DSU数据库存储单元在CBTC系统中的方案

1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2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................................................................4六、结论..................................................................................................................................63DSU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1一、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：CommunicationBasedTrainContr01)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：DatabaseStorageUnit)，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。2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：RealTimeDataBase)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ACMSIGMODRecord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、ZipRTDBMS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，SangH[13]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；Kang[14]对实际环境中RTDB的性能评估进行了试验与研究；Jisu[l5]设计了以管理实时数据库性能的一个RTDB详细控制模型；Nero[16]使用有色Petri网对时数据库的周期处理与并发控制3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：MovementAuthority)的计算，列车自动防护(ATP：AutomaticTrainProtection)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(R