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

Updated 5,491 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

Trong các hệ thống đường sắt hiện đại, việc điều khiển tàu liên quan đến sự tích hợp phức tạp của các công nghệ tự động hóa, tín hiệu và truyền thông. Bài viết này giới thiệu thiết kế của một hệ thống điều khiển tàu đơn giản được triển khai trong phạm vi mạng đường sắt trên đất liền mà tôi đã phát triển cho mục đích diễn tập, đào tạo và mô phỏng an ninh mạng.

s_013.png

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

Giới thiệu

Hệ thống tàu mô phỏng nhằm cung cấp các mô hình hệ thống con chức năng, tương tác với mười đoàn tàu 750V-DC tự hành hoạt động trên ba đường ray riêng biệt. Mỗi đoàn tàu được trang bị một Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) và Bộ điều khiển đầu cuối từ xa (RTU) trên tàu, cho phép nó tự động tương tác với các hệ thống tín hiệu bên đường ray. Các đoàn tàu này có khả năng điều hướng các giao lộ và ngã ba, cập bến tại các nhà ga và khởi hành tự động, mô phỏng các hành vi chính trong hoạt động thực tế. Để hỗ trợ các kịch bản tấn công và phòng thủ trên không gian mạng, mô phỏng cũng bao gồm logic điều khiển, giao thức truyền thông và giao diện giám sát thực tế.

Bài viết này được cấu trúc thành bốn phần chính:

  • Tổng quan về Hệ thống Mô phỏng Tàu – Mô tả tổng quan và kiến trúc của mô phỏng tàu trong phạm vi mạng.

  • Thiết kế Hệ thống của Tàu Mô phỏng – Chi tiết thiết kế mạch điều khiển tự động của tàu, trình tự điều khiển PLC/RTU, quy trình làm việc kiểm soát an toàn va chạm tàu và logic tương tác tín hiệu.

  • Cấu hình Mạng và Truyền thông – Giải thích cách các đoàn tàu mô phỏng giao tiếp qua mạng nội bộ trên tàu và mạng SCADA đường sắt với các hệ thống tín hiệu và trung tâm điều khiển HQ.

  • Giao diện Điều khiển Tàu – Giới thiệu các giao diện người dùng bao gồm bảng điều khiển của người lái trên tàu và hệ thống HMI giám sát tàu của trung tâm điều khiển HQ.

Thiết kế này cũng đóng vai trò là một thành phần nền tảng trong các cuộc diễn tập trên không gian mạng, cho phép các đội đỏ và xanh khám phá các lỗ hổng và cơ chế phòng thủ trong môi trường điều khiển đường sắt.

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.

Tổng quan về Hệ thống Mô phỏng Tàu

Hệ thống mô phỏng tàu là một trong những thành phần cốt lõi của phạm vi mạng đường sắt trên đất liền. Nó đại diện cho hoạt động của tàu trong thế giới vật lý trong một môi trường đơn giản hóa và được kiểm soát được thiết kế để đào tạo an ninh mạng và phân tích hành vi hệ thống. Trong mô phỏng này, mười đoàn tàu tự hành được hình dung là các chuỗi từ 5 đến 7 hình chữ nhật mỗi đoàn (dựa trên độ dài đoàn tàu do người dùng định cấu hình), di chuyển dọc theo ba đường ray với tốc độ từ 0 đến 20 pixel mỗi giây (tốc độ mô phỏng trực quan gần đúng). Các đoàn tàu được đánh dấu trên ảnh chụp màn hình trình mô phỏng thế giới vật lý như hình dưới đây:

s_0314.png

Hình-01: Các đoàn tàu trong trình mô phỏng thế giới vật lý, phiên bản v_0.0.2 (2025)

Mỗi đoàn tàu là một đơn vị khép kín tương tác với môi trường của nó—bao gồm tín hiệu đường ray, hệ thống điện và cảm biến—đồng thời được giám sát và điều khiển thông qua hai giao diện chính như hình dưới đây:

s_025.png

Hình-02: Giao diện điều khiển tàu, phiên bản v_0.0.2 (2025)

