EP3817961A1 - Verfahren zum sicheren austausch und zur sicheren anzeige von zustandsdaten von sicherheitstechnischen komponenten - Google Patents

Verfahren zum sicheren austausch und zur sicheren anzeige von zustandsdaten von sicherheitstechnischen komponenten

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Publication number
EP3817961A1
EP3817961A1 EP19729643.7A EP19729643A EP3817961A1 EP 3817961 A1 EP3817961 A1 EP 3817961A1 EP 19729643 A EP19729643 A EP 19729643A EP 3817961 A1 EP3817961 A1 EP 3817961A1
Authority
EP
European Patent Office
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display
safety
related components
blockchain
display elements
Prior art date
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Pending
Application number
EP19729643.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility AG
Original Assignee
Siemens Mobility AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility AG filed Critical Siemens Mobility AG
Publication of EP3817961A1 publication Critical patent/EP3817961A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L19/00—Arrangements for interlocking between points and signals by means of a single interlocking device, e.g. central control
    • B61L19/06—Interlocking devices having electrical operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/06—Indicating or recording the setting of track apparatus, e.g. of points, of signals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/06—Indicating or recording the setting of track apparatus, e.g. of points, of signals
    • B61L25/08—Diagrammatic displays
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/32—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols including means for verifying the identity or authority of a user of the system or for message authentication, e.g. authorization, entity authentication, data integrity or data verification, non-repudiation, key authentication or verification of credentials
    • H04L9/3236—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols including means for verifying the identity or authority of a user of the system or for message authentication, e.g. authorization, entity authentication, data integrity or data verification, non-repudiation, key authentication or verification of credentials using cryptographic hash functions
    • H04L9/3239—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols including means for verifying the identity or authority of a user of the system or for message authentication, e.g. authorization, entity authentication, data integrity or data verification, non-repudiation, key authentication or verification of credentials using cryptographic hash functions involving non-keyed hash functions, e.g. modification detection codes [MDCs], MD5, SHA or RIPEMD
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/50—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols using hash chains, e.g. blockchains or hash trees
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L2209/00—Additional information or applications relating to cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communication H04L9/00
    • H04L2209/80—Wireless

Definitions

  • the present invention relates to a method for the safe exchange and safe display of status data of safety-related components, such as signals, switches, balises, loop cables, track circuits, axle counters, in a rail network between the safety-related components
  • Controlling a rail network is a highly complex and highly safety-related task, since it does not endanger people or materials and, at the same time, ensures smooth train traffic. Train journeys are usually automatically created from a schedule
  • Decentralized element controllers assigned to safety-related components independently determine state data of the safety-related components they control and transmit them as digitized data on a
  • Data bus to the following logical instance This can be a central signal box instance, but also an instance of the route element following in logical order (for example, according to the track plan).
  • This can be a central signal box instance, but also an instance of the route element following in logical order (for example, according to the track plan).
  • Signal box instance and the decentralized element controllers exchanged train protection data according to a certain
  • Recipients can also be checked for their authenticity. It can be provided that a kind of electronic logbook is kept at the receiver, in which the data traffic is recorded for security purposes. Nevertheless, it is possible that this data will also be changed later or saved incorrectly.
  • the invention is intended to be used, for example, between one / more mobile operating and display devices and the
  • safety-related components determined by a central system and, for example, to mobile operating and
  • the object of the invention is now a way
  • This object is achieved according to the invention by a method for the safe exchange and safe display of status data of safety-related components, such as signals, switches, balises, loop cables, track circuits, axle counters, in a rail network between the safety-related parts
  • safety-related components the state data of which are indicative of states displayed in the display elements; c) Setting the safety-related components of a signal box instance depending on by
  • Safety-related components can always be displayed on the operating and display devices, the status data extracted from the blockchain.
  • Each element of the ad is managed in a blockchain. Every change of state is therefore recorded and archived in the blockchain.
  • the condition of a track can be taken as an example.
  • a track in a train station, or on the route, can be "free" or "occupied”. If the status of this track is managed in a blockchain, then the current status is compared between all the computers involved and can thus be checked. There is a consensus about the state, a false report can be prevented by the possible comparison.
  • a mobile operating device can compare the current status of the element with the other computers involved.
  • the display and operating devices can be mobile devices. In this way there is on the one hand the possibility of becoming one
  • Figure 1 shows schematically the structure of a device for
  • Figure 2 schematically shows a structure of the contents of nodes
  • Figure 3 shows a schematic diagram of access to a
  • FIG. 1 shows a schematic view of the structure of a device E for controlling and / or monitoring decentralized functional units DFE1A to DFEnA, DFE1B to DFEnB, etc., which are arranged along a railway network (not shown here) (hereinafter also an element
  • DFE Functional units referred to below as DFE or EC.
