Design of the Train Control for Land-Based Railway Cyber Range

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Summary

A land-based railway cyber range implements a simplified train control system for cybersecurity training and simulation. It features ten autonomous trains, each equipped with onboard PLCs and RTUs, capable of self-navigation, station docking, and interaction with trackside signaling. The system integrates four subsystems for power, autopilot, driving control, and operational reporting, communicating over a modular network architecture with distinct subnets and protocols like Modbus-TCP and Siemens S7Comm. Collision avoidance is managed by a dual-layered system combining radar-driven PLC logic and manual override capabilities. Multiple user interfaces, including a driver console and a central HQ monitoring HMI, facilitate control and observation for both normal operations and cyber exercises.

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在現代鐵路系統中，列車控制涉及自動化、信號和通訊技術的複雜整合。本文介紹了一個簡化的列車控制系統的設計，該系統實施在我為網路安全演習、培訓和模擬而開發的陸基鐵路網路靶場中。

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# Author:      Yuancheng Liu
# Created:     2025/06/29
# Version:     v_0.0.2
# Copyright:   Copyright (c) 2025 Liu Yuancheng

簡介

模擬列車系統旨在提供一個功能性的、互動式的子系統模型，該模型在三條獨立的軌道上運行十列自主的750V-DC列車。每列列車都配備了車載可程式邏輯控制器 (PLC) 和遠端終端單元 (RTU)，使其能夠自主地與軌旁信號系統互動。這些列車能夠導航交叉點和岔道、停靠在車站以及自動離開，模擬真實世界運營的關鍵行為。為了支援網路物理攻擊和防禦場景，該模擬還包括真實的控制邏輯、通訊協定和監控介面。

本文分為四個主要部分：

  • 列車模擬系統概述 – 描述網路靶場內列車模擬的概述和架構。

  • 模擬列車的系統設計 – 詳細介紹列車的自動控制電路設計、PLC/RTU 控制順序、列車碰撞安全控制工作流程以及信號互動邏輯。

  • 網路和通訊配置 – 說明模擬列車如何透過車載內部網路和鐵路 SCADA 網路與信號系統和總部控制中心通訊。

  • 列車控制介面 – 介紹使用者介面，包括車載駕駛員控制台和總部控制中心列車監控 HMI 系統。

此設計也可用作網路靶場演習中的基礎組件，使紅隊和藍隊能夠探索鐵路控制環境中的漏洞和防禦機制。

Important: The actual train control systems are highly sophisticated and governed by strict safety standards, the implementation described in this article offers a simplified conceptual model tailored for educational and training purposes in a controlled cyber range environment.

列車模擬系統概述

列車模擬系統是陸基鐵路網路靶場的核心組件之一。它代表了列車在簡化和受控環境中的物理世界運行，專為網路安全培訓和系統行為分析而設計。在此模擬中，十列自主列車被視覺化為 5 到 7 個矩形的序列（基於使用者配置的列車長度），以每秒 0 到 20 像素的速度（近似視覺模擬速度）沿三條軌道移動。列車在物理世界模擬器螢幕截圖上突出顯示，如下所示：

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Figure-01: Trains in physical world simulator, version v_0.0.2 (2025)

每列列車都是一個獨立的單元，與其環境互動——包括軌道信號、電力系統和感測器——同時透過以下兩個主要介面進行監控和控制，如下所示：

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Figure-02: Trains control interface, version v_0.0.2 (2025)

  • 車載駕駛員控制台（本地列車駕駛員監控器和手動控制 HMI）

  • 總部列車監控 HMI（總部控制中心的中央監控介面）

每列模擬列車的主要特點

每列列車將與物理世界模擬器中的其他組件互動，具有以下主要特點：

  • 第三軌道供電互動：每列列車都依賴於模擬第三軌道供電系統的可用電力。如果第三軌道供電中斷，列車將轉換為無動力、靜止狀態。

  • 感測器和信號回應：列車將與軌道上的列車檢測感測器互動，當列車通過感測器位置時，它將觸發感測器。列車能夠檢測軌道信號並對其做出反應。如果前方信號指示「封鎖」狀態，列車將自動降低速度並在信號前停止。

