철도신호장치는 열차의 진로 및 간격제어를 수행하여 위험측 오동작이 발생하는 경우 열차충돌 또는 탈선 등 심각한 사고의 원인이 되므로 철도시스템의 안전핵심장치이다. 철도적용 신뢰성, 가용성, 유지보수성, 안전성에 대한 국제표준에서는 철도신호장치와 같은 안전필수장치에 대해서는 기능안전을 보증토록 하고 있으며, 기능안전은 장치의 고장률을 통해 정량적으로 신뢰성과 안전성을 예측 및 입증토록 권고한다. 기술발전과 함께 철도신호장치의 첨단화가 가속화되고 있으며, 과거 실용사례가 있는 장치에 대해서도 운영시나리오를 반영한 특화된 사용자 요구사항이 요구되어 사실상 철도신호장치의 신뢰성과 안전성은 적용사례별로 차이가 발생한다. 따라서 철도신호장치의 신뢰도는 국제표준에 따라 사용시점의 초기고장률을 표준에 의해 예측하고 일정기간 영업운전 동안 발생된 고장정보를 통해 예측치를 입증해야 한다. 본 논문은 신뢰도 예측에 의한 초기고장률 입증을 효과적으로 수행하기 위한 방안을 제시하며 운행 중 발생된 고장정보의 수집과 통계처리 방법을 제시한다.
철도신호장치는 열차의 진로 및 간격제어를 수행하여 위험측 오동작이 발생하는 경우 열차충돌 또는 탈선 등 심각한 사고의 원인이 되므로 철도시스템의 안전핵심장치이다. 철도적용 신뢰성, 가용성, 유지보수성, 안전성에 대한 국제표준에서는 철도신호장치와 같은 안전필수장치에 대해서는 기능안전을 보증토록 하고 있으며, 기능안전은 장치의 고장률을 통해 정량적으로 신뢰성과 안전성을 예측 및 입증토록 권고한다. 기술발전과 함께 철도신호장치의 첨단화가 가속화되고 있으며, 과거 실용사례가 있는 장치에 대해서도 운영시나리오를 반영한 특화된 사용자 요구사항이 요구되어 사실상 철도신호장치의 신뢰성과 안전성은 적용사례별로 차이가 발생한다. 따라서 철도신호장치의 신뢰도는 국제표준에 따라 사용시점의 초기고장률을 표준에 의해 예측하고 일정기간 영업운전 동안 발생된 고장정보를 통해 예측치를 입증해야 한다. 본 논문은 신뢰도 예측에 의한 초기고장률 입증을 효과적으로 수행하기 위한 방안을 제시하며 운행 중 발생된 고장정보의 수집과 통계처리 방법을 제시한다.
The railway signaling system, which controls the course of trains and the distance between trains, is a safety critical system of the railway system because derailment or collision of trains can occur if unsafe failure is generated by any fault. The international standards of reliability, availabili...
The railway signaling system, which controls the course of trains and the distance between trains, is a safety critical system of the railway system because derailment or collision of trains can occur if unsafe failure is generated by any fault. The international standards of reliability, availability, maintainability, and safety of railway applications require that the safety of functions be guaranteed in safety critical systems; system reliability and safety are quantitatively estimated and demonstrated by the failure rates of devices. The development of technology has accelerated the development of railway signaling systems. Existing devices, which have already been verified as to their safety, are applied with special user requirements to reflect the new operation scenario. It is found that the reliability and safety of the devices are different depending on individual application. Therefore, the reliability of the railway signaling system must be considered while complying with the international standards; this requires that the initial failure rate be estimated and demonstrated using fault data gathered over several years. This paper shows a method for demonstrating the initial estimated failure rate and suggests a fault data collection method and an overall process that is based on probability.
The railway signaling system, which controls the course of trains and the distance between trains, is a safety critical system of the railway system because derailment or collision of trains can occur if unsafe failure is generated by any fault. The international standards of reliability, availability, maintainability, and safety of railway applications require that the safety of functions be guaranteed in safety critical systems; system reliability and safety are quantitatively estimated and demonstrated by the failure rates of devices. The development of technology has accelerated the development of railway signaling systems. Existing devices, which have already been verified as to their safety, are applied with special user requirements to reflect the new operation scenario. It is found that the reliability and safety of the devices are different depending on individual application. Therefore, the reliability of the railway signaling system must be considered while complying with the international standards; this requires that the initial failure rate be estimated and demonstrated using fault data gathered over several years. This paper shows a method for demonstrating the initial estimated failure rate and suggests a fault data collection method and an overall process that is based on probability.
