Petards Rail Technology

Robusta nätverk för säkerhetskritiska applikationer inom järnvägsindustrin

Säkerhetskritiska system som används inom järnvägsindustrin kräver kontrollerade och systematiska processer för design och utveckling, i kombination med extremt pålitliga hårdvaru- och programvaruimplementeringar samt noggranna tester. Tillsammans utgör dessa grunden för ett robust system med hög tillgänglighet och där eventuella felscenarier kan analyseras så att riskerna blir så låga som möjligt in den händelse något fel skulle uppstå.

Järnvägsmiljön är krävande. Komplexa system och en robust elektronik krävs, men det finns viktiga faktorer som skiljer den från tex. luftfarten eller marina miljöer. En utmaning är t.ex. datakommunikationsnätverken ombord på tågfordon med en dynamiskt förändrad topologi eftersom järnvägsvagnar och andra enheter ansluts och kopplas bort och t.om. ibland ändrar färdriktning. Dessutom måste nätverket säkerställa hög systemtillgänglighet och hantera potentiellt multipla felscenarier.

I alla driftsäkerhetskritiska system krävs extremt hög nätverkstillgänglighet. Idag består systemen tex. av många distribuerade Power-over-Ethernet (PoE)-enheter som kräver en oavbruten strömförsörjning samt kontinuerlig nätverksanslutning. Kraven på att nätverksenheterna ska fungera pålitligt och utan avbrott ökar ständigt av både tågoperatörer och passagerare.

Applikation

2016 startade Westermo ett samarbete  med Petards Rail Technology i Storbritannien för att få fram ett flexibelt och redundant datakommunikationsnätverk ombord på tåg. Detta nätverk utgör stommen för ett förarkontrollerat system (DCO) bestående av automatisk selektiv dörrstyrning (ASDO) och ombord-kameror för ett övervakningssystem (OTCM). DCO-systemen är komplexa och beroende av ett globalt navigationssatellitsystem (GNSS) för positionering och odometri för positioneringsnoggrannhet, istället för att använda extern infrastruktur som spårförlagda RFID-taggar. OTCM och ASDO är båda säkerhetskritiska system. Det nya nätverket utvecklades i överensstämmelse med EN 50128 och med en säkerhetsintegritetsnivå (SIL) 2-klassning.

Nätverkskraven för DCO-systemet bestod av flera tekniska utmaningar, främst behovet av anslutning för att uppnå valfri två- eller trevagnskonfiguration och upp till maximalt 12 vagnar för ett tågset. Dessutom krävdes en lösning som bestod av både trådbundet Ethernet och trådlös kommunikation med en dubbel redundant anslutning.

För att uppfylla dessa applikationskrav använde Westermo våra DDW-002 Ethernet-broar för att skapa en trådanslutning via tågkopplen och våra Ibex-RT-320 5GHz trådlösa länkar mellan vagnarna (ICL).

Genom att använda både en vagnskopplad Ethernet-over-Powerline (EoP)-anslutning och en 5 GHz ICL för anslutningen mellan vagnarna så säkerställde vi att anslutningarna mellan vagnarna skulle vara tillgängliga nästan omedelbart efter koppling. Detta var väldigt viktigt när det gällde tillgänglighet för DCO-system, särskilt om vagnarna kopplades/frånkopplades medan de var i trafik.

När kopplingen sker ansluts den trådbundna Ethernet länken först och tillhandahåller det primära nätverket. Samtidigt börjar den trådlösa ICL:en att etableras. När den är klar blir den anslutningen det primära nätverket. Den trådbundna anslutningen blir därefter den redundanta länken och relevanta portar för den trådbudna anslutning blockeras vilket stoppar bildandet av en nätverksslinga och resulterande datastorm.

Vår Ibex-RT-320 trådlösa brygga innehåller radardetektering- och frekvensblockering, s.k. ”dynamiskt frekvensval” (DFS), vilket möjliggör användning av begränsade 5 GHz-frekvenser som vanligtvis används av radarsystem. Att använda DFS tillåter användning av underutnyttjade frekvenser (U-NNI-2 och U-NNI-2e) och ökar antalet tillgängliga kanaler. Detta säkerställer att den trådlösa kommunikationskanalen mellan anslutna vagnar förblir ansluten i en störande elektromagnetisk miljö, vilket i slutändan säkerställer pålitlig tågtågskommunikation.

Lager 2-redundans

En av de mest intressanta och utmanande aspekterna av nätverksdesignen var användningen av Lager 2-redundansprotokoll, såsom snabb omkonfigurering av nätverkstopologi (FRNT) och RSTP (Rapid Spaning Tree Protocol). Dessa förbättrar nätets motståndskraft och stöder större OTCM/ASDO-systemtillgänglighet. Under den osannolika händelsen av antingen ett länk- eller ett switchfel, konfigurerar vårt egentutvecklade FRNT-protokoll nätverket inom 20 ms för att säkerställa nästan omedelbar återhämtning av kommunikation. Vid återhämtning kommer nätverket att självläka, vilket ger mycket korta avbrott och kontinuitet i tjänsten.

RSTP-nätverksprotokollet används i den dubbla redundanta anslutningen mellan enheter och säkerställer att de trådbundna och trådlösa anslutningarna mellan de kopplade vagnarna är slingfria, oavsett orientering.

Hög nätverkssäkerhet och tillgänglighet är ytterst viktiga när man specificerar och utformar ett säkerhetskritiskt system som ska drivas i en tuff miljö. Ett pålitligt nätverk är centralt för att förverkliga detta. En systemstrategi för utvecklingen av nätverket säkerställde att vi analyserade systemets hela livscykel och alla nätverksrelationer, både fysiska och funktionella. Som ett resultat fungerar nätverket som designat och kommer att ge flexibel och pålitlig anslutning under många års DCO-systemdrift.

Westermo förstår utmaningarna för datakommunikationsnätverk installerade i tuffa järnvägsmiljöer och erbjuder en rad produkter specifika för inbyggda järnvägstillämpningar som uppfyller behoven hos de mest kritiska säkerhetssystemen.

Vårt omfattande utbud av EN 50155-kompatibla nätverksenheter kan användas för att skapa flexibla lösningar för många olika applikationer ombord. Kontakta oss gärna om du vill diskutera hur vi kan hjälpa till att leverera ett flexiblet och pålitligt nätverk för ditt tågnätverk.