  • Such decentralized functional units DFE are used to control and monitor train influencing and / or train monitoring units (also called lane elements). Can act as train-influencing units
  • train monitoring units can also balises and
  • the decentralized functional unit DFE IC controls the display of the signal terms and guides or assists with monitoring functions such as
  • Each decentralized functional unit DFE or the one controlled / monitored by the entire network via a unique address for example an IP address or a MAC address.
  • the device E further comprises a data transport network TN with a number of network access points 2 to 16. At some of these network access points 6 to 16 are
  • Data transport network TN is designed as a highly available network. Such highly available structures can result on the one hand from a redundant design of the network itself and / or on the other hand from a skillful reorganization of the network in the event of a connector failure.
  • the device E comprises a superordinate one
  • Control system 30 which, among other components not listed here, is a control center LT for the
  • Axle counter computer AZ and a service / diagnostic unit SD which means via the network access points 2 and 4
  • Ethernet connections are connected to the data transport network TN. All of the above-mentioned components of the higher-level control system 30 are also characterized in that both stationary display and
  • Operating devices as well as mobile operating and display devices BA can be used in a wide variety of tasks.
  • the mobile operating and display devices BA such as
  • Radio interfaces are connected bidirectionally to the transport network TN and / or the Ethernet connections in the higher-level control system 30 (not shown in detail).
  • Functional units DFE can be coupled to the transport network TN via one of the communication groups 18 to 28 and the corresponding network node 6 to 16 and can thus receive or exchange data telegrams.
  • the Decentralized functional units DFE are grouped into subgroups A, B, C, D and E, each with its own subnetwork NA, NB, NC, ND and NE. Subgroup A is
  • Each decentralized functional unit DFE is also preceded by a switching computer SU or SCU, which can alternatively also be integrated directly into the decentralized functional unit DFE, which is used for the decentralized
  • Functional units DFE provides the connection to the subnetwork so that each decentralized functional unit DFE can still be addressed by a second redundant communication group 18 to 28 if one communication group fails.
  • Each subnetwork (NA to NE) is thus made up of a number of point-to-point connections from logically adjacent ones
  • DFE decentralized functional units
  • Transmission path formed within the subnetwork for example as an ISDN transmission path or as an xDSL transmission path or fiber optic transmission path. This means that a single subnetwork can, so to speak, consist of individual ones
  • Transmission cells are built, which in turn only ever have to master the transmission from point to point. In other words, so can
  • Transmission techniques can also be composed of a much longer and more complex subnetwork. For this reason, it is advisable to terminate the point-to-point connection at each end with a switching module (SU), which even gives the opportunity to use the point-to-point
  • a suitable switching module can do this
  • control center LT now requests a train journey for a train that can be uniquely identified by means of a train number, this requires that the track elements, such as switches and signals, are in the order for this train journey
  • the switches and the signals are set accordingly and / or balises lying in the track
  • interpretable telegrams set and / or at
  • Radio Block Center for the transmission of corresponding data signals / telegrams.
  • the display elements AE are also defined, which are displayed in the display and operating devices BA and provide the user with reliable information about the condition of the track system incl. whose occupancy should deliver dynamically through train journeys.
  • Setting states can then be signaled to the driving concept, for example by displaying the corresponding one
  • States of the safety-related component are constantly evaluated for any changes in the values W of the display elements AE that may occur in the sequence of the requested train journeys.
  • the values of the display elements AE stored in the blockchain BC are at least issued a part (usually probably to all involved) of the operating and display devices BA. There, the content of the Blockchain BC can be based on the corresponding
  • Decryption reconstructed by checking the checksum and the current value W is displayed for the display element AE e.g. Conditions such as free track, turnout position on the left, side protection by locking the turnout one
  • Safety-related components can always be displayed on the operating and display devices BA, the status data extracted from the BC blockchain.
  • Each display element AE is in its own
  • Blockchain BC manages. Every change of state is therefore recorded and archived in the BC blockchain. There is therefore a consensus among all participants in the blockchain BC about the state of the display element AE; consequently, an incorrect display can be prevented by the possible comparison.
  • a mobile operating and display device BA can thus compare the current state of the display element AE with the other computers / operating devices involved.
  • a single-channel architecture can be used for the mobile operating and display devices BA.
  • the security of the correct information is achieved by the digital signature of the corresponding block N (see FIG. 2) of the blockchain BC.
  • FIG. 3 shows a simplified overview of the functional and static components involved for the computer implementation of the method according to the invention.
  • the Blockchain BC is a distributed database system
  • the integrity of the blocks Ni is guaranteed by a hash value - (also stored in the relevant block Ni).
  • the hash algorithm used for this converts the values for the display elements into a hash value. Therefore, only absolutely identical data leads to the same hash value, which means that the character string to be checked can always be checked for authenticity.
  • Access to the storage of the values W in the blocks Ni, Ni, ... takes place via a so-called oracle 30.
