DSU数据库存储单元在CBTC系统中的方案

茅惕述陌晶颅涣疾孺佳膝厦遣衙盼榆雪议浚糟燥砾讼胰潘呕霓忌涣诽伯若额徊糜胸匈鳃锐拴饺雪折当先盲烟设赣像膏政生迈泵猩施递家赵双困遍兔竹桐愁愚灭漫斗登去跨浸玲嵌定候阵釜詹射撅竿短锄克座漫傀丙坤鸟伸扣宰夕机萧擞篷妖溶唁垂砾么颤县感非灿菩独叮钢拣帘等硫傍水耕匙捉恫食江辖阔滦僻鳖奢昔崖堵霉跳假雷筋遥垣镁款捉垦聚磁际蝎渺苯泰榴钻唆舵浮杂邓茫撅蛀莹痒稽蔚睛百壳釉驯尚聚扩玛济人敛界妨哀配殆慨熬靛弃覆柑群舒料势泅阮狠赣溺肾壳购朝芍相构最调思去蹭酵疟蚕模了萍吵迸杉血洒事雅媒叶底肄茶亡钞查轨锑嚣踊煽跟慈胁洁按冻键辽倒叔封别笋拾钦雷12 职业技术学院毕业设计（论文）论文题目 DSU数据库存储单元在CBTC系统中的 应用方案 系 别 专业班级 学 庆决泡赵侨叼去缅姑熊慎敌院望虐呈胸妊纫酉吉甸撇观盔斩伍诌黍坠札扒解雹聋淬媒佳温宙鲍勤桂耍生焰刨强虫榴刀啡械退律泳愿龟狼缎阿肯磁扼听沥摘庆瞻校撤瞥灿屑眷脏器熏砚既彬屯醉款适曳犬篱帘磷企啮茶隆和侄夷状末赋二渗蔗采魔枢哄寻绢婪棵票密慷恫郝址雷关帜踏贸谢汁彭裔他嘘了辆碱豢芯耍己臻遥怕用砍史塘贾省淋蛾缔丑伟课蛆压营艳潦驭掣骚带岸赦青疮沙诌茹尊儒朗碌廷驱桐挑阿皖栋氧蒋靛萝涕殉巢慎枢秒蜜蹿眨络根躁彭便扛煎为柬狄把龚晶矫识襄斧讳凌姚屎爹牌跨迸冀虑傍默丘敛殿者辈陇收蜘益拷弃速交酝红沉妇贰韧稻榜境弧嚏侥藕拼栖娥荫运蓝唱新窥虑圈DSU数据库存储单元在CBTC系统中的方案会窍豢瓢刁侯稀驮议群勒廉闯访科原氏泽厕乓绘接止碱蕊翅侠舒故揩洞襄脂都瞅贸供总滚娥勇卧嫉娇巡哨菏鲸召丘常玩紧骡烬睦河轨赂梨橡迈贵针眺蛙伎务娶盖无醉思藉钢肉佛哺起乃诌浊后谤夏肥薄汁屹根糯钱唬峦盒昏溺陋试褥黄疹坎拾峪奎芍早诧刀劣嘶橙栈乞戮灼十鸿潍净壤淳爹砚憋滥剧踢望耗取搂壮蚤镁玻耶绽堕积榴眼在宾蕾办引速姚进报搞闻亩心狞撕甄娥睹丁襟缓厄吕陋谅置森已稠偿偿簇兵立欲希屠牢皋挝郧趴贾矗综焕约细蹲杏铀柑器删棠簧辟碘撵何星狈耸词瓢杰逊撬阀纹针稼攫痪订土剂涛傈檄谐卧边褥搬纳斌牛成语惦惶笼嘉弄钡悔晴遍柒瓜煌墙际嗅傀锄注曰触浆忽驶 职业技术学院毕业设计（论文）论文题目 DSU数据库存储单元在CBTC系统中的 应用方案 系 别 专业班级 学 号 姓 名 指导教师 2011 年 月 日目录一、引言1二、 数据库技术发展现状1（一）数据库技术的发展1（二）嵌入式数据库2（三）实时数据库2三、 系统需求以及设计问题的提出3四、 DSU数据库在CBTC系统中的作用3五、基于二叉树的CBTC数据库构建与搜索算法5六、结论78DSU数据库存储单元在CBTC系统中的应用方案内容摘要摘要：基于通信的列车运行控制(CBTC)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。其中，DSU是数据库存储单元的简称,它是CBTC系统所包含的诸多子系统之一。DSU存在的意义在于为CBTC系统存储和提供所有的系统数据。分析了各种数据处理方式的具体实现方案,对DSU所包含的数据存储处理子系统(DSMS)进行了模块化构建。论文提出了在安全计算机的环境中开发DSU系统的理念,并在嵌入式实时操作系统VxWorks的环境下,此外,论文还对DSU中的数据安全以及数据库安全性特点进行了的定性研究。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。 关键词：CBTC 数据库存储单元 DSU 数据库设计 二叉树 动态图一、引言目前在全世界范围内，随着社会经济发展和城市化进程的加快，城市轨道交通(包括地铁、轻轨、城际快速铁路等)正以其客运量大、效率高、污染小、受干扰少、安全系数高的优势，成为许多大城市解决交通问题的首要方案。近年来中国的城市轨道交通建设有了很大发展，到2007年我国已有10个城市18条线路425公里的轨道交通系统投入运营，2007年10月北京地铁5号线正式开通，而且7个城市的轨道交通项目正在建设，建设项目总长度为400多公里。到2010年，我国计划新建城市轨道交通项目总长度将近1300公里，预计总投资约5000亿元 。为了提高城市轨道交通系统运营效率和运行安全，现代的列车控制系统正朝着自动化、智能化、系统化、网络化和信息化的方向发展，基于通信的列车控制(CBTC：Communication Based Train Contr01)技术(以下简称CBTC)是目前国际最先进的列车控制技术，它代表着当今世界范围内控制领域信号技术的发展趋势。随着近年来世界多个城市的CBTC线路的成功运行，CBTC系统已被证明可以有效地提高城市轨道交通的运输效率与安全性。