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문제 정의
본 논문에서는 가상 노선에 설치된 ATP 지상장치 30개에서 발생된 장애횟수를 Table 4와 같이 가정하여 운영초기 1년간의 고장분석을 통한 초기예측신뢰도의 입증과, 매년 발생되는 고장정보 분석을 통한 신뢰도 변화 평가방법을 연구하였다.
본 논문에서는 장치 제작사가 분석하여 독립된 기관으로부터 적합성을 평가받은 초기 예측신뢰도를 현장 정보 수집을 통해 확률적으로 분석하기 위한 통계분석 체계를 제시하고 분석결과의 정확도 보장을 위한 통계의 적정수준에 대해 연구하였다.
가설 설정
Fig. 1은 ATP 지상장치를 Table 3의 LRU를 기능별로 구분하고 다양한 입력/출력 정보가 요구되고 안전성을 확보하기 위하여 다중화 설계를 적용하는 입력카드는 3개, 고정발리스 및 가변발리스는 4개로 구성한 경우를 가정하였다.
제안 방법
본 논문에서는 예측고장률을 입증하기 위한 방법으로 미국방표준의 고장보고분석 및 정정체계에 따른 양식과 운영방안을 제안하였으며, 주기적 고장 수집과 고장률 분석을 통한 신뢰도평가의 정확도를 높이기 위해 통계불확도 이론을 적용하여 신뢰도평가를 수행하였다. 또한 본 논문에서 제안하는 신뢰도 평가방식의 실효성을 보이기 위해 지상신호장치를 모델로 목표수립, 고장률예측, 초기신뢰도와 가상의 운영고장에 따른 신뢰도 변화를 예로 들어 초기신뢰도의 입증 과정을 제시하였으며, 초기에 예측된 신뢰도에 따른 전체시스템의 유지를 위한 효과적인 유지보수 방안을 제안하였다.
본 논문에서는 예측고장률을 입증하기 위한 방법으로 미국방표준의 고장보고분석 및 정정체계에 따른 양식과 운영방안을 제안하였으며, 주기적 고장 수집과 고장률 분석을 통한 신뢰도평가의 정확도를 높이기 위해 통계불확도 이론을 적용하여 신뢰도평가를 수행하였다. 또한 본 논문에서 제안하는 신뢰도 평가방식의 실효성을 보이기 위해 지상신호장치를 모델로 목표수립, 고장률예측, 초기신뢰도와 가상의 운영고장에 따른 신뢰도 변화를 예로 들어 초기신뢰도의 입증 과정을 제시하였으며, 초기에 예측된 신뢰도에 따른 전체시스템의 유지를 위한 효과적인 유지보수 방안을 제안하였다.
신뢰도를 입증하기 위하여 전체 ATP 지상장치에 대한 장애정보를 수집하는 것은 현실적으로 어렵고 비효율적일 수 있는 점을 고려하여 ATP 지상장치의 표본집단을 추출하고 표본집단에 대한 고장정보를 분석하여 통계적으로 추정한다. 표본집단은 전체집단(모집단)을 대표할 수 있도록 추출하여야 하며 국내에 설치된 전체 ATP 지상장치에 대한 정보를 바탕으로 확률표본추출법을 적용한다.
후속연구
프랑스의 제작사가 2004년 개통된 경부1단계 고속철도구간에 공급한 열차제어시스템이 대표적 사례이며, 철도분야 RAMS 국제표준에 대한 적합성 평가가 일반화된 최근에는 대부분의 인증서에 안전관련전제조건(SRAC, Safety Related Application Condition)으로 신뢰도 목표는 예측치를 기준으로 달성되었고 예측치의 입증은 서비스 중 발생된 고장정보 분석을 통해 입증하는 것으로 제시되고 있다. 따라서 철도신호장치의 신뢰도는 사용 개시 후 일정 기간 수집된 고장정보를 바탕으로 예측신뢰도의 입증이 반드시 수행되어야 하며, 주기적인 고장정보 분석을 통하여 신뢰도는 물론 노후화에 따라 증가하는 부품고장률에 영향을 받는 시스템 안전성(위험도)에 대한 평가도 지속적으로 이루어 져야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
IEC 62278는 무엇인가?
