RU2572284C1

RU2572284C1 - Data communication system for locomotive systems with critical information server using electronic signature

Info

Publication number: RU2572284C1
Application number: RU2014146882/11A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Батраев; Олег Юрьевич Куприенко; Александр Анатольевич Пронин; Геннадий Дмитриевич Масалов; Ефим Наумович Розенберг; Елена Евгеньевна Шухина
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-01-10

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: system comprises a stationary two-channel communication device, having a central processing unit, an encryption unit, a communication unit, a cryptographic gateway, network adapter and electronic signature unit, a decision unit and an analysis unit. An on-board communication device, whose channel consists of a microcontroller, a memory unit and a galvanic decoupler, a socket connected via a CAN bus to a locomotive safety system. The on-board communication device is two-channel, each channel including a decryption unit, a transceiver, a socket, a galvanic decoupling unit, a microcontroller, a memory unit in the form of two independent modules. Microcontrollers of the channels are connected to each other through an inter-channel galvanic decoupling unit, the CAN bus is connected to an automatic train operation system, one of the microcontrollers of the on-board communication device and the central processing unit of the second channel of the stationary communication device are connected to each other by a communication link through radio channel modules. The system includes a server device, which includes a central processing unit, an input/output unit, a memory unit, an electronic signature unit, a network adapter unit connected to an external data unit and the network adapter of the stationary communication device.

EFFECT: high fault tolerance.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, может быть использовано на электровозах, эксплуатируемых в пассажирском, скоростном, высокоскоростном и грузовом движении поездов, в том числе применяемых и для высокоскоростного движения, а также в составе многоуровневых систем интервального регулирования.The invention relates to the field of railway automation, telemechanics and communications, can be used on electric locomotives operated in passenger, high-speed, high-speed and freight trains, including those used for high-speed movement, as well as in multi-level interval control systems.

Известна система для управления движением поездов, содержащая центральный пункт управления, на котором размещена ЭВМ АРМ оператора управления движением поезда, к портам которой подключены блок аппаратуры поста ЭЦ, блок устройств телеуправления и телесигнализации и стационарное устройство с локомотивами, на каждом пункте порты блока устройств телеуправления и телесигнализации соединены с каналами связи, а стационарное устройство радиосвязи с локомотивами посредством радиоканала соединено с бортовыми приемопередающими устройствами, установленными на локомотивах, причем на каждом локомотиве к портам бортовой ЭВМ подключены бортовое приемопередающее устройство, дисплей, блок управления движением поезда и приемник спутниковой навигационной системы (Кравцов Ю.А. «Системы железнодорожной автоматики и телемеханики» М.: Транспорт. 1996, с. 293-294).A known system for controlling the movement of trains, containing a central control center on which the computer is located AWP operator of the movement control of the train, to the ports of which are connected a block of equipment of the EC station, a block of telecontrol and remote signaling devices and a stationary device with locomotives, at each point the ports of the block of telecontrol devices and remote signaling systems are connected to communication channels, and a stationary radio communication device with locomotives is connected via a radio channel to airborne transceiver devices installed on locomotives, and on each locomotive, an onboard transceiver device, a display, a train control unit and a satellite navigation system receiver are connected to the ports of the on-board computer (Yu.A. Kravtsov “Railway Automation and Telemechanics Systems” M .: Transport. 1996, p. . 293-294).