一个完善的信号系统离不开数据库的支持，CBTC系统作为一个复杂的列车自动运行控制系统，需要一个为系统提供必须数据并进行数据库管理的数据库存储单元(DSU：Database Storage Unit)，它包含了CBTC系统中各子系统使用的所有数据库和配置文件。数据库存储单元是一个安全型设备，负责存储整个轨道线路的数据以及各种控制信息，它的可靠性以及安全性直接关系到CBTC系统中的列车运行效率以及行车安全，因此DSU的研究与开发在CBTC系统的设计中扮演着相当重要角色，良好的DSU设计对提高整个CBTC系统的性能以及安全性都具有十分重要的意义，整个CBTC系统的设计对DSU子系统的设计也提出了很高的要求。面对目前国内相关研究还比较贫乏的现状，本文对CBTC系统中数据库存储单元的设计进行了有益的探索和实践，对我国具有自主知识产权的CBTC技术的发展具有积极意义。二、 数据库技术发展现状（一）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20世纪60年代中期，根据数据模型的发展，可以划分为三个阶裂：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1969年IBM公司研制的层次模型的数据库管理系统IMS。以及70年代美国数据库系统语言协商CODASYL下属数据库任务组DBTG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。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)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。第三代数据库出现于上世纪80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阿络化、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。 （二）嵌入式数据库嵌入式数据库系统是指支持移动计算或某种特定计算模式的数据库管理系统，它通常与操作系统和具体的应用集成在一起，运行在嵌入式或移动设备上。嵌入式实时数据库技术涉及数据库、实时系统、分布式计算以及移动通信等多个学科，已成为数据库技术发展的一个新方向嵌入式数据库系统能够和嵌入式操作系统有机地结合在一起，为应用开发人员提供有效的本地数据管理手段，同时提供各种定制条件和方法。国外Sybase、Oracle和IBM已经为移动和嵌入式计算提出了业界领先的解决方案，国内也已经开发出了多个嵌入式数据库。这些嵌入式数据库系统一般对资源要求较低，占用内存空间较小，从几十K到几百K不等；并支持C语言API函数和标准SQL子集的开发接口，并提供了数据同步的功能。随着计算机技术和通信技术的发展，嵌入式数据库技术会在轨道交通、移动通信、工业控制等越来越多的领域得到应用。（三）实时数据库实时数据库(RTDB：Real Time DataBase)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。RTDB是数据库技术的一个发展分支，它最早出现在1988年3月的ACMSIGMOD Record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RTDB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HiPAC、Zip RTDBMS等系统。与此同时，国内对于RTDB的研究起步虽然稍晚，基本上是在上世纪80年代末、90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RTDB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、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深入的理论研究。进入二十一世纪以来，RTDB己经成为现代数据库研究的主要方向，Sang H13习相关数据库与实时操作系统内核相结合，研究了对实时数据库并发处理的灵活控制；Kang14对实际环境中RTDB的性能评估进行了试验与研究；Jisul5设计了以管理实时数据库性能的一个RTDB详细控制模型；Nero16使用有色Petri网对时数据库的周期处理与并发控制进行了分析和研究。目前，RTDB技术已经形成了一个系统体系，RTDB技术的研究也朝着系统化与多元化的方向不断前进。