[논문]철도 신뢰성 관리체계 연구 동향

김종걸; 송정무; 김형만

철도 신뢰성 관리체계 연구 동향
On the Research Trends in Railroad Reliability Management System 원문보기

김종걸 (성균관대학교 시스템경영공학과) , 송정무 (성균관대학교 산업공학과) , 김형만 (성균관대학교 산업공학과)

철도 시스템은 차량, 전력, 신호, 선로구축물시스템이 유기적으로 결합된 복합시스템으로 사고 발생 시 원인규명이 어렵고 인명에 치명적인 결과를 초래하게 되며 사소한 고장이라도 열차지연에 미치는 파급효과는 지대하여 시스템의 신뢰성확보가 매우 중요하다[26]. 실제로 세계 각국의 철도산업은 시스템의 신뢰성 향상을 위해 신뢰성 기법에 기반을 둔 다양한 이론을 통해 신뢰성 향상과 안전성 향상에 최선을 다하고 있다. 본 연구에서는 철도 신뢰성관리와 관련된 국내 연구동향과 철도 운영기관 및 기업에서 적용하고 있는 신뢰성 적용 현황을 분석한다. 그리고 국외 연구 동향과 주요 적용 현황을 정리한다. 또한 철도 신뢰성과 관련된 국내외 규격을 조사하고 이들 규격의 내용을 분석한 후 국내 적용방향을 제시한다.

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문제 정의

국내외 도시철도 시스템에 적용된 신뢰성 관리체계에 대해서 정리하고, 현재 철도시스템에서 활발히 적용시키고 있는 신뢰성 관리체계 RAMS(Reliability, Availability, Maintainability, Safety)의 연구 동향을 분석 하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 국내외 도시철도시스템에 적용된 신뢰성 관리체계의 동향을 연구하고 철도신뢰성 관리와 관련된 국외 규격을 분석한 후 국내 도시철도에 적용하기 위한 적합성을 따지고 국내의 도시철도에 적용이 가능하도록 방향을 제시함으로써 국내 철도분야의 신뢰성 수준을 한 단계 올리는 중요한 동기를 제공하고자 한다.
박광복 등(2004)은 연구개발단계에서 틸팅열차의 신뢰성 관리계획 수립에 관한 연구를 수행하였다. 참여기관이 설계, 제작 및 시험단계에서 필요한 신뢰성 활동을 제시하였다.

