Petards Rail Technology

Réseaux résilients pour les applications critiques en matière de sécurité dans l'industrie ferroviaire

Les systèmes critiques pour la sécurité utilisés dans l'industrie ferroviaire nécessitent une approche contrôlée et systématique de la conception et du développement, associée à des mises en œuvre matérielles et logicielles extrêmement résistantes et fiables, ainsi qu'à des essais rigoureux. Ensemble, ces éléments forment la base d'un système robuste qui fonctionne comme prévu, les modes de défaillance et leurs effets étant analysés et les risques qui en résultent étant aussi faibles que raisonnablement possible.

Le domaine ferroviaire n'est pas le seul à être un environnement difficile dans lequel des systèmes complexes et une électronique robuste sont nécessaires, mais il y a des facteurs clés qui le distinguent de l'aviation ou de la marine, par exemple, qui ont toutes deux leurs propres défis à relever. Par exemple, les réseaux de communication de données pour les applications ferroviaires embarquées sont confrontés à une topologie changeant de façon dynamique, car les wagons et les unités supplémentaires sont connectés et déconnectés au train, souvent dans n'importe quelle orientation. En outre, le réseau doit assurer une grande disponibilité du système, en faisant face potentiellement à de multiples scénarios de défaillance simultanée. Tout système dont la sécurité d'exploitation est critique exige un niveau de disponibilité du réseau extrêmement élevé. Étant donné qu'aujourd'hui, les systèmes se composent de nombreux dispositifs Power over Ethernet (PoE) distribués qui nécessitent une alimentation électrique ininterrompue ainsi qu'une connectivité réseau continue, il est de plus en plus nécessaire que les dispositifs réseau fonctionnent de manière fiable et continue.

Le matériel roulant britannique peut être équipé des systèmes et des réseaux les plus récents.

Application
En 2016, Westermo a commencé le processus de conception avec Petards Rail Technology d'un réseau de communication de données résilient et redondant comme épine dorsale d'un système d'exploitation contrôlé par le conducteur (DCO) embarqué, composé de sous-systèmes d'exploitation sélective automatique des portes (ASDO) et de caméra/moniteur dans le train (OTCM). Le système DCO en question est complexe et, plutôt que d'utiliser une infrastructure externe telle que des étiquettes RFID au sol, il s'appuie sur le positionnement du système mondial de navigation par satellite (GNSS) et sur l'odométrie des roues pour la précision du positionnement au niveau de la station. L'OTCM et l'ASDO sont tous deux des systèmes critiques pour la sécurité et le réseau de données a donc été développé en conformité avec la norme EN50128 et avec un niveau d'intégrité de sécurité (SIL) 2. Les exigences du réseau pour le système OTCM ont présenté plusieurs défis techniques, le principal étant la nécessité d'étendre la connectivité à toute orientation d'unité de 2/3 voitures, jusqu'à la composition maximale de 12 voitures. En outre, le client a spécifié une connexion inter-unités à double redondance, composée de communications Ethernet câblées et sans fil.

Pour répondre à ces exigences de l'application, nous avons utilisé les passerelles Ethernet Westermo DDW-002 pour établir une connexion câblée via l'auto-coupleur et les passerelles sans fil Westermo Ibex-RT-320 5GHz pour la liaison sans fil entre véhicules (ICL).

Solution Westermo pour une application de DCO (Driver-Controlled Operation).

En utilisant à la fois une connexion Ethernet sur courant porteur (EoP) à travers un coupleur et une connexion ICL de 5 GHz pour la connexion entre les unités, nous avons fait en sorte que la connectivité entre les unités soit disponible presque immédiatement après le couplage. C'était important en termes de disponibilité du système DCO, surtout si les unités étaient couplées/découplées pendant le service aux passagers.

Lorsque le couplage a lieu, le pont Ethernet câblé se connecte en premier et fournit le réseau primaire. Dans le même temps, la passerelle ICL sans fil commence à négocier et lorsqu'elle termine la connexion, elle devient le réseau primaire. La connexion câblée devient alors le lien redondant avec les ports pertinents bloqués par un commutateur Ethernet géré par Westermo Viper, ce qui annule une boucle de réseau et la tempête de données qui en résulte.

Le pont sans fil Westermo Ibex-RT-320 intègre une fonctionnalité de détection et d'évitement des radars, connue sous le nom de "sélection dynamique des fréquences" (DFS), qui permet d'utiliser des fréquences limitées de 5 GHz couramment utilisées par les systèmes radar. L'utilisation de la DFS permet d'utiliser des fréquences sous-utilisées (U-NNI-2 et U-NNI-2e) et d'augmenter le nombre de canaux disponibles. Cela permet de garantir que le canal de communication sans fil entre les trains connectés reste connecté dans un environnement électromagnétique non encombré, assurant en fin de compte une communication train-train résiliente.

 Canaux Wifi 5GHz et fréquences associées

Redondance de couche 2
L'un des aspects les plus intéressants et les plus difficiles de la conception du réseau était l'utilisation de protocoles de redondance de la couche 2, tels que la reconfiguration rapide de la topologie du réseau (FRNT) et le protocole RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol). Ces protocoles améliorent la résilience du réseau et permettent une plus grande disponibilité du système OTCM/ASDO. Dans le cas peu probable d'une défaillance d'un lien ou d'un commutateur, le FRNT reconfigure le réseau en 20 ms, pour garantir des communications presque instantanées. Lors de la reprise, le réseau se rétablit automatiquement, ce qui permet à nouveau des coupures très brèves et une continuité de service.

Le protocole de réseau RSTP est utilisé dans la double connexion redondante entre les unités et garantit que les connexions câblées et sans fil entre les unités couplées sont sans boucle, quelle que soit l'orientation. Le RSTP est un protocole basé sur les coûts où différents "coûts de chemin" sont calculés et où le chemin le moins cher (bande passante la plus élevée) est attribué de préférence, permettant au système d'exploitation Westermo (WeOS) de fournir la connexion inter-unités la plus rapide disponible.

Une fiabilité et une disponibilité élevées du réseau sont essentielles lors de la spécification et de la conception d'un système de sécurité critique devant être exploité dans un environnement difficile, et un réseau résilient est essentiel pour y parvenir. Une approche systémique du développement du réseau nous a permis d'analyser le cycle de vie complet du système et toutes les relations de réseau, tant physiques que fonctionnelles. En conséquence, le réseau fonctionne comme prévu et fournira une connectivité résiliente et fiable pendant de nombreuses années de fonctionnement du système DCO.

Vue du conducteur sur la mise en œuvre préliminaire de l'IHM du système DCO.

Westermo comprend les défis auxquels sont confrontés les réseaux de communication de données installés dans des environnements ferroviaires difficiles et propose une gamme de produits spécifiques aux applications ferroviaires embarquées qui répondent aux besoins des systèmes de sécurité les plus critiques. Notre vaste gamme d'équipements réseau conformes à la norme EN50155 peut être utilisée pour créer des solutions résilientes pour de nombreuses applications embarquées différentes.