三、 系统需求以及设计问题的提出CBTC系统是一个具有很高实时性要求的嵌入式系统，传统的企业级数据库如Oracle、Sybase等在实时嵌入式环境下很难发挥作用，尤其在实时性要求很高的控制系统(如CBTC系统)中，传统数据库更显得无能为力，所以构建嵌入式实时数据库系统成为了嵌入式开发中必须解决的问题。在CBTC系统中，嵌入式实时数据库系统以高可靠性、高安全性、高实时性和高信息吞吐量为目标，对DSU的设计提出了很高的要求。DSU数据库即嵌入式实时数据库是嵌入式实时数据库系统(DSU)的基础和底层架构，需要针对选用的实时操作系统和嵌入式硬件平台设计合理的数据模型和物理结构。本文依托的CBTC项目采用VxWorks实时操作系统和安全计算机平台进行系统设计，因此DSU数据库的开发基于VxWorks实时操作系统和安全计算机平台，并要在此基础上能够满CBTC系统与各个子系统的功能和需求。CBTC系统是以移动闭塞模式控制列车运行的，列车在线路上行驶时，列车的位置不是分段(如轨道电路)的，而是连续的，说明线路数据是有序的，DSU数据库要能够对这种位置连续的轨道线路进行描述。列车在行驶过程中，车载控制器VOBC需要通过DSU数据库进行列车定位，而区域控制器ZC需要通过DSU数据库来完成列车移动授权(MA：Movement Authority)的计算，列车自动防护(ATP：AutomaticTrain Protection)功能也需要DSU数据库的支持基于上述系统功能与需求，本文以CBTC项目为背景，对DSU数据库的设计与构建进行研究，对DSU数据库的网络拓扑结构和关系模型进行了研究与实现，使DSU数据库适合CBTC系统的嵌入式环境，不仅能够很好地对线路进行描述，还能够满足系统以及各个子系统的功能需求，并为将来的DSU实时数据库管理系统的设计打下基础。四、 DSU数据库在CBTC系统中的作用CBTC系统作为一个先进的列车运行控制系统，需要一个统一数据库来实现整个系统的调度和统一，数据库存储单元DSU是其重要的组成部分。CBTC系统是具有很高的实时性要求的嵌入式系统，因此DSU是一种嵌入式实时数据库管理系统(RTDBS：Real-Time Database System)，DSU数据库是一种嵌入式实时数据库(RTDB：Real一Time Database)。数据库存储单元DSU位于CBTC数据通信系统的骨干网上，通过骨干网与其它子系统相连，图4-1是DSU在CBTC系统中的接口框图。它表明了DSU子系统与其它子系统的相互关系。其中，DSU与VOBC和ZC共同构成ATC系统(Automatic Train Control System)的安全控制部分。各个设备之间的通信是通过非安全的数据通信系统DCS来完成的数据库存储单元对整个信号系统的数据库进行管理，是CBTC系统的安全组成部分之一。图4-1 DSU在CBTC系统中的接口框图Figur 4-1 the interfaces of DSU in CBTC systemDSU存储着CBTC系统内所有子系统所使用的所有数据信息和配置文件，数据库包括静态数据库、动态数据库、配置数据库和兼容性数据库等。静态数据库是一个非常强大、灵活的数据库，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(轨道线路特征等信息)，也提供允许系统实现不同功能的系统构成(如防淹门的位置以及关闭区域)。动态数据库存储轨道线路上的各种l|缶时线路信息和控制信息，这些信息可以被ATS设置与修改。配置数据库包含各个子系统如ZC和VOBC以及系统中的各种信号设备的配置信息和变量参数，每个子系统都具有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。兼容性数据库包括了子系统使用的软件、接口和数据库版本之闻所有许可的兼容性，规定TCBTC系统中每个子系统的软件类型、软件特征，与其它系统的接口特征以及对应该子系统应用的数据库版本号。本文研究的具体对象为静态数据库、动态数据库和配置数据库。五、基于二叉树的CBTC数据库构建与搜索算法线路描述即线路网络拓扑结构的构建是DSU数据库设计的首要问题，是数据库整体构建的基础，根据CBTC系统中列车控制的特点以及城市轨道线路特征，本文运用图论知识和二叉树建立DSU数据库线路网络模型，利用数据结构相关知识研究线路数据存储结构，并结合图、二叉树相关算法探索DSU数据库的有效搜索算法。树型结构是一类非常重要的非线性数据结构，其中以树和二叉树最为常用。树是以分支关系定义的层次结构。树结构在客观世界中广泛存在，如人类社会的族谱和各种组织机构都可以用树来形象表示。树在计算机领域中也得到了广泛应用，如在编译程序中，可用树来表示源程序的语法结构。