이강호
(Kang-Ho Lee)
1iD
이종우
(Jong-Woo Lee)
†iD
-
(Dept. of of Rolling Stock System, Graduate School of Railway, Seoul National University
of Science and Technology, Korea
E-mail:khlee@krri.re.kr)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
FMECA, KRTS-VE, Railway Vehicles, RAMS, Conformity Assessment
1. 서 론
최근 철도산업은 국내 기술의 발전을 토대로 철도차량(Railway Vehicles)의 생산과 해외 진출이 증가하고 있으며, 이러한 철도산업은 고속화된
대규모 운송에 초점을 맞추면서 성능과 안전을 모두 보장하는 것이 무엇보다 중요 해지고 있다. 품질이 검증되지 않은 제품을 사용하는 경우 대형 사고로
초래할 수 있으므로 철도차량 분야에서는 신뢰성과 안전성의 확보가 필수이다.
유럽과 같은 해외 시장의 경우 국제 표준을 기반으로 엄격한 검사 및 인증 절차를 확립함으로써 해당 시장에 진출하기 위해서는 관련 기준을 충족해야 한다.
유럽 연합의 노선 간 열차 상호운용을 위한 기술기준인 TSI(Technical Specifications for Interoperability)와
같은 규제 의무사항은 철도 관련 분야의 RAMS(Reliability, Availability, Maintainability, Safety) 입증을
통한 신뢰성과 안전성의 중요성을 강조하며 신호·통신 분야를 토대로 점차 그 적용 대상 범위를 확장하고 있다. 이에 따라 국내에서도 규제요건이 강화되고
있으며 철도안전법에 따라 제정된 철도차량 기술기준(KRTS-VE : Korean Railway Technical Specifications-Vehicles)에서도
차상신호장치, 종합제어장치의 RAMS 인증을 의무화하여 적합성평가(Conformity Assessment)를 하도록 요구하고 있음에 따라 국내 기술의
품질 확보 및 해외 진출을 위해서는 이와 같은 국제 및 국내 규정을 준수할 수 있는 검증체계를 개발하는 것이 중요하다.
이러한 철도 관련 RAMS 요구사항을 만족하기 위해서는 정량적 또는 정성적 분석을 통해 결과를 입증해야 하며, 신뢰성 등의 입증 도구로써 활용되는
것이 FMECA(Failure Modes Effects and Critically Analysis)이다. 이는 제품의 초기 개발단계에서부터 완제품에
이르기까지 운영과정에서 발생할 수 있는 고장유형을 찾아내어 그 영향을 분석하고 치명도를 평가하여 각각의 원인을 제거하거나 감소시키는 일련의 개선대책을
제시하는 분석기법으로서, 본 논문에서는 국제 표준에 따라 FMECA 관련 요구사항을 분석하고 적합성평가 시 활용할 수 있도록 철도차량 기술기준의 기능요구사항을
기반으로 FMECA 체계를 수립하였다. 또한, 도출된 결과를 실제 열차의 고장데이터와 비교하여 그 유효성을 확인하였다.
2. 국제 표준 및 FMECA 검토
철도차량 RAMS 관련 신뢰성 등에 대한 입증자료로서 FMECA 적용을 위해 관련 국제 표준을 검토하였다. 유럽 철도망의 상호운용성을 확보하기 위한
가장 상위 지침인 EU Directive 2016/ 797은 유럽 내 철도 시스템의 상호운용을 위한 TSI 준수를 요구하고 있으며, TSI 관련 EN
50126, 50128 등 철도 RAMS 관련 표준에서 신뢰성 및 안전성 분석 시 FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)와
FMECA를 제시하고 있다. EU Directive 2016/798은 철도 사업체 및 인프라 관리자가 엄격한 위험 통제 조치를 시행하도록 요구하고
있으며, 이때 위험을 식별 및 분석하는 데 있어서 FMECA가 적용되고 있고 EN 60812에서는 FMECA를 수행하는 방법과 목적의 중요성에 관해
설명하고 있다. 이와 같이 각 표준 등에서 요구되는 내용을 분석하여 철도차량 기술기준기반 FMECA 체계 수립 시 반영하였다.
표 1 철도차량 기술기준 기반 FMECA
Table 1 Based on Korean Railway Technical Standards(Vehicles), FMECA
|
Function Analysis
|
Failure Analysis
|
Criticality Analysis
|
|
Item
|
Device
|
Function(KRTS)
|
Failure Mode
|
Failure Cause
|
Local Sys.
