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

Updated 5,493 0
English 简体中文 繁体中文 ภาษาไทย Tiếng Việt
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.

title24.png

ในระบบรถไฟสมัยใหม่ การควบคุมรถไฟเกี่ยวข้องกับการบูรณาการเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติ การส่งสัญญาณ และการสื่อสารที่ซับซ้อน บทความนี้จะแนะนำการออกแบบระบบควบคุมรถไฟแบบง่ายที่นำไปใช้ในขอบเขตไซเบอร์รถไฟบนบกที่ฉันพัฒนาขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการฝึกอบรม การฝึกซ้อม และการจำลองด้านความปลอดภัยทางไซเบอร์

s_013.png

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

บทนำ

ระบบรถไฟจำลองมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้รูปแบบระบบย่อยที่ใช้งานได้และมีการโต้ตอบ โดยมีรถไฟอัตโนมัติ 750V-DC สิบขบวนที่ทำงานบนรางแยกกันสามราง รถไฟแต่ละขบวนมี Programmable Logic Controller (PLC) และ Remote Terminal Unit (RTU) ติดตั้งอยู่ ทำให้สามารถโต้ตอบกับระบบส่งสัญญาณข้างรางได้โดยอัตโนมัติ รถไฟเหล่านี้สามารถนำทางทางแยกและทางแยกได้ จอดเทียบท่าที่สถานี และออกเดินทางโดยอัตโนมัติ จำลองพฤติกรรมหลักของการดำเนินงานในโลกแห่งความเป็นจริง เพื่อรองรับสถานการณ์การโจมตีและการป้องกันทางไซเบอร์-กายภาพ การจำลองยังรวมถึงตรรกะการควบคุมที่สมจริง โปรโตคอลการสื่อสาร และอินเทอร์เฟซการตรวจสอบ

บทความนี้แบ่งออกเป็นสี่ส่วนหลัก:

  • ภาพรวมของระบบจำลองรถไฟ – อธิบายภาพรวมและสถาปัตยกรรมของการจำลองรถไฟภายในขอบเขตไซเบอร์

  • การออกแบบระบบของรถไฟจำลอง – ให้รายละเอียดการออกแบบวงจรอัตโนมัติของรถไฟ ลำดับการควบคุม PLC/RTU ขั้นตอนการทำงานของการควบคุมความปลอดภัยการชนของรถไฟ และตรรกะการโต้ตอบของสัญญาณ

  • การกำหนดค่าเครือข่ายและการสื่อสาร – อธิบายว่ารถไฟจำลองสื่อสารผ่านเครือข่ายภายในรถไฟและเครือข่าย SCADA รถไฟกับระบบส่งสัญญาณและศูนย์ควบคุม HQ ได้อย่างไร

  • อินเทอร์เฟซควบคุมรถไฟ – แนะนำอินเทอร์เฟซผู้ใช้ รวมถึงคอนโซลคนขับบนรถไฟและระบบ HMI ตรวจสอบรถไฟของศูนย์ควบคุม HQ

การออกแบบนี้ยังทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในการฝึกซ้อมขอบเขตไซเบอร์ ทำให้ทีมสีแดงและสีน้ำเงินสามารถสำรวจช่องโหว่และกลไกการป้องกันในสภาพแวดล้อมการควบคุมรถไฟได้

สำคัญ: ระบบควบคุมรถไฟที่แท้จริงมีความซับซ้อนสูงและอยู่ภายใต้มาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวด การนำไปใช้ที่อธิบายไว้ในบทความนี้มีรูปแบบแนวคิดที่เรียบง่ายซึ่งปรับให้เหมาะกับวัตถุประสงค์ทางการศึกษาและการฝึกอบรมในสภาพแวดล้อมขอบเขตไซเบอร์ที่มีการควบคุม

ภาพรวมของระบบจำลองรถไฟ

ระบบจำลองรถไฟเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของขอบเขตไซเบอร์รถไฟบนบก เป็นตัวแทนของการดำเนินงานของรถไฟในโลกแห่งความเป็นจริงในสภาพแวดล้อมที่เรียบง่ายและมีการควบคุม ซึ่งออกแบบมาสำหรับการฝึกอบรมด้านความปลอดภัยทางไซเบอร์และการวิเคราะห์พฤติกรรมของระบบ ภายในระบบจำลองนี้ รถไฟอัตโนมัติสิบขบวนจะแสดงเป็นลำดับของสี่เหลี่ยมผืนผ้า 5 ถึง 7 รูป (ตามความยาวของรถไฟที่ผู้ใช้กำหนดค่า) เคลื่อนที่ไปตามรางสามรางด้วยความเร็วตั้งแต่ 0 ถึง 20 พิกเซลต่อวินาที (ความเร็วในการจำลองภาพโดยประมาณ) รถไฟจะถูกไฮไลต์บนภาพหน้าจอจำลองโลกทางกายภาพดังแสดงด้านล่าง:

s_0314.png

Figure-01: รถไฟในเครื่องจำลองโลกทางกายภาพ เวอร์ชัน v_0.0.2 (2025)

