[논문]IEC 61508 기준 PES 기반 전자연동장치의 기능 안전도 분석에 관한 연구

이명철

doi:10.5370/kiee.2014.63.11.1526

IEC 61508 기준 PES 기반 전자연동장치의 기능 안전도 분석에 관한 연구
A Study on the Functional Safety Analysis of PES-based Electronic Interlocking Unit according to IEC 61508 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.11, 2014년, pp.1526 - 1532

이명철 (Dept.of Railroad System Engineering, Woosong Univerity)

Abstract ▼ AI-Helper

The Electronic Interlocking unit in railway signalling system is safety-related facilities to determine route and speed for train running. In particular, the SSI(Solid State Interlocking) is Electronic Interlocking unit for high-speed railway, and it performs safety-critical function by MPM(Micro-Processor Module). Meanwhile, MPM is composed of the PES(Programmable Electronic System)-based system, and the PES-based system in railway safety-related facilities should be implemented by complying with the safety requirements defined in IEC 62425 and IEC 61508. In this paper, we performed modeling of failure rate and reliability for MPM implemented by fault tolerance methods and analyzed functional safety for MPM. Moreover, we determined SIL(Safety Integrity Level) for MPM according to the safety requirements defined in IEC 61508 based on an analyzed functional safety.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 철도안전 국제 규격인 EN 50126, EN129에서 언급되는 THR과 관련된 SIL 요구사항을 만족하기 위해 IEC 61508에서 제시된 고 요구 작동모드에서의 THR을 분석하였다. 2oo3 모듈로 구성된 고속선 SSI의 MPM 모듈에 대한 고장률을 근거로 SSI의 신뢰도 및 IEC61508에서 제시된 THR _2oo3의 계산 공식을 적용하여 증명 시험 간격 T ₁과 진단범위 DC에 따른 THR_2oo3값을 계산하였고, 결과 값을 근거로 SIL을 결정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 철도안전 국제 규격인 EN 50126, EN129에서 언급되는 THR과 관련된 SIL 요구사항을 만족하기 위해 IEC 61508에서 제시된 고 요구 작동모드에서의 THR을 분석하였다. 2oo3 모듈로 구성된 고속선 SSI의 MPM 모듈에 대한 고장률을 근거로 SSI의 신뢰도 및 IEC61508에서 제시된 THR _2oo3의 계산 공식을 적용하여 증명 시험 간격 T ₁과 진단범위 DC에 따른 THR_2oo3값을 계산하였고, 결과 값을 근거로 SIL을 결정하였다. 본 논문의 결론은 다음과 같다.
FMECA 활동을 통해 분석된 고장 영향 및 결과 중 안전에 영향을 미치는 고장모드를 별도로 식별하여, IEC 61508에 정의된 검출되지 않은 위험측 고장률 λDU , 검출된 위험측고장률 λDD , 검출되지 않은 공통 원인고장(Common Cause Failure : CCF) 비율 β, 검출된 공통 원인고장 비율 βD, 등가평균 정지시간 tCE , 증명 시험 간격 T1 등의 인자들을 계산한다.
FMECA 활동을 통해 분석된 고장 영향 및 결과 중 안전에 영향을 미치는 고장모드를 별도로 식별하여, IEC 61508에 정의된 검출되지 않은 위험측 고장률 λ_DU , 검출된 위험측고장률 λ_DD, 검출되지 않은 공통 원인고장(Common Cause Failure : CCF) 비율 β, 검출된 공통 원인고장 비율 β_D, 등가평균 정지시간 t_CE , 증명 시험 간격 T₁ 등의 인자들을 계산한다. 네 번째, 계산된 인자들을 활용하여 IEC 61508에 정의된 정량적인 안전성 계산 공식에 따라 최종 THR을 산출한다.
두 번째, 수립된 RAM 목표 값을 입증하기 위해 신뢰성 블록다이어그램인 RBD(Reliability Block Diagram)를 작성하여 고장률 λ를 도출하고, 고장률 λ를 근거로 평균 수리시간인 MTTR(Mean Time To Repair)을 계산한다. 세 번째, 특정 장치 및 시스템에서 발생 가능한 고장 유형 및 고장 원인을 식별하고, 고장 영향을 및 결과를 기록하는 FMECA(Failure Modes Effects and Criticality Analysis) 활동을 수행한다. FMECA 활동을 통해 분석된 고장 영향 및 결과 중 안전에 영향을 미치는 고장모드를 별도로 식별하여, IEC 61508에 정의된 검출되지 않은 위험측 고장률 λ_DU , 검출된 위험측고장률 λ_DD, 검출되지 않은 공통 원인고장(Common Cause Failure : CCF) 비율 β, 검출된 공통 원인고장 비율 β_D, 등가평균 정지시간 t_CE , 증명 시험 간격 T₁ 등의 인자들을 계산한다.
에 따른 PFH2oo3(1) 은 Table 3과 같다. 증명 시험 간격을 1개월, 3개월, 6개월단위로 수행하였으며, 증명 시험 간격이 증가할수록 THR 2oo3 (1)은 약간씩 증가되었다. 또한 진단범위를 높게 책정할수록 THR 2oo3(1)도 감소되었고, 20% 진단 범위 책정 시에는 증명 시험 간격에 관계없이 비슷한 THR 2oo3 결과 값을 도출하였다.

