 目前，针对铁路信号控制中的数据安全的研究较少，还没有形成系统化的研 究。文献 1 1 中以铁路信息控制系统为对象，研究了数据在安全相关系统中的应 用。将轨道交通控制系统中的数据分为4 类：c o n f i g u r a t i o nd a t a ，ac o m m a n d s c h e x t u l c ，s t a t u sd a t a 和o p e r a t i o n a ld a t a ，并对每种数据类型可能出现的错误类 型进行了分析与建模，提出了安全相关系统的体系结构应该由硬件、软件及数据 组成。模型中为安全相关功能使用的数据指定了一个上界，以保证模型中数据的 变化不会影响系统的功能安全。【l l 】【1 2 】 4 1 4 论文的主要内容及体系结构 本文的研究目的是根据d s u 在c b t c 系统中的作用，即提供数据信息和完成 信息的管理工作，分析c b t c 系统中数据安全的具体问题，并针对存在的安全问 题给出相应的检验防护措施，保证d s u 中数据的安全性。 本论文的内容体系结构分为五章，结构如图1 - 2 所示。各章简要介绍如下： 第一章综述，介绍了本文的选题背景和意义，阐述了c b t c 系统相关知识， 简要分析了d s u 数据安全的重要意义以及数据安全在国内外的研究情况，提出了 本文的研究课题。 第二章c b t c 系统中d s u 安全设计与分析，对本文的研究对象一d s u 中数据 的内容和组成进行说明，结合安全苛求系统和c b t c 的具体需求，对数据存储单 元进行分析，详细设计了d s u 的线路描述方式、组织结构。根据c b t c 系统的特 点，对d s u 的数据安全进行分析，将数据安全分为数据静态安全和数据动态安全。 第三章根据d s u 的数据安全要求，对数据静态安全进行设计实现。通过定义 数据的安全存储过程，分析可能出现的错误情况，制定安全检验规则，保证录入 的数据与线路情况相一致，对数据的安全存储过程进行检验，保证存入数据存储 单元的数据与最后一次修改的数据相一致。 第四章根据d s u 的数据安全要求，对数据动态安全进行设计实现。设计数据 传输中的安全防护机制，利用版本控制的方式对数据的变化进行监督和检查，设 计了版本控制下保持数据一致性的数据更新策略，并利用仿真环境对数据更新过 程进行了测试。 第五章对全文进行总结并展望。 图1 2 论文结构图 f i g u r e1 2t h e s i ss t r u c t u r e 5 2c b t c 系统中d s u 安全设计与分析 c b t c 系统中的所有数据均集中存放在d s u 数据库中，这个数据库是整个系 统唯一的，并且被各子系统共享，从而使数据安全问题更为突出。 2 1d s u 数据组成及数据应用 本节对本文研究的对象数据存储单元中的数据组成，以及数据在c b t c 系 统中的应用进行说明。 2 1 1d s u 数据组成 数据存储单元作为c b t c 系统的安全组成部分，存储了c b t c 系统内所有子 系统所使用的数据信息和配置文件信息，对整个系统的数据进行管理。d s u 的数 据库由静态数据库，动态数据库，配置数据库和兼容性数据库组成，本文的研究 对象是数据存储单元中静态数据库和动态数据库。 ( 1 )线路静态数据库 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 子数据中信息 量最大的数据库。它允许系统对用户的不同需求做出响应。它提供了线路描述信 息，也提供允许系统实现不同功能的系统构成，当对线路进行物理上的更改和增 加时，可以对静态线路数据库进行修改。静态数据库的设计原则是：当线路延伸 时，可以方便的增加新站和轨旁设备，增加新的z c 区域控制器，或者扩展区域控 制器的控制范围。 静态数据库中对数据的描述，一般分为三类： 1 ) 基础线路数据：基础线路数据包含区段数据信息和道岔数据信息，基础线 路数据信息完成轨道网络的抽象化网络拓扑，是静态数据信息和动态数据 信息描述的基础，网络拓扑描述的具体内容，在本章的第二节中，进行具 体的说明； 2 ) 轨旁设备数据：轨旁设备数据对铺设在轨道线路现场的轨旁设备的位置信 息和功能信息进行描述，包含应答器数据、信号机数据、计轴器数据、安 全屏蔽门数据、防淹门数据等。轨旁设备在在静态数据库的位置描述， 去除了其空间物理属性，抽象成质点进行描述； 3 ) 区域数据：区域数据对完成线路情况和运行功能需求信息进行描述。包括 6 线路的坡度信息、曲率信息、线路限速信息、进路信息等等。 ( 2 )线路动态数据库 在c b t c 系统的运行过程中，部分的数据信息会发生变化，这类信息就存储在 线路动态数据库中。动态数据库的修改一般由c b t c 系统的a t s 子系统完成。