К недостаткам системы следует отнести ограничения по протяженности участка централизованного управления из-за значительных затрат при реализации линий связи до удаленных линейных пунктов, избыточный расход аппаратуры и потребляемой электроэнергии при малой интенсивности движения поездов через контролируемые пункты.The disadvantages of the system include restrictions on the length of the centralized control section due to significant costs in the implementation of communication lines to remote line points, excessive consumption of equipment and consumed electric power at low train traffic through controlled points.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является устройство регистрации сигналов автоматической локомотивной сигнализации и комплекс контроля кодирования сигналов автоматической системы сигнализации RU 118935, B61L 25/00, от 28.12.2011, содержащее установленные в корпусе микроконтроллер, блок аналого-цифрового преобразования, включенный между первым входом устройства, предназначенным для подключения устройства к выводам локомотивных катушек приема сигналов системы АЛС и первым информационным входом микроконтроллера, соответствующими выходами подключенного к входам съемного носителя памяти и блока индикации, элементы индикации которого расположены на лицевой панели корпуса, а также комплекс контроля кодирования сигналов АСС, содержащий установленное на локомотиве с бортовым локомотивным устройством безопасности устройство регистрации и стационарное устройство дешифрации данных, включающее центральный процессор с блоком отображения, блоком считывания данных съемного носителя памяти устройства регистрации и блоком ввода-вывода.Closest to the claimed technical solution in its technical essence, selected as a prototype, is a device for recording automatic locomotive signaling signals and a control system for encoding signals of an automatic alarm system RU 118935, B61L 25/00, dated 12.28.2011, containing a microcontroller installed in the housing, an analog-to-digital conversion unit included between the first input of the device, designed to connect the device to the terminals of the locomotive signal reception coils of the ALS system and the first information input of the microcontroller, the corresponding outputs of the removable storage medium and an indication unit connected to the inputs, the indication elements of which are located on the front panel of the case, as well as an ACC signal coding control complex, comprising a registration device and a stationary decryption device mounted on a locomotive with an on-board locomotive safety device data, including a central processor with a display unit, a data read unit of a removable storage medium of the device registration and input-output unit.

Недостатком известного устройства является невозможность производить запись в независимые блоки памяти, осуществлять взаимодействие со стационарными системами по радиоканалу, низкие пропускная способность и отказоустойчивость, что влияет на время получения ответственной информации, увеличивает время на обработку информации, снижает надежность управления и безопасность движения поездов, влияние человеческого фактора при управлении подвижным составом на безопасность движения.A disadvantage of the known device is the inability to record to independent memory units, interact with stationary systems via a radio channel, low bandwidth and fault tolerance, which affects the time it takes to receive critical information, increases the time for processing information, reduces the reliability of control and the safety of train movements, the human impact factor in the management of rolling stock on traffic safety.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение отказоустойчивости устройства и достоверности передачи ответственных команд по радиоканалу.The technical result of the proposed technical solution is to increase the fault tolerance of the device and the reliability of the transmission of critical commands over the air.