데이터처리

두 번째, 수립된 RAM 목표 값을 입증하기 위해 신뢰성 블록다이어그램인 RBD(Reliability Block Diagram)를 작성하여 고장률 λ를 도출하고, 고장률 λ를 근거로 평균 수리시간인 MTTR(Mean Time To Repair)을 계산한다.

이론/모형

THR 2oo3를 계산하기 위해 고속선 SSI MPM 모듈에 대한 각각의 파라메터에 대한 정의가 필요하다. 각각의 파라메터에 대한 정의는 Table 2와 같으며, 시뮬레이션 도구로는 Matlab 프로그램을 사용하였다[13-16].
세 개의 결함허용모듈은 각각 하드웨어적으로 동일 하며, 동일한 소프트웨어를 사용한다. 결함허용모듈의 안전성을 모델링하기 위해서 서론에서 제시된 정량적인 안전성 분석 방법을 사용한다.
먼저 RAM 분석 수준을 정의하기 위해 RBD (Reliability Block Diagram) 분석 기법을 사용한다. RBD는 논리적인 기호를 사용하여 시스템 내의 고장관계를 나타내며 일반적으로 RBD에서 사용되는 신뢰도는 고장율[λ]과 시간[t]로 계산된다.
유지보수도의 평가지표는 예측치 기반의 MTTR을 사용한다. MTTR은 현장에서 유지보수 인력에 의해 교체가 가능한 최하위현장 수리구성요소(Line Replaceable Units : LRU) 단위로, 시스템에서 발생된 고장을 발견에서부터 조치 및 시험 후, 기능 복귀까지의 시간을 정의한 것이다.
정량적인 안전성 분석 수준을 정의하기 위해 IEC 61508에 정의된 분석 기법을 사용한다. IEC61508-6에서는 1oo1, 1oo2, 2oo2, 1oo2D, 2oo3의 결함-허용(Fault Tolerant) 모듈에 따른 THR 분석 기법을 정의하고 있다[1].

