[논문]FMEA 안전분석 기법을 활용한 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처 무결성 향상을 위한 검증 방법론 구축에 관한 연구

김주욱; 오세찬; 김금비; 심상현; 김영민

doi:10.5762/kais.2016.17.10.68

FMEA 안전분석 기법을 활용한 차상중심 열차제어시스템의 아키텍처 무결성 향상을 위한 검증 방법론 구축에 관한 연구
On the Improving Integrity for Verification method of Train-Centric Train Control System Architecture using FMEA Safety Activity 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.10, 2016년, pp.68 - 78

김주욱 (한국철도기술연구원) , 오세찬 (한국철도기술연구원) , 김금비 (한국철도기술연구원) , 심상현 (에스피아이디) , 김영민 (에스피아이디)

초록
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최근 철도 열차제어시스템은 최첨단 기술로 인한 무선통신기반 개발의 수요와 이에 따른 환경의 다변화로 인해 안전에 대한 쟁점도 증가하고 있다. 이에 따라 기존의 열차제어시스템에서 다루는 지상 설비 설계에 대한 단계별 안전 활동 강화의 필요성 역시 강조되고 있다. 국내 철도 산업은 대다수 열약한 산업환경으로 구성되어 있다. 이러다 보니, 설계 산출물에 대한 생성에 초점이 맞춰져 있지, 산출물에 대한 검증 방안 및 적용에 대한 역량이 상당히 부족한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 열차제어시스템 설계 단계의 아키텍처 산출물 검증 방안을 확보하기 위해 안전분석 산출물을 바탕으로 확보 가능한 방법에 대해 기술하고 있다. 이렇듯 설계적 산출물에 대한 검증방안을 구축하고 직접 수행에 따른 설계적 무결성을 높이고자 한다. 특히, FMEA 안전 분석 기법을 활용해, 안전 분석 기법을 통해 개별 단계별 산출물의 활용을 통한 아키텍처 산출물과의 연계성 확보를 통해 무결성 확보를 위한 기술적 접근법을 기술하였다. 본 연구의 결과를 토대로 안전성 향상 접근에 대한 시험 활동 재정립을 통해 개선함으로써 향후 모델 기반 열차제어시스템 개발 시 개념설계에서 발생할 수 있는 안전성 이슈를 제거 함에 따라, 설계적 비용 및 시간을 절감 및 안전성 향상을 기대할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Safety is the most important factor for train control systems. Model-based design and safety activities for way-side equipment in train control systems are important factors. Model-based architecture verification was carried out to develop an effective control system, which is represented by model-based failure mode and effects analysis (FMEA). An architecture verification method was created based on FMEA to take advantage of a design model and improve the train safety control system. Case studies were applied to architecture verification scenarios, and the results demonstrate the usability of the method. The improved method is expected to reduce the cost and time in the conceptual design for future development of model-based verification train control systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 측면에서 본 연구에서는 안전분석 기법의 수행을 통한 산출물을 바탕으로 검증과정에 필요한 근원적 정보를 제공한다는 측면에서 차이점을 지니고 있다. 따라서, 본 연구에서는 안전분석 기법와 설계적 기법간의 연동성 파악을 바탕으로 차상중심 열차제어시스템 아키텍처 산출물의 검증 가능한 프로세스 모델을 만들고자 연구하였다.
따라서, 본 연구에서는 차상중심 열차신호제어시스템이라는 신규 신호제어 시스템을 대상으로 생성된 설계산출물인 아키텍처 산출물에 대한 무결성을 높이고자 FMEA(Failure Mode Effects Analysis) 안전분석 기법을 활용해 본 연구를 수행하였다.
또한, 본 연구의 방법론과 밀접한 연구인, 설계와 안전성 측면의 상호 고려를 통한 검증 수행에 관한 연구를 고찰하였다. Prabhu 외(2014), Keith 외(2014)는 시스템설계 변경에 따른 다양한 구성요소들의 오류 및 정보를 확인하기 위한 절차를 개발하고 VV&T(Verification, Validation & Test) 수행 시 상호간의 인터페이스를 빠르게 식별할 수 있도록 모델 기반 접근을 활용하여 접근하였다[7][8].
본 연구는 FMEA 안전분석 기법을 기반으로 아키텍처 산출물의 검증 활동을 지원하기 위한 방법론을 제시하였다. 본 연구에서 제안한 방법론은 차장 중심 열차제어시스템과 같이, 새로운 개념을 기반으로 설계 되는 아키텍처 산출물에 대한 검증활동의 적용 가능한 활동을 수행하였다.
연구진은 국내에서 아직 개발되지 않은 열차제어시스템을 개발 중에 있으며, 이로 인해 발생될 수 있는 설계적 문제를 사전에 해결하고 이를 바탕으로 안전성 확보를 위해 본 연구를 수행하였다. 본 연구에서 대상으로 여기는 열차제어시스템은 선로의 신호, 운전, 역(Station) 등의 정보를 기관사에게 제공하고, 선행열차와의 간격 제어와 더불어 제한속도 초과 시 열차의 안전을 확보하는 기능을 담당하고 있다[1].
최근 철도산업의 발전된 기술로 인해, 열차의 고속화 또는 무인화에 이르기 까지 다양한 열차들이 노선에서 운용되고 있는 실정이다. 이러한 다양한 노선에서 운행되고 있는 차량들이 기하급수적으로 늘어남에 따라, 최근 열차제어에 관여하는 신호시스템의 중요성에 대해서 상당수 인지하고 설계적 신뢰성을 높여 안전성 확보를 위해 본 연구를 수행하였다. 기존의 열차제어 신호시스템은 Fig.
해당 안전 분석 기법은 크게 5단계의 접근을 기반으로 시스템을 분석하고 위험사항을 평가하고 조치하는 과정으로 구성되어 있다. 특히, FMEA 기법은 본 연구의 대상인 아키텍처 산출 과정과 상당한 밀접한 정보를 제공하기 때문에 본 연구에서는 연계성 확보를 위해 노력하였다.