รถไฟแต่ละขบวนเป็นหน่วยที่มีอยู่ในตัวเองซึ่งโต้ตอบกับสภาพแวดล้อม รวมถึงสัญญาณราง ระบบไฟฟ้า และเซ็นเซอร์ ในขณะที่ได้รับการตรวจสอบและควบคุมผ่านอินเทอร์เฟซหลักสองอินเทอร์เฟสดังแสดงด้านล่าง:

s_025.png

Figure-02: อินเทอร์เฟซควบคุมรถไฟ เวอร์ชัน v_0.0.2 (2025)

  • คอนโซลคนขับบนรถไฟ (จอภาพคนขับรถไฟในพื้นที่และ HMI ควบคุมด้วยตนเอง)

  • HMI ตรวจสอบรถไฟของ HQ (อินเทอร์เฟซควบคุมดูแลส่วนกลางในศูนย์ควบคุม HQ)

คุณสมบัติหลักของรถไฟจำลองแต่ละขบวน

รถไฟแต่ละขบวนจะโต้ตอบกับส่วนประกอบอื่นๆ ในเครื่องจำลองโลกทางกายภาพด้วยคุณสมบัติหลักด้านล่าง:

  • การโต้ตอบกับไฟฟ้าจากรางที่สาม: รถไฟแต่ละขบวนอาศัยความพร้อมใช้งานของไฟฟ้าจากระบบไฟฟ้าจากรางที่สามจำลอง หากไฟฟ้าจากรางที่สามหายไป รถไฟจะเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะไม่มีไฟฟ้าและหยุดนิ่ง

  • การตอบสนองของเซ็นเซอร์และสัญญาณ: รถไฟจะโต้ตอบกับเซ็นเซอร์ตรวจจับรถไฟบนราง โดยจะกระตุ้นเซ็นเซอร์เมื่อผ่านตำแหน่งเซ็นเซอร์ รถไฟสามารถตรวจจับและตอบสนองต่อสัญญาณรางได้ หากสัญญาณข้างหน้าบ่งชี้ถึงสภาวะ "ปิดกั้น" รถไฟจะลดความเร็วลงโดยอัตโนมัติและหยุดก่อนถึงสัญญาณ

  • การสร้างพารามิเตอร์แบบไดนามิก: รถไฟแต่ละขบวนจะสร้างข้อมูล telemetry อย่างต่อเนื่อง รวมถึง: ความเร็ว (กม./ชม.), กระแสไฟฟ้าเข้ามอเตอร์ (A), แรงดันไฟฟ้ามอเตอร์ (V), RPM มอเตอร์, ตำแหน่งในโซนบล็อก, สถานะคันเร่งและเบรก

  • เครือข่ายควบคุมภายใน: รถไฟทุกขบวนมีเครือข่ายควบคุม OT บนรถไฟ โดยรวม PLC เพื่อควบคุมรถไฟ และยังมี RTU หนึ่งตัวเพื่อเชื่อมต่อระยะไกลกับเครือข่าย SCADA รถไฟ ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมได้ทั้งในพื้นที่ (คนขับ) และระยะไกล (HQ)

สถานะการทำงานของรถไฟจำลอง

ดังที่แสดงในภาพด้านล่าง รถไฟแต่ละขบวนจะเปลี่ยนผ่านสถานการณ์การทำงานสี่สถานการณ์ ขึ้นอยู่กับสถานะพลังงาน อินพุตควบคุม และสภาพแวดล้อม:

s_0418.png

Figure-03: สถานการณ์การทำงานสี่สถานการณ์ของรถไฟ เวอร์ชัน v_0.0.2 (2025)

สถานการณ์การทำงาน ตัวบ่งชี้ภาพ คำอธิบายสถานการณ์
สถานการณ์ที่ 1 🔴 แดง + เทากระพริบ ปิดเครื่อง: รถไฟไม่มีไฟฟ้า ความเร็ว = 0 กม./ชม., กระแส = 0A เกิดขึ้นเมื่อไฟฟ้าจากรางที่สามหายไป หรือคนขับปิดเบรกเกอร์อินพุตไฟฟ้าของรถไฟ
สถานการณ์ที่ 2 🟠 ส้ม ความเร็วต่ำ / สถานะเบรก: รถไฟมีไฟฟ้า แต่เคลื่อนที่ช้าหรือหยุด (0–20 กม./ชม.) กระแสไฟฟ้าที่ใช้คือระหว่าง 10–20A โดยทั่วไปจะเห็นระหว่างการเทียบท่าที่สถานีหรือการเบรกก่อนถึงสัญญาณไฟแดง
สถานการณ์ที่ 3 🟢 เขียว สถานะการวิ่ง: รถไฟทำงานได้อย่างเต็มที่และอยู่ระหว่างการขนส่ง เคลื่อนที่ระหว่าง 56–90 กม./ชม. กระแสไฟฟ้าที่ใช้สูง (140–180A) ปิดเบรก เปิดใช้งานคันเร่ง
สถานการณ์ที่ 4 🔴 แดง + ⚠️ ไอคอนแจ้งเตือน สถานะฉุกเฉิน / ข้อผิดพลาด: เกิดจากความล้มเหลว ข้อผิดพลาดของระบบ หรือการจำลองอุบัติเหตุ ไฟฟ้าถูกตัด รถไฟหยุดทันที (0 กม./ชม., 0A) และมีการแจ้งเตือน