Технический результат достигается тем, что в системе обмена данными локомотивных систем с сервером ответственной информации с использованием электронной подписи, содержащей стационарное устройство связи, канал которого состоит из центрального процессора, соединенного портом с блоком памяти, вход центрального процессора соединен с выходом блока принятия решения, вход которого соединен с выходом блока анализа, подключенного к выходу центрального процессора, и бортовое устройство связи, канал которого состоит из микроконтроллера, соединенного портами с блоком памяти и гальванической развязкой, и разъема, соединенного через CAN шину с локомотивной системой безопасности, согласно предложению стационарное устройство связи выполнено двухканальным, причем в каждом канале введены и подключены к центральному процессору блок шифрации и блок связи, при этом блок связи каждого канала соединен с криптографическим шлюзом, центральный процессор первого канала соединен портами с блоками электронной подписи и сетевого адаптера, центральный процессор второго канала портом соединен с модулем радиоканала, бортовое устройство связи выполнено двухканальным, причем в каждом канале введены блок дешифрации и трансивер, который подключен к разъему, а через блок гальванической развязки соединен с микроконтроллером, к которому подключен блок дешифрации, блок памяти выполнен в виде двух независимых модулей, а микроконтроллеры каналов соединены между собой через блок межканальной гальванической развязки, с CAN шиной соединена система автоведения, один из микроконтроллеров бортового устройства связи и центральный процессор второго канала стационарного устройства связи соединены между собой каналом связи через соответствующие модули радиоканала, введено серверное устройство, включающее центральный процессор соединенный портами с блоками ввода/вывода, блоком памяти, блоком электронной подписи и блоком сетевого адаптера, соединенного с блоком внешних данных и сетевым адаптером стационарного устройства связи.The technical result is achieved in that in a data exchange system of locomotive systems with a critical information server using an electronic signature containing a stationary communication device, the channel of which consists of a central processor connected by a port to a memory unit, the input of the central processor is connected to the output of the decision unit, input which is connected to the output of the analysis unit connected to the output of the central processor, and an on-board communication device, the channel of which consists of a microcontroller, soy fixed by ports with a memory unit and galvanic isolation, and a connector connected via a CAN bus to a locomotive security system, according to the proposal, the stationary communication device is made two-channel, with an encryption unit and a communication unit introduced and connected to the central processor in each channel, while the communication unit of each the channel is connected to a cryptographic gateway, the central processor of the first channel is connected by ports to the electronic signature and network adapter blocks, the central processor of the second channel is connected to nen with a radio channel module, the on-board communication device is made two-channel, with a decryption unit and a transceiver connected to the connector inserted in each channel, and connected to a microcontroller to which a decryption unit is connected through a galvanic isolation unit, the memory unit is made in the form of two independent modules, and channel microcontrollers are interconnected via an inter-channel galvanic isolation unit, an auto-driving system, one of the microcontrollers of the on-board communication device and the central process are connected to the CAN bus The second channel of the stationary communication device is interconnected by a communication channel through the corresponding radio channel modules, a server device has been introduced, including a central processor connected by ports to I / O blocks, a memory block, an electronic signature block and a network adapter unit connected to an external data unit and a network adapter stationary communication device.

На чертеже представлена схема системы обмена данными локомотивных систем с сервером ответственной информации с использованием электронной подписи.The drawing shows a diagram of a data exchange system of locomotive systems with a responsible information server using an electronic signature.

Система обмена данными локомотивных систем с сервером ответственной информации с использованием электронной подписи содержащая стационарное устройство связи 2, канал которого состоит из центрального процессора 25, соединенного портами с блоком памяти 28, вход центрального процессора соединен с выходом блока принятия решения 26, вход которого соединен с выходом блока анализа 27, подключенного к выходу центрального процессора 25, бортовое устройство связи 1, канал которого состоит из микроконтроллера 16, соединенного портами с блоком памяти 13, гальванической развязкой 11, и разъема 7, соединенного через CAN шину 6 с локомотивной системой безопасности 5, причем стационарное устройство связи 2 выполнено двухканальным, в каждом канале введены и подключены к центральному процессору 25 (34) блок шифрации 23 (38), блок связи 29 (32), при этом блок связи каждого канала соединен с криптографическим шлюзом 31, центральный процессор 25 первого канала соединен порталами с блоком электронной подписи 30 и сетевым адаптером 24, второй порт которого подключен к серверному устройству 3 через блок сетевого адаптера 41, центральный процессор 34 второго канала портом соединен с модулем радиоканала 33, бортовое устройство связи 1 выполнено двухканальным, причем в каждом канале введены блок дешифрации 21 (22) и трансивер 9 (10), который подключен к разъему 7 (8), а через блок гальванической развязки 11 (12) соединен с микроконтроллером 16 (15), к которому подключен блок дешифрации 21 (22), блок памяти 13 (18), независимый блок памяти 18 (20), а микроконтроллеры 16 (15) каналов соединены между собой через блок межканальной гальванической развязки 19, с CAN шиной 6 соединена система автоведения 4, один из микроконтроллеров 15 бортового устройства 1 и один из центральных процессоров 34 стационарного устройства связи 2 соединены между собой каналом связи через соответствующие модули радиоканала 33, 14, введено серверное устройство 3, включающее центральный процессор 43 соединенный портами с блоками ввода/вывода 45, блоком памяти 44, блоком электронной подписи 42 и блоком сетевого адаптера 41, второй порт которого соединен с блоком внешних данных 39 и стационарным устройством связи 2 через блок сетевого адаптера 24.A data exchange system for locomotive systems with a critical information server using an electronic signature containing a stationary communication device 2, the channel of which consists of a central processor 25 connected by ports to a memory unit 28, the input of the central processor is connected to the output of the decision block 26, the input of which is connected to the output an analysis unit 27 connected to the output of the central processor 25, an on-board communication device 1, the channel of which consists of a microcontroller 16 connected by ports to a memory unit 13 , galvanic isolation 11, and connector 7, connected via CAN bus 6 to the locomotive security system 5, and the stationary communication device 2 is made two-channel, in each channel the encryption block 23 (38) is inserted and connected to the central processor 25 (34), communication block 29 (32), wherein the communication unit of each channel is connected to a cryptographic gateway 31, the central processor 25 of the first channel is connected by portals to the electronic signature unit 30 and network adapter 24, the second port of which is connected to the server device 3 through the network adapter Tera 41, the central processor 34 of the second channel is connected by a port to the module of the radio channel 33, the on-board communication device 1 is made two-channel, with a decryption unit 21 (22) and a transceiver 9 (10) connected to the connector 7 (8) in each channel through the galvanic isolation unit 11 (12) is connected to the microcontroller 16 (15), to which the decryption unit 21 (22), the memory unit 13 (18), the independent memory unit 18 (20) are connected, and the microcontrollers 16 (15) of the channels are connected between through the interchannel galvanic isolation block 19, the CAN system 6 is connected to the CAN bus 4, one of the microcontrollers 15 of the on-board device 1 and one of the central processors 34 of the stationary communication device 2 are interconnected by a communication channel via the corresponding modules of the radio channel 33, 14, a server device 3 has been introduced, including a central processor 43 connected by ports to the input / output blocks 45 , a memory unit 44, an electronic signature unit 42 and a network adapter unit 41, the second port of which is connected to the external data unit 39 and the stationary communication device 2 through the network adapter unit 24.

