[논문]운영기반의 철도시스템 RAMS 성능 요구사항 설계에 관한 연구

최성호; 김길동; 구정서

doi:10.5370/kiee.2018.67.11.1549

운영기반의 철도시스템 RAMS 성능 요구사항 설계에 관한 연구
A Study on Operational Optimization Based RAMS Performance Requirements Design of Railway Systems 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.11, 2018년, pp.1549 - 1554

최성호 (Dept. of Global Railway Systems Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 김길동 (Smart Electrical and Signaling Division, Korea Railroad Research Institute) , 구정서 (Dept. of Railway Safety Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently the design of railway systems have been performed, based on the analysis of operational conditions and service targets, it is to optimize the effectiveness and efficiency of system operation. Many RAMS requirements have been developed to transform operation conditions into system design characteristics. However, our railway industry has not actived the application of RAMS into system design performance. According to short of RAMS application, many technologies that have been developed are not only applied the existing systems that is operating, but also have not succeed to apply for new systems. In order to design the effective and efficient railway systems that are optimized to operation conditions and service targets, a systems approach and RAMS management are necessary in railway development, operation and maintenance. Therefore, in this study, the RAMS performance requirement design methods are discussed. the allocation methods from system level to each devices of subsystems.

주제어

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문제 정의

두 번째는 시스템 수준의 운영 목표를 기반으로 신뢰성 및 유 지보수성 목표를 산출하는 프로세스 및 수학적 모델을 제시하였 다. 또한 본 논문에서는 시스템 수준의 RAMS 성능을 전문가의 유사시스템과의 비교 평가를 통해 서브시스템 수준으로 할당하는 매트릭스를 제시하고 있다. 이 매트릭스에 의한 할당방법은 개발 하는 시스템 개념을 유사한 기존 시스템과의 비교 평가하여 새로 운 서브시스템의 신뢰성 및 유지보수성을 결정하는 방법이다.
본 연구는 운영적인 조건에 최적화시키기 위한 RAMS 성능 요구사항을 산출하는 과정에 대하여 4단계로 제시하고 있다. 먼 저 운영 목표(가용성 및 안전성 목표)에 대하여 운영적 조건(운 영, 유지보수 및 유지보수 지원 개념) 시나리오 분석 및 위험평 가를 기반으로 시스템 수준에서 운영 가용성 및 안전성 목표의 성취 가능성에 대한 타당성을 검토하고 전체적인 비용을 기반으 로 트레이드오프의 방법을 통해 최종적으로 운영목표를 결정하는 것을 제시하였다.
본 연구는 철도 시스템의 엔지니어링 과정에서 시스템 수준에서 서브시스템 그리고 서브시스템의 각 구성장치까지 RAMS 성능을 단계적으로 설계하는 방법에 대하여 제시한다. 운영목표 및 운영조건을 기반으로 시스템의 RAMS 성능을 설계하고, 서브시스템 RAMS 성능은 유사한 기존 시스템과의 성능 비교를 통해 할당하여 시스템 수준의 RAMS 성능을 성취하도록 하였고, 서브시스템 구성장치들의 기능적 아키텍처에 의해 할당하여 RAMS성능을 결정하는 방법에 대하여 제시하였다.