Effect
|
Overall Sys.
Effect
|
Safety
(Y/N)
|
Criticality
|
Mitigation Measure
|
|
F
|
S
|
C
|
Design
|
Production
|
Maintenance
|
|
Braking
system
design
|
Brake
comp
|
The braking system should ensure consistent braking distances and operate normally.
|
Failure in normal operation
|
-Device function
error
-Braking command error
|
Braking
failure
|
-Train
collision
-Train
delay
|
Y
|
F3
|
C6
|
B
|
-Utilization of
proven products
-Leak-resistant design
|
Function and
operation testing
|
-Establishing
procedures
-Employee
training
|
|
WSP
|
The anti-skid function must not impact the braking function.
|
Anti-skid function interfering with braking function
|
-Poor contact
-External shock
|
Slide
control
unavailable
|
-Wheel
flat
-Train
delay
|
Y
|
F6
|
C8
|
C
|
Leak-proof
design
|
Air leakage
test Quality
verification
|
-Establishing
procedures
-Employee
training
|
|
Emergency brake
|
Braking
control
device
|
In abnormal situations, such as control circuit abnormalities, the emergency braking
function must activate automatically.
|
The emergency braking function automatically engages in abnormal situations.
|
-Packing defective
-Poor contact
|
Braking
failure
|
-Train
collision
-Injury
Accidents
|
Y
|
F3
|
C6
|
B
|
-Utilization of proven products
-Fault information monitoring design
|
-Air leakage
test
-Function and
operation testing
|
-preventive
maintenance
-Establishing
procedures
|
|
Parking
brake
|
Parking
brake
system
|
The parking brake must be operable in the stopped state in any situation. However,
the definition of the situation is subject to the client's proposal.
|
Parking braking is not possible when the train is stopped
|
-Packing damage
-Lack of spring performance
|
Parking brake is not possible
|
-Train
delay
|
N
|
F10
|
C8
|
C
|
Manually operated device design
|
Quality assurance through leakage testing
|
-preventive
maintenance
-Employee
training
|
|
Basic
braking
|
Basic
braking
system
|
The primary braking device should be capable of adjusting the gap between the braking
friction material and the wheel or disk using the device.
|
The basic braking device cannot adjust the gap between the braking friction material
and the wheel or disk.
|
-Clutch defective
-Cylinder sticking
|
Decreased
braking
force
|
-Train
collision
-Injury
Accidents
|
Y
|
F5
|
C10
|
C
|
Designed to use
proven products
|
Function and operation test
|
-preventive
maintenance
-Employee
training
|
|
Compressed air supply
device
|
CPR
motor
(CM)
|
An increase or decrease in air pressure from the rated pressure must not affect the
braking action.
|
At rated pressure, any increase or decrease in air pressure interferes with the braking
action.
|
-Pressure maintenance failure
-Valve breakage
|
Decreased compressed air
|
-Train
delay
|
N
|
F10
|
C8
|
C
|
-Appropriate
capacity design
-Structural
analysis
|
Function and operation test
|
-Establishing
procedures
-Employee
training
|
|
Safety
valve
|
Safety valves, etc., should be installed at locations where excessive pressure occurs,
such as at the outlet of the main air compressor.
|
Safety valves are either not installed or do not operate in locations where excessive
pressure is generated.
|
-Unstable valve
operation
-Foreign matter
entering
|
Decreased compressed air
|
-Train
delay
|
N
|
F10
|
C8
|
C
|
-Structural
analysis
-Use of verified products
|
Quality assurance through leakage testing
|
-preventive
maintenance
-Establishing
procedures
|
|
Filters
|
Compressed air and fluid used in braking devices must be equipped with a filtration
device.
|
Filtering devices for compressed air and fluid for braking are either not installed
or not functioning properly.
|
-Foreign matter
entering
-Filter damage
|
Degraded
performance of related equipment
|
-Train
delay
|
N
|
F8
|
C8
|
C
|
-Use of verified products
|
Function and operation test
|
-Establishing
procedures
-Employee
training
|
|
Main
reservoir
|
When the pressure within the main air engine decreases, it must be compensated to
ensure sufficient capacity is maintained, preventing any disruption to train operation.
|
If the pressure inside the main air engine decreases, it fails to secure sufficient
capacity, thereby interfering with train operation.