目 前的动态数据库信息主要是线路的临时限速信息，l 临时限速信息描述c b t c 系统 运行过程中，由于某些原因导致的某段区域的限速信息发生变化而造成的影响。 动态数据库体现了线路数据的动态变化，保护了系统运行的安全性。c b t c 系 统有一个优点：允许a t s 操作者在线路的任何地方设置临时限速信息。同时，临 时限速信息可以随时设置，只需不到一分钟的时间即可由列车完成。 ( 3 ) 子系统可配置参数数据库 子系统可配置参数数据库负责存储c b t c 系统内各个子系统配置相关的变量 参数信息，所有的c b t c 系统参数信息，包括列车运行配置参数和子系统配置参 数都要存储在可配置参数数据库内。 子系统配置参数信息是各个子系统必备的数据信息，各子系统都具特定的子系 统配置数据库，它们被用于初始化装载，使每个子系统在启动时有足够的引导信 息。系统可配置参数数据库的优势在于当系统应用与不同配置型号的列车时，所 使用的软件是相同的，不同的只是系统的配置参数。因此，当列车有所改变的时 候，只要及时的对配置数据库进行更新，就可以完成系统的预定功能，而无需对 软件做大规模修改，这样大大提高了系统的适用性和扩展性。 ( 4 )兼容性数据库 兼容性数据库包括了c b t c 系统所包含的各个子系统所使用的软件、接口和数 据库版本之间所有许可的兼容性。对于每个子系统，d s u 都会生成一个与之相对 应的有效数据库版本号列表。而对应每个数据库版本号，又有一个与其相兼容的 接口和软件版本列表。这样做的好处在于很好的保证每个子系统在与其它子系统 通信时实现安全认证，保证不属于该兼容性数据库确定的系统不能与该系统通信 或者交换信息，从而有效的减少数据通信系统d c s 所受外来系统的侵入与干扰。 2 1 2d s u 数据应用 d s u 中存储了线路相关的静态数据描述信息和动态数据信息，这些信息主要 用于a t c 系统安全控制部分中的v o b c 和z c 应用。 z c 子系统作为c b t c 系统中地面设备的一员，用于实现c b t c 系统中与a t p 相关的m a 产生、列车管理等功能的软件，系统运行于2x 2 0 0 2 安全容错平台， 通过以太网与其它部分进行信息交互。z c 系统与d s u 数据相关的功能如下： 7 ( 1 ) 列车管理 z c 对处于本z c 管辖范围内的列车进行管理。根据列车的运行过程以及汇报 的状态信息，将处于管辖范围内的列车针对不同的状态使用不同的管理方式进行 控制，并以此为基础进行信息交互来实现对列车的监控。 ( 2 ) 线路管理 z c 应用管辖范围内的逻辑区段状态的确定，根据从联锁接收到的计轴区段信 息以及列车的位置汇报，确定逻辑区段是否被通信列车占用，同时对非通信列车 的位置根据计轴区段的占用进行判断。 ( 3 )m a 计算 z c 应用系统为辖区内每列处于a t p 状态的通信列车提供m a 。根据c i 提供 的联锁状态信息及v o b c 提供的位置信息来计算m a ，需要处理各种可能的情况。 图2 1 中标示说明了z c 应用中对d s u 数据的部分需求。 图2 一lz c 对d s u 的数据需求 f i g u r e2 - id a t ar e q u i r e m e n t so fz co i ld s u 车载v o b c 系统为行车安全和列车驾驶( 司机人工驾驶或者自动驾驶) 提供 帮助和监督，保证列车高效、安全的运行。v o b c 系统与d s u 数据相关功能如下： ( i ) 列车登陆进入c b t c 区域 列车在c b t c 的登陆区域，经过两个连续的应答器，获得列车的位置信息和 运行方向信息。与管辖该区域的z c 进行通信，接收z c 的移动授权信息。 ( 2 )列车定位与位置校正 通过接收地面查询应答器的绝对点信息，对由速度传感器测量出的距离信息 进行校正，以得到列车的精确定位位置。 ( 3 ) 列车速度距离曲线计算 v o b c 不断让列车尽量靠近z c 提供的移动授权。通过计算可推断出列车在当 前位置下的最大允许速度、目标速度、目标巨鹿等等，来监督司机或者a t o 进行 驾驶。 ( 4 )列车折返与退出c b t c 系统 列车执行折返操作当列车在折返区域停稳时执行。当列车离开c b t c 系统控 制区域时，检测到列车完全进入退出区域时，切断与z c 之间的通信。 图2 2 中标示说明了v o b c 应用中对d s u 数据的部分需求。 图2 2v o b c 对d s u 的数据需求 f i g u r e2 - 2d a t ar e q u i 彻n 饥t so f v o b c o nd s u 9 2 2d s u 数据安全相关设计 在本节中，对d s u 中的线路数据描述方式和d s u 在c b t c 系统中的应用组 织结果进行设计说明，在此基础上完成2 3 节d s u 的安全分析。 