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도시형자기부상열차 열차제어시스템 RAMS 분석에 관한 연구
A Study on the RAMS Analysis of Urban Maglev Train Control System 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.14 no.6 = no.67, 2011년, pp.515 - 525  

윤학선 (한국철도시설공단 녹색철도연구원) ,  이기서 (광운대학교 정보제어공과대학 로봇학부) ,  류승균 (한국철도시설공단) ,  양동인 (국토해양부 해양조사원)

초록
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도시형 자기부상열차 실용화사업에 적용된 유도무선루프방식 열차제어시스템에 대하여 최상위 레벨에서 전체 시스템에 대한 시스템 분류, 기능 분석을 시행하고 차상신호설비, 지상신호설비로 나누어 신뢰도, 가용도, 유지보수도 및 안전도를 수식을 통하여 분석한 결과를 제시하였다. RAM 분석은 신뢰도 블록도(RBD)를 각 장치별로 적용하여 시스템 서비스 가용도를 산출하였고, 안전도 분석은 PHA(예비위험원 분석), FMEA (고장모드영향분석), HAZOP을 통한 각각의 정상사상(Top Event)의 FTA(고장트리분석)을 시행하고 그 결과를 제시하여 RAMS 목표 값에 도달함을 수식을 통하여 증명하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, Urban maglev is applied to inductive-loop speed and position detection system for the top-level classification system for the entire system, and performed functional analysis On-board signal equipment, Wayside-signal equipment divided by the reliability, availability, maintainability,...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 국가 R&D사업으로 인천광역시 영종도(인천국제공항)일원에 시행중인 도시형자기부상 열차실용화 사업 시범노선에 적용된 무인운전이 가능한 유도루프방식 열차제어시스템에 대하여 최상위 레벨 (Top Event)에서 전체 시스템에 대한 분류, 기능 분석을 시행하고 차상신호설비, 지상신호설비로 나누어 신뢰도, 가용도, 유지보수도 및 안전도를 분석한 결과가 도시형자기부상철도 RAMS 요구사항을 만족하는지 제시하였다.
  • 안전성 목표는 임의대로 정할 수 있으나, 본 논문에서는 국제적으로 인정받는 IEC62278, 62279, EN50129 등에서 요구하는 표준 및 절차에 따라 시스템의 Safety 목표를 설정하였다.자기부상열차 열차제어시스템을 모델로 실제로 설계에 반영된 Hardware 및 Software Safety 활동과 Software Quality Assurance를 시행하였다.

