0 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR0A5 FMEA 를활용한철도사고 장애분석및중점안전관리항목도출방안 Analysis the Railway Accident Failure through FMEA Technique and Present the Priority Safety Management Items 윤정섭, 박용걸 *, 엄주환 **, Jeong Seop Youn, Yong Gul Park *, Ju Hwan Um **, Abstract The purpose of this paper is to analysis the railway accident failure through FMEA(Failure Mode Effect Analysis) technique and to present the priority safety management method. In order to improve the safety management system, this paper analyzes the railway accident failure caused by defects in the track, to create a sheet using the FMEA, and the accident failure cause derives priority management items that are encoded with a safety management priority to quantify quantitatively the importance, present the priority safety management method. As a result, we have found that importance of risk factor are different It is believed to be performed efficiency safety management activities based on the factors of high importance with database building. Keywords : FMEA, Risk Accessment, Railway Safety Management, Railway Accident failure, Defects in Track 초록본논문의목적은 FMEA(Failure Mode Effect Analysis) 기법을통하여철도사고 장애발생현황을분석하고중점안전관리항목도출방안을제시하는것이다. 철도안전관리시스템을개선하기위해궤도결함으로인한철도사고 장애발생현황을분석하고, FMEA 를활용하여시트를작성, 사고 장애발생원인의중요도를정량적으로수치화함으로써안전관리우선순위를정하고코드화한중점관리항목을도출함으로써이에따른중점안전관리방안을제시하였다. 그결과발생위험요소에따라중요도값이다르게나타나는것을알수있었으며, 체계적인안전관리데이터베이스구축과함께중요도가높은요소에따라중점적관리를통한효율적인안전관리활동이수행가능할것으로사료된다. 주요어 : FMEA, 위험도평가, 철도안전관리, 철도사고 장애, 궤도결함. 연구의배경및목적. 서론 철도시스템은인간의생활과매우밀접하게연계된대형시스템으로사고가발생할경우이를이용하는공중에직접적으로피해를입히게되므로한국철도의안전성을확보하기위해서는시설, 차량, 전기, 운전등각전문분야별시설 장비의체계적인관리와취급상오류가없어야하고, 외부적불안전한요인은사전에차단하여예방할수있도록시스템화되어야할것이다. 교신저자 : 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과석사과정 (jsyoun@korail.com) * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과교수, 공학박사 ** 한국철도기술연구원선임연구원, 공학박사
. 연구의범위와방법이러한시스템의안전성향상을위해본연구에서는한국철도의위험도평가기반의 안전관리시스템의현실을파악하고선진철도위험도기법을고찰, 위험도평가기법중 FMEA( 고장형태와영향분석기법 ) 을활용하여철도사고의위험요인을분석하고중요도를 수치화하여안전관리중점대상을선정하고관리하는과학적이고체계적인방안을연구하고자 한다. 위의사항을파악하기위하여국내및선진철도관련전문서적과한국철도와 정부간행물, 철도관련법령과각종통계자료등을활용하였으며, 본연구자가철도안전관리 실무과정을거치면서느낀문제점과개선방안을반영하였다.. 위험도기반의철도시스템안전관리국가가철도시스템의안전을종합적으로관리하기위해서는필수적으로갖춰야할요소는크게두가지로살펴볼수있다. 하나는법률로써제도화된 안전관리시스템 (Safety Management System) 이고나머지하나는실질적인안전향상을도모하기위한 위험도의평가및관리 (Risk Assessment & Management) 이다. 이논문에서중점적으로다루게될위험도평가는안전관리시스템의운영을실질적으로가능하게해주는데이터의근간을이루는부분으로대상시스템의안전성을정량적으로표현하는것이다. 이를통해시스템안전성에대한현재와미래를분석할수있으며, 안전관리시스템각기능간의인터페이스를통해전달되는데이터의요체이기도하다. Fig. Key process of System safety management. 위험도평가이론고찰위험도평가기법을선정하는데영향을주는요인은많이있으며수많은문제점이복합적으로작용하는상황에서는위험도평가기법을선정하기는쉽지않을뿐아니라상황에따라최선의방법이없을수도있다. 적절한평가기법의선정은위험도평가의성패를좌우하는중요한단계로평가기법선정에영향을주는위험요인을감안하여적절히선정되어야한다. 주요위험도평가기법에대한설명은 Table 같다. 다양한기법중논문에서사용할기법인고장형태와영향분석 (FMEA: Failure Modes and Effects Analysis) 은부분요소의고장형태를서브시스템에서시스템으로고장의요인을예측하는수법으로, 시스템을구성하는기기혹은부품등이어떤고장 ( 사고 ) 을발생하였을때, 그고장이시스템에어떠한영향을주는가를해석하여, 큰영향을미치는위험요인에서추출하는기법이다.
