[논문]무인 경량전철 가용도 산정 및 검증에 관한 연구

권상돈; 송보영; 이희성

doi:10.14346/jkosos.2019.34.1.108

[국내논문] 무인 경량전철 가용도 산정 및 검증에 관한 연구
A Study on the Estimation and Verification of the Availability of the Unmanned Light Railway 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.1, 2019년, pp.108 - 114

권상돈 (서울과학기술대학교 철도차량시스템공학과) , 송보영 (국토교통부 철도운행안전과) , 이희성 (서울과학기술대학교 철도차량시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Unattended Train operation(UTO) requires higher safety target than other systems, since all train operations are automatic. The system provider to deliver without accident or failure, and the operator to transport passengers without accident by putting all trains supplied, including them, into service. Safety rates without such failures can be represented as indicators of RAMS, among which availability is continuously controllable to achieve the target, with a clear target. Availability is often required by the licensee from the initial stage of the project to demonstrate that the request for proposal (RFP) is usually specified and to maintain separate availability targets at the operational stage. In particular, unlike unmanned operation light rail in complex systems, simple formulas are often presented to facilitate verification at each stage. This paper presents this method of usability calculation in an integrated manner at all levels and analyzes the existing usability values to ensure reliability of the availability formula for integrated use in unmanned light rail systems.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. General availability calculation.
표 Table 1. Application examples of availability by route
표 Table 2. Application examples of availability by route
그림 Fig. 2. Suggestions for system availability calculations.
그림 Fig. 3. Overview of shuttle tain routes.
표 Table 3. Quantitative availability requirements
그림 Fig. 4. Normal operation mode of shuttle train.
그림 Fig. 5. Proposal of MTBF and availability by 3rd shuttle train.
표 Table 4. Availability target value (construction company)
그림 Fig. 6. 120-Days cumulative availability on operational routes.
표 Table 5. Comparison of availability against train failures(1)
표 Table 6. Comparison of availability against train failures(2)

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

무인경량전철 시스템에서는 각 시스템의 무인화에 대한 높은 신뢰도가 요구되며, 이러한 신뢰도를 달성하기 위해 사업 초기 RFP 단계에서부터 신뢰도 또는 가용도를 사업자에게 제시하고 목표를 달성하도록 요구하고 있다. 본 논문에서는 철도시스템에서 적용하고 있는 가용도를 분석하고 국내외에서 사용하고 있는 가용도의 수준을 확인하였다. 또한 각 파라메타별로 사용하고 있는 가용도 산식의 장단점을 분석하고 적정한 각용도별 가용도 수준을 제시하였다.
하지만 사업자에게 주어지는 가용도는 준공 후 발생하는 고장에 대한 행정 처리 시간, 교정 정비 시간 등이 누락되어 제시될 수밖에 없는 것으로서 가용도를 목표값으로 제시하기 위해서는 운영 단계에서 별도로 제시하지 않으면 단순한 투입 열차 대비 고장열차에 대한 비율밖에 제시할 수 없다. 본 연구에서는 이러한 이원화 될 수밖에 없는 가용도 사례를 조사하고 각 가용도 별로 장단점을 분석하고 향후 건설 및 운영기간 중에 사용이 가능한 가용도에 대하여 제시한다.
또한 박문규 등⁶⁾은 위험기반 RAMS 평가에 관한 연구에서 철도차량의 운영 프로파일에 의해 가용도를 할당하였다. 이러한 기존 시스템에 대한 RAMS의 정량화와 더불어 신규 노선의 경우 최소 비용을 투입하여 최대의 효과를 얻기 위해 열차의 소요편성수를 최소화 하여 운영에 투입하고 있으며(예비열차 포함), 예방정비, 일상 및 월상 점검 등을 통해 모든 열차를 100% 운행 가능하게 하는 것을 목표로 하고 있고 IEC 62267 RAMS에 영향을 미치는 3가지 요소인 시스템의 조건, 동작 조건, 유지보수 조건을 고려하여 요구사양서 (Request For Proposal, RFP)에 제시하고 있다. 각 시스템의 우발적 또는 조직적 고장요인, 인적 또는 외부요인에 의한 환경 조건, 예방정비 및 교정 등의 유지보수 조건을 고려하여 무인운전 방식의 경량전철 시스템에서는 열차의 고장 정의, 고장 발생시 최소의 수리시간 등의 신뢰도(Reliability)와 함께 보유하고 있는 열차의 운용 가능성 척도인 가용도(Availability)가 중요한 운영목표가 되고 있으며, 가용도를 제시하는 노선에서는 RFP에서는 가용도를 정의하고 준공 후 일정 기간 동안 가용도를 달성하도록 요구하고 있다.