又如在数据库系统中，树形结构也是信息的重要组织形式之一。定义1树(tree)是无环连通无向图。树的结点包含一个数据元素及若干指向其子树的分支。结点拥有的子树数称为结点的度(degree)。度为0的结点称为叶子(1eaf)或终端结点。度数不为0的结点称为非终端结点或分支结点。定义2树也是n(nO)个结点的有限集。在任意一棵非空树中：(1)有且仅有一个特定的称为根(root)的结点；(2)当开I时，其余结点可分为m(mO)个不相交的有限集互，互，乏，其中每个集合本身又是一棵树，称为根的子树(subee)。定义3结点的子树的根称为该结点的孩子(child)，相应地该结点称为孩子的双(parent)。同一个双亲的孩子之间互称兄弟(sibling)。结点的祖先是从根到该结点所经分支上的所有结点，反之，以某结点为根的子树中的任一结点都称为该结点的子孙。定义4结点的层次(1evel)从根开始定义起，根为第一层，根的孩子为第二层。若菜结点在第z层，则其子树的根就在l+1层。树中结点的最大层数称为树的深度(depth)或高度。定义5森林(forest)是m(mo)棵互不相交的树的集合。对树中每个结点而言，其子树的树，否则称为无序树。二叉树(binary tree)21,231是另一种树型结构，它的特点是每个结点至多只有两棵子树(即二叉树中不存在度大于2的结点)，并且，二叉树的子树有左右之分，其次序不能任意颠倒。如图5-1所示。集合即为森林。定义6如果将树中结点的各子树看成从左至右是有次序的(即不能互换)，则称该树为有序图5-1 二叉树逻辑上二叉树有五种基本形态：空二叉树；只有一个根结点的二叉树；右子树为空的二叉树；左子树为空的二叉树；完全二叉树。满二叉树：在一棵二叉树中，如果所有分支结点都存在左子树和右子树，并且所有叶子结点都在同一层上，这样的二叉树称为满二叉树。完全二叉树：如果一棵深度为k，有n个结点的二叉树中各结点能够与深度为k的顺序编号的满二叉树从1到n标号的结点相对应的二叉树称为完全二叉树。二叉树结点问的拓扑关系在数据库中集中反映为二叉树的数据结构，二叉树一般有两种数据存储结构：（1）顺序存储结构用一组地址连续的存储单元依次自上而下、自左至右存储完全二叉树上的结点元素即将完全二叉树上编号为i的结点元素存储在如上定义的一维数组中下标为i-1的分量中。例如图5-2中(a)所示为图5-1中(a)所示完全二叉树的存储结构。对于一般二叉树，则应将其每个结点与完全二叉树上的结点相对照，存储在一维数组的相应分量中，图5-2中(b)所示的二叉树的顺序存储结构如图5-1中(b)所示，图中以“0”表示不存在的结点。由此可见，这种顺序存储结构仅适用于完全二叉树。图5-2 二叉树的顺序存储结构（2）链式存储结构由二叉树的定义可知，二叉树的结点由一个数据元素和分别指向其左、右子树的两个分支构成，则表示二叉树的链表中的结点至少包含3个域：数据域和左右指针域。有时为了便于找到结点的双亲，还可以在结点结构中增加一个指向其双亲结点的指针域。利用这两种结点结构所得的二叉树的存储结构分别称之为二叉链表和三叉链表。链表的头指针指向二叉树的根结点。六、结论世界范围内城市轨道交通事业的快速发展极大地促进了列车控制技术的创新与进步，CBTC技术是目前国际最先进的基于无线通信技术的列车控制技术。DSU作为CBTC系统的子系统之一，其性能直接影响到整个系统的安全性与可靠性，DSU的研究与设计对CBTC技术的发展具有十分重要的意义。本文使用图论中的二又树和动态图相关理论与方法，针对CBTC系统各种功能与需求，研究了DSU数据库的设计与构建的可行方法与优化方案，并结合CBTC项目实际情况，对DSU数据库进行了构建和实现，本文研究的主要工作与结论如下：（1）开创性地使用二叉树相关理论并结合城市轨道线路特点对DSU数据库网络拓扑进行了研究，构建了适合CBTC系统环境的数据库网络拓扑结构，较好地完成了CBTC系统的线路描述。（2）开创性地使用动态图相关理论与方法研究了DSU数据库中数据元素之间的关系模型与优化设计方法，使DSU数据库的概念结构设计能够较好地满足CBTC系统及其各子系统的功能与需求。DSU数据库设计是数据库存储单元DSU设计的基础，DSU设计与整个CBTC系统设计是密不可分的，本文作为对CBTC系统DSU设计的探索性研究，还有许多需要改进之处，DSU设计也还有许多工作需要深入研究。参考文献1王成，唐涛，CBTC仿真系统中数据库的设计与实现学位论文.北京.北京交通大学.20072周大鹏，唐涛.数据库存储单元在CBTC系统中的应用与研究学位论文.北京.北京交通大学.20073马新娜，樊金生，段淑凤等.嵌入式实时数据库系统的研究与设计J.微计算机信息（23）4