สถานะการทำงานเหล่านี้ช่วยจำลองพฤติกรรมที่สมจริงในการตอบสนองต่อข้อผิดพลาด การเปลี่ยนแปลงสัญญาณ หรือการรบกวนที่เกิดจากไซเบอร์ ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มที่ครอบคลุมสำหรับการประเมินทั้งกลไกความปลอดภัยและความยืดหยุ่นทางไซเบอร์ในระบบรถไฟ

การออกแบบระบบของรถไฟจำลอง

รถไฟจำลองในขอบเขตไซเบอร์รถไฟบนบกถูกสร้างขึ้นเป็นระบบโมดูลาร์ที่ประกอบด้วยระบบย่อยที่เชื่อมต่อกันสี่ระบบ ระบบย่อยแต่ละระบบถูกจับคู่กับพฤติกรรมในโลกทางกายภาพ และเปิดใช้งานการโต้ตอบทางไซเบอร์-กายภาพระหว่างสภาพแวดล้อมเสมือนจริงและตรรกะการควบคุม ระบบย่อยของรถไฟทั้งสี่ระบบ ได้แก่:

  • ระบบย่อยควบคุมแหล่งจ่ายไฟของรถไฟ

  • ระบบย่อยควบคุมการขับอัตโนมัติของรถไฟ

  • ระบบย่อยควบคุมการขับขี่ของรถไฟ

  • ระบบย่อยรายงานข้อมูลการทำงานของรถไฟ

การออกแบบไม่เพียงแต่รองรับการทำงานอัตโนมัติเท่านั้น แต่ยังเปิดใช้งานการควบคุมด้วยตนเอง การตรวจสอบ และการสื่อสารกับเครือข่าย SCADA รถไฟ โครงสร้างระบบโดยรวมแสดงอยู่ในแผนภาพด้านล่าง:

s_0517.png

Figure-04: การออกแบบระบบของระบบรถไฟจำลอง เวอร์ชัน v_0.0.2 (2025)

1. ระบบย่อยควบคุมแหล่งจ่ายไฟของรถไฟ

ระบบย่อยนี้จำลองโครงสร้างพื้นฐานของรางไฟฟ้าที่สามที่ใช้ในระบบรถไฟในเมือง (ดังแสดงในส่วนบนของแผนภาพ) บล็อกรางแต่ละบล็อกจ่ายไฟ DC 750V ให้กับรถไฟผ่านส่วนรางที่สาม ซึ่งควบคุมโดย PLC ข้างรางที่ 3 และ HQ เพื่อให้รถไฟได้รับพลังงาน จะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสองประการ:

  • เบรกเกอร์อินพุตบล็อกรางที่สาม (ข้างราง) ต้องเปิดอยู่

  • เบรกเกอร์ไฟฟ้าบนรถไฟ ต้องเปิดอยู่ด้วย

การควบคุมความปลอดภัยแบบเบรกเกอร์คู่เหล่านี้สะท้อนถึงความซ้ำซ้อนในโลกแห่งความเป็นจริง และรองรับฟังก์ชันตัดไฟฉุกเฉิน

ส่วนประกอบหลัก:

  • ไฟฟ้าจากรางที่สามของรถไฟ (750V DC): รางที่สามจำลองที่จ่ายไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับฉุดลาก

  • เบรกเกอร์ควบคุมไฟฟ้าบล็อกรางที่สาม: ควบคุมโดย PLC ที่รวมเข้ากับ SCADA เบรกเกอร์เหล่านี้จ่ายไฟจากรางไปยังลิงก์เชื่อมต่อไฟฟ้าของรถไฟ-รางที่ 3

  • ไฟฟ้าของรถไฟ-รางที่ 3: ลิงก์ระหว่างรถไฟและรางไฟฟ้าที่สามเพื่อถ่ายโอนพลังงานไปยังรถไฟ

  • เบรกเกอร์ควบคุมไฟฟ้าอินพุตของรถไฟ: เบรกเกอร์ในพื้นที่บนรถไฟ ควบคุมโดยปุ่มหยุดฉุกเฉินหรือคอนโซลคนขับ

  • PLC ควบคุมไฟฟ้าบล็อกรางที่สาม: ควบคุมผ่าน Modbus-TCP จาก HMI การทำงานของรถไฟ HQ

สำหรับรายละเอียดทางเทคนิคของระบบจ่ายไฟรางที่ 3 โปรดดูที่ลิงก์นี้: https://www.railway-technology.com/features/overhead-lines-vs-third-rail-how-does-rail-electrification-work/?cf-view&cf-closed

2. ระบบย่อยควบคุมการขับเคลื่อนอัตโนมัติของรถไฟ

ระบบย่อยนี้ช่วยให้สามารถทำงานได้โดยอัตโนมัติ เช่น การเบรก การเร่งความเร็ว และการตอบสนองต่อสัญญาณราง เซ็นเซอร์หลักสองตัวบนรถไฟจะนำทางพฤติกรรมนี้:

  • ตัวรับสถานะสัญญาณราง ที่ด้านหน้ารถไฟจะตรวจจับสัญญาณรางที่กำลังจะมาถึง (เช่น สัญญาณราง STOP หรือ CLEAR)

  • เรดาร์ด้านหน้า จะตรวจสอบระยะห่างเพื่อความปลอดภัยข้างหน้าเพื่อป้องกันการชน

อินพุตจากเซ็นเซอร์เหล่านี้จะถูกประมวลผลโดย PLC บนรถไฟ ซึ่งใช้ ladder logic เพื่อควบคุมพฤติกรรมของมอเตอร์และเบรกโดยอัตโนมัติ

ส่วนประกอบหลัก:

  • ตัวรับสถานะสัญญาณด้านหน้ารถไฟ: ตรวจจับสัญญาณที่ใกล้ที่สุดข้างหน้าและส่งสถานะไปยัง PLC

  • เรดาร์ด้านหน้ารถไฟ: สแกนพื้นที่ด้านหน้ารถไฟเพื่อตรวจสอบว่ามีสิ่งกีดขวางหรือรถไฟอื่น ๆ ในระยะปลอดภัยหรือไม่

  • PLC ควบคุมการขับเคลื่อนรถไฟ: เชื่อมต่อกับมอเตอร์และเบรกของรถไฟ ดำเนินการตรรกะเพื่อเบรกหรือเร่งความเร็วตามอินพุตจากเซ็นเซอร์

พฤติกรรมทั่วไป ได้แก่:

  • สัญญาณ RED / ถูกบล็อก → เบรกทำงาน, มอเตอร์ดับ

  • สัญญาณ GREEN / เคลียร์ → เบรกถูกปล่อย, มอเตอร์ทำงาน

  • เรดาร์ตรวจจับรถไฟใกล้เคียง → เบรกทำงานเพื่อหลีกเลี่ยงการชน

3. ระบบย่อยควบคุมการขับเคลื่อนรถไฟ

ระบบย่อยนี้จำลองกลไกทางกายภาพสำหรับการเคลื่อนที่ การเบรก และการตรวจสอบประสิทธิภาพ ซึ่งรวมถึงตัวกระตุ้นจำลอง (มอเตอร์และเบรกอากาศ) และเซ็นเซอร์ (ความเร็ว กระแสไฟ แรงดัน แรงดัน) ที่ทำงานร่วมกันเพื่อแสดงสถานะไดนามิกของรถไฟ

การควบคุมด้วยตนเองสามารถทำได้ผ่าน คอนโซลคนขับบนรถไฟ ซึ่งช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถปิดระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติและควบคุมโดยใช้คันเร่ง เบรก และส่วนควบคุมอื่น ๆ

ส่วนประกอบหลัก:

  • มอเตอร์ DC ขับเคลื่อนรถไฟและเบรกอากาศ: ดำเนินการเคลื่อนที่ทางกายภาพและการเบรกของรถไฟ

  • มาตรวัดความเร็วรถไฟและ RPM มอเตอร์: ตรวจสอบความเร็วแบบเรียลไทม์และประสิทธิภาพ RPM ของมอเตอร์

  • มาตรวัดกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า: วัดกำลังไฟฟ้า (กระแสและแรงดันไฟฟ้า) ที่ป้อนจากรางที่สาม

  • มาตรวัดแรงดันลมเบรก: วัดแรงดันลมเบรก ( PSI ) สำหรับการควบคุมการเบรก

  • PLC ควบคุมการขับเคลื่อนรถไฟ: ตัวควบคุมตรรกะส่วนกลางที่จัดการตัวกระตุ้นและอินพุตด้านความปลอดภัย

  • RTU บนรถไฟ: รวบรวมข้อมูลเซ็นเซอร์และรายงานไปยังคอนโซลและระบบ SCADA

  • คอนโซลคนขับรถไฟ (HMI): อินเทอร์เฟซสำหรับการทำงานของรถไฟด้วยตนเอง รวมถึงการควบคุมคันเร่ง/เบรก การเปิด/ปิดประตู และการตรวจสอบสถานะ

4. ระบบย่อยรายงานข้อมูลการปฏิบัติงานของรถไฟ

เพื่อรักษาการตรวจสอบสถานการณ์จากส่วนกลาง รถไฟแต่ละขบวนจะรายงานสถานะการปฏิบัติงานไปยังศูนย์ควบคุม HQ แบบเรียลไทม์ผ่านลิงก์ SCADA ไร้สาย ซึ่งจำลองเครือข่ายการสื่อสาร 5G หรือวิทยุ และใช้โปรโตคอล Siemens-S7Comm/IEC104 เพื่อส่งข้อมูลจาก RTU ของรถไฟไปยัง HQ Train Monitoring HMI

ส่วนประกอบหลัก:

  • RTU บนรถไฟ: รวบรวมข้อมูลเซ็นเซอร์และส่งผ่านลิงก์การสื่อสาร

  • เสาอากาศบนรถไฟ: เสาอากาศวิทยุจำลองที่เชื่อมโยงจากรถไฟไปยังเครือข่าย SCADA ของทางรถไฟ