  • 動態參數生成：每列列車持續生成遙測數據，包括：速度（公里/小時）、馬達輸入電流（安培）、馬達電壓（伏特）、馬達 RPM、在區塊區域中的位置、油門和煞車狀態。

  • 內部控制網路：每列列車都託管一個車載 OT 控制網路，整合一個 PLC 來控制列車，它還有一個 RTU 來遠端連接到鐵路 SCADA 網路。這允許本地（駕駛員）和遠端（總部）控制。

模擬列車的運行狀態

如下圖所示，每列列車根據其電力狀態、控制輸入和環境條件，轉換為四種運行情境：

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Figure-03: Trains four operational scenarios, version v_0.0.2 (2025)

運行情境 視覺指示器 情境描述
情境 1 🔴 紅色 + 灰色閃爍 電源關閉：列車未供電。速度 = 0 公里/小時，電流 = 0 安培。當第三軌道電源中斷或駕駛員關閉列車電源輸入斷路器時發生。
情境 2 🟠 橙色 低速/煞車狀態：列車已供電，但移動緩慢或停止（0–20 公里/小時）。電流消耗在 10–20 安培之間。通常在車站停靠或在紅燈前煞車時看到。
情境 3 🟢 綠色 運行狀態：列車完全運行並在運輸中，以 56–90 公里/小時的速度移動。電流消耗很高（140–180 安培），煞車已關閉，油門已啟動。
情境 4 🔴 紅色 + ⚠️ 警示圖示 緊急/故障狀態：由故障、系統錯誤或事故模擬觸發。電源被切斷，列車立即停止（0 公里/小時，0 安培），並發出警示狀態。

這些運行狀態有助於複製對故障、信號變化或網路引起的干擾的真實行為，從而提供一個全面的平台，用於評估鐵路系統中的安全機制和網路安全彈性。

模擬列車的系統設計

陸基鐵路網路靶場中的模擬列車被構建為一個模組化系統，包含四個相互連接的子系統。每個子系統都映射到物理世界的行為，並實現虛擬環境和控制邏輯之間的網路物理互動。四個列車子系統包括：

  • 列車電源供應控制子系統

  • 列車自動駕駛控制子系統

  • 列車駕駛控制子系統

  • 列車運行資訊報告子系統

該設計不僅支援自主運行，還支援手動控制、監控以及與鐵路 SCADA 網路的通訊。整體系統結構如下圖所示：

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Figure-04: System Design of the Simulated Train System, version v_0.0.2 (2025)

1. 列車電源供應控制子系統

該子系統模擬了城市軌道系統中使用的第三軌道電氣化軌道基礎設施（如圖頂部所示）。每個軌道區塊透過第三軌道段向列車提供 750V DC 電壓，由第三軌道側 PLC 和總部控制。列車要接收電力，必須滿足兩個條件：

  • 第三軌道區塊輸入斷路器（軌道側）必須開啟

  • 列車的車載電源斷路器也必須開啟

這些雙斷路器安全控制反映了真實世界的冗餘，並支援緊急斷電功能。

主要組件：

  • 鐵路第三軌道電源 (750V DC)：模擬第三軌道，提供牽引直流電源。

  • 第三軌道區塊電源控制斷路器：由 SCADA 整合的 PLC 控制，這些斷路器將電力從軌道供應到列車-第三軌道電源連接鏈路。

  • 列車-第三軌道電源：列車和第三軌道電氣化軌道之間的鏈路，用於將電力傳輸到列車。

  • 列車輸入電源控制斷路器：列車上的本地斷路器，由緊急停止按鈕或駕駛員控制台操作。

  • 第三軌道區塊電源控制 PLC：透過 Modbus-TCP 從總部列車運行 HMI 控制。

關於第三軌供電的技術細節，請參考此連結：https://www.railway-technology.com/features/overhead-lines-vs-third-rail-how-does-rail-electrification-work/?cf-view&cf-closed。

