[논문]FMECA를 활용한 ATC/ATO 시스템 및 운전환경 개선 사례연구

김한영; 이진춘

doi:10.7782/jksr.2012.15.6.550

FMECA를 활용한 ATC/ATO 시스템 및 운전환경 개선 사례연구
A Case Study on Improving for Operating ATC/ATO System and Driving Environment Using FMECA 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.15 no.6 = no.73, 2012년, pp.550 - 557

김한영 (Doctoral Candidate, Graduate School, Kyungil University) , 이진춘 (School of Business, Kyungil University)

초록
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일반적으로 FMECA는 시스템에 치명적인 영향을 줄 수 있는 장치나 고장모드를 파악하고 우선순위를 판단하여 이를 설계나 시스템 유지보수에 반영할 때 사용할 수 있는 기법이다. 본 논문은 도시철도차량의 차상 신호설비인 ATC/ATO 시스템에 FMECA를 이용하여 도시철도차량의 운전장애 현상을 정량적으로 분석하고 위험요소를 도출한 다음 이를 제거하여 도시철도차량의 운전환경을 개선할 수 있도록 하는데 목적을 두었다. 이를 위해 본 연구에서는 FMECA를 활용한 분석을 통해 ADU 개선방안과 사례를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In general, FMECA is a technique for identifying failure modes and devices which could result in fatal outcomes. Also it can be used in design or in maintenance through establishing priorities. The purpose of this paper is aimed at improving the driving conditions in advance through analyzing the operation failure phenomena quantitatively with FMECA analysis on the onboard signal system equipped with ATC/ATO, and through deriving the risk factors. This paper suggests an alternative solution for improving the performance of ADU by analyzing a case with FMECA.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 개선대상 장치를 식별하여 도출하기 위해 운영측면에서 기능 중심의 FMEA를 수행하고 그 대상으로 정전기에 의한 ADU Down을 도출한 후 상세 분석을 수행 하였다. FMEA 분석 순서와 절차는 우선 Table 1과 같이 장치와 서브시스템 구성을 구분하고 그 기능구성을 조사 분류하였다.
시스템의 물리적 기능적 분류는 Table 1과 같이 시스템을 구성하는 하부시스템이나 그 하위의 구성품에 대한 정확한 기능 정의를 통해 분류한다. 본 논문에서는 연구의 편의를 위해 장치의 분류를 1차 서브시스템까지로 한정하고 세밀한 기능별 고장모드와 영향분석의 결과를 얻기 위하여 장치단위로 자세히 분류하였다.
본 연구에서는 MIL-STD-1629A를 기반으로 도시철도차량 차상신호설비인 ATC/ATO(Automatic Train Control/ Automatic Train Operation)시스템의 장애를 발생빈도, 심각도, 검출도순으로 추출하여 운전 위험요소를 분석하여 대표적 우발고장(Random Failure)요소인 정전기의 발생과 방전에 대한 개선 방향을 도출하고 그 적용 타당성을 검정하고자 한다.
본 연구에서는 도시철도 차량시스템의 신뢰성 및 안정성을 확보하기 위하여 FMECA 절차를 도입하여 운전 위험요소를 분석하고 그 대책을 찾아 문제점을 개선하는 의미 있는 성과를 도출하였다. 그 절차는 우선 시스템의 기능적 속성과 물리적 속성을 나누어 분석하고 발생 가능한 고장 유형과 예상되는 빈도수를 정의하고 고장원인과 그 결과가 시스템에 미치는 결과를 치명도로 나타내었으며 최종적으로 위험 우선순위를 계산하였다.