  • เสาอากาศสื่อสารรถไฟ: จุดสิ้นสุดของเครือข่ายที่รับ telemetry ของรถไฟและรวมเข้ากับเครือข่าย SCADA ของทางรถไฟ

  • HQ Train Monitoring HMI: แดชบอร์ดส่วนกลาง HMI ในศูนย์ควบคุม HQ ที่แสดงสถานะ การแจ้งเตือน และสถานะทั้งหมดของรถไฟสำหรับการควบคุมดูแล

วงจรการรายงานนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่า HQ สามารถตรวจสอบความเร็ว สถานะพลังงาน แรงดันเบรก การปฏิบัติตามสัญญาณ และสภาวะฉุกเฉินในรถไฟทั้งหมดในเครือข่าย lvl3 OT

การกำหนดค่าเครือข่ายและการสื่อสาร

ระบบควบคุมรถไฟจำลองสร้างขึ้นบนสถาปัตยกรรมการสื่อสารแบบโมดูลาร์ที่ประกอบด้วยเครือข่ายย่อยหลักสามเครือข่ายและบัสสื่อสารการทำงานห้าบัส สภาพแวดล้อมเครือข่ายนี้รองรับทั้งการควบคุมและการตรวจสอบในส่วนประกอบหลายส่วน รวมถึง PLCs จำลอง RTUs คอนโซลคนขับ และ HQ monitoring HMIs

เพื่อจำลองพฤติกรรม OT อุตสาหกรรมที่สมจริงในขณะที่เปิดใช้งานการฝึกอบรมด้านความปลอดภัยทางไซเบอร์ การจำลองจะแยกฟังก์ชันออกเป็นโซนตรรกะที่แยกจากกัน ในขณะเดียวกันก็เปิดเผยส่วนที่เลือกของเครือข่ายให้กับการโต้ตอบของทีมสีแดง/สีน้ำเงิน

การไหลของข้อมูลทั่วทั้งระบบเป็นไปตามลำดับนี้:

Physical World Simulator → PLC/RTU Simulation → HMI Interfaces (Driver Console / HQ Train Monitor HMI)

แผนภาพด้านล่างแสดงโครงสร้างการสื่อสารและความสัมพันธ์ของส่วนประกอบทั้งหมด:

s_0618.png

Figure-05: Train control system network diagram, version v_0.0.2 (2025)

เครือข่ายแบบกระจายช่วยให้สามารถสร้างแบบจำลองพฤติกรรมการควบคุมและการสื่อสารของทางรถไฟได้อย่างแม่นยำ ในขณะเดียวกันก็อนุญาตให้ผู้ป้องกันทางไซเบอร์ (ทีมสีน้ำเงิน) และผู้โจมตี (ทีมสีแดง) ฝึกฝนและทดสอบทักษะของตนในสภาพแวดล้อมการจำลองที่ปลอดภัยและมีการควบคุม

เครือข่ายย่อยสามเครือข่าย

โทโพโลยีเครือข่ายประกอบด้วยเครือข่ายย่อยสามเครือข่ายต่อไปนี้:

เครือข่ายย่อยจำลองสัญญาณไฟฟ้า

  • ฟังก์ชัน: จำลองการแลกเปลี่ยนสัญญาณระหว่างส่วนประกอบในโลกทางกายภาพ (มอเตอร์ เซ็นเซอร์ เบรกเกอร์) และอุปกรณ์ควบคุม lvl1 OT ทั้งหมด

  • อุปกรณ์และ Comm-Buses: Railway Physical-world Simulator, 3rd Rail Track Power PLCs (PLC-06, PLC-07), On-Train Operation PLCs (PLC-11, PLC-12), On-Train RTUs (RTU00–RTU09), Electrical Signal Communication Bus.

  • ช่วง IP: 10.0.10.X

เครือข่าย SCADA ภายในรถไฟ

  • ฟังก์ชัน: ให้การสื่อสารภายในระหว่างตัวควบคุม OT ระดับ 1 ของรถไฟและคอนโซลคนขับรถไฟระดับ 2

  • อุปกรณ์และ Comm-Buses: On-Train PLCs (PLC-11, PLC-12), On-Train RTUs (RTU00–RTU09), Train Driver Console HMI, On-Train PLC Communication Bus, On-Train RTU Communication Bus

  • ช่วง IP: 192.168.101.0/24, 192.168.102.0/24

เครือข่าย SCADA ทางรถไฟ

  • ฟังก์ชัน: เครือข่าย SCADA ภายนอกรถไฟรวมถึง PLC ควบคุมรางที่ 3 และ RTU รายงานข้อมูลรถไฟที่ HQ ใช้สำหรับการตรวจสอบและควบคุม

  • อุปกรณ์และ Comm-Bus: 3rd Rail Track Power PLCs (PLC-06, PLC-07), On-Train RTUs (RTU00–RTU09), HQ Train Monitoring HMI, Railway 3rd Rail Track PLC Communication Bus, Railway SCADA S7Comm RTU Communication Bus.