제안 방법

가용도 검증을 위하여 특정 이벤트에 대한 가용도를 각 가용도 파라메타와 시스템가용도와 비교한다. 다음 Fig.
또한 셔틀트레인 노선은 기존 2단계 구간에서 열차가 운영하고 있으면서 (3단계 건설 당시에는 3량1편성으로 운영) 지속적으로 고유가용도를 관리하고 있었다. 따라서 건설단계의 고유가용도와 현재까지 운영하고 있는 2,3단계 고유가용도의 자료를 바탕으로 제시하는 시스템 가용도를 분석하여 검증하는 것으로 한다. 시스템 가용도를 산정하기 위해서는 다음의 내용이 전제 조건으로 이루어져야 한다.
본 논문에서는 철도시스템에서 적용하고 있는 가용도를 분석하고 국내외에서 사용하고 있는 가용도의 수준을 확인하였다. 또한 각 파라메타별로 사용하고 있는 가용도 산식의 장단점을 분석하고 적정한 각용도별 가용도 수준을 제시하였다. 그 결과 가용도 목표값이 무조건 100%에 근접하게 요구할수록 고유가용도를 적용하는 사례가 많았으며, 적정 가용도를 사업자가 제시할 경우 달성가용도 또는 운영가용도를 사용하기도 하였다.
신뢰도 척도는 RAMS의 수치로 나타낼 수가 있으며, 철도시스템에 적합한 IEC 62278²⁾을 포함하여 전기 전자 등의 제어 시스템에 대한 기능 안전성을 설명하는 IEC 61508, 철도 신호 및 통신시스템의 안전성을 설명하는 IEC 62425³⁾가 있다. 신뢰도 및 가용도의 기준 제시에는 다른 산업에서 적용하는 신뢰성 척도를 철도시스템에 적용하여 평가하는 연구⁴⁾를 비롯하여 각 장치별 고장률을 비교 분석하여 신뢰도 및 가용도 기준을 제시하였다⁵⁾. 또한 박문규 등⁶⁾은 위험기반 RAMS 평가에 관한 연구에서 철도차량의 운영 프로파일에 의해 가용도를 할당하였다.
위의 셔틀트레인 노선은 신규 3단계 건설단계에서부터 가용성 목표값을 99.5%(개통 후 6개월 연속 달성 조건)로 RFP에서 제시하였으며, 사업자는 신뢰성 수치를 포함하여 RFP에서 요구하는 주요 시스템은 차량, 신호 및 PSD의 가용성 목표값을 제시하였다. 다음의 Table 4는 건설단계에서 사업자가 제시한 가용성 목표값으로서 RFP 조건을 만족하도록 제시한 값이다.

대상 데이터

기존 운영하고 있는 노선의 가용성은 위의 차량, 신호, PSD만을 대상으로 검증하고 있으므로, 본 논문에서는 다른 시스템은 제외하고 위의 3개 중요 시스템을 대상으로 선정하였다.
운영 노선에서의 검증은 Fig. 6과 같이 120일 누적 운행 데이터를 기반으로 하였으며, 차량은 총 6개의 알람이 발생하였다. 각 알람은 출입문이 5개, 대차가 1개이며, 가장 많이 사용하고 있는 고유가용도와 시스템가용도를 분석하여 가용도 수준을 확인하였으며, 다음 Table 5와 Table 6은 출입문 알람과 대차 알람에 대해 각 가용도 식과 시스템 가용도식을 분석한 값이며, 아래 내용은 해당 고장 시 시스템 환경 조건이다.