제안 방법

본 논문에서는 개선대상 장치를 식별하여 도출하기 위해 운영측면에서 기능 중심의 FMEA를 수행하고 그 대상으로 정전기에 의한 ADU Down을 도출한 후 상세 분석을 수행 하였다. FMEA 분석 순서와 절차는 우선 Table 1과 같이 장치와 서브시스템 구성을 구분하고 그 기능구성을 조사 분류하였다. 장치와 서브시스템의 분석레벨을 1차 서브시스템까지로 한정하였으며 서브시스템 별로 다수의 고장모드를 가지고 있지만 여기서는 주요한 고장모드만 나타내었다.
이에 따라 차체와 절연되어 있는 비전도체인 운전실제어대의 표면에 도전성테이프나 도전성 필름을 시험 적용 하여 수시접촉으로 자연방전을 통한 대전물체의 전위 상승 억제 효과를 알 수 있었다. 그러므로 전기적 전도성이 높은 동판넬을 기관사가 항상 접촉하는 동선을 따라 영구 설치하여 정전기가 상시 방전토록 유도하고 ESDS를 차폐 보호할 수 있도록 Fig. 2와 같이 적용하였다. 그 결과 ADU장애는 개선 전 2009년에 91건 발생하던 장애가 전동차 34개 편성을 대상으로 개선대책이 순차적으로 적용된 2010년에는 13건으로 감소되었으며, 전편성에 모두 적용된 2011년에는 Table 10에서와 같이 ADU장애가 4회만 발생하는 뚜렷한 장애감소 효과를 얻을 수 있었다.
또, 합당한 FMEA 분석을 위해 고장모드 중에서 효과적이고 중요한 것을 선별하였다. 선정된 고장모드에 대한 추정원인은 우선 정비지침서를 참고하여 작성하였으며 또 전동차 운행에서 실제 발생한 고장기록을 조사하여 분류하였다. 실제로 각 고장모드에는 다수의 추정원인이 있을 수 있으나 그 중에서 주요하다고 판단되는 원인을 기입하였다.
ADU의 장애는 심각도 측면에서는 본선 운행에 결정적 피해를 주지 않으면서도 발생빈도 면에서는 높은 횟수를 보였음을 FMECA분석을 통해 알 수 있었다. 이에 따라 도시철도에서 RCM적 관리대상으로 ADU장치를 선정하고 그 개선방안으로 도시철도차량 운전실의 정전기 상시 방전 방안을 마련하여 실제 적용하였다. 그 결과로서 실질적인 개선된 효과를 확인하였으며 다음과 같이 요약할 수 있다.
이러한 작업의 결과로서 우리는 시스템의 고위험 부분이나 가장 약한 고리 즉, 최약링크를 손쉽게 판단 할 수 있었다. 지금까지는 고장 이력과 같은 수평적이고 정량적인 데이터를 중심으로 한 차량 시스템 자체의 물리적 고장만 주요 대상으로 연구 되었으나 본 연구에서는 정성적인 항목들도 분석할 수 있는 FMECA기법을 활용하여 종전 보다 입체적인 유용한 결과를 얻었다. 이를 도시철도 전동차의 차상신호장치인 ATC/ATO에 적용해본 결과 가장 높은 치명도를 가진 부분이 ADU 장애인 것으로 나타났다.
첫째, 기존의 MIL-STD-1629A를 기반으로 도시철도차량의 차상신호설비인 ATC/ATO시스템을 기능적, 물리적으로 분류하였으며 시스템 장애의 발생빈도, 심각도, 검출도를 ATC/ATO시스템에 적합하도록 기준을 다시 정리하였다.

대상 데이터

2009년 12월19일부터 약 3개월의 조사기간 동안 대구 도시철도 1호선 본선 승무 기관사 전체 115명 중에서 42%에 해당하는 48명이 1회 이상 ADU장치 장애를 경험하였다. ADU 장애 총 발생 96건에서 기관사 3인이 각각 10회, 7회, 6회를 경험하는 등 8명의 기관사가 전체 장애발생의 46%를 차지하고 있어 ADU 장애발생이 기관사 개인의 정전기 특성과 뚜렷한 연관성이 있음을 알 수 있었다.

데이터처리

본 연구에서는 도시철도 차량시스템의 신뢰성 및 안정성을 확보하기 위하여 FMECA 절차를 도입하여 운전 위험요소를 분석하고 그 대책을 찾아 문제점을 개선하는 의미 있는 성과를 도출하였다. 그 절차는 우선 시스템의 기능적 속성과 물리적 속성을 나누어 분석하고 발생 가능한 고장 유형과 예상되는 빈도수를 정의하고 고장원인과 그 결과가 시스템에 미치는 결과를 치명도로 나타내었으며 최종적으로 위험 우선순위를 계산하였다. 이러한 작업의 결과로서 우리는 시스템의 고위험 부분이나 가장 약한 고리 즉, 최약링크를 손쉽게 판단 할 수 있었다.

