[논문]전동차 승객용도어시스템의 유지보수 효과를 고려한 유지보수 주기 산정에 관한 연구

이덕규; 손영진; 이희성

doi:10.7782/jksr.2011.14.3.216

전동차 승객용도어시스템의 유지보수 효과를 고려한 유지보수 주기 산정에 관한 연구
A study on Determining Maintenance Intervals Considering the Maintenance Effect for the PDS in Metro EMU 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.14 no.3 = no.64, 2011년, pp.216 - 221

이덕규 (서울특별시도시철도공사) , 손영진 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 이희성 (서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도차량시스템공학과 한국도시철도연구소)

초록
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수리 가능한 시스템의 신뢰성 분석에 중요한 문제 중의 하나는 유지보수 효과를 모델링하는 것이다. 현재까지 많은 연구들은 유지보수 후 시스템의 상태가 새것과 같이 된다는 완전유지보수 또는 유지보수 바로 직전의 상태로 된다는 최소유지보수 모형을 사용하였다. 그러나 국내운영기관에서 시행하는 유지보수 형태는 완전유지보수와 최소유지보수의 사이의 효과를 가지는 불완전유지보수 형태로 시행하는 경우가 많다. 본 연구에서는 이와 같이 불완전 유지보수가 수행되는 전동차의 장치들 중에서 승객용 도어시스템(PDS:passenger door system)의 고장데이터를 분석하고 유지보수 효과 수준을 적용하여 불완전유지보수 주기를 결정하는 문제를 다루었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An important problem in reliability analysis for repairable systems is to model the maintenance effect. The most of researches have assumed two extreme cases; one is perfect maintenance and the other is minimal maintenance. However, many of maintenances performed by domestic subway operators are imperfect maintenances which have the effect between both of two extreme cases. This article deals with the problem determining the imperfect preventive maintenance intervals based on failure data in units of the PDS(passenger door system) in Metro EMU. This paper deals with a case study on determining imperfect maintenance interval by using the level of maintenance effect through reliability analysis of PDS.

주제어

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문제 정의

일반적으로 지하철 전동차의 유지보수는 주로 경정비와 중정비로 구분하여 시행하는데 이렇게 시행하는 경정비와 중정비의 정도에 따라 유지보수 효과는 발생하는 고장률로 확인할 수 있는데 실제 운행한 기간동안 발생한 고장데이터를 분석해보면 중정비 후에도 고장이 완전히 없어지는 것이 아니라 계속된다는 것이다. 따라서 유지보수의 경제성을 높이기 위해서 경정비/중정비 업무의 주기를 변경하여 시행할 때 나타나는 유지보수의 효과를 고려한 유지보수 주기를 산정하는 문제를 다루었다[1].
본 연구에서는 위의 Likelihood function또는 Log-likelihood function을 최대로 하는 모수값들을 구하기 위해 각 모수의 영역을 이산화하여 전체 가능 영역의 조합에 대해 Log-likelihood function을 계산하였다.

가설 설정

Kijima의 두 번째 모형은 V(T_n) = A_n[V(T_n-1) + X_n]이라 가정한다. 이 때 T_n ≤ t < T_n+1에서의 고장강도함수는 다음과 같다.
PDS는 단품이 아니기 때문에 특정 시점 이후로 고장강도가 급격히 증가하지는 않는다. 따라서 본 연구에서는 도어장치 고장강도는 Power-law 함수를 따른다고 가정한다. 도어장치의 신뢰성 분석을 위해서는 각 유지보수 시점에서의 식(1)의 고장강도가 어떻게 변하는지를 정의하여야 한다.
는 [0,1]사이의 일항분포를 따르는 독립인 확률변수라고 하자. 모든 k에 대하여 A_k는 T_k와 독립이라 가정한다. 이때 V(T_n)=V(T_n-1)+A_nX_n, X_n=T_n-T_-1, T_n=0, A_n=0이다.
도어장치의 신뢰성 분석을 위해서는 각 유지보수 시점에서의 식(1)의 고장강도가 어떻게 변하는지를 정의하여야 한다. 본 연구에서는 PDS의 고장조치 및 일상검수, 월간검수는 고장강도에 영향을 주지 않고, 중정비는 방법 및 정비항목이 동일하게 진행되므로 불완전유지보수 형태를 가진다고 가정한다.