  • Bảng điều khiển của người lái trên tàu (màn hình giám sát của người lái tàu cục bộ và HMI điều khiển thủ công)

  • HMI Giám sát Tàu HQ (giao diện giám sát trung tâm trong trung tâm điều khiển HQ)

Các Tính năng Chính của Mỗi Tàu Mô phỏng

Mỗi Tàu sẽ tương tác với các thành phần khác trong trình mô phỏng thế giới vật lý với các tính năng chính dưới đây:

  • Tương tác Nguồn điện Đường ray Thứ 3: Mỗi đoàn tàu dựa vào nguồn điện từ hệ thống điện đường ray thứ ba mô phỏng. Nếu mất điện đường ray thứ ba, đoàn tàu sẽ chuyển sang trạng thái không có điện, đứng yên.

  • Phản hồi Cảm biến và Tín hiệu: Đoàn tàu sẽ tương tác với các cảm biến phát hiện tàu trên đường ray, nó sẽ kích hoạt cảm biến khi đi qua vị trí cảm biến. Các đoàn tàu có khả năng phát hiện và phản ứng với các tín hiệu đường ray. Nếu tín hiệu phía trước chỉ ra tình trạng "chặn", đoàn tàu sẽ tự động giảm tốc độ và dừng lại trước tín hiệu.

  • Tạo Tham số Động: Mỗi đoàn tàu liên tục tạo dữ liệu đo từ xa, bao gồm: Tốc độ (km/h), Dòng điện đầu vào động cơ (A), Điện áp động cơ (V), RPM động cơ, Vị trí trong các khu vực chặn, Trạng thái ga và phanh.

  • Mạng Điều khiển Nội bộ: Mỗi đoàn tàu lưu trữ một mạng điều khiển OT trên tàu, tích hợp PLC để điều khiển đoàn tàu, nó cũng có một RTU để kết nối từ xa với mạng SCADA đường sắt. Điều này cho phép cả điều khiển cục bộ (người lái) và từ xa (HQ).

Trạng thái Hoạt động của Tàu Mô phỏng

Như được mô tả trong hình bên dưới, mỗi đoàn tàu chuyển đổi qua bốn kịch bản hoạt động tùy thuộc vào trạng thái nguồn điện, đầu vào điều khiển và điều kiện môi trường của nó:

s_0418.png

Hình-03: Bốn kịch bản hoạt động của tàu, phiên bản v_0.0.2 (2025)

Kịch bản hoạt động Chỉ báo Trực quan Mô tả kịch bản
Kịch bản 1 🔴 Đỏ + Xám Nhấp nháy Tắt Nguồn: Tàu không được cấp nguồn. Tốc độ = 0 km/h, Dòng điện = 0A. Xảy ra khi mất điện đường ray thứ ba hoặc người lái tắt cầu dao đầu vào nguồn điện của tàu.
Kịch bản 2 🟠 Cam Trạng thái Tốc độ Thấp / Phanh: Tàu được cấp nguồn, nhưng di chuyển chậm hoặc dừng lại (0–20 km/h). Dòng điện tiêu thụ từ 10–20A. Thường thấy trong quá trình cập bến nhà ga hoặc phanh trước tín hiệu đỏ.
Kịch bản 3 🟢 Xanh lục Trạng thái Chạy: Tàu hoạt động đầy đủ và đang di chuyển, di chuyển giữa 56–90 km/h. Dòng điện tiêu thụ cao (140–180A), phanh tắt, ga hoạt động.
Kịch bản 4 🔴 Đỏ + ⚠️ Biểu tượng Cảnh báo Trạng thái Khẩn cấp / Lỗi: Được kích hoạt bởi các lỗi, lỗi hệ thống hoặc mô phỏng tai nạn. Nguồn điện bị cắt, tàu dừng ngay lập tức (0 km/h, 0A) và trạng thái cảnh báo được nâng lên.

Các trạng thái hoạt động này giúp tái tạo các hành vi thực tế để đáp ứng với các lỗi, thay đổi tín hiệu hoặc các xáo trộn do mạng gây ra, cung cấp một nền tảng toàn diện để đánh giá cả cơ chế an toàn và khả năng phục hồi an ninh mạng trong các hệ thống đường sắt.