|
-Deformation due to pressure
-Poor assembly
|
Increase in CM operation rate
|
-Train
delay
|
N
|
F10
|
C6
|
C
|
-Appropriate
capacity design
-Use of verified products
|
-Non-destructive test
-Function and operation test
|
-preventive
maintenance
-Establishing
procedures
|
|
Wheel
slide
protection
(WSP)
|
WSP
|
If a railway vehicle is equipped with anti-skid features, the failure of one anti-skid
device must not affect the normal operation of the other anti-skid features.
|
Anti-skid function interferes with the function of other anti-skid devices
|
-Abnormal control
-Dump valve
malfunction
-Air leakage
|
-Wheel slide control
unavailable
-Wheel flat
|
-Train
delay
|
Y
|
F6
|
C8
|
C
|
-Use of verified products
|
Quality assurance through leakage testing
|
-preventive
maintenance
-Establishing
procedures
|
|
Brake
state
display
|
Braking
control
device
|
During operation, the driver must be able to monitor the operation of the braking
control and the status of braking force supply through the braking status display
in the driving position.
|
The driver can't check the train's braking status through the status display.
|
-Poor contact
-Device performance degradation
|
-Appropriate braking unavailable
|
-Train
delay
|
N
|
F3
|
C6
|
B
|
-Designed to use proven products
|
Conducting
interface testing for each device
|
-preventive
maintenance
-Employee
training
|
FMECA는 설계부터 폐기까지 제품의 수명주기 전반에 걸쳐 발생할 수 있는 잠재적인 고장유형을 식별하고 발생빈도와 심각도 등을 평가함으로써 선정된
최우선 관리대상의 제거 및 관리를 통해 시스템 성능과 안전성을 향상하는 것을 목표로 한다.
FMECA는 다양한 산업 분야에서 각 목적에 맞게 진행되어왔다. 고장유형을 파악하여 해당 고장이 시스템 내 미치는 영향을 분석함으로써 신뢰성 및 안전성
향상을 검토했다[1]-[3]. 품질관리 측면에서 신뢰성 향상 및 수명주기비용 최적화를 위해 FMECA를 수행했으며[4], [5], 잠재적 고장유형이 시스템에 미치는 영향을 검토하여 설계단계에 반영함으로써 신뢰성이 향상됨을 확인했다[6], [7]. 또한, FMECA를 통해 분석한 결과를 가속수명시험을 통해 검증함으로써 유효성을 확인하였다[8], [9]. 하지만 EN 60812 등 다양한 표준, 지침에서 FMECA 기법에 관해 설명하고 있으나, 철도 분야에 특화된 관련 규격은 확인할 수 없음에 따라
철도차량 유지보수 및 RAMS 관리 등 목적에 맞는 다양한 FMECA 체계 및 양식을 개발하기 위하여 열차의 공기 제동장치, 출입문 등과 관련된 연구가
진행되었다[10]-[17]. 추가로, 유지보수 또는 신뢰성 향상을 위한 고장유형 선정 관련하여 발생빈도, 심각도를 분석하고 이를 토대로 치명도를 산출하는 연구도 진행되었다[18]-[22].
3. 철도차량 기술기준 기반 FMECA 수행
3.1 대상 정의 및 평가 기준
FMECA 수행 대상으로 철도차량 기술기준에 언급된 주요 장치 중에서 제동장치를 적용했다. 그 이유는 철도차량의 제동시스템은 열차의 신뢰성 및 안전성
확보를 위해 관리가 필요한 주요 장치이기 때문이다. FMECA를 위한 적용 기준인 발생빈도(Frequency), 심각도(Severity), 치명도(Criticality)는
Fig.1과 같이 한국철도공사의 제작설명서 상에 위험도 평가 및 수용 기준 사례를 적용했다. 발생빈도는 고장 발생 건수로 연간 50회 이상 발생에서부터 0.05회
미만 발생까지 10단계로 구분하고, 심각도는 서비스 지연 시간을 5분 미만에서부터 1일 이상까지 적용하여 10단계로 구분하였다. 치명도는 A, B,
C 3단계로 구분하고, 각각 수용 불가, 경감수용 가능, 수용 가능이며, Fig.1을 통해 발생빈도와 심각도를 적용하여 산출할 수 있다.