우리나라의 전자연동장치, 궤도회로장치, 열차자동방호장치(ATP, Automatic Train Protection) 등 대표적 안전필수 철도신호장치에 대해서는 국제표준에 따른 RAMS관리가 수행되고 있다. 철도분야 RAMS관리에 대한 국제표준인 IEC 62278은 시스템의 수명주기를 14단계로 나누어 각 단계별 요구사항을 제시하고 있으며, 현업에서는 1단계 개념설계(Concept Design)부터 10단계 시스템 수용(Acceptance)까지의 요구사항 준수를 독립된 검사·인증기관으로부터 적합성 평가를 받아 독립안전평가(ISA, Independent Safety Assessment)보고서 또는 인증서(Certificate)형태로 만족함을 입증하고 있다[2]. 특히 과거 해외 실용화를 통해 성능이 검증된 외산장치 위주의 철도시스템 구성에서는 외산장치의 정량적 신뢰도 및 위험도 평가와 관련된 정보의 참조가 가능하였다.
철도신호장치 신뢰도 목표 달성확인을 위해 적용하는 절차는 무엇이 있는가?
철도신호장치 신뢰도 목표 달성확인을 위해서는 사용된 모든 부품단위 고장률을 관련 표준에 따라 예측하여 종합적으로 계산한다. 신뢰도 예측은 표준에 따라 부품의 종류, 복잡도, 환경사양, 재질 등에 따라 부품별 고장률 예측 방정식을 적용하며, 미국신뢰성센터(RAC) 예측표준(217Puse), 미국방지침(MIL-HDBK-217), Telcordia사의 전자장치 신뢰도예측절차(SR-332) 등이 사용되고 있으며 이중 철도신호분야에서는 MIL-HDBK-217을 일반적으로 적용하고 있다[6]. 부품단위로 산출된 고장률은 기능 블럭단위로 조합되어 고장모드영향 및 심각도 분석(FMECA, Failure Mode Effect and Criticality Analysis)을 바탕으로 고장결과를 교정유지보수(Corrective Maintenance), 서비스불능, 사고 등의 결과로 정리하여 고장이나 사고유형별 신뢰도 요구사항의 만족여부를 평가한다.
철도신호장치의 신뢰도는 어떻게 정의되어있는가?
전자부품으로 구성된 철도신호장치의 신뢰도는 전원이 상시 공급되는 지상장치의 경우 평균고장시간(MTBF, Mean Time Between Failure)으로 표현하고, 운행거리에 비례하는 차상장치는 평균고장거리(MKBF, Mean Kilometer Between Failure)로 표현하도록 철도적용 RAMS(Reliability, Availability, Maintainability, Safety) 표준인 IEC 62278에서 정의하고 있다. 지상과 차상장치가 모두 포함된 철도신호장치의 경우에는 신뢰도 목표를 MTBF로 정의하고 지상장치와 차상장치의 신뢰도 기여비율에 따라 각각의 신뢰도 목표를 할당한 후 시간당 평균 운행거리를 근거로 MTBF를 MKBF로 환산하여 관리한다.
참고문헌 (9)
International Electronical Committee (2002) Railway application-specification and demonstration of RAMS, International Standard, IEC 62278:2002.
D.H. Shin (2017) Korea railroad safety certification status and future outlook, Railway Journal, 20(1), pp. 66-72.
The Rome Laboratory (1993) Reliability engineer's toolkit, Air Force Materiel Command, pp.89-92.
United States Department of Defense (1980) Reliability program for systems and equipment development and production, Military Standard, MIL-STD-785B, Task 104.
D.H. Shin, J.H. Lee, K.H. Shin, Y.K. Kim, M.S. Kang (2009) A study on the assessment of residual life span for old type signalling equipment, Journal of the Korean Society for Railway, 12(4), pp. 535-541.
D.H. Shin, J.H. Lee, K.M. Lee, Y.K. Kim (2006) A study on design and reliability assessment for embedded hot-standby sparing FT system using self-checking logic, Journal of the Korean Society for Railway, 9(6), pp. 725-731.
Korea Rail Network Authority (2016) Pyeongchang-gangneung line train control system(ATP) manufacturing installation specification.
A.M. Law, W.D. Kelton (1991) Simulation modelling and analysis, McGraw-Hill, pp. 282-324.
D.H. Shin, J.H. Lee, K.M. Lee, Y.K. Kim (2006) A study on reliability prediction for Korea high speed train control system, Journal of the Korean Society for Railway, 9(6), pp. 419-424.
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