Thiết kế Hệ thống của Tàu Mô phỏng

Tàu mô phỏng trong phạm vi mạng đường sắt trên đất liền được xây dựng như một hệ thống mô-đun bao gồm bốn hệ thống con được kết nối với nhau. Mỗi hệ thống con được ánh xạ tới các hành vi của thế giới vật lý và cho phép tương tác trên không gian mạng giữa môi trường ảo và logic điều khiển. Bốn hệ thống con của tàu bao gồm:

  • Hệ thống con Điều khiển Cung cấp Điện cho Tàu

  • Hệ thống con Điều khiển Lái tự động của Tàu

  • Hệ thống con Điều khiển Lái Tàu

  • Hệ thống con Báo cáo Thông tin Vận hành Tàu

Thiết kế này không chỉ hỗ trợ hoạt động tự động mà còn cho phép điều khiển thủ công, giám sát và giao tiếp với mạng SCADA đường sắt. Cấu trúc hệ thống tổng thể được minh họa trong sơ đồ dưới đây:

s_0517.png

Hình-04: Thiết kế Hệ thống của Hệ thống Tàu Mô phỏng, phiên bản v_0.0.2 (2025)

1. Hệ thống con Điều khiển Cung cấp Điện cho Tàu

Hệ thống con này mô phỏng cơ sở hạ tầng đường ray điện khí hóa thứ ba được sử dụng trong các hệ thống đường sắt đô thị (như được hiển thị ở phần trên của sơ đồ). Mỗi khối đường ray cung cấp 750V DC cho tàu thông qua một đoạn đường ray thứ ba, được điều khiển bởi PLC và HQ bên đường ray thứ 3. Để tàu nhận được điện, phải đáp ứng hai điều kiện:

  • Cầu dao đầu vào khối đường ray thứ ba (bên đường ray) phải BẬT

  • Cầu dao nguồn trên tàu của tàu cũng phải BẬT

Các điều khiển an toàn bằng cầu dao kép này phản ánh tính dự phòng trong thế giới thực và hỗ trợ chức năng cắt điện khẩn cấp.

Các thành phần chính:

  • Nguồn điện Đường ray Thứ ba Đường sắt (750V DC): Đường ray thứ ba mô phỏng cung cấp nguồn điện DC kéo.

  • Cầu dao Điều khiển Nguồn điện Khối Đường ray Thứ ba: Được điều khiển bởi các PLC tích hợp SCADA, các cầu dao này cung cấp điện từ đường ray đến liên kết kết nối nguồn điện Tàu-Đường ray thứ 3.

  • Nguồn điện Tàu-Đường ray thứ 3: Liên kết giữa tàu và đường ray điện khí hóa thứ 3 để truyền điện đến tàu.

  • Cầu dao Điều khiển Nguồn điện Đầu vào Tàu: Một cầu dao cục bộ trên tàu, được vận hành bởi nút dừng khẩn cấp hoặc bảng điều khiển của người lái.

  • PLC Điều khiển Nguồn điện Khối Đường ray Thứ ba: Được điều khiển qua Modbus-TCP từ HMI Vận hành Tàu HQ.

Để biết chi tiết kỹ thuật về nguồn điện đường ray thứ 3, vui lòng tham khảo liên kết này: https://www.railway-technology.com/features/overhead-lines-vs-third-rail-how-does-rail-electrification-work/?cf-view&cf-closed.

2. Hệ thống con điều khiển lái tự động tàu

Hệ thống con này cho phép vận hành tự động như phanh, tăng tốc và phản hồi các tín hiệu đường ray. Hai cảm biến chính trên tàu hướng dẫn hành vi này:

  • Một bộ thu trạng thái tín hiệu đường ray ở phía trước tàu phát hiện các tín hiệu đường ray sắp tới (ví dụ: đường ray chặn DỪNG hoặc THÔNG).

  • Một radar phía trước theo dõi khoảng cách an toàn phía trước để ngăn ngừa va chạm.

Các đầu vào cảm biến này được xử lý bởi PLC trên tàu, sử dụng logic bậc thang để tự động điều khiển hành vi của động cơ và phanh.

