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문제 정의
- 본 논문에서는 기본 설계 이전에 고객의 RAMS 요구사항및 컨소시엄에서 제안한 RAMS 요구사항에 대한 분석을 실시하며, 정량적인 요구사항 및 정성적인 요구사항을 분석하고, 향후 수행할 RAM 분석 및 안전성 분석에 대한 요구조건을 할당하도록 한다[1,12].
- 본 논문에서는 최근 들어 철도신호시스템분야에서 중요한 이슈로 부각되고 있는 품질보증에 따른 신뢰성과 안전성 수준을 국제규격(IEC or EN)에 부합할 수 있도록 하기 위한 접근방법을 모색하며, 실제 적용사례(ERTMS/ETCS Level 1 차상신호시스템 구축 사업)를 통하여 현실적이고 접근 가능한 구체적인 활동 사항들을 프로젝트 수행과 연관하여 기술한다.
제안 방법
- ATP 차상 시스템의 MTTR 및 고유 가용도를 계산하기 위해 아래와 같이 RBD를 작성하였으며, 시스템에 대한 Significant 및 Major 고장에 대한 신뢰도, 즉 고장률은 FTA를 통해 분석된 결과를 참조하도록 한다.
- 정상 사상 [F4] 제동(SB, EB) 제어 실패(Gate035)에 대한 FTA 분석 내용은 그림 11과 같고, FTA 분석결과 제동(SB, EB) 제어 실패 원인은 SB 적용 실패와 EB 적용 실패로 분석되었다. EB가 적용될 경우 항상 SB가 동시에 적용되므로, 정상 사상 Gate035가 발생되는 경우는 두 가지 원인 모두가 동시에 발생할 경우가 되어 Gate035를 AND 게이트(Gate)로 구성하였다.
- 다음과 같이 ATP 차상시스템의 주요기능을 정상 사상 (Top Event)으로 설정하고, 각 이벤트별로 FTA를 분석하였다.
- 독립평가기관에서 수행될 예비위험원분석(PHA) 결과를 근거로 차상신호시스템(ATP)의 위험원 관리를 계층적으로 수행한다.
- 또한 FMECA 및 신뢰성 블록도를 근거로 시스템 고유 신뢰성 및 유지보수성을 예측하며, 특정RAM 요구 사항(목표) 를 예측하기 위해 FTA를 수행하며, 정량적인 예측결과를 도출하기 위해 FMECA 에서 분석된 결과를 활용하고자 한다.
- 또한 하부시스템 간의 인터페이스상에서 발생 가능한 위험원의 관리를 위해 인터페이스 위험원 분석(IHA)을 수행하며, 유지보수를 포함한 시스템 운영상의 위험원 관리를 위해 운영 및 지원상의 위험원분석(O&SHA)을 수행한다.
- 또한, ATP 차상시스템의 주요 기능에 대한 SIL 입증은 각각의 기능별로 FTA를 수행하여 안전성을 입증하였으며, 이에 대한 결과는 표 9와 같다.
- 본 RAMS 관리업무와는 독립적으로 수행되는 독립안전평가업무의 결과를 검토, 반영함으로써 안전성 활동 검증을 수행한다.
- 설계 및 제작단계에서 도출된 위험원을 대상으로 위험도 평가를 수행하였고, ALARP의 원칙에 따라 허용 가능한 수준으로 안전성을 확보하고, 위험원을 제거하기 위하여 저감대책을 수립하였다.
- 수립된 저감대책은 안전요구사항으로 도출되어 설계, 운영 및 유지보수 규정에 반영될 수 있도록 안전성 관리가 수행되었으며, 안전성 검증 및 입증 시험은 안전성 관리 업무의 마지막 절차로서, 안전 요구사항이 ATP 차상시스템에 어떻게 반영 되었는가를 검증 및 입증하기 위해 시험 및 시운전 단계에서 수행되었다.
- 시스템 분류를 통해 정의된 분석대상(최하위 수준)을 기준으로 FMECA가 수행될 것이며, 시스템 기능도를 근거로한 신뢰성 블록도를 작성하도록 한다.
- 시스템 수명주기에 따라 수행된 안전성 분석 및 RAM 분석 업무에 대한 결과를 총괄하여 종합 안전대책기술서(Safety Case)를 수립함으로써 차상신호시스템(ATP)에 대한 품질보증(RAMS) 활동을 종료한다.
- 시스템 수명주기에 따라서 수행된 단계별 위험원 분석(안전성 활동) 결과를 위험원 목록(Hazard Log)에 등록하여 추적이 가능하도록 관리하였으며, 안전성 검증시험을 위해 해당 위험원들을 분류하였다.
- 안전성 검증 시험은 V&V 계획에 명시된 V&V조직 및 절차에 따라 시험및 시운전 기간에 수행되었다.