제안 방법

추진 장치의 물리적 구조는 그림 4에서와 같이 전체 기능을 3가지로 구분하였다. 동력을 전차선에서 수전하는 판토그래프(PAN)를 중심으로 한 가선변압기(PT) 및 전압회로차단기(VCB)를 기능 A그룹으로, 전 부 후 기관차에 동시에 전력을 공급하는 지붕루프장치(RL)와, 전차선 전력을 일정 전압으로 변환하는 변압시스템(MT)을 기 능 B그룹으로, 변압기의 일전 전압을 추진동력으로 전환하는 추진인버터(MB)와 견인전동기(TM)를 기능 C그룹으로 3개로 구 분하였다.
먼 저 운영 목표(가용성 및 안전성 목표)에 대하여 운영적 조건(운 영, 유지보수 및 유지보수 지원 개념) 시나리오 분석 및 위험평 가를 기반으로 시스템 수준에서 운영 가용성 및 안전성 목표의 성취 가능성에 대한 타당성을 검토하고 전체적인 비용을 기반으 로 트레이드오프의 방법을 통해 최종적으로 운영목표를 결정하는 것을 제시하였다. 두 번째는 시스템 수준의 운영 목표를 기반으로 신뢰성 및 유 지보수성 목표를 산출하는 프로세스 및 수학적 모델을 제시하였 다. 또한 본 논문에서는 시스템 수준의 RAMS 성능을 전문가의 유사시스템과의 비교 평가를 통해 서브시스템 수준으로 할당하는 매트릭스를 제시하고 있다.
따라 서 RAMS 경험 부족으로 인해 서브시스템에 대한 정보가 부족한 것을 고려하여 아래 표 1과 같은 신뢰성을 할당할 수 있는 매트 릭스를 제시하였다.
운영 시나리오 분석은 전체 가용시간(TT)을 운용가동시간 (TUT)과 유지보수 비가동시간(TDT)으로 구분하여 고유가용성를 검토하고, TDT는 유지보수시간(TMT)와 유지보수지원 지연시간 (TALDT)으로 TUT는 실질 운용시간(OT)과 운용 전후 대기시간(ST1,2)으로 구분하여 성취 가용성을 산출한다. 또한 TMT는 운 용 중 유지보수시간(TCP)과 정기적 예방 유지보수시간(TPM)으로 구분하고 TALDT는 행정지원의 지연시간(TADT)와 부품공급 지 연시간(TLDT)로 구분하여 운용 가용성을 순차적으로 검토한다. 그림 1에서 오른쪽은 운영적 조건 분석을 통해 고유가용도, 성 취가용도 그리고 운영 가용도를 산출하는 절차를 보여주고 있다.
본 연구는 운영적인 조건에 최적화시키기 위한 RAMS 성능 요구사항을 산출하는 과정에 대하여 4단계로 제시하고 있다. 먼 저 운영 목표(가용성 및 안전성 목표)에 대하여 운영적 조건(운 영, 유지보수 및 유지보수 지원 개념) 시나리오 분석 및 위험평 가를 기반으로 시스템 수준에서 운영 가용성 및 안전성 목표의 성취 가능성에 대한 타당성을 검토하고 전체적인 비용을 기반으 로 트레이드오프의 방법을 통해 최종적으로 운영목표를 결정하는 것을 제시하였다. 두 번째는 시스템 수준의 운영 목표를 기반으로 신뢰성 및 유 지보수성 목표를 산출하는 프로세스 및 수학적 모델을 제시하였 다.
시스템 엔지니어링에 통합된 프로세스로서 RAMS 요구사항을 설계하기 위해서는 그림 1에 제시된 바와 같이 운영 목표(가용성 과 안전성)과 운영적 조건(운영, 유지보수 및 유지보수 지원 개 념)을 기반으로 시나리오 분석 및 위험평가를 통해 RAMS 성능 요구사항을 설계 한다[5-7].
운영 시나리오 분석은 전체 가용시간(TT)을 운용가동시간 (TUT)과 유지보수 비가동시간(TDT)으로 구분하여 고유가용성를 검토하고, TDT는 유지보수시간(TMT)와 유지보수지원 지연시간 (TALDT)으로 TUT는 실질 운용시간(OT)과 운용 전후 대기시간(ST1,2)으로 구분하여 성취 가용성을 산출한다. 또한 TMT는 운 용 중 유지보수시간(TCP)과 정기적 예방 유지보수시간(TPM)으로 구분하고 TALDT는 행정지원의 지연시간(TADT)와 부품공급 지 연시간(TLDT)로 구분하여 운용 가용성을 순차적으로 검토한다.