2. 列車自動駕駛控制子系統

此子系統可實現自動操作，例如煞車、加速和回應軌道訊號。兩個主要的車載感測器引導此行為：

  • 列車前方的軌道訊號狀態接收器會偵測即將到來的軌道訊號（例如，軌道區塊「停止」或「清除」）。

  • 前方雷達會監控前方的安全距離，以防止碰撞。

這些感測器輸入由列車上的 PLC 處理，該 PLC 使用階梯邏輯來自動控制馬達和煞車行為。

主要元件：

  • 列車前方訊號狀態接收器：偵測前方最近的訊號，並將狀態傳輸到 PLC。

  • 列車前方雷達：掃描列車前方的區域，以檢查安全距離範圍內是否存在障礙物或其他列車。

  • 列車駕駛控制 PLC：連接到列車馬達和煞車，根據感測器輸入執行邏輯以進行煞車或加速。

典型行為包括：

  • 訊號「紅色」/「封鎖」→ 煞車啟動，馬達關閉

  • 訊號「綠色」/「清除」→ 煞車釋放，馬達啟動

  • 雷達偵測到附近的列車 → 啟動煞車以避免碰撞

3. 列車駕駛控制子系統

此子系統模擬運動、煞車和效能監控的物理機制。它包括模擬的致動器（馬達和氣壓煞車）和感測器（速度、電流、電壓、壓力），它們協同工作以表示列車的動態狀態。

可透過車載駕駛員控制台進行手動覆寫，允許操作員關閉自動駕駛並使用油門、煞車和其他控制裝置來進行控制。

主要元件：

  • 列車駕駛直流馬達和氣壓煞車：執行列車的物理運動和煞車。

  • 列車速度和馬達 RPM 計：監控即時速度和馬達 RPM 效能。

  • 電流和電壓表：測量來自第三軌的電力（電流和電壓）輸入。

  • 氣壓煞車壓力計：測量氣壓煞車壓力 (PSI) 以進行煞車控制。

  • 列車駕駛控制 PLC：管理致動器和安全輸入的中央邏輯控制器。

  • 車載 RTU：收集感測器資料並將其報告給控制台和 SCADA 系統。

  • 列車駕駛員控制台 (HMI)：用於手動列車操作的介面，包括油門/煞車控制、車門操作和狀態監控。

4. 列車操作資訊報告子系統

為了維持集中式的情境監控，每輛列車都會透過無線 SCADA 連結即時向總部控制中心報告其操作狀態。這模擬了 5G 或無線電通訊網路，並使用 Siemens-S7Comm/IEC104 協定將資料從列車的 RTU 傳輸到總部的列車監控 HMI。

主要元件：

  • 車載 RTU：收集感測器資料並透過通訊連結傳送。

  • 車載天線：模擬從列車連結到鐵路 SCADA 網路的無線電天線。

  • 鐵路列車通訊天線：接收列車遙測並整合到鐵路 SCADA 網路中的網路端點。

  • 總部列車監控 HMI：總部控制中心中的中央儀表板 HMI，顯示所有列車狀態、警報和狀態，以進行監督控制。

此報告迴圈確保總部可以監控 lvl3 OT 網路中所有列車的速度、電力狀態、煞車壓力、訊號合規性和緊急情況。

網路和通訊配置

模擬的鐵路列車控制系統建立在模組化通訊架構上，該架構由三個主要的網路子網路和五個功能性通訊匯流排組成。此網路環境支援跨多個元件（包括模擬的 PLC、RTU、駕駛員控制台和總部監控 HMI）的控制和監控。

為了模擬真實的工業 OT 行為，同時啟用網路安全培訓，模擬將功能劃分為隔離的邏輯區域，同時也將網路的選擇性部分暴露給紅/藍隊互動。

系統中的資料流遵循以下順序：

物理世界模擬器 → PLC/RTU 模擬 → HMI 介面（駕駛員控制台 / 總部列車監控器 HMI）

下圖說明了完整的通訊結構和元件關係：

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圖 05：列車控制系統網路圖，版本 v_0.0.2 (2025)

分散式網路能夠精確地模擬鐵路控制和通訊行為，同時允許網路防禦者（藍隊）和攻擊者（紅隊）在安全、受控的模擬環境中訓練和測試他們的技能。

三個網路子網路

網路拓撲由以下三個子網路組成：

電氣訊號模擬子網路

  • 功能：模擬物理世界元件（馬達、感測器、斷路器）和所有 lvl1 OT 控制器裝置之間的訊號交換。

  • 裝置和通訊匯流排：鐵路物理世界模擬器、第三軌供電控制 PLC (PLC-06, PLC-07)、車載操作 PLC (PLC-11, PLC-12)、車載 RTU (RTU00–RTU09)、電氣訊號通訊匯流排。