성능/효과

1) 열차는 운행 불가능한 차량을 분리 가능하여 운행이 가능한 경우 운행 불가능한 차량만 가용도에서 고장으로 정의한다.
3) PSD는 UNIT 단위로 분산 가능하므로 터미널 1과 탑승동 A의 경우 PSD UNIT 전체 수량인 32개 대비 고장 UNIT 수량으로 정의하고, 탑승동B와 터미널 2의 경우 16개 전체 UNIT 대비 고장 UNIT 수량으로 정의한다.
가용도 검증이 정량적으로 제시되는 노선은 다음 Table 3에 정리하였다. Table 3의 결과를 보면 대부분의 노선에서는 신뢰도 수치를 제시¹⁰⁾하고 검증하는 것을 RAMS 전체의 검증으로 하는 것이 대부분이고 특히 대전도시철도 1호선의 경우에는 2,000km 마다 분석한 결과 약 11,000KM의 MKBSF 결과값¹¹⁾을 얻었다.
각 가용도의 상관관계를 보면 고유가용도가 가장 높게 나타나고 있으며, 운영가용도는 가장 적게 나타나고 있다. 이것은 고장 발생 후 처리되는 실제 운영시간이 단순히 고장수리시간을 가지고 비교하는 고유가용도보다 무조건 낮은 수치로 나타날 수밖에 없으며 - 하지만 실제 운영상 발생하는 가용도 이므로 수치상의 신뢰도는 높다.
또한 각 파라메타별로 사용하고 있는 가용도 산식의 장단점을 분석하고 적정한 각용도별 가용도 수준을 제시하였다. 그 결과 가용도 목표값이 무조건 100%에 근접하게 요구할수록 고유가용도를 적용하는 사례가 많았으며, 적정 가용도를 사업자가 제시할 경우 달성가용도 또는 운영가용도를 사용하기도 하였다. 본 논문에서 제시하는 시스템가용도는 1일 가용도를 산정하여 검증하고 단순 고장 수리시간 뿐만아니라 지연시간을 모두 포함할 수 있으므로 운영 기관에서 검증하기에도 용이하고, 누적 가용도를 확인한 결과 기존의 파라메타와 거의 차이가 없으므로 전체 건설단계부터 운영단계까지 사용이 가능하다.
817%가 된다. 따라서 120일 전체 시스템에 대한 가용도는 신호 100%, 차량 99.992%, PSD 99.998%로서 전체 셔틀트레인 가용도는 99.991%가 된다. 이는 고유가용도의 값과 유사한 데이터로서 시스템 가용도의 신뢰성에 대한 검증을 포함하고 있다.
그 결과 가용도 목표값이 무조건 100%에 근접하게 요구할수록 고유가용도를 적용하는 사례가 많았으며, 적정 가용도를 사업자가 제시할 경우 달성가용도 또는 운영가용도를 사용하기도 하였다. 본 논문에서 제시하는 시스템가용도는 1일 가용도를 산정하여 검증하고 단순 고장 수리시간 뿐만아니라 지연시간을 모두 포함할 수 있으므로 운영 기관에서 검증하기에도 용이하고, 누적 가용도를 확인한 결과 기존의 파라메타와 거의 차이가 없으므로 전체 건설단계부터 운영단계까지 사용이 가능하다.
열차의 상태를 확인하는 가장 기본 단위는 열차의 1일 운영시간으로서 특정 기간 내 이벤트에 대해 한정할 경우 위의 사례와 같이 데이터의 신뢰성 측면에서 타 가용도 산정 파라메타보다 우수한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제시하는 시스템 가용도는 MKBF 또는 MTBF를 산정하지 않고 실제 운행하고 있는 시스템의 고장수리시간(MTTR)만을 가지고 적용하기 때문에 기존 노선에서도 적용이 가능하고 시스템 정의가 단순한 단선 노선의 무인 경량전철 시스템에 가장 최적화되어 활용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경량전철 시스템이란 무엇인가?	경량전철 시스템은 고가의 비용이 소요되는 지하철(또는 도시철도)에 비해 같은 노선 길이 대비 70%까지 비용 감소가 가능한 시스템으로서, 비용 절감의 대부분은 시스템의 통합, 자동화 기능 향상 및 인력 저감을 통해 실현하고 있다. 이와 같은 이유로 최근 건설되고 운영되는 대부분의 경량전철 시스템은 운전자가 탑승하지 않는 무인운전방식 (Unattended Train Operation, UTO)으로서 무인운전의 신뢰도가 가장 중요한 척도가 되고 있다.
	대부분의 경량전철 시스템이 무인운전방식인 이유는 무엇인가?	경량전철 시스템은 고가의 비용이 소요되는 지하철(또는 도시철도)에 비해 같은 노선 길이 대비 70%까지 비용 감소가 가능한 시스템으로서, 비용 절감의 대부분은 시스템의 통합, 자동화 기능 향상 및 인력 저감을 통해 실현하고 있다. 이와 같은 이유로 최근 건설되고 운영되는 대부분의 경량전철 시스템은 운전자가 탑승하지 않는 무인운전방식 (Unattended Train Operation, UTO)으로서 무인운전의 신뢰도가 가장 중요한 척도가 되고 있다.
	계획 고수의 장점은 무엇인가?	계획 고수는 사전에 지정된 열차 운영 다이아에 맞춰 스케줄에 의해 운행되는 열차 대비 스케줄대로 운행하지 못하는 열차의 비율로 정의된다. 계획 고수는 열차 서비스를 확인할 때 적용하는 것이 가장 큰 장점이 된다. 다만 스케줄을 준수하지 못하는 열차에 대해서 건설사업자와 운영사업자 사이에 책임이 명확히 나타나지 않으므로 가용도가 저하될 경우 사업자 사이에 많은 논란이 발생한다.