제안 방법

Table 3은 한 개 노선에서 개통 초기부터 2007년도말 까지 전체 전동차를 대상으로 중정비를 시행한 시점을 기준으로 1,2,3구간(1구간: 개통부터 첫 번째 중정비까지, 2구간: 첫 번째 중정비부터 두 번째 중정비까지, 3구간: 두 번째 중정비부터 세 번째 중정비까지(기간중))으로 구분하였고, 각 구간에서 시행된 유지보수과정에서 수리가 필요하여 조치한 것과 운행중 발생한 고장을 모두 조사하였다. 고장내용 중 각 구간별 고장 건수가 현저한 차이를 보이는 도어엔진 조인트 고무, 도어엔진 패킹, 도어엔진 벨트, 푸시로드 어셈블리, 전자변에 대하여 원인과 조치내용을 확인하였다.
Table 3은 한 개 노선에서 개통 초기부터 2007년도말 까지 전체 전동차를 대상으로 중정비를 시행한 시점을 기준으로 1,2,3구간(1구간: 개통부터 첫 번째 중정비까지, 2구간: 첫 번째 중정비부터 두 번째 중정비까지, 3구간: 두 번째 중정비부터 세 번째 중정비까지(기간중))으로 구분하였고, 각 구간에서 시행된 유지보수과정에서 수리가 필요하여 조치한 것과 운행중 발생한 고장을 모두 조사하였다. 고장내용 중 각 구간별 고장 건수가 현저한 차이를 보이는 도어엔진 조인트 고무, 도어엔진 패킹, 도어엔진 벨트, 푸시로드 어셈블리, 전자변에 대하여 원인과 조치내용을 확인하였다.
5장에서 사용 할 고장 및 유지보수 모형을 선정하기 위해 Table 3의 고장내용 중 일부 편성의 데이터를 선택하였다. 또한 조사기간 중 고장건수가 1건 이하로서 데이터 크기가 아주 작은 것은 버리고 선택한 고장데이터만으로 모수를 추정하였다. 이와 같은 방법에 의해 모수 β,η와 유지보수 효과 ρ를 Minitab 프로그램으로 추정한 결과는 Table 4와 같다.
본 장에서는 유지보수 효과에 따라 주기가 어떻게 변하는지에 대하여 분석하였다. 고장 및 유지보수 모형은 Table 4의 모수 추정결과를 사용하였고, 상용 시뮬레이션 프로그램인 AvSim을 사용하여 신뢰성을 분석하였다.
유지보수는 유지보수 후 시스템의 상태에 따라 “완전유지보수, 불완전유지보수, 최소유지보수” 세가지로 분류한다.

대상 데이터

본 연구에서는 서울시 지하철 6호선에서 운행하고 있는 전동차의 개통 초기부터 2007년도 말까지 운행하면서 발생한 고장을 모두 조사 분석하였다. 조사된 고장 분석 결과 현재 실시하고 있는 유지보수 형태는 전동차 PDS의 고장을 완전히 해결할 수 있는 완전유지보수의 효과를 가지지 못하는 불완전유지보수 수준으로 확인되었다.

데이터처리

본 장에서는 유지보수 효과에 따라 주기가 어떻게 변하는지에 대하여 분석하였다. 고장 및 유지보수 모형은 Table 4의 모수 추정결과를 사용하였고, 상용 시뮬레이션 프로그램인 AvSim을 사용하여 신뢰성을 분석하였다. 시뮬레이션을 수행하기 위해 필요한 전동차량의 운용 프로파일은 아래와 같이 적용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 PDS의 유지보수 효과를 모형화하기 위해 Kijima 모형 1에서 유지보수가 일정한 Malik이 제안한 모형을 사용하였다.