  • the control center LT is connected to the oracle 30.
  • the values recorded by the control center LT which have been generated, for example, by the signal box instance STW, are summarized where necessary and the values W are determined for the display elements.
  • the relevant values W are determined for the corresponding display element for storage in the associated blockchain BC and transmitted to the oracle 30 for storage in a block Ni of the blockchain BC.
  • Blockchain BC Data stored in Blockchain BC can be used to use so-called wallets 33, which are also used for billing processes based on previously defined smart contracts
  • CRC denotes a hash value over the entire node Ni to ensure the authenticity of the node in question.
  • Transaction Tii, Ti 2 contain the individual values for the display elements and, if appropriate, additional data such as time stamps and the like recorded during the setting processes.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
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  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

Diese vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum sicheren Austausch und zur sicheren Anzeige von Zustandsdaten von sicherheitstechnischen Komponenten, wie Signale, Weichen, Balisen, Loop-Kabel, Gleisstromkreise, Achszähler, in einem Schienennetzwerk zwischen den sicherheitstechnischen Komponenten (S) und Anzeige-und Bediengeräten (BA), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Definieren von Anzeigeelementen (AE) in den Anzeige- und Bediengeräten (BA); b) Assoziieren der Anzeigeelemente (AE) mit den sicherheitstechnischen Komponenten (S), deren Zustandsdaten für in den Anzeigeelementen (AE) angezeigten Zustände indikativ sind; c) Einstellen der sicherheitstechnischen Komponenten (S) von einer Stellwerkinstanz (STW) in Abhängigkeit von durch eine Zugdisposition angeforderten Zugfahrten; d) Auswerten der Zustände der sicherheitstechnischen Komponente (S) auf sich in der Abfolge der angeforderten Zugfahrten etwaig einstellende Veränderungen der Werte der Anzeigeelemente (AE); e) Abspeichern und Verwalten der den Wechseln zugeordneten Werte für jedes Anzeigeelement (AE) in einer Blockchain (BC); und f) Ausgeben der in der Blockchain (BC) abgespeicherten Werte der Anzeigeelemente (AE) an zumindest einen Teil der Bedien- und Anzeigegeräte (BA). Durch den Einsatz der Block Chain Technologie zur Signalisierung und Anzeige von Zuständen einzelner sicherheitstechnischer Komponenten (Gleis, Verschlüsse,...) können auf den Bedien- und Anzeigegeräten immer die aus der Blockchain extrahierten Zustandsdaten angezeigt werden. Jedes Element der Anzeige wird in einer Blockchain verwaltet. Jeder Zustandswechsel wird daher in der Blockchain erfasst und archiviert.

Description

Verfahren zum sicheren Austausch und zur sicheren Anzeige von Zustandsdaten von sicherheitstechnischen Komponenten
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum sicheren Austausch und zur sicheren Anzeige von Zustandsdaten von sicherheitstechnischen Komponenten, wie Signale, Weichen, Balisen, Loop-Kabel, Gleisstromkreise, Achszähler, in einem Schienennetzwerk zwischen den sicherheitstechnischen
Komponenten und Anzeige- und Bediengeräten.
Die Steuerung eines Schienennetzwerks ist eine hoch komplexe und hoch sicherheitsrelevante Aufgabe, da eine Gefährdung von Mensch und Material vermieden und zugleich ein flüssiger Zugverkehr erzielt werden muss. Zugfahrten werden in der Regel gemäss einem Fahrplan automatisch aus einem
Zugdispositionszentrum heraus bestellt und entsprechend von einem Stellwerk mit der Einstellung und/oder Abfrage der erforderlichen sicherheitstechnischen Komponenten, wie
Weichen, Bahnübergänge, Signale, Gleisfreimelder,
Achszählsysteme, Balisen usw., bereitgestellt.
Während es bei den klassischen Stellwerken im reinen Sinne zwischen den dezentralen Feldelementen und den zentralen Stellwerkskarten keinen Austausch digitaler Daten gibt, stellt sich diese Situation bei dezentralen
Zugsicherungsarchitekturen ganz anders dar. Die den
sicherheitstechnischen Komponenten zugeordneten dezentralen Element Controller ermitteln dabei eigenständig Zustandsdaten der von ihnen gesteuerten sicherheitstechnischen Komponenten und übertragen diese als digitalisierte Daten auf einem
Datenbus an die jeweils folgende logische Instanz. Diese kann dabei eine zentrale Stellwerkinstanz, aber auch eine Instanz des in logischer Reihenfolge (beispielsweise gemäss Spurplan) folgenden Fahrwegelements sein. Hierbei ist auch nicht prinzipiell nach Daten zur Bearbeitung von Stellwerkaufgaben und Daten zur Bearbeitung von Zugdispositionsaufgaben zu unterscheiden . Im Zuge der Gewährleistung der erforderlichen
signalisierungstechnischen Sicherheit werden erhebliche
Anstrengungen unternommen, um für die Mitarbeiter der
Zugdisposition Anzeigesysteme für die Einstellungen des
Fahrwegs bereitzustellen, die effektiv das wahre Abbild des Zustandes draussen im Gleis beschreiben.
