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TSN, 보다 안전한 열차 네트워크로의 진화… 안전성 높이고 장치케이블 수 줄여
네트워크 및 여러 도메인간 실시간 클럭도 공유

[글 Alonso Martinez / Moxa 온보드 애플리케이션 엔지니어링 매니저] 전통적으로 철도 산업에서는 열차 제어 전용 통신 네트워크와 철도 신호용, 비디오 보안 및 승객 정보 시스템용 등 여러 통신 네트워크를 열차에 구축하는 것이 일반적이다. 여기에 승객들이 와이파이(Wi-Fi)에 연결할 수 있도록 추가 네트워크를 배치하기도 한다. 이러한 통신 네트워크는 MVB, CAN, PROFIBUS와 같이 레거시 인터페이스를 사용하고 있는데, 대부분 대역폭이 제한적이고 인터페이스를 결합할 경우 게이트웨이가 필요하다.

차세대 열차 통신 네트워크는 전반적으로 열차 네트워크의 안전성과 신뢰성을 향상시키는 것은 물론, 장치 및 케이블의 수를 줄여준다. 또한 TSN 기술을 통해 안전에 중요한 데이터를 안정적으로 전송하고, 기존의 이더넷 프로토콜을 통해 비안전 데이터를 전송할 수 있다. [사진=Moxa]

한편 이러한 네트워크는 물리적으로 분할돼 있고, 안전 및 비안전 기능을 명확하게 구분한다. 그러나 이러한 유형의 솔루션은 열차 제어 및 모니터링 시스템 아키텍처의 복잡성과 비용을 증가시키고, 궁극적으로는 열차의 수명주기에 따른 비용을 증가시킨다.

CONNECTA-2 및 Safe4RAIL-2 프로젝트는 이러한 다중 열차 네트워크를 융합하고, 열차 제조 및 유지보수 비용 절감을 목표로 전자장치 네트워크상의 열차 제어 및 모니터링 시스템(TCMS: Train Control and Monitoring System)에 대한 모든 제어 파라미터를 디지털 방식으로 전송하는 데이터 중심 드라이브(Drive-by-Data) 개념을 도입했다.

이를 위해 두 컨소시엄은 서로 다른 제조업체의 열차간 완벽한 상호운용성을 달성할 수 있도록 IEC 61375에 기반한 차세대 열차 통신 네트워크(NG-TCN : Next Generation of Train Communication Network)에 대한 정의 및 개발 작업을 진행하고 있다. 새로운 정의에는 새롭게 설계된 열차 네트워크 토폴로지와 새롭게 구현된 안전 네트워크 개시 프로세스가 포함돼 있으며, 안전 통신 레벨은 최대 SIL4까지 향상되고, TSN(Time-Sensitive Networking) 기술이 도입됐다. 이러한 개선사항은 아래 설명된 것처럼, 이미 차세대 열차 통신 네트워크 장치에 통합되고 있다.

새로운 열차 네트워크 토폴로지 [자료=Moxa]

안전성이 향상된 차세대 열차 통신 네트워크

새로운 열차 네트워크 토폴로지는 동적 VLAN 재구성으로 중요 데이터와 중요하지 않은 데이터를 위한 이중화 통신 채널을 생성하기 위해 2개의 독립적인 ETB(Ethernet Train Back bone) 데이터 전송 라인으로 구성된다. 최대 SIL4 레벨의 안전한 열차 개통 프로세스는 매우 안정적으로 열차 결합 및 분리 절차를 수행한다. 이렇듯 수정된 메커니즘은 열차와 구성 및 차량 방향 등과 같은 열차 개시 프로세스의 파라미터에 기반해 열차의 안전 기능을 적용하기 위해 표준 이더넷 통신을 사용한다.

안전한 통신 채널은 SDTv4 프로토콜을 활용해 최대 SIL4 레벨의 안전 기능을 지원하고, 구성 전반에 걸쳐 종단 장치 간의 P2P(Point-to-Point) 정보 교환을 위한 안전한 환경을 보장한다. TSN 기술은 안전에 중요한 데이터 교환을 위한 시간 슬롯을 정의하고, 이 시간동안 비안전 데이터가 네트워크를 통해 전송되는 것을 방지한다.

차세대 열차 통신 네트워크 장치 간의 상호 운용성

TSN 기술을 함한 차세대 열차 통신 네트워크 장치 개발은 관련 업계에 중요한 돌파구가 될 것으로 예상된다. Moxa는 Safe4RAIL-2 컨소시엄의 다른 파트너들과 함께 차세대 열차 통신 네트워크 장치를 성공적으로 개발하고, 보다 안전한 열차 네트워크로 나아가기 위한 중요한 이정표를 수립했다.

특히 Moxa의 장치에 내장된 통합 TSN 기술과 상호 운용성에 대한 유효성 검증은 열차 네트워크를 융합하고, 전반적인 열차 비용을 절감하기 위한 Safe4RAIL-2 프로젝트의 핵심 목표를 달성하는데 크게 기여하고 있다. TSN 기술의 주요 특징은 다음과 같다.

TSN 장치는 이중화 클럭 동기화로 네트워크간 공통된 실시간 클럭을 공유한다. [사진=Moxa]

a) 이중화 클럭 동기화

TSN 장치는 IEEE 802.1AS-rev에 정의된 이중화 클럭 동기화를 통해 네트워크 및 여러 도메인 간에 공통된 실시간 클럭을 공유할 수 있다.

b) 결정론적 데이터 전송

IEEE 802.1Qbv에 따라 스케쥴이 지정된 트래픽은 중요한 트래픽이 예측 가능한 고정된 시간 간격으로 전송되도록 보장한다.

c) 중요 트래픽 이중화

프레임 복제 및 제거를 통해 IEEE 802.1CB 표준을 지원하는 두 ETB 라인에서 ECN 간의 중요 트래픽에 대한 이중화된 전송이 가능하다.

차세대 열차 통신 네트워크는 전반적으로 열차 네트워크의 안전성과 신뢰성을 향상시키는 것은 물론, 장치 및 케이블의 수를 줄여준다. 또한 TSN 기술을 통해 안전에 중요한 데이터를 안정적으로 전송하고, 기존의 이더넷 프로토콜을 통해 비안전 데이터를 전송할 수 있다.

Moxa는 컨소시엄 파트너와 함께 향후 IEC 61375 표준 확장을 위한 새로운 요구사항들이 적절하게 정의되었는지 검증하기 위해 엄격한 상호 운용성 테스트를 수행했다. 이러한 기술 개발 및 통합은 차세대 열차 통신 네트워크를 실현하고, 열차 제조업체 간의 완벽한 상호 운용성을 달성하는데 획기적인 도약의 계기가 될 것이다.

 

[최종윤 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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