성능/효과

2009년 12월19일부터 약 3개월의 조사기간 동안 대구 도시철도 1호선 본선 승무 기관사 전체 115명 중에서 42%에 해당하는 48명이 1회 이상 ADU장치 장애를 경험하였다. ADU 장애 총 발생 96건에서 기관사 3인이 각각 10회, 7회, 6회를 경험하는 등 8명의 기관사가 전체 장애발생의 46%를 차지하고 있어 ADU 장애발생이 기관사 개인의 정전기 특성과 뚜렷한 연관성이 있음을 알 수 있었다.
이를 도시철도 전동차의 차상신호장치인 ATC/ATO에 적용해본 결과 가장 높은 치명도를 가진 부분이 ADU 장애인 것으로 나타났다. ADU의 장애는 심각도 측면에서는 본선 운행에 결정적 피해를 주지 않으면서도 발생빈도 면에서는 높은 횟수를 보였음을 FMECA분석을 통해 알 수 있었다. 이에 따라 도시철도에서 RCM적 관리대상으로 ADU장치를 선정하고 그 개선방안으로 도시철도차량 운전실의 정전기 상시 방전 방안을 마련하여 실제 적용하였다.
RPN 평가결과에서 위험우선순위평가는 Table 6에서 나타난 바와 같이 정전기로 인한 고장영향이 속도계 고정현시, 지시등 계속 점등, ADU 고정 등의 지시표시장치의 ADU가 우선순위 1위인 것으로 도출 되었고 고장영향이 정위치 실패인 송·수신장치의 우선순위가 2위로 도출 되었으며 다음은 no code, 열차정지와 속도코드 미수신 또 과주가 3위로 나타났다.
2와 같이 적용하였다. 그 결과 ADU장애는 개선 전 2009년에 91건 발생하던 장애가 전동차 34개 편성을 대상으로 개선대책이 순차적으로 적용된 2010년에는 13건으로 감소되었으며, 전편성에 모두 적용된 2011년에는 Table 10에서와 같이 ADU장애가 4회만 발생하는 뚜렷한 장애감소 효과를 얻을 수 있었다.
넷째, ADU 장애의 주원인으로 정전기 방전현상임을 도출 하였고 정전기와 관련한 도시철도차량 운전실의 구조적·전기적·환경적 문제점과 특성을 파악하였다.
다섯째, 자연적으로 발생하는 인체의 정전기를 상시 방전 가능하도록 개선하면 ADU 장애를 제거하고 방전 쇼크로부터 기관사를 보호할 수 있음을 알 수 있었다.
둘째, 지금까지 도시철도 차량 분야에서 시행되어온 경험이나 주관적 판단 등에 의한 단편적인 시스템장애에 대한 분류를 RPN 결과에 입각하여 보다 정량적 기준으로 판단할 수 있도록 하였다.
ADU장치에 사용된 대표적 ESD(Electrostatic Discharge) 부품은 정비지침서[15]를 기준으로 Table 8과 같이 분류하였다. 또, 운전실의 환경적 특성으로서 동절기 난방용 전기히터의 가동으로 운전실내는 약 20% 이하의 낮은 상대습도를 보이고 있어 기관사는 상시 정전기가 빈번하게 발생할 수 있는 환경에 노출되어 있음을 알 수 있었다.