- 안전성 검증 시험은 설계단계에서 수행된 시스템 위험원 분석(SHA), 하부시스템 위험원분석(SSHA), 인터페이스 위험원분석(IHA) 및 운영 및 지원상 위험원분석(O&SHA)에서 도출된 위험원에 대하여 수립된 저감대책(Mitigation Measure) 이 시스템에 올바르게 적용되었는지를 확인하는 것으로 ATP 차상시스템의 안전성을 검증하였다.
- 우선 ATP 전체 시스템 수준의 위험원 관리를 위해 시스템 위험원분석(SHA)을 수행하며, 수행된 시스템 위험원분석(SHA) 결과를 근거로 ATP 시스템을 구성하는 하부시스템에 대한 위험원 관리를 위해 하부시스템 위험원분석 (SSHA)을 수행한다.
- 위험원 목록에 등록된 모든 위험원은 RAMS 계획서에서 정의한 위험도 등급에 따라서 위험도가 분류되어 평가되었 으며, 저감대책 적용 후 존재하는 위험도 평가 수준을 확인 하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 EN 50126에서 권고하는 시스템 수명주기에 따라 RAMS 활동업무를 수행하며 전체 업무절차는 다음 그림 3과 같다[1,2,8,12].
- 본 품질보증의 모든 활동은 BSI에 의해 인증된 ISO 9001:2000에 부합하는 공인인증기관의 품질관리 시스템에 따른다.
성능/효과
- (5) 디지털 입/출력 장치 (DX)는 MVB와 차량 간에 Non Vital한 디지털 입출력 인터페이스를 제공하며, Non Vital한 외부 릴레이 접점 또는 외부 장치를 직접 감지한다.
- (6) Vital 디지털 입출력 장치 (VDX)는 MVB와 차량 간에 Vital디지털 입출력 인터페이스를 제공하며, Vital한 외부릴레이 접점 또는 외부 장치를 직접 감지한다.
- 따라서, ATP 차상 시스템의 Significant 고장으로 인한 비상제동이 적용되는 시스템의 고유 가용도는 99.9993%이다.
- 상기의 각 사건 및 이에 대한 게이트를 통해 예측된 ATP 지상 시스템과의 데이터 통신 실패(Gate040) 확률은 3.53E-12로 예측되었으며, 이는 EN50129에 제시된 SIL4의 기준을 만족하는 것으로 분석되었다.
- 상기의 각 사건 및 이에 대한 게이트를 통해 예측된 롤어웨이 제어 실패(Gate039) 확률은 5.86E-12로 예측되었으며, 이는 EN50129에 제시된 SIL4의 기준을 만족하는 것으로 분석되었다.
- 상기의 각 사건 및 이에 대한 게이트를 통해 예측된 열차 간격 유지(안전거리 확보) 실패(Gate034) 확률은 5.86E-12로 예측되었으며, 이는 EN50129에 제시된 SIL4의 기준을 만족 하는 것으로 분석되었다.
- 상기의 각 사건 및 이에 대한 게이트를 통해 예측된 제동 (SB, EB) 제어 실패(Gate035) 확률은 5.86E-12로 예측되었으며, 이는 EN50129에 제시된 SIL4의 기준을 만족하는 것으로 분석되었다.
- 상기의 각 사건 및 이에 대한 게이트를 통해 예측된 차상 시스템 내부의 열차 위치 검지 실패(Gate031) 확률은 1.81E17로 예측되었으며, 이는 EN50129에 제시된 SIL4의 기준을 만족하는 것으로 분석되었다.
- 정상 사상 [F3] 열차 속도 감시 및 제어 실패(Gate 042) 에 대한 FTA 분석 내용은 그림 10과 같다. 열차 속도 감시 및 제어 실패는 현재속도 제어 실패와 허용 속도 제어 실패가 원인이 되는 것으로 상기의 각 사건 및 이에 대한 게이트를 통해 예측된 열차 속도 감시 및 제어 실패(Gate042) 확률은 9.39E-12로 예측되었으며, 이는 EN50129에 제시된 SIL4의 기준을 만족하는 것으로 분석되었다.
- 위험원 분석 결과 도출된 449개의 위험원에 대한 안전성 검증 시험이 모두 완료되어, 안전성 입증 시험은 ALARP 원칙이 준수 되었음을 확인하는 것과 ATP 차상시스템의 주요 기능이 SIL4에 준하여 설계되었음을 입증하는 것으로 안전성을 입증하였다.
- 정상 사상 [F4] 제동(SB, EB) 제어 실패(Gate035)에 대한 FTA 분석 내용은 그림 11과 같고, FTA 분석결과 제동(SB, EB) 제어 실패 원인은 SB 적용 실패와 EB 적용 실패로 분석되었다. EB가 적용될 경우 항상 SB가 동시에 적용되므로, 정상 사상 Gate035가 발생되는 경우는 두 가지 원인 모두가 동시에 발생할 경우가 되어 Gate035를 AND 게이트(Gate)로 구성하였다.
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