제안 방법

서론에서는 본 연구의 사회, 기술 및 연구 동향을 기술하였고, 2장에서는 차상 중심 열차제어시스템 FMEA 안전성 활동을 기반한 시스템 아키텍처 산출물의 검증 연계방안에 관한 필요성을 제시하였다. 3장에서는 FMEA 안전분석과 아키텍처 산출물 생성을 위한 단계별 활동 및 산출물이 지니고 있는 속성 정보를 분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 연동성 제안을 통해, 아키텍처 산출물 검증에 관해 연계 수행 가능한 방법론을 정립하였다.
Step 3. FMEA 기법 수행을 통한 구조/기능분석, 영향 분석을 통해 설계적 가변 요소를 식별한다.
하나의 기능으로부터 다양한 관점(구조적/기능적) 관점에서 추적성에 따른 영향성 분석이 가능한 정보를 제공함에 따라 아키텍처 산출물이 지닌 가변요소에 대한 분석과 검증 가능한 정보를 제공하게 된다. 따라서, 앞선 활동들을 통해, Fig. 5와 같이, FMEA 안전분석 기법을 기반으로 차상중심 아키텍처 검증 수행을 위한 프로세스모델을 제시 하였다. 설계적 관점에서의 물리적 통합 단계에서는 앞선 설계 산출물인 물리적 구성품 식별 및 해당 구성품이 지닌 기능식별 정보를 바탕으로 아키텍처 산출물이 발생되었다면, FMEA 수행의 설계적 최적화수행 단계 산출물의 활용을 통해, 물리적 통합 단계에서 어떠한 요소가 보다 재검토 되어야 하는지에 대해 검토할 수 있는 입력 자료로 활용될 수 있다.
본 연구를 통해, 또한, 차상 중심의 열차제어시스템과 같은 신규 시스템 개발시에는 보다 강화된 설계 신뢰성 산출물을 생성할 수 있다. 또한, 설계시 고려되어야 하는 다양한 가변 요소를 사전에 안전분석 기법을 기반으로 다시 아키텍처 설계 산출물에 반영할 수 있는 방법론을 제시하였다.
FMEA 안전분석 기법을 기반으로 아키텍처 산출물의 검증 프로세스 모델을 갖추기 위해서는 FMEA가 지니고 있는 활동과 수행에 따른 산출물의 특성에 대한 분석이 필요하다. 또한, 설계적 관점인 시스템 아키텍처 산출물을 생성하기 위한 전제 활동 및 산출물의 속성을 분석하여 안전기법과 설계적 기법간의 연동성 확인을 통해 검증 프로세스 모델 구축에 관해 접근하였다. 따라서, 차상중시 열차제어 시스템의 아키텍처 산출물의 검증 프로세스를 구축하기 위한 과정을 다음과 같이 제시 하고자 한다.
차상중심 열차제어 시스템의 FMEA 안전분석의 구조분석 자료를 바탕으로 아키텍처 구조에 대한 검증을 수행의 근거를 제공하였고, 기능분석 및 오류 분석을 통해, 기능아키텍처 산출물에 대한 검증 및 가변요소의 검증/관리 방안을 제시 할 수 있었다. 또한, 안전분석 기법의 Priority 분석 및 설계최적화 과정을 통해, Synthesis Architecture에 대한 검증을 수행할 수 있었다. 또한, 최적화된 차상중심 열차제어시스템 아키텍처의 가변요소를 고려한 설계 검증 방법을 제시하였다.
또한, 안전분석 기법의 Priority 분석 및 설계최적화 과정을 통해, Synthesis Architecture에 대한 검증을 수행할 수 있었다. 또한, 최적화된 차상중심 열차제어시스템 아키텍처의 가변요소를 고려한 설계 검증 방법을 제시하였다. 본 연구를 통해 복잡한 차상중심 열차제어시스템 시스템 아키텍처의 안전산출물을 통한 수행 가능한 검증을 통해 검증적 오류를 시스템 차원의 상위 수준에서 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다.