Các thành phần chính:

  • Bộ thu trạng thái tín hiệu phía trước tàu: Phát hiện tín hiệu gần nhất phía trước và truyền trạng thái đến PLC.

  • Radar phía trước tàu: Quét khu vực phía trước tàu để kiểm tra xem có chướng ngại vật hoặc các tàu khác trong phạm vi khoảng cách an toàn hay không.

  • PLC điều khiển lái tàu: Kết nối với động cơ và phanh của tàu, thực hiện logic để phanh hoặc tăng tốc dựa trên đầu vào cảm biến.

Các hành vi điển hình bao gồm:

  • Tín hiệu ĐỎ / Bị chặn → Phanh được kích hoạt, Động cơ tắt

  • Tín hiệu XANH LÁ CÂY / Thông thoáng → Phanh được nhả, Động cơ bật

  • Radar phát hiện tàu gần đó → Phanh được kích hoạt để tránh va chạm

3. Hệ thống con điều khiển lái tàu

Hệ thống con này mô phỏng các cơ chế vật lý cho chuyển động, phanh và giám sát hiệu suất. Nó bao gồm các bộ truyền động mô phỏng (động cơ và phanh khí) và cảm biến (tốc độ, dòng điện, điện áp, áp suất) phối hợp với nhau để thể hiện trạng thái động của tàu.

Ghi đè thủ công có sẵn thông qua bảng điều khiển lái tàu trên tàu, cho phép người vận hành tắt chế độ lái tự động và điều khiển bằng cách sử dụng van tiết lưu, phanh và các điều khiển khác.

Các thành phần chính:

  • Động cơ DC lái tàu & Phanh khí: Thực hiện chuyển động vật lý và phanh của tàu.

  • Đồng hồ đo tốc độ tàu & RPM động cơ: Giám sát tốc độ và hiệu suất RPM động cơ theo thời gian thực.

  • Đồng hồ đo dòng điện & điện áp: Đo công suất (dòng điện và điện áp) đầu vào từ đường ray thứ ba.

  • Đồng hồ đo áp suất phanh khí: Đo áp suất phanh khí (PSI) để điều khiển phanh.

  • PLC điều khiển lái tàu: Bộ điều khiển logic trung tâm quản lý các bộ truyền động và đầu vào an toàn.

  • RTU trên tàu: Thu thập dữ liệu cảm biến và báo cáo cho bảng điều khiển và hệ thống SCADA.

  • Bảng điều khiển lái tàu (HMI): Giao diện cho hoạt động thủ công của tàu, bao gồm điều khiển van tiết lưu/phanh, vận hành cửa và giám sát trạng thái.

4. Hệ thống con báo cáo thông tin vận hành tàu

Để duy trì giám sát tình huống tập trung, mỗi tàu báo cáo trạng thái hoạt động của mình cho trung tâm điều khiển HQ theo thời gian thực thông qua liên kết SCADA không dây. Điều này mô phỏng mạng truyền thông 5G hoặc vô tuyến và sử dụng giao thức Siemens-S7Comm/IEC104 để truyền dữ liệu từ RTU của tàu đến HMI giám sát tàu HQ.

Các thành phần chính:

  • RTU trên tàu: Thu thập dữ liệu cảm biến và gửi qua liên kết truyền thông.

  • Ăng-ten trên tàu: Ăng-ten vô tuyến mô phỏng liên kết từ tàu đến mạng SCADA đường sắt.

  • Ăng-ten truyền thông tàu đường sắt: Điểm cuối mạng nhận dữ liệu đo từ xa của tàu và tích hợp vào mạng SCADA đường sắt.

  • HMI giám sát tàu HQ: HMI bảng điều khiển trung tâm trong trung tâm điều khiển HQ hiển thị tất cả các trạng thái, cảnh báo và trạng thái của tàu để giám sát điều khiển.

Vòng báo cáo này đảm bảo HQ có thể theo dõi tốc độ, trạng thái nguồn, áp suất phanh, tuân thủ tín hiệu và các tình trạng khẩn cấp trên tất cả các tàu trong mạng OT lvl3.