Система обмена данными локомотивных систем с сервером ответственной информации с использованием электронной подписи работает следующим образом.The data exchange system of locomotive systems with a critical information server using an electronic signature works as follows.

Центральный процессор 25 стационарного устройства 2 с заданной периодичностью и с использованием блока электронной подписи 30 и блока сетевого адаптера 24 формирует запрос на получение временных ограничений скорости на серверное устройство 3. Блок электронной подписи 30 удостоверяет запрос временных ограничений, после чего центральный процессор 25 отсылает его на блок сетевого адаптера 24, который в свою очередь доставляет его через блок сетевого адаптера 41 на серверное устройство 3. Центральный процессор 43, используя данные своего блока электронной подписи 42, проверяет запрос на правильность, корректность и актуальность удостоверяющей подписи, которой было удостоверено сообщение. Центральный процессор 43, получив данные о временных ограничениях из блока памяти 44 и блока внешних данных 39, отправив запрос через блок сетевого адаптера 41, отправляет актуальные данные в центральный процессор 25 стационарного устройства связи 2 через сетевой адаптер 24, который производит анализ полученной информации с помощью блока электронной подписи 30. Блок шифрации 23 производит шифрацию сообщения с временными ограничениями скорости через центральный процессор 25 уникальным ключом, который содержится в блоке памяти 28 (на чертеже не показан). Блок анализа 27 проверяет корректность произведенной шифрации и анализ полноты сообщения. Блок принятия решения 26 выдает окончательное подтверждение корректности информации в сформированном пакете данных.The central processor 25 of the stationary device 2 with a predetermined frequency and using the electronic signature unit 30 and the network adapter unit 24 generates a request for time speed limits to the server device 3. The electronic signature unit 30 confirms the time limit request, after which the central processor 25 sends it to the network adapter unit 24, which in turn delivers it through the network adapter unit 41 to the server device 3. The Central processor 43, using the data of its block ele ctron signature 42, checks the request for the correctness, correctness and relevance of the certifying signature with which the message was authenticated. The central processor 43, having received data on time constraints from the memory unit 44 and the external data unit 39, sending a request through the network adapter unit 41, sends actual data to the central processor 25 of the stationary communication device 2 through the network adapter 24, which analyzes the information obtained using the electronic signature unit 30. The encryption unit 23 encrypts the message with time-limited speed through the central processor 25 with a unique key, which is contained in the memory unit 28 (not shown in the drawing azan). The analysis unit 27 checks the correctness of the encryption and the analysis of the completeness of the message. The decision block 26 issues a final confirmation of the correctness of the information in the generated data packet.

