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基于通信的列车控制(Communication-Based Train Control,CBTC)是城市轨道交通使用最广泛的列车运行控制技术,通过大容量双向无线通信实现车地间的连续信息交互,保证列车安全高效地运行。CBTC的安全苛求特征使得以列车为代表的用户对无线通信系统所承载的安全苛求信息有着严苛的品质需求。然而,无线通信所固有的不稳定性,例如信道衰落所导致的传输质量下降以及随机性的网络攻击等,会对无线通信系统可信性造成影响,降低安全苛求信息的品质,使其无法满足列车安全高效运行的需求,进而降低CBTC系统的运行效率,甚至影响列车的安全运行。因此,提升CBTC无线通信系统的可信性,降低无线通信系统扰动对其可信性造成的影响,保障经过传输后的安全苛求信息品质可以满足用户的需求,是目前CBTC系统所面临的主要问题。本文以城市轨道交通中用户对安全苛求信息品质的完整性、时效性、真实性、可用性需求为基础,阐述了研究CBTC无线通信系统可信能力的必要性,分别从四个方面定义了CBTC无线通信系统可信性。之后利用信息新鲜度(Age of Information,Ao I)理论对无线通信系统可信性进行了量化分析,描述了不同扰动对CBTC无线通信系统可信性带来的影响。之后,本文基于对城市轨道交通无线通信的特点分析,以长期演进-车联网(Long Term Evolution-Vehicle to Everything,LTE-V2X)技术为基础,建立了基于长期演进-车车通信(Long Term Evolution-Train to Train,LTE-T2T)的列车中心CBTC无线通信系统。为了进一步对CBTC无线通信系统可信性进行优化,本文提出了适用的资源分配与安全检测方案,利用机器学习算法计算最优的系统行为策略,提高了CBTC无线通信系统可信性。最后,本文基于网络控制系统(Network Control System,NCS)建立CBTC列车控制模型,量化无线通信系统可信性扰动对CBTC系统中列车运行的影响,在对CBTC无线通信系统可信性优化的基础上,进一步保障了数据信息的可用性,提升了CBTC系统的整体性能。本文的主要创新点如下:1.根据系统可信性的基本概念,从可信性属性、阻碍、保障手段三个方面分析了工程计算领域系统可信性的理论框架,描述了系统可信性与可信通信的研究现状。基于CBTC系统中安全苛求信息的特点与用户对安全苛求信息的可信品质需求,从完整性、时效性、信息安全、系统安全四个方面对CBTC无线通信系统可信性理论架构进行了定义与分析。利用Ao I理论对CBTC无线通信系统的可信性进行了量化,将整体Ao I、均值Ao I、峰值Ao I作为量化的系统可信性指标,分析了CBTC无线通信系统性扰动对其可信性造成的影响。2.从城市轨道交通无线通信的特点入手,基于LTE-V2X理论,建立了基于LTE-T2T的列车中心CBTC无线通信系统模型。以优化CBTC无线通信系统完整性与时效性为目的,提出了分布式半持续资源分配策略,提高了数据信息传输的效率与稳定性。将量化可信性中的Ao I指标作为优化目标,使用Q-learning算法对LTE-T2T系统中的资源选择策略与资源预留策略进行优化计算。仿真结果表明,本文提出的基于分布式半持续资源分配策略的LTE-T2T系统可以有效地提高CBTC无线通信系统的可信性,保障了用户对数据信息的完整性与时效性需求。3.针对CBTC无线通信系统中Sybil攻击带来的威胁,提出了本地安全认证方案与协作式安全检测方案,对CBTC无线通信系统的信息安全性能进行改善与提升。论文通过本地安全认证方案,提高了列车在建立无线通信链路时的安全性,通过协作式安全检测方案,利用轨旁基站的辅助与三阶段检测,最大程度保护列车免受Sybil节点的攻击。利用A3C异步强化学习算法,对列车的安全检测决策与链路选择进行优化,降低安全检测的误激活率,提高检测的成功率。仿真结果表明,本文提出的协作式安全检测方案可以有效地对Sybil攻击进行检测与防御,优化了CBTC无线通信系统可信性,保障了用户对数据信息的真实性需求。4.针对无线通信系统可信性扰动对CBTC系统带来的影响,使用NCS方法建立考虑无线通信系统可信性的CBTC列车控制模型,量化了无线通信系统可信性扰动对CBTC系统中列车运行的影响。使用机器学习算法,设计以CBTC系统列车控制收益与无线通信系统可信性扰动误差为对象的综合收益函数,通过计算适用的通信策略、安全检测策略、链路选择策略,优化联合目标函数,降低了无线通信系统可信性扰动对CBTC系统的影响。最终的系统仿真结果表明,经过对适用行为策略的选择与无线通信系统可信性的优化,可以降低无线通信系统扰动对CBTC系统产生的影响,提高CBTC系统的整体性能。