2 2 1 线路描述方式设计 线路描述的主要功能是将轨道路网的物理信息转化成计算机程序可以识别的 数学信息，它是其它高级应用软件和数据库管理平台的基础。通过有效的线路描 述规范了数据的格式和内容，有利于数据的管理和维护。 传统的轨道线路描述方式，采用的是在线路的某个位置( 一般是线路的一端端 点) 设置线路零点作为起点，其余位置的位置采用相对于零点的绝对距离作为位置 信息描述，即公里标。采用公里标方式的线路描述网络中，在线路比较复杂的路 段，比如道岔或者交叉渡线的侧线位置，公里标的描述方式无法精确的进行位置 信息的描述，对列车位置的精确定位造成困难【1 3 】。因此，公里标的线路描述方式 无法满足c b t c 系统的要求。 在自主开发的c b t c 系统中，对于轨道线路的描述，是基于相互连接的轨道 区段进行的【1 4 1 。一段轨道区段是指轨道线路中的某段线性对象，轨道区段描述包 含了轨道区段端点的定义和逻辑方向的定义。 ( 1 )轨道区段连接端点定义 轨道区段直接连接或者通过道岔连接，对道岔点的描述如图2 - 3 所示。通过 道岔点三个轨道区段连接在一起，为了便于描述和区分，我们将这三个区段分别 命名为正线轨道区段、侧线轨道区段、汇合线轨道区段。 图2 3 道岔点连接区段关系示意图 f i g u r e2 - 3t h ee x p l a n a t i o no fc o n n e c t i o na m o n gp o i n ta n ds e g m e n t s 考虑城市轨道线路的实际情况，一个轨道区段的端点最多与两个轨道区段相 l o 连。任意的正线轨道区段与其它轨道区段的连接存在四种情况： 1 ) 无连接： 2 ) 与一个正线轨道区段相连； 3 ) 与一个侧线轨道区段相连； 4 ) 连接一个正线轨道区段和一个侧线轨道区段两个区段。 任意的侧线轨道区段与其它轨道区段的连接关系存在三种情况： 1 1 无连接： 2 ) 与一个正线轨道区段相连； 3 ) 与一个侧线轨道区段相连。 轨道线路只针对车辆可以运行通过的线路进行拓扑描述，由于列车无法直接 的在道岔的正线区段和侧线区段间运行，因此，将这种只在物理上存在连接关系 的连接作为无效连接处理，不划入拓扑连接的范畴。 根据以上分析的结果，我们对区段的端点类型进行如下的定义： 1 ) 线路终点：轨道区段通过此种端点不与任何轨道区段相连； 2 ) 直连点：轨道区段通过此种端点与唯一的一个轨道区段相连； 3 ) 道岔点：轨道区段通过此种端点与两个轨道区段相连，其中一个可能是只 有物理连接关系的无效连接。 在利用区段端点定义了轨道区段的连接关系后，列车在轨道线路上的运行， 就变成了在连续的相互轨道区段上的运行。 ( 2 ) 轨道区段逻辑方向的定义 完成轨道区段端点的定义划分后，位置信息脱离了绝对距离的描述方式，而 是变成了相对于轨道区段端点的、利用轨道区段信息来表示的相对位置。相对位 置的描述与方向相关，因此，对轨道区段的逻辑方向进行定义，按照网络平面图 的从左向右的方向，可以定义轨道区段的逻辑方向取为从左向右或者从右向左， 相邻的轨道区段方向是相互独立的，可以拥有不同的逻辑方向。列车在线路轨道 区段上的行驶方向不是固定的，可以从轨道区段起点驶向终点，也可以从轨道区 段终点驶向区段起点。 采用区段独立描述逻辑方向的方式，而不是对整个轨道线路规定一个统一的 逻辑方向，是为了在某些线路比较复杂的线路区域，方便列车运行的描述，防止 描述出现紊乱，以图2 4 中的线路情况为例进行分析说明。 。譬v 5 舳 、仨 之 氐一望垒i j 7 1 图2 4 区段逻辑方向的规定 f i g u r e2 - 4r e g u l a t i n go f t h el o 西cd i r e c t i o no fs e g m e n t 如果采用整个轨道网络统一的逻辑方向，当列车沿着2 号轨道区段一) 4 号轨 道区段的方向驶入7 号轨道区段时，列车运行方向被认为是从左向右；当列车沿5 号轨道区段一) 6 号轨道区段的方向进入7 号轨道区段时，列车的运行方向被认为 是从右到左，也就是说列车在同一轨道区段上沿起点到终点运行时，出现了两种 方向截然相反的描述方式，造成了列车描述方式的混乱。而采用轨道区段独立规 定逻辑方向的方式，可以为7 号轨道区段人为规定一个逻辑方向，如自上到下规 定为从左向右，那么4 号轨道区段与7 号轨道区段的逻辑方向相同，6 号轨道区段 与7 号轨道区段的逻辑方向相反。在列车由6 号轨道区段驶入7 号轨道区段时， 发现这种逻辑方向的不同，导致列车相对于轨道区段的运行方向发生了变化，避 免了描述方式的混乱。在数据描述中，把相邻的轨道区段逻辑方向相同描述为相 对方位相同，方向相反描述为相对方位相反。逻辑方向的规定只是一个定向参考 标准，不会影响线路网络的拓扑关系。