  • ช่วง IP: 192.168.100.0/24, 192.168.10.X

บัสข้อมูลการสื่อสารห้าบัส

บัสสื่อสารสัญญาณไฟฟ้า

  • ฟังก์ชัน: การแลกเปลี่ยนข้อความความถี่สูงจำลองสัญญาณไฟฟ้าการเชื่อมต่อสายไฟ (เช่น การเปิดใช้งานคอยล์ไฟฟ้า อินพุตเรดาร์) ที่แลกเปลี่ยนระหว่างอุปกรณ์ทางกายภาพและตัวควบคุม OT

  • โปรโตคอล: UDP (การแลกเปลี่ยนสัญญาณแบบข้อความ)

  • นโยบายการเข้าถึง: แยกอยู่ในเครือข่าย Green Team ไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับทีม Blue หรือ Red

บัสสื่อสาร PLC บนรถไฟ

  • ฟังก์ชัน: อำนวยความสะดวกในการแลกเปลี่ยนข้อมูลการเชื่อมต่อสายไฟระหว่าง Train Driver Console และ PLCs บนรถไฟสำหรับการควบคุมคันเร่ง เบรก ประตู และระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ

  • โปรโตคอล: Modbus-TCP

  • นโยบายการเข้าถึง: แยกอยู่ในเครือข่าย Blue Team ไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับทีม Red

บัสสื่อสาร RTU บนรถไฟ

  • ฟังก์ชัน: อนุญาตให้ Train Driver Console รวบรวมข้อมูลเซ็นเซอร์และมิเตอร์แบบเรียลไทม์จาก RTUs

  • โปรโตคอล: Siemens S7Comm

  • นโยบายการเข้าถึง: แยกอยู่ในเครือข่าย Blue Team ไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับทีม Red

บัสสื่อสาร PLC รางที่ 3 ของทางรถไฟ

  • ฟังก์ชัน: เชื่อมต่อ HQ Train Monitor HMI กับ 3rd Track Power Control PLCs เพื่อตรวจสอบและสลับสถานะพลังงานบล็อก

  • โปรโตคอล: Modbus-TCP

  • นโยบายการเข้าถึง: สามารถเข้าถึงได้ทั้งทีม Blue และ Red เป้าหมายสำหรับการจำลองการโจมตีเครือข่าย SCADA

บัสสื่อสาร RTU S7Comm SCADA ของทางรถไฟ

  • ฟังก์ชัน: เปิดใช้งาน RTUs บนรถไฟเพื่อรายงานสถานะการปฏิบัติงานแบบไร้สายไปยัง HQ Train Monitor HMI

  • โปรโตคอล: Siemens S7Comm (ไร้สาย)

  • นโยบายการเข้าถึง: สามารถเข้าถึงได้ทั้งทีม Blue และ Red เป้าหมายสำหรับการปลอมแปลงหรือสกัดกั้นการสื่อสาร

ตรรกะการควบคุมการหลีกเลี่ยงการชนกันของรถไฟ

ในการจำลองขอบเขตทางไซเบอร์ของทางรถไฟบนบก ความปลอดภัยของรถไฟได้รับการรับรองผ่านระบบหลีกเลี่ยงการชนกันแบบสองชั้นที่ผสานรวมทั้งการควบคุมอัตโนมัติและแบบแมนนวล ตรรกะขั้นบันไดแบบง่ายและส่วนเชื่อมโยงฮาร์ดแวร์แสดงอยู่ในแผนภาพด้านล่าง:

s_1010.png

Figure-06: แผนภาพตรรกะการควบคุมการหลีกเลี่ยงการชนกันของรถไฟ, เวอร์ชัน v_0.0.2 (2025)

ระบบย่อยการหลีกเลี่ยงการชนกันอัตโนมัติ

รถไฟจำลองแต่ละขบวนติดตั้งเรดาร์ด้านหน้า ซึ่งมีหน้าที่ตรวจจับสิ่งกีดขวางหรือรถไฟอื่นๆ ภายในระยะปลอดภัยที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (เช่น ภายในพื้นที่ตรวจจับเรดาร์ด้านหน้าที่แสดงในแผนภาพ) เมื่อตรวจพบรถไฟหรือวัตถุอื่นในโซนนี้ เรดาร์จะส่งสัญญาณไปยังหน้าสัมผัสอินพุต PLC บนเครื่องเพื่อตั้งค่ารีจิสเตอร์พัก

  • ตรรกะ PLC ประมวลผลอินพุตนี้ผ่านแผนภาพขั้นบันได ซึ่งประเมินสัญญาณเรดาร์ที่จัดเก็บไว้ใน Holding Register HR0

  • หากตั้งค่ารีจิสเตอร์พัก ตรรกะขั้นบันไดจะปิดใช้งาน Coil00 (คันเร่ง) และเปิดใช้งานการควบคุม coil01 (เบรก) ทำให้รถไฟหยุดอย่างควบคุมได้