연구진은 국내에서 아직 개발되지 않은 열차제어시스템을 개발 중에 있으며, 이로 인해 발생될 수 있는 설계적 문제를 사전에 해결하고 이를 바탕으로 안전성 확보를 위해 본 연구를 수행하였다. 본 연구에서 대상으로 여기는 열차제어시스템은 선로의 신호, 운전, 역(Station) 등의 정보를 기관사에게 제공하고, 선행열차와의 간격 제어와 더불어 제한속도 초과 시 열차의 안전을 확보하는 기능을 담당하고 있다[1]. 특히, 열차제어를 위한 신호방식으로 기존의 자동열차정지(ATS: Automatic Train Stop) 방식으로부터 고속, 고밀도 운행에 대비한 자동열차방호(ATP: Automatic Train Protection) 방식이 존재하고 있다[2].
본 연구는 FMEA 안전분석 기법을 기반으로 아키텍처 산출물의 검증 활동을 지원하기 위한 방법론을 제시하였다. 본 연구에서 제안한 방법론은 차장 중심 열차제어시스템과 같이, 새로운 개념을 기반으로 설계 되는 아키텍처 산출물에 대한 검증활동의 적용 가능한 활동을 수행하였다. 기존의 아키텍처 산출물을 검증하는데 있어서 근거적 정보는 이전 단계에서 정의된 요구사항을 기반으로 수행되어져 왔다.
기존의 열차제어 시스템의 운용개념은 위험발생시 ATS가 지상에서 제한속도를 생성하여 기관사 실수에 대한 열차보호만을 담당하는 반면, ATP는 열차운행에 필요한 각종 정보를 지상 설비를 통해 차량으로 전송하고, 차량의 컴퓨터를 통해 속도프로파일의 생성 및 열차방호를 수행하였다. 본 연구에서는 Fig. 4의 우측 그림과 같이, 차상, 다시 말해, 차량에 ATP 신호체계를 탑재하여 차량 간 신호시스템을 제어 가능하도록 설계하고 있다. 이렇다 보니, 기존에 존재하지 않은 새로운 운용개념으로부터, 시나리오가 발생되고, 그것을 구현하기 위한 물리적 구성 또한, 달라지고 있다.
본 연구의 시스템 수준 아키텍처 산출물의 안전활동산출물 기반의 검증 방법론 모델은 차상중심 열차제어시스템의 FMEA(Failure Mode Effects Analysis) 안전분석 활동을 중심으로 시스템 수준의 아키텍처 산출물에 초점을 맞추어 검증 프로세스 모델을 구축하였다. FMEA 안전분석 기법을 기반으로 아키텍처 산출물의 검증 프로세스 모델을 갖추기 위해서는 FMEA가 지니고 있는 활동과 수행에 따른 산출물의 특성에 대한 분석이 필요하다.
3장에서는 FMEA 안전분석과 아키텍처 산출물 생성을 위한 단계별 활동 및 산출물이 지니고 있는 속성 정보를 분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 연동성 제안을 통해, 아키텍처 산출물 검증에 관해 연계 수행 가능한 방법론을 정립하였다. 4장에서는 차상중심 열차제어시스템을 대상으로 적용 사례를 제시하여 제시된 절차를 검증 확립하였다.
Step 2. 앞서 수행된 FMEA 안전분석, 시스템 아키텍처 산출물을 생성하기 위한 활동/산출물에 대한 속성을 분석한다.
앞선 3.2 절의 활동을 통해, 분석된 활동을 바탕으로 FMEA 안전 수행활동과 아키텍처 수행 활동의 단계별 수행내용을 분석하였다. 분석된 활동을 바탕으로 다음은 분석된 활동이 지닌 속성적 관점에서 재분석을 통해 상호 연동성 확립을 위한 근거의 자료를 Table 2과 같이 분석하였다.