Problematisch ist herbei jedoch, dass sich das an diesen Anzeigesystemen angezeigte Abbild permanent dynamisch mit der Abfolge der Zugfahrten ändert und ein späterer Rückgriff auf die tatsächliche Einstellung der sicherheitstechnischen
Komponenten nur noch bedingt möglich ist. Gerade mit dem Auftreten von Störungen oder Unfällen könnte die gesicherte Darstellung von im Zeitpunkt der Störung oder des Unfalls eingestellten Zuständen der Fahrwegelemente wertvolle
Aufschlüsse über die Entstehung einer Störung oder eines Unfalls geben.
In den vorstehend beschriebenen Systemen mit dezentraler Stellwerkarchitektur werden die zwischen einer
Stellwerkinstanz und den dezentralen Element Controllern ausgetauschten Zugsicherungsdaten nach einem bestimmten
Datenmodell über Datenbusse übertragen. Dabei folgt die
Kodierung der Daten gewissen in dem Datenmodell bestimmten Mustern, sodass übertragene Daten bei dem jeweiligen
Empfänger auch auf deren Authentizität geprüft werden können. Dabei kann es vorgesehen sein, dass beim Empfänger eine Art elektronisches Logbuch geführt wird, in dem der Datenverkehr zu Sicherungszwecken aufgezeichnet wird. Dennoch ist es möglich, dass auch diese Daten später noch verändert oder auch fehlerhaft abgespeichert werden.
Zustände und Informationen innerhalb sicherungstechnischer Anlagen (Bahntechnik) müssen aber unverfälscht sein,
beziehungsweise dürfen nicht unerlaubt verändert werden.
Weiterhin muss zwischen den teilnehmenden Systemen Einigkeit herrschen, welcher Zustand für eine sicherheitstechnische Komponente aktuell gültig ist. Die Erfindung soll dazu genutzt werden, dass zum Beispiel zwischen einem / mehreren mobilen Bedien- und Anzeige-Geräten sowie dem
zugrundeliegenden System, wie z.B. dem Leitsystem oder der Stellwerkinstanz, Einigkeit über die aktuellen Zustände herrscht und damit Vertrauen in die angezeigten Zustände entsteht .
Aktuell werden die angezeigten Zustände der
sicherheitstechnischen Komponenten von einem zentralen System ermittelt und beispielsweise an mobile Bedien- und
Anzeigegeräte übertragen. Der erforderliche Sicherheitslevel wird aktuell erreicht, in dem die Übertragung der
Zustandsdaten selbst überwacht wird. Im Idealfall sind Sender und Empfänger der Nachrichten zweikanalig aufgebaut, um
Übertragungsfehler sicher erkennen zu können.
Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin einen Weg
anzugeben, wie die Zustände der durch Zugsicherungsinstanzen, wie Stellwerk und Disposition, angeforderten und entsprechend der Anforderung als eingestellt rückgemeldeten
Zugsicherungsdaten sicher übertragen und angezeigt werden können, ohne dass diese Zugsicherungsdaten zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr als sicher gelten könnten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren zum sicheren Austausch und zur sicheren Anzeige von Zustandsdaten von sicherheitstechnischen Komponenten, wie Signale, Weichen, Balisen, Loop-Kabel, Gleisstromkreise, Achszähler, in einem Schienennetzwerk zwischen den sicherheitstechnischen
Komponenten und Anzeige- und Bediengeräten gelöst, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
a) Definieren von Anzeigeelementen in den Anzeige- und
Bediengeräten;
b) Assoziieren der Anzeigeelemente mit den
sicherheitstechnischen Komponenten, deren Zustandsdaten für in den Anzeigeelementen angezeigten Zustände indikativ sind; c) Einstellen der sicherheitstechnischen Komponenten von einer Stellwerkinstanz in Abhängigkeit von durch eine
Zugdisposition angeforderte Zugfahrten; d) Auswerten der Zustände der sicherheitstechnischen
Komponente auf sich in der Abfolge der angeforderten
Zugfahrten etwaig einstellende Veränderungen der Werte der Anzeigeelemente ;
e) Abspeichern und Verwalten der den Wechseln zugeordneten Werte für jedes Anzeigeelement in einer Blockchain; und f) Ausgeben der in der Blockchain abgespeicherten Werte der Anzeigeelemente an zumindest einen Teil der Anzeige- und Bediengeräte .