Cấu hình mạng và truyền thông

Hệ thống điều khiển tàu đường sắt mô phỏng được xây dựng trên kiến trúc truyền thông mô-đun bao gồm ba mạng con chính và năm bus truyền thông chức năng. Môi trường mạng này hỗ trợ cả điều khiển và giám sát trên nhiều thành phần bao gồm PLC mô phỏng, RTU, bảng điều khiển lái xe và HMI giám sát HQ.

Để mô hình hóa hành vi OT công nghiệp thực tế đồng thời cho phép đào tạo về an ninh mạng, mô phỏng phân tách các chức năng thành các vùng logic riêng biệt, đồng thời hiển thị các phần chọn lọc của mạng cho tương tác của nhóm đỏ/xanh.

Luồng dữ liệu trên toàn hệ thống tuân theo trình tự này:

Mô phỏng thế giới vật lý → Mô phỏng PLC/RTU → Giao diện HMI (Bảng điều khiển lái xe / HMI giám sát tàu HQ)

Sơ đồ bên dưới minh họa cấu trúc truyền thông đầy đủ và các mối quan hệ thành phần:

s_0618.png

Hình-05: Sơ đồ mạng hệ thống điều khiển tàu, phiên bản v_0.0.2 (2025)

Mạng phân tán cho phép mô hình hóa chính xác hành vi điều khiển và truyền thông đường sắt đồng thời cho phép những người bảo vệ mạng (nhóm xanh) và những kẻ tấn công (nhóm đỏ) đào tạo và kiểm tra kỹ năng của họ trong một môi trường mô phỏng an toàn, được kiểm soát.

Ba mạng con

Cấu trúc liên kết mạng bao gồm ba mạng con sau:

Mạng con mô phỏng tín hiệu điện

  • Chức năng: Mô phỏng trao đổi tín hiệu giữa các thành phần thế giới vật lý (động cơ, cảm biến, bộ ngắt mạch) và tất cả các thiết bị điều khiển OT lvl1.

  • Thiết bị và Bus truyền thông: Mô phỏng thế giới vật lý đường sắt, PLC điều khiển nguồn điện đường ray thứ 3 (PLC-06, PLC-07), PLC vận hành trên tàu (PLC-11, PLC-12), RTU trên tàu (RTU00–RTU09), Bus truyền thông tín hiệu điện.

  • Dải IP: 10.0.10.X

Mạng SCADA cục bộ trên tàu

  • Chức năng: Cung cấp giao tiếp nội bộ giữa bộ điều khiển OT cấp 1 của tàu và bảng điều khiển lái tàu cấp 2.

  • Thiết bị và Bus truyền thông: PLC trên tàu (PLC-11, PLC-12), RTU trên tàu (RTU00–RTU09), HMI bảng điều khiển lái tàu, Bus truyền thông PLC trên tàu, Bus truyền thông RTU trên tàu

  • Dải IP: 192.168.101.0/24, 192.168.102.0/24

Mạng SCADA đường sắt

  • Chức năng: Mạng SCADA bên ngoài tàu bao gồm PLC điều khiển đường ray thứ 3 và RTU báo cáo thông tin tàu được HQ sử dụng để giám sát và điều khiển.

  • Thiết bị và Bus truyền thông: PLC nguồn điện đường ray thứ 3 (PLC-06, PLC-07), RTU trên tàu (RTU00–RTU09), HMI giám sát tàu HQ, Bus truyền thông PLC đường ray thứ 3 đường sắt, Bus truyền thông RTU S7Comm SCADA đường sắt.

  • Dải IP: 192.168.100.0/24, 192.168.10.X

Năm Bus dữ liệu truyền thông

Bus truyền thông tín hiệu điện

  • Chức năng: Trao đổi thông báo tần số cao mô phỏng các tín hiệu điện kết nối dây (ví dụ: kích hoạt cuộn dây nguồn, đầu vào radar) được trao đổi giữa các thiết bị vật lý và bộ điều khiển OT.