กลไกอัตโนมัตินี้ป้องกันการชนท้ายหรือการชนประสานงาโดยตอบสนองแบบเรียลไทม์โดยไม่ต้องมีการแทรกแซงจากมนุษย์ เพื่อเสริมตรรกะอัตโนมัติ ผู้ควบคุมรถไฟยังได้รับความสามารถในการแทนที่ด้วยตนเองผ่านทาง Train Driver Console

การใช้งานตรรกะขั้นบันได PLC

องค์ประกอบการทำงานหลัก:

  • HR0 (อินพุตเซ็นเซอร์เรดาร์): จัดเก็บสัญญาณไบนารีจากเรดาร์ตรวจจับด้านหน้า กระตุ้นตรรกะการเบรกอัตโนมัติ

  • HR1 (อินพุตเซ็นเซอร์ความเร็ว): จับภาพข้อมูลความเร็วรถไฟปัจจุบันและแชร์กับ HMI เพื่อการตรวจสอบและการวินิจฉัย

  • Coil00: ควบคุมระบบคันเร่งของรถไฟ ปิดหากตั้งค่า HR0 มิฉะนั้นให้ตั้งค่าตามการกำหนดค่านักบินอัตโนมัติของคอนโซลคนขับรถไฟ

  • Coil01: ควบคุมระบบเบรกหลัก เปิดหากตั้งค่า HR0 มิฉะนั้นให้ตั้งค่าตามการกำหนดค่าระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติของคอนโซลคนขับรถไฟ

  • แผงควบคุมคอนโซลคนขับ: ให้การแสดงภาพพารามิเตอร์รถไฟทั้งหมดและอนุญาตให้อินพุตด้วยตนเองเพื่อแทนที่ตรรกะอัตโนมัติเมื่อจำเป็น

ระบบหลีกเลี่ยงการชนกันแบบแบ่งชั้นนี้ช่วยให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยของการจำลองรถไฟภายใต้การปฏิบัติงานปกติและการจำลองการโจมตีทางไซเบอร์ โดยการรวมตรรกะ PLC ที่ขับเคลื่อนด้วยเซ็นเซอร์และระบบฉุกเฉินที่ควบคุมโดยผู้ปฏิบัติงาน ขอบเขตทางไซเบอร์รองรับสถานการณ์การฝึกอบรมที่หลากหลาย รวมถึงการฉีดข้อผิดพลาด การหลอกลวงสัญญาณ และการฝึกซ้อมการตอบสนองแบบแทนที่ด้วยตนเอง

ส่วนต่อประสานผู้ใช้ควบคุมรถไฟ

ในระบบขอบเขตทางไซเบอร์ของทางรถไฟบนบก ส่วนต่อประสานผู้ใช้ควบคุมที่แตกต่างกันสามแบบถูกนำมาใช้เพื่อจำลองการจัดการการปฏิบัติงานของรถไฟภายใต้สภาวะปกติและสภาวะการฝึกซ้อมด้านความปลอดภัยทางไซเบอร์ ส่วนต่อประสานแต่ละส่วนมีจุดประสงค์และบทบาทผู้ใช้ที่แตกต่างกัน ตั้งแต่การควบคุมการจำลองทางกายภาพไปจนถึงการจัดการการปฏิบัติงานและการตรวจสอบระดับสูง

ส่วนต่อประสานการควบคุมทางกายภาพจำลอง

ส่วนต่อประสานทางกายภาพจำลองเลียนแบบปุ่มควบคุมในโลกแห่งความเป็นจริงบนรถไฟจริง เช่น ปุ่มหยุดฉุกเฉิน เบรกเกอร์ไฟฟ้า และส่วนควบคุมการรีเซ็ต ส่วนควบคุมเหล่านี้ถูกนำมาใช้บนแผงด้านซ้ายของ Physical World Simulator ดังแสดงในภาพด้านล่าง:

s_0717.png

Figure-07: ส่วนต่อประสานการควบคุมทางกายภาพจำลอง, เวอร์ชัน v_0.0.2 (2025)

ฟังก์ชันการทำงาน:

  • ปุ่มสีเขียว: เปิดเบรกเกอร์อินพุตไฟฟ้าบนรถไฟ จำลองการเปิดใช้งานสวิตช์ไฟฟ้าหลักของรถไฟ

  • ปุ่มฉุกเฉินสีแดง: ปิดเบรกเกอร์ไฟฟ้าอินพุตของรถไฟทันที จำลองการปิดระบบฉุกเฉิน

  • ปุ่ม "รีเซ็ต" สีน้ำเงิน: รีเซ็ตรถไฟที่เลือกไปยังสถานะเริ่มต้น ล้างเซ็นเซอร์และรีจิสเตอร์สถานะภายใน

ส่วนต่อประสานนี้มักใช้โดยผู้ปฏิบัติงานจำลอง ผู้สอนทีมสีเขียวเพื่อจำลองสภาวะความผิดปกติ การหยุดฉุกเฉิน หรือการเริ่มต้นใหม่ระหว่างการฝึกซ้อม