그림 1. 발생빈도, 심각도, 치명도 기준 관련 매트릭스
Fig. 1. Matrix related to criteria of frequency, severity, and criticality
3.2 FMECA 결과
FMECA 관련 표준인 EN 60812와 국내외 유사 수행 사례를 참조하여 철도차량 기술기준 기반 FMECA 양식을 Table.1과 같이 도출하였으며, 각 항목에 대한 설명은 다음과 같다.
Item은 기술기준에 정의된 제동 관련 항목이고, Device는 각 항목에 해당하는 제동 관련 장치이다. Function은 각 항목 및 장치별로 정의된
기능별 요구사항이며, Failure Mod는 고장유형으로서 기능별 요구사항에 따라 정의된 정상 기능을 수행하지 못하는 경우를 기술한다. Failure
Causes는 고장유형을 발생시키는 대표적인 원인을 일부 표기했다. Local Sys Effect는 해당 고장유형 발생이 미치는 장치 단위의 국부적인
영향을, Overall Sys Effect는 시스템에 미치는 영향을 반영했다. Safety Affected는 해당 고장이 안전과 관련 있는지 구분했다.
F는 발생빈도, S는 심각도, C는 치명도이다. Mitigation Measure는 저감조치이며 산출된 치명도를 낮추기 위해 단계별(설계, 제작,
유지보수)로 수행하는 내용을 반영했다.
철도차량 기술기준 KRTS-VE-Part 51-2021의 주요 장치별 기준 내용 중에서 제동장치에 관한 기능별 요구사항은 65건이고, 실제 고장 데이터와
비교분석을 위해 선정된 항목은 11건이다. 그 이유는 요구사항 중 5건은 구체적인 기준 없이 관련 표준 등을 참조할 수 있다는 내용이며, 제동장치가
고장 나면 다른 장치가 해당 기능을 수행해야 하는 것과 같이 시스템 전체와 연동되어 구현되는 기능 25건, 마찰계수 만족과 같은 시험적 요구사항 27건,
제동 관련 부수 장치의 단순 설치 여부 확인 사항 8건이다.
앞서 정의된 기능별 요구사항을 기반으로 관련 고장유형을 정의하고 분석을 수행하였다. 분석에 적용된 발생빈도 및 심각도 값은 영국의 A 노선과 국내
B, C 노선의 위험도 평가 분석 사례를 참조 및 분석하여 도출하였으며, 그 결과는 Table.1과 같이 치명도 B에 해당하는 고장이 3건, 치명도 C에 해당하는 고장은 8건이 도출되었으며, 수용 불가 수준의 A등급은 확인되지 않았다.
4. 고장데이터 기반 FMECA
현재 운영되고 있는 국내 전동차 D 노선의 최근 5년간 제동 관련 고장데이터를 수집하여 분석하였다. 이를 바탕으로 Fig.1을 참조하여 산출된 고장유형별 치명도를 Table.2와 같이 나타냈다.
표 2 제동 관련 고장데이터 기반 FMECA
Table 2 FMECA of Braking Related Failure Data(field data)
|
Failure Mode
(field data)
|
Occurrence
(case/year)
|
Severity
Lv
|
Frequency
Lv
|
Criticality
Lv
|
Failure
code
|
|
Braking release failure
|
0.2
|
C9
|
F7
|
C
|
FF1
|
|
Abnormal release of braking
|
21
|
C10
|
F2
|
B
|
FF2
|
|
Braking device fails to operate normally
(lack of pressure, communication failure, etc.)
|
52.8
|
C10
|
F1
|
B
|
FF3
|
|
Braking device fails to operate normally
(unrequested braking operation)
|
0.2
|
C9
|
F7
|
C
|
FF4
|
|
Abnormal operation of anti-skid device
(interfering with braking function)
|
1.4
|
C10
|
F5
|
C
|
FF5
|
|
Dump valve failure
|
12.4
|
C10
|
F3
|
B
|
FF6
|
|
Abnormal operation of anti-skid device
(interfering with the function of other anti-skid devices)
|
0.4
|
C10
|
F6
|
C
|
FF7
|
|
BC pressure sensor failure
(BC:brake cylinder)
|
7.6
|
C10
|
F3
|
B
|
FF8
|
|
Abnormal indication of braking condition
|
2.6
|
C10
|
F4
|
C
|
FF9
|
|
Emergency braking pressure charge failure
|
0.2
|
C10
|
F7
|
C
|
FF10
|
|
Twin Tower (air dryer) malfunction
|
0.6
|
C10
|
F6
|
C
|
FF11
|
|
Liquid separator malfunction
|
0.8
|
C10
|
F5
|
C
|
FF12
|
|
Abnormal parking brake operation
(lack of performance, spring deformation, etc.)