성능/효과

설계적 관점에서의 물리적 통합 단계에서는 앞선 설계 산출물인 물리적 구성품 식별 및 해당 구성품이 지닌 기능식별 정보를 바탕으로 아키텍처 산출물이 발생되었다면, FMEA 수행의 설계적 최적화수행 단계 산출물의 활용을 통해, 물리적 통합 단계에서 어떠한 요소가 보다 재검토 되어야 하는지에 대해 검토할 수 있는 입력 자료로 활용될 수 있다. 따라서, 본 연구를 통해, 설계 단계별 산출물에 대한 검증수행의 입력 자료로서 FMEA 산출물의 연계적 정보를 제공함에 따라, FMEA 산출물 기반의 아키텍처 검증프로세스 모델을 구축할 수 있었다.
또한, 최적화된 차상중심 열차제어시스템 아키텍처의 가변요소를 고려한 설계 검증 방법을 제시하였다. 본 연구를 통해 복잡한 차상중심 열차제어시스템 시스템 아키텍처의 안전산출물을 통한 수행 가능한 검증을 통해 검증적 오류를 시스템 차원의 상위 수준에서 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다. 이러한 FMEA 안전분석 기법 기반의 아키텍처 검증 방법론을 제시함에 따라, 설계적 신뢰도를 높일 수 있는 활동의 재정립을 통해 차상중심 열차제어시스템 아키텍처 산출물에 대한 검증단계에 활용할 수 있는 방법을 제시하여 아키텍처 산출물의 무결성을 높여 안전성 확보를 할 수 있는 접근적 방법을 제시하였다는 점에서 기여 하였다고 판단된다.
하지만, 오늘날과 같은, 대형복합 시스템 차원에서는 다양한 기능들이 탑재되고 탑재된 기능의 오류로부터 다양한 오류양향에 대한 정보는 아키텍처 산출물의 생성 및 검증에 상당한 중요 지표로 활용될 수 있는 측면이 있다. 본 연구를 통해, 또한, 차상 중심의 열차제어시스템과 같은 신규 시스템 개발시에는 보다 강화된 설계 신뢰성 산출물을 생성할 수 있다. 또한, 설계시 고려되어야 하는 다양한 가변 요소를 사전에 안전분석 기법을 기반으로 다시 아키텍처 설계 산출물에 반영할 수 있는 방법론을 제시하였다.
또한, 기능에 대한 오류 및 다양한 영향도 분석에 따라 해당 오류의 Priority 분석을 수행하고 최종적으로 설계 최적화를 수행하게 된다. 수행된 결과를 통해, 차상중심 열차제어 시스템의 아키텍처 산출물의 검증과 검증의 결과를 바탕으로 오류를 개정해 아키텍처 산출물을 수정할 수 있는 근거를 제공할 수 있게 되었다.
본 연구를 통해 복잡한 차상중심 열차제어시스템 시스템 아키텍처의 안전산출물을 통한 수행 가능한 검증을 통해 검증적 오류를 시스템 차원의 상위 수준에서 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다. 이러한 FMEA 안전분석 기법 기반의 아키텍처 검증 방법론을 제시함에 따라, 설계적 신뢰도를 높일 수 있는 활동의 재정립을 통해 차상중심 열차제어시스템 아키텍처 산출물에 대한 검증단계에 활용할 수 있는 방법을 제시하여 아키텍처 산출물의 무결성을 높여 안전성 확보를 할 수 있는 접근적 방법을 제시하였다는 점에서 기여 하였다고 판단된다.
차상중심 열차제어 시스템의 FMEA 안전분석의 구조분석 자료를 바탕으로 아키텍처 구조에 대한 검증을 수행의 근거를 제공하였고, 기능분석 및 오류 분석을 통해, 기능아키텍처 산출물에 대한 검증 및 가변요소의 검증/관리 방안을 제시 할 수 있었다. 또한, 안전분석 기법의 Priority 분석 및 설계최적화 과정을 통해, Synthesis Architecture에 대한 검증을 수행할 수 있었다.

