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Sistema ferroviario de enclavamiento
electrónico en FPGA
Esp. Ing. Martín Nicolás Menéndez
Director: Dr. Ing. Ariel LutenbergCodirector: Mg. Ing. Facundo Larosa
Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos
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CONICET-GICSAFeGrupo de Investigación en Calidad y Seguridad de las Aplicaciones Ferroviarias
2
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IntroducciónEstado actual de la red ferroviaria
3
1
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Red ferroviaria argentina
4
La red ferroviaria requiere diversas mejoras.
En particular, en los sistemas para evitar colisiones de
trenes.
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Red ferroviaria - Bypass
5
¡Necesitamos “algo” para evitar colisiones!
Circulación en ambas direcciones utilizando solo una vía.
Sirve para cubrir largas distancias con vías simples.
A B
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Estación ferroviaria típica
6
Permite viajar en ambos sentidos
¡Necesitamos controlar las barreras!
Estación
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Hub ferroviario típico
7¡Necesitamos coordinar trenes en simultáneo!
Estación
Estación
Estación
Taller ferroviario
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Terminal ferroviaria típica
8
Estación
Estación
Estación
Estación
¡Necesitamos coordinar trenes en simultáneo!
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Necesitamos generar automáticamente la solución
9
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Sistema ferroviarioComponentes principales
10
2
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Circuitos de vías
11
0
111
1
1 0 0
1
Ocupado (0:GND)
Libre (1:VCC)
Usado para conocer dónde PODRÍA estar un tren.
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Señales ferroviarias
12Usadas para proteger a la formación de colisiones o descarrilamientos.
No todas las secciones tienen.
Algunas tienen más de una.
![Page 13: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/13.jpg)
Pasos a nivel
13
Cruce vehicular
Cruce peatonal
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Cambios de vías
14
Permite acceder a diferentes vías.
Posición normal : circulación directa.
Posición reversa : circulación ramificada
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Tecnologías de enclavamientos
15
Mecánico Electromecánico Eléctronico
Clave para evitar las colisiones
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Sistema de enclavamiento ferroviario
16
Un sistema de enclavamiento ferroviario puede costar decenas
de millones de dólares.
El sistema de enclavamiento tiene que proteger al tren de colisiones desde atrás, coordinar todo el señalamiento (señales ferroviarias,
barreras, cambios de vías) y evitar descarrilamientos.
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¿Qué es una tabla de enclavamientos?
17
R1
AB
D
CR2
R3
AB
D
CR4
Ruta: camino entre dos semáforos consecutivos.
Señal inicial
Señal final Cambio Ruta
bloqueante
R1 A C N R2 R3 R4
R2 B D R R1 R3 R4
R3 C A N R1 R2 R4
R4 D B R R1 R2 R3
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Funcional vs GeográficoCISC vs RISC: enfoques en enclavamientos
18
3
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Modelado del sistema
19
Los circuitos de vías son de solo lectura.
Sistema de enclavamiento
ferroviarioCambios de vías
Circuitos de vías
Señales ferroviarias
Pasos a nivel
Cambios de vías
Señales ferroviarias
Pasos a nivel
CISC: Complex Instruction Set Computing | RISC: Reduced Instruction Set Computing
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CISC: el enfoque funcional
20
Rutas
Tabla de enclavamiento
“¡Una ruta para dominarlas a todas!”
J.R.R Tolkien
Cambios de vías
Circuitos de vías
Señales ferroviarias
Pasos a nivel
Cambios de vías
Señales ferroviarias
Pasos a nivel
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CISC: el enfoque funcional
21
Complejidad
Necesitamos bloques MÁS
GRANDES!
![Page 22: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/22.jpg)
Enfoque funcional
22
No es escalable
No es mantenible
No es testeable
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RISC: el enfoque geográfico
23
“¿Rutas? A donde vamos no necesitamos rutas.”
¿Puede un auto moverse sin un camino? SI
¿Puede un tren moverse sin una vía? NO
Dr. Emmett Brown
Cambios de vías
Señales ferroviarias
Pasos a nivelCambios de vías
Circuitos de vías
Señales ferroviarias
Pasos a nivel
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Topologías ferroviarias y redes de grafos
24
La información principal es la conexión
entre las secciones
A B C D E
G H I J
K L M
F
A B C D E F
G H I J
K L M
![Page 25: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/25.jpg)
Analizador de redes ferroviarias
25
Nodo extremo
A B C D E F
G H I J
K L MNodo cambio raíz
Nodo cambio complemento rama
Nodo cambio complemento directo
Nodo simple
Podemos modelar cada bloque y sabemos cómo conectarlos …
Es como jugar Lego!!