|
6.8
|
C10
|
F3
|
B
|
FF13
|
|
Malfunction of safety valve
|
1
|
C10
|
F5
|
C
|
FF14
|
|
Failure to adjust the gap between brake pads and wheels or discs
|
0.4
|
C10
|
F6
|
C
|
FF15
|
|
Malfunction of main air cylinder (main reservoir)
|
0.4
|
C10
|
F6
|
C
|
FF16
|
Table.2의 Occurrence는 연간 고장 발생 건수이며, Failure code는 치명도 관련 추가 분석을 위해 해당 고장유형에 부호를 부여한 것이다.
총 16개의 고장유형 관련하여 치명도 B등급은 5개, C등급은 11개로 산출되었으며, 제동장치의 정상 동작 실패에 따른 고장유형 발생이 연간 약 52회
이상으로 가장 많았으며, 이를 통해 치명도 또한 B 등급으로 산출되었다. 이와 같이 정상적인 제동 동작 실패 고장이 다른 고장에 비해 최소 4배 이상
차이가 나는 것은 그만큼 열차 제동 관련하여 정상 기능을 구현 및 유지하기가 어려우며, 제동장치는 밸브, 센서, 회로 구성 등을 통해 다양한 장치와
인터페이스 됨에 따라 다른 장치의 영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있다.
그림 2. 고장유형별 발생빈도와 치명도 간의 관계
Fig. 2. Relationship between Occurrence and Criticality by failure mode
실제 열차 운행 중에 발생하는 제동 관련 고장유형별 발생빈도와 치명도의 관계를 분석하여 Fig.2와 같이 나타냈다.
실제 열차 운행 중에 발생하는 치명도는 Fig.1의 매트릭스를 통해 알 수 있듯이, 발생빈도와 심각도를 통해 산출함에 따라 빈도수가 증가하면 치명도 또한 증가할 수 있다는 것을 확인하였다.
따라서 안전에 직접적이지 않은 사소한 고장이라도 자주 발생하게 되면 치명도가 증가함에 따라 위험해질 수 있으므로 관리가 필요하다고 사료된다.
5. FMECA 수행 결과 비교분석
철도차량 기술기준 기반 FMECA 기법의 유효성을 확인하기 위해 해당 분석 결과와 운영 데이터를 바탕으로 수행한 결과를 비교분석 하였다.
먼저, 고장데이터 분석을 통해 도출한 고장유형과 비교하기 위하여 Table.1을 통해 선정한 철도차량 기술기준 기반 고장유형을 분류하여 별도의 고장 코드(Failure code)를 부여하면 Table.3과 같다.
표 3 철도차량 기술기준 기반 고장유형 별 고장코드
Table 3 Failure Codes for Each Failure Mode According to KRTS-VE
|
Failure Mode
(FMECA sheet)
|
Failure
code
|
|
Failure in normal operation
|
FS1
|
|
Anti-skid function interferes with braking function
|
FS2
|
|
Anti-skid function interferes with the function of other anti-skid devices
|
FS3
|
|
If the air pressure is rated, increasing or decreasing the air pressure should not
interfere with the braking action.
|
FS4
|
|
The driver can't check the train's braking status through the status display.
|
FS5
|
|
The emergency braking function automatically engages in abnormal situations.
|
FS6
|
|
Filtering devices for compressed air and fluid for braking are either not installed
or not functioning properly.
|
FS7
|
|
Parking braking is not possible when the train is stopped
|
FS8
|
|
Safety valves are either not installed or do not operate in locations where excessive
pressure is generated.
|
FS9
|
|
The basic braking device cannot adjust the gap between the braking friction material
and the wheel or disk.
|
FS10
|
|
If the pressure inside the main air piping decreases, it fails to secure sufficient
capacity, thereby interfering with train operation.
|
FS11
|
위 내용을 Table.2와 비교했을 때, 실제 열차 운행 중에 발생하는 제동 관련 고장유형이 기술기준 기반 FMECA를 통해 도출한 고장유형에 대부분 포함됨을 확인할 수
있었다.