Durch den Einsatz der Block Chain Technologie zur
Signalisierung und Anzeige von Zuständen einzelner
sicherheitstechnischer Komponenten (Gleis, Verschlüsse,...) können auf den Bedien- und Anzeigegeräten immer die aus der Blockchain extrahierten Zustandsdaten angezeigt werden. Jedes Element der Anzeige wird in einer Blockchain verwaltet. Jeder Zustandswechsel wird daher in der Blockchain erfasst und archiviert. Als Beispiel kann der Zustand eines Gleises angenommen werden. Ein Gleis in einem Bahnhof, oder auf der Strecke, kann „Frei", oder „Belegt" sein. Wird der Zustand dieses Gleises in einer Blockchain verwaltet, dann wird zwischen allen beteiligten Rechnern der aktuelle Zustand abgeglichen und kann damit kontrolliert werden. Es existiert ein Konsens über den Zustand, eine falsche Anzeige kann durch den damit möglichen Abgleich verhindert werden. Ein mobiles Bediengerät kann mit den beteiligten anderen Rechnern den aktuellen Zustand des Elementes abgleichen.
In besonders vorteilhafter Weise können die Anzeige- und Bediengeräte mobile Geräte sein. Auf diese Weise besteht einerseits die Möglichkeit sich in einem
Zugdispositionszentrum von Arbeitsplatz zu Arbeitsplatz bewegen zu können und/oder anderseits auch für Personen an der Gleisanlage zuverlässig die für die Anzeigeelemente erforderlichen Daten geliefert zu bekommen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung
beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 schematisch den Aufbau einer Einrichtung zur
Steuerung und/oder Überwachung von entlang eines Eisenbahnnetzwerkes (hier nicht weiter dargestellt) angeordneten dezentralen Funktionseinheiten;
Figur 2 schematisch eine Struktur der Inhalte von Knoten
einer Blockchain; und
Figur 3 eine Prinzipdarstellung des Zugriffs auf eine
Blockchain und der Datenkonsumenten und der Daten produzenten .
Figur 1 zeigt in schematischer Ansicht den Aufbau einer Einrichtung E zur Steuerung und/oder Überwachung von entlang eines Eisenbahnnetzwerkes (hier nicht weiter dargestellt) angeordneten dezentralen Funktionseinheiten DFE1A bis DFEnA, DFE1B bis DFEnB usw. (im Nachfolgenden auch Element
Controller EC genannt) . Sollte nicht eine bestimmte
Funktionseinheit gemeint sein, werden die dezentralen
Funktionseinheiten nachfolgend mit DFE oder EC bezeichnet. Derartige dezentrale Funktionseinheiten DFE werden genutzt, um zugbeeinflussenden und/oder zugüberwachende Einheiten (u.a. auch Fahrbahnelemente genannt) zu steuern und zu überwachen. Als zugbeeinflussende Einheiten können
beispielsweise Signale, Weichen, Balisen, Linienleiter, Gleismagnete und dergleichen genannt werden. Als
zugüberwachende Einheiten können ebenfalls Balisen und
Linienleiter, aber auch Achszähler und Gleisstromkreise genannt werden. Beispielhaft wird durch die dezentrale
Funktionseinheit DFE1C ein Signal S gesteuert und überwacht. Die dezentrale Funktionseinheit DFE IC steuert dabei die Anzeige der Signalbegriffe und führt respektive assistiert bei Überwachungsfunktionen, wie beispielsweise der
Überwachung des Lampenstroms im Signalstromkreis.
Jede dezentrale Funktionseinheit DFE respektive die von gesteuerte/überwachte Einheit verfügt im gesamten Netzwerk über eine eindeutige Adresse, beispielsweise eine IP-Adresse oder eine MAC-Adresse.
Die Einrichtung E umfasst weiter ein Datentransportnetzwerk TN mit einer Anzahl von Netzzugangspunkten 2 bis 16. An einem Teil dieser Netzzugangspunkte 6 bis 16 sind
Kommunikationseinheiten 18 bis 28 angeschlossen. Das
Datentransportnetzwerk TN ist hierbei als hochverfügbares Netzwerk ausgestaltet. Solche hochverfügbaren Strukturen können sich einerseits durch eine redundante Ausführung des Netzes selbst und/oder andererseits durch eine geschickte Re organisation des Netzes beim Ausfall eines Verbindungsstückes ergeben .
Ausserdem umfasst die Einrichtung E ein übergeordnetes
Steuerungssystem 30, das neben anderen hier nicht weiter aufgeführten Komponenten eine Leitstelle LT für die
Zugdisposition, eine Stellwerkinstanz STW, einen
Achszählrechner AZ und eine Service/Diagnose-Einheit SD umfasst, die über die Netzzugangspunkte 2 und 4 mittels
Ethernet-Verbindungen an das Datentransportnetzwerk TN angeschlossen sind. Alle vorstehend genannten Bestandteile des übergeordneten Steuerungssystems 30 zeichnen sich auch dadurch aus, dass hier sowohl stationäre Anzeige- und
Bediengeräte als auch mobile Bedien- und Anzeigegeräte BA in den vielfältigsten Aufgaben zum Einsatz kommen können. Dabei sind die mobilen Bedien- und Anzeigegeräte BA, wie z.B.