제안 방법

Ferreira 등(2003)은 실제 사용조건하에서 철도 베어링 신뢰도 조사에 관한 연구를 실시하였다. 고장난 베어링 자료를 7개의 그룹으로 구분하여 3모수 와이블 고장 분포를 적합하였다. 통계 분석을 수행하기 위하여 모수추정은 비선형 회귀분석 방법을 활용하였으며, 베어링 정상수명 L10(제10백분위수)을 추정하기 위해 두 가지 방법으로 구분하여 비교 분석을 실시하였다[33].
국내외 도시철도 시스템에 적용된 신뢰성 관리체계에 대해서 정리하고자 NDSL을 포함한 총 6곳 (Science Direct, IEEE Xplore, Emerald, Springer Link, DBPIA)의 논문을 검색해 국내외 유관 논문을 수집하여 정리하였다. 국내외 도시철도 운영기관과 기업의 RAMS 적용현황을 정리하기 위해 국토해양부, 서울특별시도시철도공사, 한국 철도시설공단 등의 홈페이지 자료를 참고였다.
Mettas(2000)은 신뢰성 할당문제의 비선형 프로그래밍 식과 비선형 프로그래밍 알고리즘에 사용되는 비용 함수를 정식화하였다. 시스템 신뢰성 목표 요구사항을 만족하는 최적 구성품 신뢰도의 해를 도출하고, 시스템의 비용을 최소화하는 신뢰도 할당과 최적화 방법을 제시하였다. 또한 소프트웨어 도구인 BlockSim을 이용하여 복잡한 시스템의 할당문제를 수치예로 설명하였다[37].
서승일 등(2004a)은 한국형 고속열차의 RAM 성능 입증을 위해 고속전철용 고장정보체계(failure information system)를 개발하여 적용하였다. 시스템과 부품단위로 분류하고, 각 시스템 및 부품의 고장기록과 유지보수 기록을 입력함으로 고장 및 유지보수 정보를 체계적으로 검색할 수 있으며, 입력된 자료를 분석하여 시스템 및 부품단위에서 신뢰성과 유지보수성, 가용성 등의 신뢰성 자료를 산출할 수 있도록 하였다[11].
Mettas 등(2001)은 비수리계 시스템의 신뢰도를 추정하기 위한 분석적인 접근방법 (analytical methods)의 장점을 시뮬레이션 방법과 비교하여 설명하였다. 여기서 소프트웨어 도구인 BlockSim을 이용하여 복잡한 시스템의 분석절차를 수치예로 제시하였다. 일단 시스템의 신뢰도 함수가 결정되면, 다음 [표 3]와 같은 절차를 이용한 시스템의 신뢰도분석을 설명하였다[36].
여기서는 IEC 60300, IEC 62278, MIL-STD-785B 규격의 적용분야, 신뢰성 프로그램의 주요 내용을 비교 분석한다.
2) 국내외 기술수준을 고려하여 목표 신뢰수준(예: 전체시스템 및 각 하위 시스템과 부품들에 대한 목표 신뢰성 기준 설정과 가용도 요구사항)을 설정하고 개념정의 단계에서 폐기에 이르는 전 수명주기에 걸쳐 신뢰성 관리가 필요하다. 이를 위해서는 IEC 60300의 신뢰성경영시스템을 경영의 기반으로 하여 적용하고 IEC 62278 신뢰성관리를 적극 수용한다.
Carretero 등(2003)은 철도 네트워크를 대상으로 한 대형복합 시스템의 RCM 적용에 관한 연구를 수행하였다. 적절하고 효과적인 유지보수 개념을 달성하기 위한 철도 하부구조의 RCM 적용 문제점을 설명하고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 CMMS(computerized maintenance management system)와 연구자의 방법론을 제시하였으며 다음 [표 2]과 같은 특징을 정리하였다[31]. 특히 성공적인 프로젝트의 사례로, 스페인 철도회사(RENFE ; Spanish railway company)와 독일 철도회사(DB A.
서승일 등(2004b)은 한국형 고속열차(Korea High Speed Train)를 상용화하기 위한 신뢰성 향상 연구 및 시험의 실시에 관한 연구를 수행하였다. 특히, 한국형 고속열차의 주요 시스템인 보조전원 시스템을 대상으로 기능분석 및 신뢰성 해석을 실시하고, 해석 결과를 기초로 하여 신뢰성 향상 방안을 모색하고 신뢰성을 평가하였다[12].
이강원 등(2007)은 새로운 고속철도차량인 KTX-Ⅱ의 목표 신뢰도 달성을 위해 가장 효과적으로 사용될 수 있는 신뢰도 할당 모델을 조사하였다. 항공기, 자동차, 발전소 등에서 사용된 신뢰도 할당 모델을 조사하고, 철도차량에 적합한 할당 모델을 평가 하여 제안하였다[14].

대상 데이터

국내외 도시철도 시스템에 적용된 신뢰성 관리체계에 대해서 정리하고자 NDSL을 포함한 총 6곳 (Science Direct, IEEE Xplore, Emerald, Springer Link, DBPIA)의 논문을 검색해 국내외 유관 논문을 수집하여 정리하였다. 국내외 도시철도 운영기관과 기업의 RAMS 적용현황을 정리하기 위해 국토해양부, 서울특별시도시철도공사, 한국 철도시설공단 등의 홈페이지 자료를 참고였다.
철도관련 기업은 도시철도 제작 사양서 등에서 제시하고 있는 RAMS의 기준에 적합하도록 기술수준을 개선해 나가고 있다. 예로서 차량 제작사에서 홍콩에 수출한 전동차는 RAMS에 대한 시스템 보증기술을 해외 전문기관의 공동으로 수행하여 적용하였다.