Criterio de clasificación desarrollado en el marco
de este trabajo.
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Analizador de redes ferroviarias
26
https://www.youtube.com/watch?v=MFB-p1IhvYs
Implementado en Python en el marco de este trabajo.
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Analizador de redes ferroviarias
27
Implementado en Python en el marco de este trabajo.
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RISC: el enfoque geográfico
28Complejidad
Necesitamos MÁS bloques!
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Grafo implementado en bloques
29
Cada uno de los nodos se procesa de forma concurrente.
Tal como ocurre en la realidad.
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Criterio de selección de plataforma
30
Es esencial utilizar redundancias 2oo3
▰ Más conveniente para redundar.
▰ Determinístico, es HW puro.▰ Mayor control de la latencia.▰ Concurrencia real.
▰ Necesitamos más de 1 uC.▰ Difícil de asegurar determinismo.▰ Difícil de determinar la latencia.
μC
¡La cantidad de componentes crece enormemente!
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Enfoque geográfico - Consideraciones
▰ Difícil de implementar▰ Modular▰ Completo▰ Testing a priori▰ Depende de la topología▰ Minimo uso de memoria▰ Mayores chances de ser sintetizable
Procesar el grafo puede ser complejo.
Define TODAS las posibles circulaciones.
Test completos. Certificado una vez.
Escalable.
Redundable.
31
![Page 32: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/32.jpg)
Diversidad
32
SIL 4
VHDL
Validación
Tabla de enclavamiento
Redundancia Disponibilidad
Flujo de trabajo
Layout
Grafo
Lógica
(Safety Integrity Level)
Mitigación de fallas de causa común
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Enfoque geográfico - Arquitectura propuesta
33
Diseño propuesto en el marco de este trabajo.
![Page 34: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/34.jpg)
ImplementaciónEjemplo de topología Bypass
34
4
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Análisis general Diferentes topologías analizadas automáticamente
¡En cuestión de segundos!
![Page 36: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Bypass Señal inicial
Señal final Secuencia Cambio Sentido
R1 3 1 3-2-1 1-N <
R2 3 5 3-4-5 1-N|2-N >
R3 3 10 3-8-9-10 1-R >
R4 5 3 5-4-3 1-N|2-N <
R5 5 8 5-10-9-8 2-R <
R6 5 7 5-6-7 2-N >
R7 8 1 8-3-2-1 1-R <
R8 10 7 10-5-6-7 2-R >
La tabla es generada automáticamente
contemplando TODAS las rutas soportadas por la red.
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37
Bypass
Todos los archivos VHDL necesarios son creados automáticamente.
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38
Bypass Red generada automáticamente en base al grafo.
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39
Bypass - Rodeo La FPGA devuelve el estado del señalamiento a la PC. La PC muestra el estado en la interfaz diseñada.
Ejemplo de dos formaciones en sentido opuesto.
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40
Bypass - Circulación
Ejemplo de dos formaciones en el mismo sentido.
La FPGA devuelve el estado del señalamiento a la PC. La PC muestra el estado en la interfaz diseñada.
![Page 41: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/41.jpg)
ConclusionesTrabajo realizado y próximos pasos.
41
5
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Conclusiones
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▰ Analizador de redes ferroviarias analiza correctamente las topologías.▰ Generador de código en VHDL implementa el sistema para casi cualquier topología.▰ El generador de tramas facilita la verificación de los sistemas generados.▰ Publicación de artículos en IEEE Latin America y el CASE 2019.▰ Se completó con éxito una beca de Maestría UBACyT.▰ Se obtuvo una beca de doctorado en desarrollo estratégico de CONICET 2020-2025.
![Page 43: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/43.jpg)
Próximos pasos
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▰ Optimización del analizador de grafos ferroviarios.▰ Integración con la interfaz gráfica desarrollada en UTN Facultad Regional Haedo.▰ Realización de pruebas en paralelo con la estación Olivos y una locación real.▰ Migración al hardware de CNEA y aplicación de redundancia y diversidad.▰ Automatización de los ensayos con COCOTB.▰ Determinación de los niveles RAMS alcanzados.
![Page 44: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/44.jpg)
44
¡Muchas gracias!¿Alguna pregunta?
![Page 45: Trabajo final de la Maestría en Sistema Embebidos](https://reader031.vdocuments.co/reader031/viewer/2022012423/61785f7552d30146f33dd209/html5/thumbnails/45.jpg)
SlidesCarnival icons are editable shapes.
This means that you can:● Resize them without losing quality.● Change line color, width and style.
Isn’t that nice? :)
Examples:
45