Данный информационный пакет пересылается центральным процессором 25 на блок связи 29, который в свою очередь отправляет данное сообщение на криптографический шлюз 31, который анализирует информационный пакет на предмет корректности сообщения, соблюдения протокола передачи и наличия недекларируемых функций. Центральный процессор 34 через блок связи 32 получает информационный пакет от криптографического шлюза 31. Используя модуль шифрации 38, процессор 34 производит повторную шифрацию информационного пакета ключом, который содержится в блоке памяти 35 (на чертеже не показан). Блок анализа 37 проверяет корректность произведенной шифрации и анализ полноты сообщения, а блок принятия решения 36 выдает центральному процессору 34 окончательное подтверждение корректности информации в сформированном пакете данных. Центральный процессор 34, после окончательно сформированного пакета данных, отсылает его в модуль радиосвязи 33, который через канал связи передает его в бортовое устройство связи 1 на вход модуля радиоканала 14.This information packet is sent by the central processor 25 to the communication unit 29, which in turn sends this message to the cryptographic gateway 31, which analyzes the information packet for the correctness of the message, compliance with the transmission protocol and the presence of undeclared functions. The Central processor 34 through the communication unit 32 receives the information packet from the cryptographic gateway 31. Using the encryption module 38, the processor 34 re-encrypts the information packet with a key that is contained in the memory block 35 (not shown). The analysis unit 37 checks the correctness of the encryption and analysis of the completeness of the message, and the decision unit 36 gives the central processor 34 a final confirmation of the correctness of the information in the generated data packet. The central processor 34, after the data packet is finally formed, sends it to the radio communication module 33, which transfers it through the communication channel to the on-board communication device 1 to the input of the radio channel module 14.

Обработав пакет данных, он передает его в микроконтроллер 15, который сохраняет его в независимых блоках памяти 18, 20, после чего транслирует пакет данных контроллеру 16 через гальваническую развязку 19.Having processed the data packet, it transfers it to the microcontroller 15, which stores it in independent memory units 18, 20, after which it transmits the data packet to the controller 16 through galvanic isolation 19.

Получив информацию, микроконтроллеры 15, 16 начинают дешифрацию зашифрованных пакетов. Блок дешифрации 21 первого канала содержит ключ блока шифрации 23 стационарного устройства 1, а блок дешифрации 22 второго канала содержит ключ блока шифрации 38 стационарного устройства 1. При успешном декодировании информации блоки дешифрации 21 и 22 уведомляют микроконтроллеры 15, 16, после чего независимо каждый из микроконтроллеров уведомляет локомотивные системы 4, 5 о наличии новых данных. При ответном запросе от локомотивных систем каждый канал устройства независимо начинает передачу полученной информации через гальванические развязки 11, 12, трансиверы 9, 10, разъемы 7, 8 и CAN шину 6 в локомотивные системы 4, 5. Корректность информации проверяется локомотивными системами на внутренних блоках безопасного сравнения (на чертеже не показано). При необходимости локомотивные системы безопасности могут запрашивать информацию из бортового устройства связи 1. Используя блоки памяти 13, 17 и 18, 20, микроконтроллеры 15, 16 бортового устройства 1 фиксируют корректность передачи и диагностическую информацию, уведомляя локомотивные системы безопасности о количестве сбоев в системе.Having received the information, the microcontrollers 15, 16 begin to decrypt the encrypted packets. The decryption unit 21 of the first channel contains the key of the encryption unit 23 of the stationary device 1, and the decryption unit 22 of the second channel contains the key of the encryption unit 38 of the stationary device 1. Upon successful decoding of the information, the decryption units 21 and 22 notify the microcontrollers 15, 16, after which each of the microcontrollers independently notifies locomotive systems 4, 5 of the availability of new data. Upon a response request from locomotive systems, each channel of the device independently starts transmitting the received information through galvanic isolation 11, 12, transceivers 9, 10, connectors 7, 8 and CAN bus 6 to locomotive systems 4, 5. The correctness of the information is checked by locomotive systems on internal safe blocks comparison (not shown in the drawing). If necessary, locomotive security systems can request information from the on-board communication device 1. Using memory blocks 13, 17 and 18, 20, the microcontrollers 15, 16 of the on-board device 1 record the correct transmission and diagnostic information, notifying the locomotive security systems of the number of failures in the system.