후속연구

분기점은 아키텍처 가변 요소와 해당 가변요소의 검증을 수행하는데 있어서 중요한 검증요구사항 생성의 근원이 되는 자료가 될 수 있다. 또한, 기능에 대한 오류 및 다양한 영향도 분석에 따라 해당 오류의 Priority 분석을 수행하고 최종적으로 설계 최적화를 수행하게 된다. 수행된 결과를 통해, 차상중심 열차제어 시스템의 아키텍처 산출물의 검증과 검증의 결과를 바탕으로 오류를 개정해 아키텍처 산출물을 수정할 수 있는 근거를 제공할 수 있게 되었다.
5와 같이, FMEA 안전분석 기법을 기반으로 차상중심 아키텍처 검증 수행을 위한 프로세스모델을 제시 하였다. 설계적 관점에서의 물리적 통합 단계에서는 앞선 설계 산출물인 물리적 구성품 식별 및 해당 구성품이 지닌 기능식별 정보를 바탕으로 아키텍처 산출물이 발생되었다면, FMEA 수행의 설계적 최적화수행 단계 산출물의 활용을 통해, 물리적 통합 단계에서 어떠한 요소가 보다 재검토 되어야 하는지에 대해 검토할 수 있는 입력 자료로 활용될 수 있다. 따라서, 본 연구를 통해, 설계 단계별 산출물에 대한 검증수행의 입력 자료로서 FMEA 산출물의 연계적 정보를 제공함에 따라, FMEA 산출물 기반의 아키텍처 검증프로세스 모델을 구축할 수 있었다.
따라서, 기존 시스템이 아닌 신규 컨셉을 기반한 새로운 시스템을 개발시에 파생되는 아키텍처 산출물에 대한 검증체계가 보다 현실적으로 필요한 시점이다. 이렇듯, Fig. 3에서 제시하는 바와 같은, 설계 산출물의 핵심 산출물인 시스템 수준에서의 아키텍처 산출물을 검증할 수 있다면 시스템 개발 초기 단계에 안전성 확보 및 설계 변경비용 절감 등 다양한 측면에서 이점을 기대할 수 있을 것이다.
이렇게 가변 요소를 식별하고 그에 따른 아키텍처 설계 산출물을 구축한다면 설계 변경에 대한 상당한 자유로움을 가져다 갖출 수 있게 되고 보다 안전성 확보에 체계화된 접근을 수행 할 수 있게 된다. 특히, 가변 요소 식별과정에는 FMEA 안전 분석 활동을 통해서 물리적 구성품의 구조와 해당 구조(Structure)의 오류에 대한 영향을 추적 확립하기 때문에 설계적 가변 요소를 식별하고 해당 영향성 분석이 가능하다는 점에서 활용적 측면에서 적합한 안전분석 기법이 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안전활동의 수행에 있어서도 제약적인 산출물만 제공하는 이유는?	상당수 안전활동 및 시스템 설계 활동들이 시스템 설계 초기 활동인 개념설계 단계가 아닌 상세설계 단계에 집중되어 활동주이기 때문이다. 이러다보니, 신규 컨셉을 기반으로 개발되는 시스템 체계의 경우 물리적 구조를 제대로 반영하지 못하는 측면이 존재하고 있고 그 결과 안전활동의 수행에 있어서도 제약적인 산출물만을 제공하고 있다. 이러한 결과, 시스템의 상위수준에서 안전/설계적 측면의 활동이 강조되고 있는 시점에 와있다.
	열차제어시스템의 기능은?	연구진은 국내에서 아직 개발되지 않은 열차제어시스템을 개발 중에 있으며, 이로 인해 발생될 수 있는 설계적 문제를 사전에 해결하고 이를 바탕으로 안전성확보를 위해 본 연구를 수행하였다. 본 연구에서 대상으로 여기는 열차제어시스템은 선로의 신호, 운전, 역(Station) 등의 정보를 기관사에게 제공하고, 선행열차와의 간격 제어와 더불어 제한속도 초과 시 열차의 안전을 확보하는 기능을 담당하고 있다[1]. 특히, 열차제어를 위한 신호방식으로 기존의 자동열차정지(ATS: Automatic Train Stop) 방식으로부터 고속, 고밀도 운행에 대비한 자동열차방호(ATP: Automatic Train Protection) 방식이 존재하고 있다[2].
	대형화/복잡화 특성의 시스템 개발이 어려운 이유는?	이러다 보니, 상당수 안전요구사항의 발견 및 설계적 반영에 대한 결과물로 반영되어야 할 사항들이 오늘날 대형화/복잡화 특성의 시스템 개발시 상당한 어려움을 겪고 있다. 상당수 안전활동 및 시스템 설계 활동들이 시스템 설계 초기 활동인 개념설계 단계가 아닌 상세설계 단계에 집중되어 활동주이기 때문이다. 이러다보니, 신규 컨셉을 기반으로 개발되는 시스템 체계의 경우 물리적 구조를 제대로 반영하지 못하는 측면이 존재하고 있고 그 결과 안전활동의 수행에 있어서도 제약적인 산출물만을 제공하고 있다.

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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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