  • IP 範圍：10.0.10.X

車載本機 SCADA 網路

  • 功能：在列車 1 級 OT 控制器和 2 級列車駕駛員控制台之間提供內部通訊。

  • 裝置和通訊匯流排：車載 PLC (PLC-11, PLC-12)、車載 RTU (RTU00–RTU09)、列車駕駛員控制台 HMI、車載 PLC 通訊匯流排、車載 RTU 通訊匯流排

  • IP 範圍：192.168.101.0/24、192.168.102.0/24

鐵路 SCADA 網路

  • 功能：列車外部的外部 SCADA 網路，包括第三軌控制 PLC 和總部用於監控和控制的列車資訊報告 RTU。

  • 裝置和通訊匯流排：第三軌供電 PLC (PLC-06, PLC-07)、車載 RTU (RTU00–RTU09)、總部列車監控 HMI、鐵路第三軌 PLC 通訊匯流排、鐵路 SCADA S7Comm RTU 通訊匯流排。

  • IP 範圍：192.168.100.0/24、192.168.10.X

五個通訊資料匯流排

電氣訊號通訊匯流排

  • 功能：高頻訊息交換模擬物理裝置和 OT 控制器之間交換的線路連接電氣訊號（例如，電源線圈啟動、雷達輸入）。

  • 協定：UDP（基於文字的訊號交換）

  • 存取原則：在綠隊網路中隔離，藍隊或紅隊無法存取

車載 PLC 通訊匯流排

  • 功能：促進列車駕駛員控制台和車載 PLC 之間用於油門、煞車、車門和自動駕駛控制的線路連接資料交換。

  • 協定：Modbus-TCP

  • 存取原則：在藍隊網路中隔離，紅隊無法存取

車載 RTU 通訊匯流排

  • 功能：允許列車駕駛員控制台從 RTU 收集即時感測器和儀表資料。

  • 協定：Siemens S7Comm

  • 存取原則：在藍隊網路中隔離，紅隊無法存取

鐵路第三軌 PLC 通訊匯流排

  • 功能：將總部列車監控器 HMI 連接到第三軌供電控制 PLC，以監控和切換區塊電源狀態。

  • 協定：Modbus-TCP

  • 存取原則：藍隊和紅隊都可以存取，SCADA 網路攻擊模擬的目標

鐵路 SCADA S7Comm RTU 通訊匯流排

  • 功能：使車載 RTU 能夠以無線方式向總部列車監控器 HMI 報告操作狀態。

  • 協定：Siemens S7Comm（無線）

  • 存取原則：藍隊和紅隊都可以存取，用於通訊欺騙或攔截的目標

列車防撞控制邏輯

在陸基鐵路網路靶場模擬中，列車安全透過整合自動和手動控制的雙層防撞系統來確保。簡化的階梯邏輯及其硬體連結如下圖所示：

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Figure-06: Trains Collision Avoidance Control Logic diagram, version v_0.0.2 (2025)

自動防撞子系統

每輛模擬列車都配備一個前置雷達，負責檢測預定義安全距離內的任何障礙物或其他列車（例如，圖中顯示的前置雷達檢測區域內）。當在此區域中檢測到另一輛列車或物體時，雷達會向車載 PLC 輸入接點發送信號以設定保持暫存器。

  • PLC 邏輯透過階梯圖處理此輸入，該階梯圖評估儲存在 Holding Register HR0 中的雷達訊號。

  • 如果設定了保持暫存器，則階梯邏輯將停用 Coil00（油門）並啟動 coil01（煞車）控制，使列車受控停止。

這種自動機制透過即時響應而無需人為干預來防止追尾或正面碰撞。為了補充自動邏輯，列車操作員還可以透過 Train Driver Console 獲得手動覆蓋能力。

PLC 階梯邏輯實作

主要功能元件：

  • HR0 (Radar Sensor Input)：儲存來自前置檢測雷達的二進位訊號。觸發自動煞車邏輯。

  • HR1 (Speed Sensor Input)：擷取目前列車速度資料並與 HMI 分享，以進行監控和診斷。

  • Coil00：控制列車油門系統，如果設定了 HR0，則關閉；否則根據列車駕駛員控制台自動駕駛配置進行設定。

  • Coil01：控制主煞車系統。如果設定了 HR0，則開啟；否則根據列車駕駛員控制台自動駕駛配置進行設定。

  • Driver Console Control Panel：提供所有列車參數的可視化，並允許手動輸入以在需要時覆蓋自動化邏輯。

這種分層防撞系統可確保列車模擬在正常操作和網路攻擊模擬下的可靠性和安全性。透過結合感測器驅動的 PLC 邏輯和操作員控制的緊急系統，網路靶場支援多樣化的訓練情境，包括故障注入、訊號欺騙和手動覆蓋響應演練。