Таким образом, дублирование каналов бортового и стационарного устройств связи, независимое шифрование и дешифрация информации устройствами связи, контроль и анализ локомотивных устройств безопасности и сохранение ее в независимых блоках памяти бортового устройства связи, информационного обмена шины CAN с его последующим программным анализом посредством микроконтроллеров, обмен пакетом данных ответственной информации с внешними устройствами, путем независимой двухканальной передачи информации бортовым устройством связи в CAN шину локомотивных устройств, а также наличие блока электронной подписи позволило повысить отказоустойчивость устройства и достоверность передачи ответственных команд по радиоканалу, а также позволило снизить человеческий фактор при управлении подвижным составом путем безопасной передачи ответственной информации бортовым устройством связи в локомотивные устройства для последующей обработки без участия человека.Thus, duplication of channels of on-board and stationary communication devices, independent encryption and decryption of information by communication devices, monitoring and analysis of locomotive safety devices and its storage in independent memory blocks of the on-board communication device, CAN bus information exchange with its subsequent software analysis via microcontrollers, packet exchange data of responsible information with external devices, by means of independent two-channel information transfer by the on-board communication device to the CAN bus of comotative devices, as well as the availability of an electronic signature unit, increased the device fault tolerance and the reliability of transmission of critical commands over the air, as well as reduced the human factor in rolling stock control by safely transferring critical information by the on-board communication device to locomotive devices for subsequent processing without human intervention.

Claims

A data exchange system for locomotive systems with a critical information server using an electronic signature, containing a stationary communication device, the channel of which consists of a central processor connected by a port to a memory unit, the input of the central processor connected to the output of the decision unit, the input of which is connected to the output of the analysis unit connected to the output of the central processor, and an on-board communication device, the channel of which consists of a microcontroller connected by ports to a memory unit and galvanic decoupling, and a connector connected via CAN bus to a locomotive security system, characterized in that the stationary communication device is dual-channel, with an encryption unit and a communication unit introduced and connected to the central processor in each channel, while the communication unit of each channel is connected to a cryptographic gateway, the central processor of the first channel is connected by ports to the blocks of electronic signature and network adapter, the central processor of the second channel is connected by a port to the radio channel module, on-board device The communication is performed by two channels, and in each channel a decryption unit and a transceiver are introduced, which is connected to the connector, and through the galvanic isolation unit it is connected to the microcontroller to which the decryption unit is connected, the memory unit is made in the form of two independent modules, and the channel microcontrollers are interconnected via interchannel galvanic isolation unit, auto-driving system, one of the microcontrollers of the on-board communication device and the central processor of the second channel of the stationary device are connected to the CAN bus ides are interconnected by a communication channel through the corresponding modules RB, introduced server device including a central processor coupled to ports I / O blocks, memory block, the electronic signature and the block of the network adapter connected with an external data unit and the network adapter stationary communication device.