참고문헌 (11)

IEC 62267-2:2011, Railway Applications Automated Urban Guided Transport (AUGT) Safety Requirements - Part 2 : Hazard Analysis at Top System Level, International Electro Technical Commission
KS C IEC 62278:2002, Railway Applications Specification and Demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety (RAMS), International Electro Technical Commission
J. G. Hwang, H. J. Jo, C. H. Han, W. S.k, Cho and J. Ahn, "Development and Application of Safety Activity Process for Railway Signaling Systems", J. Korean Soc. Saf., Vol. 25, No. 1, 2010.
I. S. Chung, J. W. Kim and K. W. Lee, "The Study on the Demonstration Test of Quantitative Reliability Requirements for Rolling Stocks", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 11, No. 3 pp. 233-239, 2008.
M. C. Lee, "A Study on Reliability & Availability of Train Detection using Virtual Track Circuit", Department of Railroad Electrical & Signalling Engineering, Graduate School of Railroad, Seoul National University of Science and Technology, 2012.
M. G. Park and S. H. Han, "A Study on the Risk based RAMS Assessment for Railway Rolling Stock Systems", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 64P, No. 4, pp. 220-230, 2015.
Y. H. Cho, H. W. Lee, J. W. Kim and J. M. Yang, "A Study on Reliability Indicator Analysis and Management Method of Railway Vehicle Component", Journal of Korean Society for Urban Railway, Vol. 6, No. 1, pp. 27- 36, 2018.

상세보기
H. S. Yun, K. S. Lee, S. K. Ryou and D. I. Yang, "A Study on the RAMS Analysis of Urban Maglev Train Control System", Journal of Korean Society for Railway Vol. 14, No. 6, pp. 515-525, 2011.

원문보기 상세보기
I. S. Chung, K. W. Lee and J. W. Kim, "A Study on RAMS Parameters in the Procurement Requirement for Rolling Stock", Journal of Korean Society for Railway, Vol. 11, No. 4, pp. 371-377, 2008.
C. S. Kim and H. S. Lee, "Reliability Analysis of Electric Door System for EMU", J. Korean Soc. Saf., Vol. 28, No. 8, pp. 52-56, 2013.

원문보기 상세보기
K. J. Kim and K. O. Lee, "A Study on the Improcement for EMU Maintenance System of Urbal Transit", J Korean Soc. Saf., Vol. 25, No. 1, pp. 87-92, 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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증