Tablet-PCs, PDAs und Smart Phones, über entsprechende
Funkschnittstellen (Router) mit dem Transportnetzwerk TN und/oder den Ethernet-Verbindungen in dem übergeordneten Steuerungssystem 30 bidirektional verbunden (nicht im Detail dargestellt) .
Wie in der Figur 1 gezeigt, müssen die dezentralen
Funktionseinheiten DFE über eine der Kommunikationsgruppen 18 bis 28 und den entsprechende Netzwerkknoten 6 bis 16 an dem Transportnetzwerk TN angekoppelt sein und können so über dieses Datentelegramme erhalten oder austauschen. Die dezentralen Funktionseinheiten DFE sind dabei zu Untergruppen A, B, C, D und E mit jeweils eigenem Subnetzwerk NA, NB, NC, ND und NE zusammengefasst. Die Untergruppe A wird
beispielsweise aus den dezentralen Funktionseinheiten DFE1A, DFE2A, DFE3A bis DFEnA gebildet. Dabei sind die Untergruppen A bis E immer an ihren beiden Enden mit je einer der
Kommunikationsgruppen 18 bis 28 und einem Netzzugangspunkten 6 bis 16 verbunden. Jeder dezentralen Funktionseinheit DFE ist zudem ein Vermittlungsrechner SU oder SCU, der alternativ auch direkt in die dezentrale Funktionseinheit DFE integriert sein kann, vorgeschaltet, welcher für die dezentralen
Funktionseinheiten DFE den Anschluss an das Subnetzwerk bereitstellt, damit jede dezentrale Funktionseinheit DFE beim Ausfall einer Kommunikationsgruppe noch von einer zweiten redundanten Kommunikationsgruppe 18 bis 28 angesprochen werden kann.
Jedes Subnetzwerk (NA bis NE) ist somit aus einer Anzahl von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen von logisch benachbarten
dezentralen Funktionseinheiten (DFE) aufgebaut. Dabei ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung als autonome
Übertragungsstrecke innerhalb des Subnetzwerks ausgebildet, zum Beispiel als ISDN-Übertragungsstrecke oder als xDSL- Übertragungsstrecke oder LWL-Übertragungsstrecke . Somit kann ein einzelnes Subnetzwerk sozusagen aus einzelnen
Übertragungszellen aufgebaut werden, die ihrerseits jeweils immer nur die Übertragung von Punkt zu Punkt beherrschen müssen. Mit anderen Worten gesprochen können so
beispielsweise aus einfachen, eher kurzreichweitigen
Übertragungstechniken auch ein viel längeres und komplexeres Subnetzwerk zusammengesetzt werden. Aus diesem Grund ist es zweckmässig, die Punkt-zu-Punkt-Verbindung an jedem Ende mit einem Vermittlungsmodul (SU) zu terminieren, wodurch sich sogar die Chance ergibt, die Punkt-zu-Punkt-
Übertragungstechnik von Zelle zu Zelle zu ändern und so die jeweils geeigneteste Übertragungstechnik auswählen zu können. Ein geeignetes Vermittlungsmodul (SU) kann hierzu so
ausgestaltet sein, dass es eine Anzahl von Punkt-zu-Punkt- Übertragungstechniken bereitstellt und in Abhängigkeit von der Beschaltung selbstorganisierend die durch die Beschaltung bestimmte Punkt-zu-Punkt-Übertragungstechnik bereitstellt .
Ist nun durch die Leitstelle LT eine Zugfahrt für einen mittels einer Zugnummer eindeutig identifizierbaren Zug angefordert, erfordert dies, dass sich die Fahrbahnelemente, wie Weichen und Signale, in dem für diese Zugfahrt
erforderlichen Einstellzustand befinden. So müssen
beispielsweise die Weichen und die Signale entsprechend eingestellt und/oder im Gleis liegende Balisen zur
Abstrahlung entsprechender vom Fahrzeugrechner
interpretierbarer Telegramme eingestellt und/oder bei
Übertragung mit GSM-R entsprechend das Radio Block Center (RBC) zur Aussendung entsprechender Datensignale/Telegramme eingerichtet sein.