ส่วนต่อประสานคอนโซลควบคุมคนขับรถไฟ

Train Driver Console ทำหน้าที่เป็น HMI หลักสำหรับผู้ควบคุมรถไฟ ช่วยให้สามารถควบคุมด้วยตนเองโดยตรงและตรวจสอบสถานะและประสิทธิภาพของรถไฟขบวนเดียว ใช้โดยสมาชิกทีมสีน้ำเงินที่ทำหน้าที่เป็นคนขับรถไฟระหว่างการฝึกซ้อมจำลอง

s_0815.png

Figure-08: ส่วนต่อประสานคอนโซลควบคุมคนขับรถไฟ, เวอร์ชัน v_0.0.2 (2025)

คุณสมบัติหลัก:

  • แผงสถานะ PLC: แสดงสถานะการเชื่อมต่อ ค่าคอยล์อินพุต/เอาต์พุต และข้อมูลรีจิสเตอร์จาก PLC รถไฟบนเครื่อง

  • ตัวบ่งชี้การขับขี่: เกจวัดความเร็วรถไฟ (กม./ชม.), เกจวัดแรงดันลมเบรก (psi), ตัวบ่งชี้เปอร์เซ็นต์คันเร่งและเบรก

  • ส่วนควบคุมด้วยตนเอง: แถบเลื่อนควบคุมด้วยตนเองของคันเร่งและเบรก, ตัวเลือกโหมดแมนนวล, การควบคุมทิศทาง (เดินหน้า/ถอยหลัง), การตั้งค่าจำกัดความเร็ว, ส่วนควบคุมเวลาพักสถานี, ปุ่มควบคุมประตูรถไฟ

  • จอภาพสถานะการทำงาน: แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าอินพุต, การแจ้งเตือนสถานะรถไฟ (เช่น กระแสไฟเกิน, ข้อผิดพลาดของเบรก, เหตุฉุกเฉิน)

  • ส่วนควบคุมไฟฟ้า: ส่วนควบคุมเบรกเกอร์อินพุตไฟฟ้าบนเครื่องและปุ่มรีเซ็ตไฟฟ้า

HMI นี้จำลองประสบการณ์ของคนขับทั่วไปในขณะที่รองรับทั้งการแทนที่ด้วยตนเองและการวินิจฉัย

HMI ควบคุมรถไฟทางรถไฟ (ส่วนต่อประสานการตรวจสอบ HQ)

Railway Train Control HMI เป็นส่วนต่อประสานการกำกับดูแลที่ใช้โดยผู้ปฏิบัติงาน HQ เพื่อตรวจสอบและจัดการสถานะของรถไฟทั้งหมดทั่วทั้งเครือข่าย มีมุมมองแบบรวมศูนย์เกี่ยวกับ telemetry, ระบบควบคุม, สัญญาณความปลอดภัย และข้อเสนอแนะ RTU ทำให้มีความสำคัญสำหรับการจำลองและการปฏิบัติการทางไซเบอร์ของทีมสีแดง/สีน้ำเงิน UI พร้อมบันทึกอธิบายฟังก์ชันโดยละเอียดแสดงอยู่ด้านล่าง:

s_0911.png

Figure-09: HMI ควบคุมรถไฟทางรถไฟ (ส่วนต่อประสานการตรวจสอบ HQ), เวอร์ชัน v_0.0.2 (2025)

ส่วนประกอบหลัก:

  • แผงข้อมูลรถไฟ (10+2): ID รถไฟ, ความเร็วปัจจุบันและเฉลี่ย, อินพุตไฟฟ้า Rail ที่ 3: แรงดันไฟฟ้า, กระแสไฟฟ้า และสถานะไฟฟ้า, สวิตช์ควบคุมไฟฟ้าจากระยะไกลสำหรับรถไฟแต่ละขบวน

  • ตัวบ่งชี้สถานะเรดาร์ RTU: ฟีดสดจากเรดาร์รถไฟด้านหน้าเพื่อตรวจจับการมีอยู่ของสิ่งกีดขวาง

  • แผงข้อมูล RTU: แสดงข้อมูลอินพุตเซ็นเซอร์ RTU แบบเรียลไทม์

  • แผงควบคุม PLC: มุมมองแบบเรียลไทม์ของสถานะคอยล์และรีจิสเตอร์ Modbus/S7Comm จาก PLC ควบคุมไฟฟ้าของทางรถไฟ

  • สวิตช์ Backdoor หลีกเลี่ยงอัตโนมัติ: สลับตรรกะการหลีกเลี่ยงการชนกันของรถไฟอัตโนมัติ

HMI นี้ทำหน้าที่เป็นทั้ง แดชบอร์ดการปฏิบัติงาน และ พื้นผิวการฝึกอบรมทางไซเบอร์ ให้การมองเห็นความสมบูรณ์ของการควบคุมและความสามารถในการตอบสนองต่อความผิดปกติ

หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับขอบเขตทางไซเบอร์ของระบบรถไฟบนบก นี่คือบทความที่เกี่ยวข้อง:

วิดีโอสาธิตระบบรถไฟ: https://youtu.be/WnJh1T3XZns?si=IlVXDRiWxJ1Rwe-K

กรณีศึกษาการโจมตีทางไซเบอร์ในระบบรถไฟ:

  RELATED

No related programming articles found. Browse all programming tutorials and articles.

  COMMENTS

0

No comment for this article.