성능/효과

(1) 도어엔진 조인트고무 고장은 제1구간에서 많이 발생하였다가 제2,3구간에서 감소한 것으로 확인하였다. 조인트 고무는 도어엔진의 피스톤로드에 출입문을 매다는 부분에 완충용으로 사용하는 고무로써 스페이서파이프내에서 헥스너트로 고정된다.
(2) 도어엔진 패킹은 실린더와 피스톤 사이에서 작동공기 및 그리스의 기밀을 유지하기 위하여 사용되는 것으로 고장이 발생하면 작용공기가 누기되는 현상이 발생한다. 도어엔진 패킹 고장은 고무(패킹)와 금속(피스톤)간의 습동부에 사용한 그리스가 원인으로서 고무와 플라스틱 성분의 습동부에 사용되는 그리스를 잘못 적용한 것이며 확인된 즉시 그리스와 패킹을 모두 교체 하였다.
(3) 도어엔진 벨트는 도어엔진 패킹 등의 고장에 의하여 그리스가 누유되고, 도어엔진 벨트가 오염되어 3일 검수 또는 3월 검수 과정에서 청소를 실시한 것으로 확인하였다.
그리고 유지보수 효과(ρ)가 동일한 조건에서는 유지보수 주기를 단축하는 경우가 고장발생이 감소하는 것을 알 수 있었다.
따라서 각 지하철 운영기관에서는 기존에 사용하던 정비 주기를 새롭게 변경하고자 할 때에는 이러한 기법을 활용하면 효율적으로 유지보수 주기를 산출하여 적용할 수 있으며, 또한 동일한 방법으로 전동차의 각 장치별 특성에 맞는 유지보수 주기도 산출할 수 있다는 것을 간접적으로 확인할 수 있었다.
이와 같이 불완전유지보수가 수행되는 전동차 PDS의 유지보수 효과(ρ)를 ‘0.49’로 할 때보다 ‘1’을 적용할 때 고장이 적게 발생하고, 유지보수 주기까지 도달하는 주행거리는 늘어나는 것으로 확인하였다.
본 연구에서는 서울시 지하철 6호선에서 운행하고 있는 전동차의 개통 초기부터 2007년도 말까지 운행하면서 발생한 고장을 모두 조사 분석하였다. 조사된 고장 분석 결과 현재 실시하고 있는 유지보수 형태는 전동차 PDS의 고장을 완전히 해결할 수 있는 완전유지보수의 효과를 가지지 못하는 불완전유지보수 수준으로 확인되었다. 이와 같이 불완전유지보수가 수행되는 전동차 PDS의 유지보수 효과(ρ)를 ‘0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수리 가능한 시스템의 신뢰성 분석에 중요한 문제 중의 하나는?	수리 가능한 시스템의 신뢰성 분석에 중요한 문제 중의 하나는 유지보수 효과를 모델링하는 것이다. 현재까지 많은 연구들은 유지보수 후 시스템의 상태가 새것과 같이 된다는 완전유지보수 또는 유지보수 바로 직전의 상태로 된다는 최소유지보수 모형을 사용하였다.
	완전유지보수란?	수리 가능한 시스템의 신뢰성 분석에 중요한 문제 중의 하나는 유지보수 효과를 모델링하는 것이다. 현재까지 많은 연구들은 유지보수 후 시스템의 상태가 새것과 같이 된다는 완전유지보수 또는 유지보수 바로 직전의 상태로 된다는 최소유지보수 모형을 사용하였다. 그러나 국내운영기관에서 시행하는 유지보수 형태는 완전유지보수와 최소유지보수의 사이의 효과를 가지는 불완전유지보수 형태로 시행하는 경우가 많다.
	지하철에서 전동차량에서 안전을 확보하기 위한 방법은 무엇인가?	지하철에서 전동차량은 이용고객과 직접적으로 맞닿는 시스템으로서 최우선으로 안전이 확보되어야 한다. 따라서 전동차량의 안전은 지속적이고 체계화된 유지보수를 통하여 운행안전을 확보할 수 있으며, 지하철 운영기관들은 Table 1과 같이 자체적인 유지보수 기준을 설정하여 운영하고 있다. 일반적으로 지하철 전동차의 유지보수는 주로 경정비와 중정비로 구분하여 시행하는데 이렇게 시행하는 경정비와 중정비의 정도에 따라 유지보수 효과는 발생하는 고장률로 확인할 수 있는데 실제 운행한 기간동안 발생한 고장데이터를 분석해보면 중정비 후에도 고장이 완전히 없어지는 것이 아니라 계속된다는 것이다.

참고문헌 (7)

J.W. Kim, J.S. Park, H.Y. Lee, J.H. Kim (2008) A Conceptual Procedure of RAMS Centered Maintenance for Railway System, Journal of the Korean Society for Railway, 11(1), pp. 19-25.
V. Jayabalan, Dipak Chaudhuri (1992) Optimal maintenancereplacement policy under imperfect maintenance, Reliability Engineering and System Safety, 36, pp.165-169.

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M. Kijima (1989) Some results for repairable systems with general repair, Journal of Applied Probability, 26, pp.89-102.

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M.A.K. Malik (1979) Reliable preventive maintenance scheduling, AIIE Transactions, 11, pp. 221-228.

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J.F., Brown, J.F., Mahoney, B.D. Sivazlian (1983) Hysteresis repair in discounted replacement problems IIE Transactions, Vol. 15, pp. 156-165.

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D.G. Lee, J.W. Kim, H.S. Lee (2008) A Case Study on Determining Doors Maintenance Intervals through Running Fault Data Analysis for Metro EMU, Journal of the Korean Society for Railway, 11(3), pp. 240-247.
I., Shin, T.J., Lim, C.H., Lie (1996), Estimating parameters of intensity function and maintenance effect for repairable unit, Reliability Engineering & System Safety, 54, pp.1-10.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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