Bei der Vielzahl um Umfeld der sicherheitstechnischen
Aufgaben eingesetzten Bedien- und Anzeigegeräte BA ist es daher besonders bedeutsam, dass die in den Anzeigeelementen AE angezeigten Zustände, zum Beispiel der Gleise eines
Bahnhofs, auch der tatsächlichen Ist-Situation im Zeitpunkt ihrer Anzeige entsprechen. Deshalb ist an dieser Stelle ein Verfahren zum sicheren Austausch und zur sicheren Anzeige von Zustandsdaten von sicherheitstechnischen Komponenten, wie Signale, Weichen, Balisen, Loop-Kabel, Gleisstromkreise, Achszähler, in einem Schienennetzwerk zwischen den
sicherheitstechnischen Komponenten und Anzeige- und
Bediengeräten BA vorgesehen, das im Wesentlichen die
folgenden Verfahrensschritte umfasst:
a) Im Zuge der Definition der sicherheitstechnischen Aufgaben werden auch die Anzeigeelemente AE definiert, die in den Anzeige- und Bediengeräten BA zur Anzeige gebracht werden und den Nutzern verlässliche Informationen über den Zustand der Gleisanlage inkl . deren Belegung durch Zugfahrten dynamisch liefern sollen.
b) Da beispielsweise die Anzeige des Zustands eines Gleises die Auswertung von mehreren Zustandsdaten von sicherheitstechnischen Komponenten (z.B. Weichenposition und deren Verschluss, Flankenschutz, Signalbegriff,
Gleisfreimeldung usw.) erfordern kann, sind die
Anzeigeelemente AE mit dem oder den sicherheitstechnischen Komponenten zu assoziieren, deren Zustandsdaten für in den Anzeigeelementen AE angezeigten Zustände indikativ sind.
c) Unabhängig davon, ob der Zugverkehr in einem automatischen Modus nach vorliegendem Fahrplan abgewickelt werden kann oder ob einzelne Zugfahrten manuell auf der Dispositionsebene (beispielsweise von der Fahrdienstleitung) einzustellen sind, müssen die sicherheitstechnischen Komponenten von der
Stellwerkinstanz STW in Abhängigkeit von durch die
Zugdisposition angeforderten Zugfahrten eingestellt werden. Erst nach einer sicheren Rückmeldung der angeforderten
Einstellzustände kann dann der Fahrtbegriff signalisiert werden, beispielsweise durch Anzeige des entsprechenden
Signallichts und/oder durch Übertragung eines Datentelegramms von einer gleisseitig angeordneten Balise in den Führerstand einer Lokomotive oder eines Steuerwagens und/oder durch
Übertragung eines Datentelegramms via GSM-R von einem RBC an den Führerstand einer Lokomotive oder eines Steuerwagens. d) Während dieser gesamten Einstellvorgänge werden die
Zustände der sicherheitstechnischen Komponente ständig auf sich in der Abfolge der angeforderten Zugfahrten etwaig einstellende Veränderungen der Werte W der Anzeigeelemente AE ausgewertet .
e) Kommt es nun tatsächlich zu einer Veränderung eines Wertes W für ein Anzeigeelement AE, werden die den Wechseln
zugeordneten Werte W für jedes Anzeigeelement AE in einer Blockchain BC abgespeichert und verwaltet. Mit anderen Worten heisst dies, dass jede Änderung des in dem Anzeigeelement AE anzuzeigenden Zustand eine neue Transaktion Ti darstellt, die gemäss der Blockchain-Algorithmen mit einer Prüfsumme
versehen verschlüsselt in der Blockchain BC abgespeichert wird .
f) In Antwort auf eine Veränderung eines Wertes W für ein Anzeigeelement AE werden dann die in der Blockchain BC abgespeicherten Werte der Anzeigeelemente AE an zumindest einen Teil (in der Regel wahrscheinlich an alle beteiligten) der Bedien- und Anzeigegeräte BA ausgegeben. Dort kann der Inhalt der Blockchain BC anhand der entsprechenden
Entschlüsselung unter Überprüfung der Prüfsumme rekonstruiert und der aktuelle Wert W für das Anzeigeelement AE angezeigt werden, z.B. Zustände, wie Gleis frei, Weichenlage links, Flankenschutz durch Verriegelung der Weiche eines
Nachbargleises erzielt und dergleichen.
Durch den Einsatz der Block Chain Technologie zur
Signalisierung und Anzeige von Zuständen einzelner
sicherheitstechnischer Komponenten (Gleis, Verschlüsse,...) können auf den Bedien- und Anzeigegeräten BA immer die aus der Blockchain BC extrahierten Zustandsdaten angezeigt werden. Jedes Anzeigeelement AE wird in einer eigenen
Blockchain BC verwaltet. Jeder Zustandswechsel wird daher in der Blockchain BC erfasst und archiviert. Es existiert daher unter allen Teilnehmern der Blockchain BC ein Konsens über den Zustand des Anzeigeelements AE; folglich kann eine falsche Anzeige durch den damit möglichen Abgleich verhindert werden. Somit kann ein mobiles Bedien-und Anzeigegerät BA mit den beteiligten anderen Rechnern/Bediengeräten den aktuellen Zustand des Anzeigeelementes AE abgleichen.