본 연구는 철도 시스템의 엔지니어링 과정에서 시스템 수준에서 서브시스템 그리고 서브시스템의 각 구성장치까지 RAMS 성능을 단계적으로 설계하는 방법에 대하여 제시한다. 운영목표 및 운영조건을 기반으로 시스템의 RAMS 성능을 설계하고, 서브시스템 RAMS 성능은 유사한 기존 시스템과의 성능 비교를 통해 할당하여 시스템 수준의 RAMS 성능을 성취하도록 하였고, 서브시스템 구성장치들의 기능적 아키텍처에 의해 할당하여 RAMS성능을 결정하는 방법에 대하여 제시하였다.
이때 유지보수성을 할당하기 위한 핵심 평가요소는 시험성(Testability), 접근 성(Accessibility), 표준화(standardization) 및 모듈화(Modulation) 등을 제시하였다. 유사 시스템의 유지보수성(TR)은 위 평가요소 에 대한 비교를 통해 각 요소에 의한 유지보수성 평가(Mni)를 하도록 하여 비중도를 산출하여 각 서브시스템의 유지보수성 값 을 결정하도록 하였다. 이때 각 평가는 신뢰성과 같이 ±10% 범 위로 제한하였다.
표 3은 추진 장치 전체에 대하여 산출된 신뢰성 및 유지보수 성 성능 목표를 보여주고 있다. 이 신뢰성 및 유지보수 목표는 앞서 표 1과 2의 매트릭스를 활용하여 철도 운영 및 산업기관 전문가 의견과 운영경험을 기반으로 산출하였다. 표3에서 보는 봐와 같이 운영 신뢰성은 대략 3천 시간이고 유지보수성 시간은 4시간으로 산출되었다.
그림 3의 추진 장치의 물리적 구조에 대한 전체적인 신뢰성 및 유지보수성 목표(표 3)는 그림 4의 기능 블럭도에 의해 아래 표 4와 같이 각각 할당하였다. 이들의 신뢰성 및 유지보수성 성 능 할당 또한 앞서 시스템 수준에서와 같이 표 1과 2의 매트릭 스에 의한 평가방법을 적용하여 각 기능 그룹에 대하여 표4와 같은 신뢰성 및 유지보수성 값을 결정하였다.
서브시스템에 대한 유지보수성 할당도 신뢰성과 같은 방법을 적용하여 아래 표 2와 같은 매트릭스를 제시하였다. 이때 유지보수성을 할당하기 위한 핵심 평가요소는 시험성(Testability), 접근 성(Accessibility), 표준화(standardization) 및 모듈화(Modulation) 등을 제시하였다. 유사 시스템의 유지보수성(TR)은 위 평가요소 에 대한 비교를 통해 각 요소에 의한 유지보수성 평가(Mni)를 하도록 하여 비중도를 산출하여 각 서브시스템의 유지보수성 값 을 결정하도록 하였다.
이 매트릭스는 기존 유사 서브시스템의 운영 경험 성능을 평 가하여 새롭게 설계 개발하는 서브시스템의 신뢰성을 전문가 평 가를 통하여 결정하도록 한다. 표 1의 매트릭스에서 제시된 바와 같이 유사시스템의 신뢰성 수준(TFn) 평가요소로 시스템의 복잡 성(Complexity), 최신 기술성(State of Art), 운영 중 가동 시간 (Operational time), 중요성(Criticality), 운영환경(Operational Environments) 등을 유사시스템과 비교할 수 있도록 매트릭스를 구축하였다. 이때 핵심요소에 대한 평가는 전문가에 의해 각 요 소에 대한 평가(Rni)를 하도록 하였으나 평가는 ±10% 범위에서 하도록 제한하였다.