두 결과를 비교했을 때, 일부 고장유형 및 심각도의 차이가 있는 이유는, 분석에 사용된 고장데이터는 최근 5년 동안의 자료로서 해당 노선을 운행하는
차량 주행거리(신조 또는 노후 차량)의 차이가 있고, 차량별 중정비 시기에 따라 각 차량의 상태가 다르며, 유지보수자의 개인 역량에 따라 기록되는
내용에 따라 관련 고장유형, 심각도에 대한 차이가 생길 수 있기 때문이다. 이를 통해 정확한 고장분석을 위해서는 신뢰성 있는 비교 데이터 확보가 중요함을
확인하였다.
따라서 새롭게 도출하여 제안하는 FMECA 체계는 국내외 다양한 프로젝트에서 RAMS 관련 적합성평가를 위해 적용한 결과를 바탕으로 분석하고 반영함에
따라 이러한 차이를 줄이고 누락되는 고장 없이 반영될 수 있도록, 공통적인 표준이라고 할 수 있는 철도차량 기술기준을 기반으로 FMECA 방법을 수립하였다.
철도차량 기술기준의 기능별 요구사항은 실제로 열차 운행 시 발생하는 고장유형에 따라 정의된 것이 아닌, 부품 또는 장치 단위의 시험 결과의 제출을
통한 입증 또는 발주자 요청사항의 확인을 요구하거나, 장치 단위가 아닌 시스템 전반적으로 수행되어야 하는 내용 등을 정의하고 있으므로 이와 같은 요구사항별
기능에 따라 정의된 고장유형을 바탕으로 두 FMECA 결과를 비교하여 추가로 적용한다면 고장관리 측면에서도 누락되는 고장 관련 사항이 있는지 확인할
수 있으며, 차량을 운행해보기 전에는 알기 어려운 고장유형 또는 관련 내용도 사전에 파악할 수 있을 것으로 사료된다.
Fig.3은 두 가지 분석 방법으로 각각 도출된 고장유형을 치명도 매트릭스에 매칭한 것이다.
그림 3. 고장 코드(failure code)별 FMECA 결과 분석
Fig. 3. Analysis of FMECA results by failure code
고장데이터 기반의 고장유형(red box)은 의 좌측 및 상단에 위치함에 따라 해당 고장유형의 치명도가 고장 발생빈도에 큰 영향을 받고 있다는 것을
알 수 있고, 치명도 B등급이 5개로 분석되었으며 A등급에 근접한 경향은 보이지 않았다. 또한, 고장데이터 기반의 심각도를 적용한 결과가 치명도 산정에
크게 영향을 주지 않았음을 보여주며, 이는 최근 5년간 제동장치의 고장으로 인한 운행 지연이 거의 발생하지 않았음을 나타낸다.
제안된 FMECA를 통해 도출된 고장유형(blue box)은 의 중앙 및 하단에 주로 위치함에 따라 고장데이터를 통해 분석한 방법보다는 전반적으로
고장유형별 치명도가 더 안전하게 평가되었음을 알 수 있다. 하지만 고장유형 중 FS1, FS5, FS6는 치명도 B등급(발생빈도 : F3, 심각도
: C6)에 해당하며 이러한 고장유형은 치명도 A등급에 가까움에 따라, 안전 관점에서 고장유형별 치명도 산정을 위한 기준을 적용하는 경우 고장데이터
기반 분석 결과와 비교하여 고장유형별로 반영되는 기준에 대해 신중하게 검토해야 할 것으로 생각된다. 철도차량 기술기준을 기반으로 수행한 FMECA는
다양한 국내외 사례를 참고하고 분석하여 수행된 결과로, 여러 차량 유형에 대한 장기간의 데이터를 포함하고 있으며 이에 따라 제동장치와 관련된 고장
발생빈도가 더 안정적인 경향을 보이는 것으로 분석된다.
또한, 치명도 분석 결과, FMECA 수행 시 심각도의 평가는 분석 목적에 맞게 적절한 기준의 적용이 필요할 것으로 보인다. 고장데이터에 따르면 실제로
열차 운행 중 제동장치로 인한 운행 지연이 발생하는 경우는 많지 않기 때문에, 이러한 조건에서는 심각도의 기준인 운행 지연 시간에 고장 조치 시간을
포함하는 것도 고려가 필요하다고 생각되며, 이를 통해 더 정확한 분석이 가능함에 따라 FMECA 수행 시 더 객관적인 결과가 도출될 수 있을 것으로
사료된다.