가설 설정

  • 1. 여분(Redundancy)을 갖지 않는 하부 구성요소는 직렬 구성을 기본으로 한다. 단, 동일한 동작 수행을 위한 여분 구조는 병렬로 구성한다.
  • 2. 신뢰도 예측을 위한 고장률 분포함수는 기본적 으로 지수분포함수(Exponential Distribution)로 가정 한다.
  • 5. 유지보수도 분석을 위한 MTTR 예측은 MIL-HDBK-472를 근거로 하되, 정량적인 데이터 분석은 경험에 근거한 엔지니어링 판단(Experience based engineer ing judgment)을 통해 1시간 이내에 수행 될 것으로 가정한다.
  • 그림 4의 1개 역사 내 이중계 구조의 AP 고장률 값은 식 4에 의해 다음과 같이 산출되며, 타 역사에서의 고장률 데이터도 동일하게 적용된다. 단, 이때 MTTR은 1로 가정하였다.
  • 여기서 LRU수준에서의 현장교체가능시간은 최대 1시간 이하로 LDT 및 ADT는 없는 것으로 가정하였다. 즉, MDT≅MTTR로 가정하였다.
  • 유지보수도 분석은 현장교체가능장치(LRU)수준에서 수리 또는 교체활동을 통한 운행정지시간이 1시간을 초과하지 않는 것으로 가정하였다.
  • 즉, MDT≅MTTR로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열차제어시스템 RAM 분석 활동은 어떤 조건을 기반으로 수행되었는가? 1. 여분(Redundancy)을 갖지 않는 하부 구성요소는 직렬 구성을 기본으로 한다. 단, 동일한 동작 수행을 위한 여분 구조는 병렬로 구성한다. 2. 신뢰도 예측을 위한 고장률 분포함수는 기본적 으로 지수분포함수(Exponential Distribution)로 가정 한다. 3. 정량적인 분석을 위한 신뢰도 및 유지보수도 데이터는 다음 수준의 데이터들을 참조한다. 즉, 수준 1에 해당하는 데이터 참조가 불가능할 경우, 수준 2에 해당하는 데이터를 참조한다. 하위 수준도 동일한 의미로 해석된다. ① 수준 1(F): 현장운영 실적에 따른 현장 데이터(Field Data) 또는 공급업체 제공 데이터 ② 수준 2(T): 해당 구성요소의 시험 데이터(In-house test or lab test data) ③ 수준 3(P): PCB기반의 부품정보 활용을 통한 예측 데이터(Prediction Data) 및 표준 라이브러리 데이터 ④ 수준 4(S): 유사장치 데이터 4. 신뢰도 예측은 MIL-HDBK-217FN2를 기준으로 하며, 고장률 단위는 ‘고장건수/1,000,000 Hrs(FPMH)’이다. MTBSAF 예측에 있어서, 서비스에 영향을 주는 고장(Service Affecting Failure)의 정의는 열차운행 계획 대비 한 역사를 기준으로 10분 이상의 도착지연을 초래하는 고장으로 정의한다. 단, 타 분야 시스템, 장치의 기능 및 인터페이스 오류(타 설비 기능 오류 및 Vandalism, Terrorism 포함)로 인한 도착지연은 포함하지 않는다. 5. 유지보수도 분석을 위한 MTTR 예측은 MIL-HDBK472를 근거로 하되, 정량적인 데이터 분석은 경험에 근거한 엔지니어링 판단(Experience based engineer ing judgment)을 통해 1시간 이내에 수행 될 것으로 가정한다. 6. 정량적인 MTTR 예측 시, 현장 또는 차량기지에서 유지보수에 소요되는 시간만을 고려한다. 즉, 물류 (Logistics Delay Time) 및 행정소요시간 (Adminis-trative Delay Time)은 분석에서 제외한다. 단, 서비스 가용도(SA) 산출을 위한 물류 및 제반 소요 시간은 다음가정사항을 참고하였다. ·OCC 운영자(관제 요원)의 개입 시: 0분 ·차상 안전요원 개입 시: 0.5분 ·역사 순회점검요원의 개입 시: 2분 ·유지보수 직원이 개입 시: 20분
RAMS 활동은 무엇인가? 본 논문에서는 국가 R&D사업으로 인천광역시 영종도(인천국제공항)일원에 시행중인 도시형자기부상 열차실용화 사업 시범노선에 적용된 무인운전이 가능한 유도루프방식 열차제어시스템에 대하여 최상위 레벨 (Top Event)에서 전체 시스템에 대한 분류, 기능 분석을 시행하고 차상신호설비, 지상신호설비로 나누어 신뢰도, 가용도, 유지보수도 및 안전도를 분석한 결과가 도시형자기부상철도 RAMS 요구사항을 만족하는지 제시하였다. RAMS 활동은 시스템에 요구된 정량적 목표를 만족하도록 관리하여 객관적인 정보를 통해 목표달성을 입증하고(RAM), 시스템의 위험원으로 인한 리스크가 허용할 수 있는 수준으로 건전하게 제어되었음을 객관적인 정보를 통해 입증 (Safety)하는 절차이다. RAM 분석을 위하여 미국방성 MIL-HDBK-217FN2에서 제시한 방법론을 토대로, Reliability Workbench 분석 툴을 활용하여 RAM Prediction 분석을 위한 Reliability Prediction module, RAM Modeling 분석을 위한 Reliability Block Diagram(신뢰도 블록도) module을 이용하여 각 장치 별로 시스템의 서비스 가용도를 산출하였고, 안전도 분석을 위하여 PHA(예비위험원분석), FMEA(고장모드영향분석), HA ZOP Study를 수행하고 각각의 정상 사상(Top Event)의 FTA(고장트리분석)을 Fault Tree module을 이용하여 그 결과를 분석하여, 도시형자기부상열차 신호시스템이 요구되는 RAMS 목표 값에 도달함을 수식을 통하여 증명하였다.
열차제어 시스템에 Subsystem은 무엇이 있는가? 열차제어시스템의 장치별 하드웨어 및 소프트웨어 분류는 그림 1과 같다. 최상위 레벨인 열차제어 시스템에 Subsystem으로 차상신호설비, 지상신호설비, 관제설비, 신호기계실설비, 전원설비, 안전설비로 나뉠 수 있다. 구체적으로 언급하면 차상신호설비는 차상 ATP/ATO장치, 화면표시장치, ATP/ TD장치, ATO Local 장치, 속도 검출기, ATO 데이터장치 등으로 구성되며, 지상신호설비는 지상ATP장치와 그 부속장치, 지상ATO 장치 및 그 부속장치, 전자연동장치는 연동 논리랙, 현장 단말랙, Local console 등으로 구성되며, 관제 설비는 TCC, DCC, Operator console, Programmer console, Supervisor console, Wall controller, Depot console 등으로 구성되며, 신호기계실 설비의 FT/OT랙, IFR랙으로 전원설비는 UPS, Battery, 분전반 등으로 구성되며, 추가 안전설비로 강풍, 강우 검지장치로 구성된다[1,2].
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참고문헌 (12)

  1. Request For Proposal, 'Bid of Urban Maglev Demo- nstration line Train control system (2009.2) Korea Rail Network Authority. 

  2. Approved document & drawing 'of Urban Maglev Demonstration line Train control system (2009.2) Korea Rail Network Authority. 

  3. 'Urban Maglev program subsystem RAMS requirement (2010.10) Doc. No.M1201-SE+RM-101-0008, Rev. 01, KIMM. 

  4. IEC62425, 'Railway applications-Communication, Signalling and Processing systems-Safety related electronic systems for Signalling (2007), IEC. 

  5. IEC62278, 'Railway Applications - The Specification and Demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety(RAMS) (1999) IEC 

  6. IEC62279, 'Railway Applications - Communications, signaling and processing systems. Software for railway control and protection systems (2002) British Standard Institute. 

  7. MIL-HDBK-217F Notice 2, 'Reliability prediction of electronic devices (1995) Department of Defense of the U.S.A 

  8. MIL-HDBK-472, 'Maintainability prediction of electronic devices (1996) Department of Defense of the U.S.A 

  9. Reliability Toolkit: commercial Practices Edition, A Practical Guide for commercial Products and Military Systems Under Acquisition Reform (1996) RiAC 

  10. Joel Manary, Operational Availability Hand book (2004) RiAC, 2004 

  11. J.K Kim, D.k Shin, K.S Lee (2006) A Study on the Safety Plan for a Train Control System, Journal of the Korean Society for Railway, 9(3), pp. 249-338. 

  12. K.D. Shin, J.W Lee (2010) Software Quality Assurance Activities of Automatic Train Control System to meet Requirements of the IEC 62279 Standard, Journal of the Korean Society for Railway, 13(4), pp. 357-469. 

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