성능/효과

1) PES 기반 안전-필수 열차제어시스템은 IEC 61508에서 권고하는 THR 분석 방법을 활용하여 단일계(1oo1) 및 이중계 (1oo2, 2oo2), 삼중계(2oo3)의 하드웨어 여분을 이용한 결함-허용 방식에 따른 정량적인 안전성 분석을 수행하고 정량적인 안전성 분석 결과에 따라 SIL(Safety Integrity Level)을 결정해야 한다.
2) 2oo3 결함허용모듈의 THR 계산 시에는 고장률 λ, 유지보수도 MTTR, 검출되지 않은 위험측고장율 λDU, 검출된 위험측고장율 λDD, 등가평균정지시간 tCE, 진단범위 DC, 증명시험간격 T1, 공통 원인 고장 β 및 βD의 필요 인자를 먼저 예측 및 분석하여야 한다.
6) 결함허용모듈에서 SIL 4를 도출하기 위해서는 설계 단계에서 장치의 고장률 λ, 유지보수도 MTTR, 검출되지 않은 위험측고장율 λDU, 검출된 위험측고장율 λDD, 등가평균 정지시간 tCE, 공통 원인 고장 β 및 βD 등의 요소를 고려하여 설계하여야 한다.
7) 결함허용모듈에서 SIL 4를 도출하기 위해서는 시험 단계에서 증명시험간격 T₁ 요소를 고려하여 검증하여야 한다.
CCF와 관련된 β와 βD를 각각 10%, 5%로 가정하여 시뮬레이션을 수행한 결과 THR 2oo3(2)는 Fig. 9 및 Fig. 10과 같이 분석되었고, β와 β D를 각각 20%, 10%로 가정하여 시뮬 레이션을 수행한 결과, THR 2oo3(3)은 Fig. 11, Fig. 12와 같이 분석되었다.
한편 THR 2oo3(2), THR 2oo3(3)의 결과 패턴은 THR 2oo3(1)과 유사하게 분석되었다. 단, 6개월 증명 시험 간격에서 진단 범위가 높을수록 THR 2oo3(2), THR 2oo3(3)이 감소되는 점은 THR 2oo3(1)과는 상이하게 분석되었다.
증명 시험 간격을 1개월, 3개월, 6개월단위로 수행하였으며, 증명 시험 간격이 증가할수록 THR 2oo3 (1)은 약간씩 증가되었다. 또한 진단범위를 높게 책정할수록 THR 2oo3(1)도 감소되었고, 20% 진단 범위 책정 시에는 증명 시험 간격에 관계없이 비슷한 THR 2oo3 결과 값을 도출하였다.
첫 번째, 특정 장치 또는 시스템의 RAM(Reliability, Availability and Maintainability) 및 안전성(Safety)에 대한 목표값을 수립한다. 두 번째, 수립된 RAM 목표 값을 입증하기 위해 신뢰성 블록다이어그램인 RBD(Reliability Block Diagram)를 작성하여 고장률 λ를 도출하고, 고장률 λ를 근거로 평균 수리시간인 MTTR(Mean Time To Repair)을 계산한다.

후속연구

5 본 논문에서는 최종 THR_2oo3(1)을 도출하여 SIL 3으로 결정하였지만, 최근 안전-필수 열차제어시스템에서 요구하고 있는 SIL 4를 결정할 수 있는 안전성 분석이 수행되어야 한다.
향후, SIL 결정 방식은 국내 철도시스템(열차제어, 통신 등)에서 보다 합리적인 안전성 평가 기법으로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도신호시스템에서 전자연동장치(Electronic Interlocking unit)는 무엇인가?	철도신호시스템에서 전자연동장치(Electronic Interlocking unit)는 역 구내에서 열차의 운행과 차량의 입환 작업을 안전하고 신속하게 수행하기 위하여 신호기, 선로전환기, 궤도회로 등의 신호보안장치를 전기적으로 연쇄하거나 컴퓨터 소프트웨어에 의한 데이터베이스화 및 로직을 상호 연쇄하여 열차에 대한 진로 취급이나 신호설비 취급 시 오동작이나 부정 동작을 방지하도록 구성한 장치이다.
	SIL(Safety Integrity Level)의 결정 방법은 어떻게 구분할 수 있는가?	IEC 61508에서는 단일계(1oo1) 및 이중계(1oo2, 2oo2), 삼중계(2oo3)의 등의 하드웨어 여분을 이용한 결함-허용 방식에 따른 정량적인 안전성 분석 방식을 설명하고 있고, 이러한 정량적인 안전성 분석 결과에 따라 SIL(Safety Integrity Level)을 결정하도록 권고 하고 있다. SIL의 결정은 계통적 고장(Systematic failure)에 대한 정성적인 안전성 분석 방법과 임의적 고장(Random failure)에 대한 정량적인 안전성 분석 방법으로 구분된다. Random failure에 대한 정량적인 안전성 분석 방법은 Table 1에서와 같이 4개의 등급으로 구분하여, 특정 시스템의 THR(Tolerable Hazard Rate)에 따른 안전성 등급을 할당한다[1, 3-4].
	전자연동장치의 기능 중 안전과 직접적인 연관이 있는 기능은 무엇인가?	역에서는 전자 연동장치에 의존하여 열차의 진로, 입환, 폐색 제어 등을 수행하고 있기 때문에 전자연동장치의 안전성 및 신뢰성이 매 우 높게 요구되고 있다. 진로제어, 열차속도제어 및 건널목 제어 등과 같은 안전-필수(Safety-Critical) 기능은 안전과 직접적인 관련이 있어, 이 기능들에 대해서 시스템 수명주기 전반에 걸쳐서 안전성확보 및 검증이 필요하다[6].

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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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