Durch den Austausch der Informationen zwischen den
beteiligten Rechnern, z.B. Rechner der Stellwerkinstanz STW, Rechner der Leitstellt LT, und dem Blockchain-Algorithmus kann eine einkanalige Architektur für die mobilen Bedien- und Anzeigegeräte BA eingesetzt werden. Die Sicherheit über die korrekte Information wird durch die digitale Signatur des entsprechenden Blockes N (siehe Figur 2) der Blockchain BC erreicht .
Aufgrund der Archivierung der Werte für die Anzeigeelemente AE innerhalb der Blockchain BC kann auch das Thema Diagnose und Log-File gleichzeitig gelöst werden. Alle Zustandswechsel werden in der Blockchain BC archiviert und stehen damit zur Diagnose zur Verfügung (nachträglich, als auch zeitgleich) . Figur 3 zeigt in einer vereinfachten Übersicht die involvierten funktionalen und statischen Komponenten zur Computerimplementierung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Die Blockchain BC ist als verteiltes Datenbanksystem
realisiert, bei dem die einzelnen Blöcke Ni durch Pointer miteinander verlinkt sind. Verteilt heisst hier insbesondere, dass die einzelnen Blöcke Ni, Ni+i ... keine bestimmte
geographische Zuordnung oder eine Zuordnung zu einem
bestimmten Server aufweisen. Die Integrität der Blöcke Ni ist durch einen Hashwert - (ebenfalls im betreffenden Block Ni abgelegt) gewährleistet. Der hierzu verwendete Hash- Algorithmus wandelt dabei die Werte für die Anzeigeelemente in einen Hashwert um. Daher führen nur absolut identische Daten auch wieder zu demselben Hashwert, wodurch die zu prüfende Zeichenkette stets auf ihre Authentizität überprüft werden kann. Der Zugriff zur Speicherung der Werte W in den Blöcken Ni, Ni-, ... erfolgt über ein sogenanntes Orakel 30. Im vorliegenden Fall ist die Leitstelle LT mit dem Orakel 30 verbunden. In einer konkreten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden die von der Leitstelle LT erfassten Werte, die beispielsweise von der Stellwerkinstanz STW generiert worden sind, wo notwendig zusammengefasst und die Werte W für die Anzeigeelemente bestimmt. Bei einer Änderung werden die betreffenden Werte W für das entsprechende Anzeigeelement zur Speicherung in der zugehörigen Blockchain BC bestimmt und dem Orakel 30 zur Ablage in einem Block Ni der Blockchain BC übermittelt. Für das Rücklesen der in den Blöcken der
Blockchain BC gespeicherten Daten können sogenannte Wallets 33 verwendet werden, über die auch Abrechnungsvorgänge nach zuvor definierten Smart Contracts zum Beispiel zur
Verrechnung von Streckennutzungsgebühren abgewickelt werden können .
Fig. 2 zeigt die prinzipielle Struktur der Knoten Ni der Blockchain B. Mit CRC ist ein Hashwert über den ganzen Knoten Ni zur Sicherung der Authentizität des betreffenden Knotens bezeichnet. Im Headeri ist die Struktur und Grösse des betreffenden Knotens Ni festgelegt. Die Transaktion Tii, Ti2, beinhalten die einzelnen Werte für die Anzeigeelemente und gegebenfalls zusätzliche bei den Einstellvorgängen erfasste Daten wie Zeitstempel und dergleichen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum sicheren Austausch und zur sicheren Anzeige von Zustandsdaten von sicherheitstechnischen Komponenten, wie Signale, Weichen, Balisen, Loop-Kabel, Gleisstromkreise, Achszähler, in einem Schienennetzwerk zwischen den
sicherheitstechnischen Komponenten (S) und Anzeige- und
Bediengeräten (BA) , umfassend die folgenden
Verfahrensschritte :
a) Definieren von Anzeigeelementen (AE) in den Anzeige- und Bediengeräten (BA) ;
b) Assoziieren der Anzeigeelemente (AE) mit den
sicherheitstechnischen Komponenten (S) , deren Zustandsdaten für in den Anzeigeelementen (AE) angezeigten Zustände
indikativ sind;
c) Einstellen der sicherheitstechnischen Komponenten (S) von einer Stellwerkinstanz (STW) in Abhängigkeit von durch eine Zugdisposition angeforderten Zugfahrten;
d) Auswerten der Zustände der sicherheitstechnischen
Komponente (S) auf sich in der Abfolge der angeforderten Zugfahrten etwaig einstellende Veränderungen der Werte (W) der Anzeigeelemente (AE) ;
e) Abspeichern und Verwalten der den Wechseln zugeordneten Werte (W) für jedes Anzeigeelement (AE) in einer Blockchain (BC) ; und
f) Ausgeben der in der Blockchain (BC) abgespeicherten Werte (W) der Anzeigeelemente (AE) an zumindest einen Teil der Bedien- und Anzeigegeräte (BA) .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzeige- und Bediengeräte (BA) mobile Geräte sind.
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