장치와 서브시스템의 분석레벨을 1차 서브시스템까지로 한정하였으며 서브시스템 별로 다수의 고장모드를 가지고 있지만 여기서는 주요한 고장모드만 나타내었다. 또, 합당한 FMEA 분석을 위해 고장모드 중에서 효과적이고 중요한 것을 선별하였다. 선정된 고장모드에 대한 추정원인은 우선 정비지침서를 참고하여 작성하였으며 또 전동차 운행에서 실제 발생한 고장기록을 조사하여 분류하였다.
셋째, RPN 결과 순위 1위의 서브시스템은 ADU 장치이며 2위 차상마커코일, 3위는 ATP1 Module과 ATO Module로 분석되었으며 ADU 장치 장애에 대한 개선이 가장 우선임을 도출하였다.
그 절차는 우선 시스템의 기능적 속성과 물리적 속성을 나누어 분석하고 발생 가능한 고장 유형과 예상되는 빈도수를 정의하고 고장원인과 그 결과가 시스템에 미치는 결과를 치명도로 나타내었으며 최종적으로 위험 우선순위를 계산하였다. 이러한 작업의 결과로서 우리는 시스템의 고위험 부분이나 가장 약한 고리 즉, 최약링크를 손쉽게 판단 할 수 있었다. 지금까지는 고장 이력과 같은 수평적이고 정량적인 데이터를 중심으로 한 차량 시스템 자체의 물리적 고장만 주요 대상으로 연구 되었으나 본 연구에서는 정성적인 항목들도 분석할 수 있는 FMECA기법을 활용하여 종전 보다 입체적인 유용한 결과를 얻었다.
지금까지는 고장 이력과 같은 수평적이고 정량적인 데이터를 중심으로 한 차량 시스템 자체의 물리적 고장만 주요 대상으로 연구 되었으나 본 연구에서는 정성적인 항목들도 분석할 수 있는 FMECA기법을 활용하여 종전 보다 입체적인 유용한 결과를 얻었다. 이를 도시철도 전동차의 차상신호장치인 ATC/ATO에 적용해본 결과 가장 높은 치명도를 가진 부분이 ADU 장애인 것으로 나타났다. ADU의 장애는 심각도 측면에서는 본선 운행에 결정적 피해를 주지 않으면서도 발생빈도 면에서는 높은 횟수를 보였음을 FMECA분석을 통해 알 수 있었다.
전동차 운전실 제어대와 장착된 장치들의 소재 및 노출된 표면은 절연체와 도체가 혼재되어 있는 상태로서 도체는 적절히 접지하는 것으로 정전기 대책이 가능하고 절연체는 금속 또는 도전성 물질로 덮어 대전물체를 차폐하는 방법이 있다. 이에 따라 차체와 절연되어 있는 비전도체인 운전실제어대의 표면에 도전성테이프나 도전성 필름을 시험 적용 하여 수시접촉으로 자연방전을 통한 대전물체의 전위 상승 억제 효과를 알 수 있었다. 그러므로 전기적 전도성이 높은 동판넬을 기관사가 항상 접촉하는 동선을 따라 영구 설치하여 정전기가 상시 방전토록 유도하고 ESDS를 차폐 보호할 수 있도록 Fig.
특히 지시·표시장치의 ADU는 ATC장치의 정보처리결과를 기관사에게 제공하는 중요한 인터페이스 역할을 담당하고 있음을 알 수 있으며 Table 2의 FMEA분석결과를 보면 ADU장치의 주요 장애원인은 정전기임을 알 수 있었다.