데이터처리

정인수 등(2008)은 철도차량의 특성과 운영환경을 고려하여 가장 적합한 신뢰성 검증시험을 위하여 여러 산업분야에서 사용되는 신뢰성 시험방법에 대해 조사하고, 이 시험방법들이 철도차량에 적용될 수 있는지를 평가하였다. 그리고 적용할 수 있다고 판단되는 시험방법을 실제 철도차량의 데이터에 적용하여 신뢰성 검증 결과를 비교하였다[19].
고장난 베어링 자료를 7개의 그룹으로 구분하여 3모수 와이블 고장 분포를 적합하였다. 통계 분석을 수행하기 위하여 모수추정은 비선형 회귀분석 방법을 활용하였으며, 베어링 정상수명 L10(제10백분위수)을 추정하기 위해 두 가지 방법으로 구분하여 비교 분석을 실시하였다[33].

성능/효과

1) 신뢰성 향상을 위한 제도적인 지원방안을 마련하고 지속적인 투자로 철도분야의 신뢰성 전문가를 양성할 필요가 있다. 좀 더 현실적이고 구체적인 신뢰성관련 규격을 제정할 필요가 있고, 승객의 안전과 직결된 만큼 안전과 관련된 규정은 사고가 난 후가 아닌 사고를 미리 방지하는 방향으로 신속히 규정하고 개정할 필요가 있다.
구병춘 등(2002)은 표준전동차를 14개의 서브시스템으로 나누고 신뢰성을 평가하였는데 차체와 대차에 대해서는 구조신뢰성기법을 적용하였다. 그리고 나머지 서브시스템에는 MIL-HDBK나 SWSC-98LE1을 적용하여 신뢰성을 평가하여 MTBF가 275.3시간 임을 확인하였다. 연구의 절차는 다음과 같이 요약할 수 있다[1].

후속연구

3) 신뢰성 중심 유지보수(RCM)를 적용하여 운영단계의 시스템 및 부품의 신뢰성 자료를 지속적으로 확보하고, 개발시스템에 적합한 유지보수 방법을 구성하여 이를 신뢰성향상을 위해 적극 활용할 필요가 있다.
1) 신뢰성 향상을 위한 제도적인 지원방안을 마련하고 지속적인 투자로 철도분야의 신뢰성 전문가를 양성할 필요가 있다. 좀 더 현실적이고 구체적인 신뢰성관련 규격을 제정할 필요가 있고, 승객의 안전과 직결된 만큼 안전과 관련된 규정은 사고가 난 후가 아닌 사고를 미리 방지하는 방향으로 신속히 규정하고 개정할 필요가 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

도시철도법에서는 도시철도를 어떻게 정의하고 있는가?

도시철도란 “도시교통의 원활한 소통을 위하여 도시교통권역에서 건설·운영하는 철도·모노레일 등 궤도에 의한 교통시설 및 교통수단”으로 도시철도법에서 정의하고 있다[8]. 이러한 도시철도는 세계적으로 수백 종이 운영되고 있으며, 우리나라도 서울과 부산등 대도시에서 19개 노선 590여km에서 운영되고 있는 매우 중요한 대중 교통수단이다[22].

도시철도시스템에서 안전과 높은 신뢰성이 가장 중요하게 요구되는 이유는 무엇인가?

이러한 도시철도시스템은 다양한 요소가 유기적으로 결합된 복합시스템으로 고장 또는 사고의 발생은 큰 희생과 고 비용을 초래하고, 복구와 신뢰회복에 많은 자원과 노력이 소모되기 때문에 안전과 높은 신뢰성이 가장 중요하게 요구된다. 최근의 국제 입찰에서는 시스템의 신뢰성을 중요시하여 제작 사양 서에 신뢰성의 조건을 충족시키도록 요구하고 있다.

철도신뢰성 규격의 적용이 사용기관의 특성과 사용목적에 맞도록 맞춤형 적용이 필요한 예로는 어떠한다는 점을 간략히 설명하여라.

- 운영기관의 경우 제작된 제품을 구매하여 운영해야 함으로 운영 및 유지 보수에 중점을 둔다. 따라서 운영신뢰성을 높이기 위한 활동이 필요하며 신뢰성경영시스템과 RCM 적용이 효과적이다. - 신제품을 개발하는 연구기관의 경우 계획단계에서부터 종합 성능 및 안전성시험 그리고 내구성 평가에 이르기까지 제품의 전 수명주기에 걸쳐 종합적으로 적용되어야 한다. - 철도부품에 대한 신뢰성을 높이기 위해서는 신뢰성 인증 제도를 도입하고 인증을 획득한 제품에 대해서는 우대하는 제도적 접근이 필요하다.

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