데이터처리

이때 핵심요소에 대한 평가는 전문가에 의해 각 요 소에 대한 평가(Rni)를 하도록 하였으나 평가는 ±10% 범위에서 하도록 제한하였다. 결과는 비중도(weight factor)를 산출하여 최 종적으로 결과(result)에 의한 식으로 산출하도록 하였다.[11] 위 매트릭스에 의해 결정된 신뢰성 성능은 전체 시스템의 신 뢰성에 적합하도록 할당되었는지 아래 식 (6)에 의해 검토할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RAMS 기반 시스템 구성요소 설계는 어디에 주로 쓰이는가?	운영적인 측면에서의 시스템 접근(System approach)은 한국철도 공사와 같은 최종 운영자가 서비스 장애(Service failures)나 안전위험(Safety risk)에 효과적으로 대응할 수 있도록 하는 것이 주요한 목적이다[1]. RAMS 기반 시스템 구성요소 설계는 임무 및 안전성이 중요한 우주, 항공과 같은 교통 산업에서 일반적으로 적용되어 왔으며, 국방과 항공 산업을 통해 국내 처음 소개되었으나 구매위주 시스템 도입으로 산업 전반으로 확대되지 못하였다. 국내 철도산업에 RAMS 엔지니어링이 도입된 것은 경부고속철도 개통이 계기가 되었다.
	본 논문에서는 RAMS 성능 요구사항을 산출하는 과정에 대하여 4단계로 제시하였는데, 이 4단계는 무엇인가?	본 연구는 운영적인 조건에 최적화시키기 위한 RAMS 성능 요구사항을 산출하는 과정에 대하여 4단계로 제시하고 있다. 먼 저 운영 목표(가용성 및 안전성 목표)에 대하여 운영적 조건(운 영, 유지보수 및 유지보수 지원 개념) 시나리오 분석 및 위험평 가를 기반으로 시스템 수준에서 운영 가용성 및 안전성 목표의 성취 가능성에 대한 타당성을 검토하고 전체적인 비용을 기반으 로 트레이드오프의 방법을 통해 최종적으로 운영목표를 결정하는 것을 제시하였다. 두 번째는 시스템 수준의 운영 목표를 기반으로 신뢰성 및 유 지보수성 목표를 산출하는 프로세스 및 수학적 모델을 제시하였 다. 또한 본 논문에서는 시스템 수준의 RAMS 성능을 전문가의 유사시스템과의 비교 평가를 통해 서브시스템 수준으로 할당하는 매트릭스를 제시하고 있다. 이 매트릭스에 의한 할당방법은 개발 하는 시스템 개념을 유사한 기존 시스템과의 비교 평가하여 새로 운 서브시스템의 신뢰성 및 유지보수성을 결정하는 방법이다. 마지막으로 서브시스템을 구성하는 각 장치에 대한 신뢰성을 시스템의 기능 블럭도를 통해 결정하는 방법을 제시하였는데 이 는 철도차량 추진 장치의 물리적 기능적 구조를 통해 하나의 사 례로 제시하고 있다. 이와 같은 RAMS 성능 요구사항 산출방식 은 RAMS 적용의 경험이 부족한 국내 철도산업에서 유용하게 적 용할 수 있다.
	운영적인 측면에서의 시스템 접근의 목적은 무엇인가?	최근 유럽을 비롯한 선진국가의 철도시스템 설계는 장기적인 운영 측면(Long term based operational aspect)에서 운용 조건 (Operational conditions) 및 운영목표(Operational objectives)를 최적화하기 위하여 RAMS 요구사항을 설계하는 것이 일반적이다. 운영적인 측면에서의 시스템 접근(System approach)은 한국철도 공사와 같은 최종 운영자가 서비스 장애(Service failures)나 안전위험(Safety risk)에 효과적으로 대응할 수 있도록 하는 것이 주요한 목적이다[1]. RAMS 기반 시스템 구성요소 설계는 임무 및 안전성이 중요한 우주, 항공과 같은 교통 산업에서 일반적으로 적용되어 왔으며, 국방과 항공 산업을 통해 국내 처음 소개되었으나 구매위주 시스템 도입으로 산업 전반으로 확대되지 못하였다.

참고문헌 (11)

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J. H. Cha, J. S. Chung, Y. H. Ha, J. W. Kim, "Study on Setting up KTX-2 RAM goals for Requirement Train-set", Korea Railroad Association, 2009.
ISO/IEC 26702, "Systems engineering -Application and management of the systems engineering process", European standard, 2007.
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Jenkins, G & Youle, P "A Systems Approach for Management", OR, pp. 5-21, 1968.
MIL-HDBK-388B, "Electronic Reliability Design Hand Book", Military standard, 1998.
EN 50126-2, "Railway application -the specification and demonstration of RAMS-Part 2: Systems approach to Safety", 2015.
EN 50126-3, "Railway application-the specification and demonstration of RAMS -Part 3: Guide to the application of EN 50126-1 for rolling stock RAMS", European standard, 2006.
SP. Seo, "establishing RAM Requirement based on BCS model for weapon systems", Korea Weapon Technical Institution, Vol. 1, pp. 67-98, 2010.

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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