  • Giao thức: UDP (trao đổi tín hiệu dựa trên văn bản)

  • Chính sách truy cập: Bị cô lập trong mạng Nhóm Xanh, Không thể truy cập được đối với nhóm Xanh lam hoặc Đỏ

Bus truyền thông PLC trên tàu

  • Chức năng: Tạo điều kiện trao đổi dữ liệu kết nối dây giữa Bảng điều khiển lái tàu và PLC trên tàu để điều khiển van tiết lưu, phanh, cửa và lái tự động.

  • Giao thức: Modbus-TCP

  • Chính sách truy cập: Bị cô lập trong mạng Nhóm Xanh lam, Không thể truy cập được đối với Nhóm Đỏ

Bus truyền thông RTU trên tàu

  • Chức năng: Cho phép Bảng điều khiển lái tàu thu thập dữ liệu cảm biến và đồng hồ đo theo thời gian thực từ RTU.

  • Giao thức: Siemens S7Comm

  • Chính sách truy cập: Bị cô lập trong mạng Nhóm Xanh lam, Không thể truy cập được đối với Nhóm Đỏ

Bus truyền thông PLC đường ray thứ 3 đường sắt

  • Chức năng: Kết nối HMI giám sát tàu HQ với PLC điều khiển nguồn điện đường ray thứ 3 để giám sát và chuyển đổi trạng thái nguồn điện khối.

  • Giao thức: Modbus-TCP

  • Chính sách truy cập: Có thể truy cập được đối với cả nhóm Xanh lam và Đỏ, Mục tiêu cho các mô phỏng tấn công mạng SCADA

Bus truyền thông RTU S7Comm SCADA đường sắt

  • Chức năng: Cho phép RTU trên tàu báo cáo trạng thái hoạt động không dây cho HMI giám sát tàu HQ.

  • Giao thức: Siemens S7Comm (không dây)

  • Chính sách truy cập: Có thể truy cập được đối với cả nhóm Xanh lam và Đỏ, Mục tiêu cho hành vi giả mạo hoặc chặn liên lạc

Logic Điều Khiển Tránh Va Chạm Tàu Hỏa

Trong mô phỏng phạm vi mạng đường sắt trên đất liền, an toàn tàu hỏa được đảm bảo thông qua hệ thống tránh va chạm hai lớp tích hợp cả điều khiển tự động và thủ công. Logic bậc thang đơn giản hóa và liên kết phần cứng của nó được mô tả trong sơ đồ dưới đây:

s_1010.png

Figure-06: Sơ đồ Logic Điều Khiển Tránh Va Chạm Tàu Hỏa, phiên bản v_0.0.2 (2025)

Hệ Thống Con Tránh Va Chạm Tự Động

Mỗi tàu hỏa mô phỏng được trang bị một radar phía trước, chịu trách nhiệm phát hiện bất kỳ chướng ngại vật hoặc tàu hỏa nào khác trong phạm vi khoảng cách an toàn được xác định trước (ví dụ: trong khu vực phát hiện radar phía trước được hiển thị trong sơ đồ). Khi một tàu hỏa hoặc vật thể khác được phát hiện trong khu vực này, radar sẽ gửi tín hiệu đến tiếp điểm đầu vào PLC trên tàu để đặt một thanh ghi giữ.

  • Logic PLC xử lý đầu vào này thông qua sơ đồ bậc thang, đánh giá tín hiệu radar được lưu trữ trong Thanh Ghi Giữ HR0.

  • Nếu thanh ghi giữ được đặt, logic bậc thang sẽ hủy kích hoạt Coil00 (Van Tiết Lưu) và kích hoạt điều khiển coil01 (phanh), đưa tàu hỏa dừng lại có kiểm soát.

Cơ chế tự động này ngăn ngừa va chạm từ phía sau hoặc đối đầu bằng cách phản hồi trong thời gian thực mà không cần sự can thiệp của con người. Để bổ sung cho logic tự động, người vận hành tàu hỏa cũng được cung cấp khả năng ghi đè thủ công thông qua Bảng Điều Khiển Lái Tàu.

Triển Khai Logic Bậc Thang PLC

Các Yếu Tố Chức Năng Chính:

  • HR0 (Đầu Vào Cảm Biến Radar): Lưu trữ tín hiệu nhị phân từ radar phát hiện phía trước. Kích hoạt logic phanh tự động.