列車控制使用者介面

在陸基鐵路網路靶場系統中，實作了三個不同的控制使用者介面，以模擬在正常和網路安全演練條件下對列車運營的管理。每個介面都服務於不同的目的和使用者角色，範圍從物理模擬控制到運營管理和高階監控。

模擬物理控制介面

模擬物理介面模仿真實列車上的真實控制按鈕，例如緊急停止按鈕、斷路器和重置控制。這些控制在 Physical World Simulator 的左側面板上實作，如下圖所示：

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Figure-07: Simulated Physical Control Interface, version v_0.0.2 (2025)

功能：

  • 綠色按鈕：開啟車載電源輸入斷路器，模擬啟動列車的主電源開關。

  • 紅色緊急按鈕：立即關閉列車的輸入電源斷路器，模擬緊急關閉。

  • 藍色「重置」按鈕：將選定的列車重置為其初始狀態，清除其感測器和內部狀態暫存器。

此介面通常由模擬操作員、綠隊教練使用，以模擬演練期間的故障情況、緊急停止或重新初始化。

列車駕駛員控制台介面

Train Driver Console 作為列車操作員的主要 HMI，允許直接手動控制和監控單個列車的狀態和性能。它由在模擬演練中充當列車駕駛員的藍隊成員使用。

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Figure-08: Train Driver Control Console Interface, version v_0.0.2 (2025)

主要功能：

  • PLC Status Panel：顯示車載列車 PLC 的連線狀態、輸入/輸出線圈值和暫存器資料。

  • Driving Indicators：列車速度 (km/h) 表、空氣煞車壓力 (psi) 表、油門和煞車百分比指示器。

  • Manual Controls：油門和煞車手動控制滑桿、手動模式選擇器、方向控制（前進/後退）、速度限制設定、車站停留時間控制、列車車門控制按鈕。

  • Operational State Monitors：電源輸入電壓和電流、列車狀態警報（例如，過電流、煞車故障、緊急情況）

  • Power Controls：車載電源輸入斷路器控制和電源重置按鈕。

此 HMI 模擬典型的駕駛員體驗，同時支援手動覆蓋和診斷。

鐵路列車控制 HMI（總部監控介面）

Railway Train Control HMI 是一個由總部操作員用來監控和管理整個網路中所有列車狀態的監管介面。它提供對遙測、控制系統、安全訊號和 RTU 回饋的集中檢視，使其對於模擬和紅/藍隊網路操作至關重要。具有詳細功能說明的 UI 如下所示：

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Figure-09: Railway Train Control HMI (HQ Monitoring Interface), version v_0.0.2 (2025)

主要元件：

  • Train Information Panels (10+2)：列車 ID、目前和平均速度、第三軌電源輸入：電壓、電流和電源狀態、每輛列車的遠端電源控制開關。

  • RTU Radar State Indicators：來自前向列車雷達的即時饋送，以檢測障礙物的存在。

  • RTU Information Panel：顯示即時 RTU 感測器輸入資料。

  • PLC Control Panels：來自鐵路電源控制 PLC 的 Modbus/S7Comm 線圈和暫存器狀態的即時檢視。

  • Auto-Avoidance Backdoor Switch：切換自動列車防撞邏輯。

此 HMI 既充當運營儀表板，又充當網路訓練介面，提供對控制完整性和異常響應能力的洞察。

如果您想了解更多關於陸基鐵路系統網路靶場的信息，以下是一些相關的文章：

鐵路系統演示影片：https://youtu.be/WnJh1T3XZns?si=IlVXDRiWxJ1Rwe-K

關於鐵路系統的網路攻擊案例研究：

鐵路系統技術介紹文件：

Thanks for spending time to check the article detail, if you have any question and suggestion or find any program bug, please feel free to message me. Many thanks if you can give some comments and share any of the improvement advice so we can make our work better ~

上次編輯者：LiuYuancheng ([email protected])，於 2025 年 4 月 7 日。如果您有任何問題，請給我留言。

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