철도차량 기술기준의 내용은 주로 해당 장치의 설계적인 내용, 부품 또는 구성품, 시스템 단위의 작동 및 기능 상태까지 요구하는 항목으로 구성되어 있으며,
이를 토대로 분석한 FMECA에 따라 도출된 고장유형이 실제 운영 시 발생하는 고장데이터 기반의 분석 결과를 반영하고 있음에 따라, 제안하고자 하는
분석기법이 철도차량의 RAMS 관련 신뢰성, 안전성 입증을 위한 적합성평가의 수단으로써 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 이와 같은 분석 과정에서
FMECA는 유지보수 측면에서의 관리 목적 또는 적합성평가 관련 입증의 목적 등 분석 목적에 부합하도록 적용되어야 하는 것이 중요하다는 것을 확인할
수 있었다.
6. FMECA 수행 결과 비교분석
최근에는 국내뿐만 아니라 해외에서도 국제 표준 관련 적합성평가에 대한 요구가 증가하고 있으며, FMECA는 평가 관련 검증의 수단으로 적용되고 있다.
FMECA 수행 시, 고장유형에 따른 발생빈도와 심각도는 실제 운영 데이터를 기반으로 작성하는 것이 가장 정확하지만, 설계 및 개발단계에서 이러한
내용을 적용하는 것은 어렵기 때문에, 기존에는 대부분 이에 대한 별도의 분석 과정 없이 과거 경험을 반영하여 적용해 왔다.
본 논문에서는 국내외 지침 및 표준을 분석하고, 철도안전법 철도차량 기술기준에 따라 철도차량 제동 분야의 기능 요구사항에 따른 고장유형을 분석하여
FMECA를 수행하였다. 분석 과정에서 기존 국내외 사례를 검토한 결과를 반영하고 실제 현장의 고장 데이터를 참조하여 비교 분석하였으며, 고장 데이터상의
고장유형은 새롭게 제안하는 FMECA 방법에 포함됨을 확인하였다. 또한, 기술기준 기반 FMECA를 통해 도출된 일부 치명도 B등급 고장유형(FS5,
FS6)이 실제 고장 데이터에서는 누락 되었음을 확인하였다. 누락 되지 않았다면 관리되는 치명도 B등급 고장유형은 7건이었겠지만 실제로는 5건만 적용되었다.
이처럼 분석 방법에 따라 같은 치명도 등급의 고장 항목 수가 40%까지 차이가 발생할 수 있으며 이에 따라 위험도는 증가하게 된다.
이와 같이 본 논문을 통해 제안하는 분석 방법을 적용하면 고장유형 누락에 따른 위험도 증가를 예방 가능함에 따라, 기존 대비 안전 측면에서도 우수함을
확인할 수 있었다.
또한, 국내 관련 법령 및 지침에서 제시하고 있는 철도차량 기술기준 기반으로 도출한 분석 방법임에 따라 이 분야에 대한 전문지식이 부족한 제작사 등과
같은 입장에서 신뢰성, 안전성 등 RAMS 관련 국내외 표준에서 요구하는 적합성평가를 위한 입증자료를 마련하는데 필요한 수단으로서 본 기법을 활용한다면
분석에 걸리는 기간을 최소 수개월 이상 단축하고, 더욱 신뢰할 수 있는 결과를 도출하고 할 수 있을 것으로 사료된다.
Acknowledgements
This study was supported by the Research Program funded by the SeoulTech(Seoul National
University of Science and Technology)
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저자소개
He received his B.S degree from Inha University in Incheon, Korea, in 2011, and his
M.S degree from the University of Science and Technology (UST) in Daejeon, Korea,
in 2013. He has been pursuing a Ph.D. in the Department of Rolling Stock System at
Graduate School of Railroad, Seoul National University of Science and Technology since
2017. Since 2019, he has been working at the Korea Railroad Research Institute (KRRI).
He received the B.S degree from Hanyang University, Seoul, Korea, in 1983. and M.S
degree from The Ecole Centrale de Nantes, France, in 1986. and the Ph.D. degree from
the University de Paris IV, Paris, France, in 1993. Since 2005, he has been working
as a Professor at DePartment of Railway Electrical Signaling Engineering of the Grad니ate
School of Railway at Seoul National University of Science and Technology.