  • HR1 (Đầu Vào Cảm Biến Tốc Độ): Ghi lại dữ liệu tốc độ tàu hỏa hiện tại và chia sẻ nó với HMI để theo dõi và chẩn đoán.

  • Coil00: Điều khiển hệ thống van tiết lưu của tàu hỏa, tắt nếu HR0 được đặt, nếu không đặt dựa trên cấu hình lái tự động của bảng điều khiển lái tàu.

  • Coil01: Điều khiển hệ thống phanh chính. bật nếu HR0 được đặt, nếu không đặt dựa trên cấu hình lái tự động của bảng điều khiển lái tàu.

  • Bảng Điều Khiển Lái Xe: Cung cấp hình ảnh trực quan về tất cả các thông số tàu hỏa và cho phép đầu vào thủ công để ghi đè logic tự động khi cần.

Hệ thống tránh va chạm nhiều lớp này đảm bảo độ tin cậy và an toàn của mô phỏng tàu hỏa trong cả hoạt động bình thường và mô phỏng tấn công mạng. Bằng cách kết hợp logic PLC điều khiển bằng cảm biến và hệ thống khẩn cấp do người vận hành điều khiển, phạm vi mạng hỗ trợ các kịch bản đào tạo đa dạng, bao gồm tiêm lỗi, giả mạo tín hiệu và diễn tập phản ứng ghi đè thủ công.

Giao Diện Người Dùng Điều Khiển Tàu Hỏa

Trong hệ thống phạm vi mạng đường sắt trên đất liền, ba giao diện người dùng điều khiển riêng biệt được triển khai để mô phỏng việc quản lý các hoạt động tàu hỏa trong cả điều kiện tập trận bình thường và an ninh mạng. Mỗi giao diện phục vụ một mục đích và vai trò người dùng khác nhau — từ điều khiển mô phỏng vật lý đến quản lý hoạt động và giám sát cấp cao.

Giao Diện Điều Khiển Vật Lý Mô Phỏng

Giao diện vật lý mô phỏng bắt chước các nút điều khiển thực tế trên một tàu hỏa thực tế, chẳng hạn như nút dừng khẩn cấp, bộ ngắt mạch điện và điều khiển đặt lại. Các điều khiển này được triển khai trên bảng điều khiển bên trái của Trình Mô Phỏng Thế Giới Vật Lý, như được hiển thị trong hình ảnh bên dưới:

s_0717.png

Figure-07: Giao Diện Điều Khiển Vật Lý Mô Phỏng, phiên bản v_0.0.2 (2025)

Chức năng:

  • Nút Màu Xanh Lá Cây: BẬT bộ ngắt mạch đầu vào nguồn trên tàu, mô phỏng việc kích hoạt công tắc nguồn chính của tàu hỏa.

  • Nút Khẩn Cấp Màu Đỏ: Tắt ngay lập tức bộ ngắt mạch nguồn đầu vào của tàu hỏa, mô phỏng việc tắt khẩn cấp.

  • Nút "Đặt Lại" Màu Xanh Lam: Đặt lại tàu hỏa đã chọn về trạng thái ban đầu, xóa các cảm biến và thanh ghi trạng thái bên trong của nó.

Giao diện này thường được sử dụng bởi các nhà khai thác mô phỏng, người hướng dẫn đội xanh lá cây để mô phỏng các điều kiện lỗi, dừng khẩn cấp hoặc khởi tạo lại trong các bài tập.

Giao Diện Bảng Điều Khiển Điều Khiển Lái Tàu

Bảng Điều Khiển Lái Tàu đóng vai trò là HMI chính cho người vận hành tàu hỏa, cho phép điều khiển thủ công trực tiếp và theo dõi trạng thái và hiệu suất của một tàu hỏa duy nhất. Nó được sử dụng bởi các thành viên đội xanh lam đóng vai trò là lái tàu trong các bài tập mô phỏng.

s_0815.png

Figure-08: Giao Diện Bảng Điều Khiển Điều Khiển Lái Tàu, phiên bản v_0.0.2 (2025)

Các Tính Năng Chính:

  • Bảng Trạng Thái PLC: Hiển thị trạng thái kết nối, giá trị coil đầu vào/đầu ra và dữ liệu thanh ghi từ PLC tàu hỏa trên tàu.

