TSN - Hướng tới mạng lưới đường sắt an toàn hơn

 

Theo truyền thống, trong ngành đường sắt, việc triển khai các đoàn tàu với nhiều mạng truyền thông là khá phổ biến; một mạng dành riêng cho điều khiển tàu, một mạng cho tín hiệu đường sắt, một mạng khác cho hệ thống an ninh video và thông tin hành khách, và thường là một mạng bổ sung cho truy cập Wi-Fi của hành khách. Các mạng truyền thông này chủ yếu sử dụng các giao diện cũ như MVB, CAN và PROFIBUS, có giới hạn băng thông và yêu cầu một cổng kết nối nếu kết hợp. Mặt khác, các mạng này được phân đoạn vật lý và tách biệt rõ ràng các chức năng an toàn và không an toàn. Tuy nhiên, các giải pháp này làm tăng độ phức tạp và chi phí của kiến ​​trúc hệ thống điều khiển và giám sát tàu, và cuối cùng là chi phí vòng đời của tàu.

Với mục tiêu đầy tham vọng là hội tụ nhiều mạng lưới đường sắt này và cắt giảm chi phí sản xuất và bảo trì tàu hỏa, các dự án CONNECTA-2 và Safe4RAIL-2 đã giới thiệu khái niệm Drive-by-Data, một phương pháp truyền tải kỹ thuật số tất cả các tham số điều khiển của các hệ thống con điều khiển và giám sát tàu hỏa (TCMS) qua mạng điện tử. Để đạt được mục tiêu đó, cả hai liên minh đã và đang nỗ lực định nghĩa và phát triển Mạng lưới Truyền thông Tàu hỏa Thế hệ Tiếp theo (NG-TCN) dựa trên tiêu chuẩn IEC 61375 nhằm đạt được khả năng tương tác thực sự giữa các đoàn tàu của các nhà sản xuất khác nhau. Định nghĩa mới này bao gồm thiết kế được cải tiến cho cấu trúc liên kết mạng lưới tàu hỏa, triển khai quy trình khai trương mạng lưới an toàn mới, nâng cao mức độ an toàn truyền thông lên đến SIL4 và giới thiệu công nghệ Mạng lưới Nhạy cảm Thời gian (TSN). Những cải tiến này đã được tích hợp vào các thiết bị NG-TCN, như được mô tả trong các phần tiếp theo.

Mạng lưới thông tin liên lạc đường sắt thế hệ tiếp theo (NG-TCN) giúp tăng cường an toàn.

a) Cấu trúc mạng lưới đường sắt mới

Cấu trúc mạng đường sắt mới bao gồm hai đường truyền dữ liệu Ethernet Train Backbone (ETB) độc lập để tạo ra các kênh liên lạc dự phòng cho cả dữ liệu quan trọng và không quan trọng thông qua cấu hình lại VLAN động.

b) Khai trương chuyến tàu an toàn

Quy trình vận hành tàu an toàn đạt chuẩn SIL4 cho phép thực hiện quy trình ghép nối và tách rời tàu một cách mạnh mẽ. Cơ chế được cải tiến này sử dụng giao tiếp Ethernet tiêu chuẩn để áp dụng các chức năng an toàn cho tàu dựa trên các tham số từ quy trình vận hành tàu, chẳng hạn như hướng của tàu, đoàn tàu và toa xe.

c) Kênh liên lạc an toàn

Kênh liên lạc an toàn tận dụng giao thức SDTv4 để hỗ trợ các chức năng an toàn lên đến SIL4 và đảm bảo môi trường an toàn cho việc trao đổi thông tin điểm-đến-điểm giữa các thiết bị đầu cuối trong toàn bộ hệ thống.

d) Mạng nhạy cảm về thời gian

Công nghệ TSN xác định các khung thời gian để trao đổi dữ liệu quan trọng về an toàn và ngăn chặn việc truyền tải dữ liệu không quan trọng về an toàn qua mạng trong những khoảng thời gian này.

 

Khả năng tương tác giữa các thiết bị NG-TCN

Việc phát triển các thiết bị NG-TCN, bao gồm công nghệ TSN, là một bước đột phá trong ngành. Moxa, cùng với các đối tác khác của liên minh Safe4RAIL-2, đã phát triển thành công các thiết bị NG-TCN, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong việc tạo ra các mạng lưới đường sắt an toàn hơn. Đặc biệt, việc tích hợp công nghệ TSN vào các thiết bị của Moxa và quá trình xác thực khả năng tương thích sau đó đã góp phần đáng kể vào việc đạt được các mục tiêu chính của dự án Safe4RAIL-2, đó là hợp nhất các mạng lưới đường sắt và giảm chi phí vận hành đường sắt nói chung. Những điểm nổi bật của công nghệ TSN như sau:

a) Đồng bộ hóa đồng hồ dự phòng

Việc đồng bộ hóa đồng hồ dự phòng theo định nghĩa trong IEEE 802.1AS-rev cho phép các thiết bị TSN chia sẻ một đồng hồ thời gian thực chung trên toàn mạng và giữa nhiều miền khác nhau.

b) Truyền dữ liệu xác định

Việc lập lịch truyền tải dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.1Qbv đảm bảo lưu lượng dữ liệu quan trọng được truyền đi theo các khoảng thời gian cố định và có thể dự đoán được.

c) Lưu lượng truy cập quan trọng dự phòng

Việc sao chép và loại bỏ khung cho phép truyền tải lưu lượng quan trọng dư thừa giữa các ECN trên cả hai đường truyền ETB theo tiêu chuẩn IEEE 802.1CB.

Nhìn chung, NG-TCN giảm số lượng thiết bị và cáp trong khi tăng cường độ an toàn và độ tin cậy tổng thể của mạng lưới đường sắt. Ngoài ra, nó cho phép truyền tải dữ liệu quan trọng về an toàn một cách đáng tin cậy thông qua công nghệ TSN và dữ liệu không quan trọng thông qua các giao thức Ethernet thông thường. Moxa, cùng với các đối tác trong liên minh, đã thực hiện thử nghiệm khả năng tương tác nghiêm ngặt để xác minh rằng các yêu cầu mới được định nghĩa đúng đắn cho việc mở rộng tiêu chuẩn IEC 61375 trong tương lai. Việc phát triển và tích hợp các công nghệ này là một bước tiến lớn hướng tới hiện thực hóa thế hệ tiếp theo của mạng lưới truyền thông đường sắt và đạt được khả năng tương tác hoàn toàn giữa các nhà sản xuất tàu hỏa.