후속연구

그러나 적용기간 1년의 성과만으로는 개선효과에 대한 정확한 판단이 곤란하므로 향후에도 지속적인 전동차 운행기록 관리와 장애 데이터 분석을 실시하여 개선효과의 실제적인 검증 결과를 제시할 필요가 있다.
끝으로 본 연구가 도시철도차량분야에 RCM체계가 정착되고 필요 시 FMECA를 활용한 보다 체계적 유지보수체계가 구축되기를 바라며 기관사 운전업무환경 개선에 일조하기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신뢰성기반유지보수는 어떤 역할을 하는가?	도시철도를 구성하고 있는 설비 및 장치를 효율적으로 운영하려면 고도의 기술력과 유지보수 능력이 요구된다. 이러한 기술적 요구를 충족하기 위해 도시 철도 분야에서도 군수분야와 항공산업에서 출발하여 원자력및 전력분야의 설비관리에 중요한 역할을 담당하고 있는 신뢰성기반유지보수(RCM: Reliability Centered Maintenance) 에 대한 연구 및 논의가 활발한 상태이다. 신뢰성기반유지보수는 특히 예방정비 관련 활동을 보다 합리적으로 처리하기 위해 논리적 절차를 밟으면서 접근하는 것으로 유지보수 업무가 필요한 설비에 대하여 기존 정비프로그램을 최적화 하거나 또는 새로운 정비 프로그램을 수립하는 체계적 접근법이라고 할 수 있다.
	시스템의 신뢰성및 안전성을 위한 분석은 각각 어떤 특징을 가지고 있는가?	RCM이 달성하고자 하는 중요한 요소는 시스템의 신뢰성및 안전성이다. 시스템의 신뢰성은 고유신뢰도와 운영신뢰도로 구분되어 정량적인 분석이 가능하지만 안전성의 경우는 정성적인 의미를 많이 가지고 있다.
	신뢰성기반유지보수의 장점은?	이러한 기술적 요구를 충족하기 위해 도시 철도 분야에서도 군수분야와 항공산업에서 출발하여 원자력및 전력분야의 설비관리에 중요한 역할을 담당하고 있는 신뢰성기반유지보수(RCM: Reliability Centered Maintenance) 에 대한 연구 및 논의가 활발한 상태이다. 신뢰성기반유지보수는 특히 예방정비 관련 활동을 보다 합리적으로 처리하기 위해 논리적 절차를 밟으면서 접근하는 것으로 유지보수 업무가 필요한 설비에 대하여 기존 정비프로그램을 최적화 하거나 또는 새로운 정비 프로그램을 수립하는 체계적 접근법이라고 할 수 있다. 신뢰성기반유지보수를 위한 한 방법으로 고장모드 영향 및 치명도 분석(FMECA: Failure Modes Effects and Criticality Analysis)을 이용하면 장치, 기능, 고장형태, 고장영향, 고장원인 등의 기본 정보를 식별하고 분석하는 활동을 통해 시스템에 치명적 영향을 주는 고장유형별 위험도(RPN: Risk Priority Number)를 결정할 수 있으며 위험도를 결정할 수 있다면 신뢰성을 확보하기 위한 유지보수를 효율적으로 실행할 수 있다.

참고문헌 (15)

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Rausand, (2005) System Reliability Theory, 2nd Ed., Wiley, pp. 10-46.
MIL-STD 1629A, Procedures for Performing a Failure Mode, Effects and Criticality Analysis.
SAE (2009) Potential Failure Mode and Effects Analysis in Design (Design FMEA) and Potential Failure Mode and Effects Analysis in Manufacturing and Assembly Processes (Process FMEA) and Effects Analysis for Machinery (Machinery FMEA), SAE-J1739.
International Electrotechnical Commission (2006) Analysis technique for system reliability: Procedures for failure mode and effect analysis (FMEA), IEC 60812.
O.W. Kwon (2000) Failure analysis techniques as FMEA, FMECA Utilization, Korea TPM Institute. PP. 1-6.
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Y.G. Baek, S.M. Yun, J.H. Lee, M.G. Park, et al. (2002) A Study on FMEA Improvement for Reliability and Safety Enhancement, Spring Conference of The Korean Society for Railway, Seoul, Korea, pp. 446-452.
B.N. Park, H.J. Joo, C.H. Lee, S.S. Lim (2009) A Study on FMEA for Railway Vehicle, Autumn Conference of The Korean Society for Railway, Jeju, Korea, pp. 162-168.
C. An, D. Lee, Y. Son, H.S. Lee (2010) A Study for Reliability Improvement of Belt Type Door System using FMECA, Journal of the Korean Society for Railway, 13(1), pp. 58-64.
B.H. Min, G.S. Kim, Y.K. Chung (2006) A Study on the Unification of The Grounding System of Seoul Metro due to Ageing, Journal of the Korean Society for Railway, 9(4), pp. 394- 400.
Electric vehicle maintenance guidelines for Line 1 (1995). Daegu Metropolitan Transit Corporation.

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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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