  • Chỉ Báo Lái Xe: Đồng hồ đo Tốc Độ Tàu Hỏa (km/h), đồng hồ đo Áp Suất Phanh Khí (psi), chỉ báo Phần Trăm Van Tiết Lưu và Phanh.

  • Điều Khiển Thủ Công: Thanh trượt điều khiển Thủ Công Van Tiết Lưu và Phanh, Bộ Chọn Chế Độ Thủ Công, Điều Khiển Hướng (Tiến/Lùi), Cài Đặt Giới Hạn Tốc Độ, Điều Khiển Thời Gian Dừng Ga, Nút Điều Khiển Cửa Tàu Hỏa.

  • Màn Hình Trạng Thái Hoạt Động: Điện Áp và Dòng Điện Đầu Vào Nguồn, Cảnh Báo Trạng Thái Tàu Hỏa (ví dụ: quá dòng, lỗi phanh, khẩn cấp)

  • Điều Khiển Nguồn: Điều khiển Bộ Ngắt Mạch Đầu Vào Nguồn Trên Tàu và nút Đặt Lại Nguồn.

HMI này mô phỏng trải nghiệm lái xe điển hình đồng thời hỗ trợ cả ghi đè thủ công và chẩn đoán.

HMI Điều Khiển Tàu Hỏa Đường Sắt (Giao Diện Giám Sát HQ)

HMI Điều Khiển Tàu Hỏa Đường Sắt là một giao diện giám sát được sử dụng bởi các nhà khai thác HQ để theo dõi và quản lý trạng thái của tất cả các tàu hỏa trên toàn mạng. Nó cung cấp một cái nhìn tập trung vào đo từ xa, hệ thống điều khiển, tín hiệu an toàn và phản hồi RTU, làm cho nó trở nên quan trọng đối với cả mô phỏng và hoạt động mạng của đội đỏ/xanh lam. Giao diện người dùng với ghi chú giải thích chức năng chi tiết được hiển thị bên dưới:

s_0911.png

Figure-09: HMI Điều Khiển Tàu Hỏa Đường Sắt (Giao Diện Giám Sát HQ), phiên bản v_0.0.2 (2025)

Các Thành Phần Chính:

  • Bảng Thông Tin Tàu Hỏa (10+2): ID Tàu Hỏa, Tốc Độ Hiện Tại và Trung Bình, Đầu Vào Nguồn Đường Ray Thứ 3: Điện Áp, Dòng Điện và Trạng Thái Nguồn, Công Tắc Điều Khiển Nguồn Từ Xa cho mỗi tàu hỏa.

  • Chỉ Báo Trạng Thái Radar RTU: Nguồn cấp dữ liệu trực tiếp từ radar hướng về phía trước của tàu hỏa để phát hiện sự hiện diện của chướng ngại vật.

  • Bảng Thông Tin RTU: Hiển thị dữ liệu đầu vào cảm biến RTU theo thời gian thực.

  • Bảng Điều Khiển PLC: Chế độ xem theo thời gian thực về trạng thái coil và thanh ghi Modbus/S7Comm từ PLC điều khiển nguồn của đường sắt.

  • Công Tắc Cửa Hậu Tự Động Tránh: Chuyển đổi logic tránh va chạm tàu hỏa tự động.

HMI này hoạt động như một bảng điều khiển hoạt động và một bề mặt đào tạo mạng, cung cấp khả năng hiển thị tính toàn vẹn của điều khiển và khả năng phản hồi bất thường.

Nếu bạn muốn biết thêm về phạm vi mạng hệ thống đường sắt trên đất liền, đây là một số bài viết liên quan:

Video demo hệ thống đường sắt: https://youtu.be/WnJh1T3XZns?si=IlVXDRiWxJ1Rwe-K

Nghiên cứu điển hình về tấn công mạng trên hệ thống Đường sắt:

  RELATED

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

  COMMENTS

0

No comment for this article.