평가기법 체크리스트 (CheckList) 기법 예비위험분석기법 (Preliminary Hazard Analysis) 사고예상질문분석기법 (WhatIf Analysis) 위험과운전분석기법 (Hazard and Operability) 고장형태와영향분석기법 (Failure Modes Effects and Analysis) 결함수기법 (Fault Tree Analysis) 사건수분석기법 (Event Tree Analysis) Table Risk assessment technique 주요내용 일반적인위험요소들을확인하거나기준절차에따라일이진행되는가를확인하는것. 일반적으로유경험자가체크리스트를작성함으로써모든기술자가체크리스트를이용할수있어야함. 다른위험부석방법에선행해서실시하기위한것으로, 공정초기에위험을확인하기위한것으로, 새로운공정처럼안전문제에대한경험이없는경우위험을확인하기위한적용. 주로위험물질과주공정요소에초점을맞춤. 설계단계, 건설단계, 운전단계, 공정의수정등에서생길수있는이탈현상을조합하고도출하여, 공정에잠재하는사고를확인하여그위험과결과또는위험을줄이는방법등을제시. 공정에존재하는위험요소들과위험하지는않아도공정의효율을떨어뜨릴수있는운전상의문제점을알아내는것으로, 공정및시스템에존재하는위험요인과운전상의문제점을사고발생시공정에미치는영향과운전상의문재점을파악하여대책을강구하는방법. 시스템및공정에서각고장방식 (failure mode) 의결과와이것에대한위험도순위를표로만드는것으로시스템및공정에서생기는각고장방식의영향을알아내는것. 비슷한기능을수행하는비슷한장치를가진시스템에대한분석기간은평가의반복적특성때문에상당히줄어듬. 사고결과로부터사고를유발하는원인을유추해가는연역적방법으로정상사건의원인을추적하거나각요소의상관관계를가시적으로확인할수있으며, 불필요한요소를다루지않아효율적, 복잡한공정에경우논리적인분석과수학적인분석의어려움이따름. 원인으로부터사고결과를추론해가는귀납적인방법으로최종결과로서발생가능한잠재적인위험사건들은일반적으로어떤초기사건이발생한후이어지는하위사건들의발생단계를거쳐서나타나므로이러한과정을사건수도 (Event tree diagram) 을이용하여체계적으로분석. FMEA의해석수준에대해서는시스템의영향해석을시스템을구성하는낮은수준에서부터높은수준에해석을진행하는정성적, 귀납적기법이다. 사고형태를예측하고기능블록도에따라차례로사고의영향을검토하여문제점을추출하고, 문제점이발생되지않도록설계의구상단계부터발생가능한결함을사전에예측하고이를미연에방지하기위하여활용하는것이다. FMEA를활용한사고의미연방지활동을함으로써철도시스템에대한신뢰도를높여나갈수있다... 국외철도위험도평가시스템위험도평가기술은국방, 원자력, 화학설비등과같이시스템규모가크고사고피해가큰시스템의안전관리기술로개발되었고, 국외철도선진국의경우 990년대말부터위험도기반의철도시스템안전프로그램개발계획을수립하여안전자료의체계적인수집과분석, 정량적인위험도평가를기반으로하는안전대책의수립과안전관리활동의수행등에필요한체계, 절차및관리기준을체계적, 중장기적으로개발하여적용하기시작하였다. Fig.는미국, 영국, 호주, 프랑스철도에서적용하고있는기술동향과내용이다. Fig. Technology trends and information(risk assessment systems of abroad railway)
.. 국내철도위험도평가시스템우리나라산업에도원자력과, 방사선, 화학설비등에는위험도평가기술을기반으로하는시스템안전관리가시행되고있으며철도분야에서도이를도입하여시행하고있으나정착하기위해서는어느정도의시간과노력이필요하다. 국내철도산업에서본격적으로위험도분석기반의안전관리연구가시작된것은정부차원에서추진한 철도종합안전기술개발사업 (00 009) 의일환으로 철도사고위험도분석및평가체계구축 ( 철도종합안전기술개발사업제차년도중간보고서 ) 이였고, 한국철도공사에서도철도안전관리규정제8조에서각분야의위험도분석및안전성평가를하여각종제도의개선및철도안전계획등의수립에활용하여야함을명시하고 0년안전성검증시행지침및매뉴얼의제정을통하여위험도평가는공사의안전관리에적용하고있으며평가절차와내용은 Fig. 과같다. Fig. Risk assessment procedure (KORAIL). 철도사고분류및발생현황분석. 철도사고 장애분류기준 철도사고 는철도운영또는철도시설관리와관련하여발생한사람의사상또는물건의손괴를말하며철도교통사고및철도안전사고로구분한다. 운행장애 는철도차량의운행에지장을초래하는것으로서철도사고에해당되지아니하는것을말하며위험사건및지연운행으로구분한다. 이에대한자세한분류및정의는 Table 및 Table 과같다. Table Railway accident (classification and definition) 철도사고 철도교통사고 철도안전사고 열차사고 건널목 철도교통사상 열차충돌사고열차가다른열차또는장애물과충돌하거나접촉한사고 열차탈선사고열차를구성하는철도차량의차륜이궤도를이탈하여탈선한사고 열차화재사고열차에서화재가발생하여사상자가발생하거나열차의운행을중지한사고 기타열차사고열차에서위해물품이누출되거나폭발하는등으로사상자또는재산피해가발생한사고 건널목에서열차또는철도차량과도로를통행하는자동차와충돌하거나접촉한사고 여객여객이열차운행과관련하여사상자가발생한사고 공중 일반공중이열차또는철도차량의운행과관련하여사상자가발생하였거나, 또는선로에사상자가있는것을인지하고정차하였을때 직원철도운영및시설관리관련하여근무시간내업무와관련된일을수행하던중사상자발생한사고 철도화재사고역사, 기계실등철도시설또는철도차량에서발생한화재사고 철도안전사상 철도화재사고또는철도시설파손사고를동반하지않고대합실, 승강장, 선로등철도시설에서추락, 감전, 충격등으로여객, 공중, 공사직원의사상이발생한사고 철도시설파손교량, 터널, 선로또는신호및전기설비등철도시설이망가진사고 기타철도안전철도화재사고, 철도안전사상사고, 철도시설파손사고에해당하지않는사고
Table Railway failure calamity (classification and definition) 운행장애 관리장애 철도재난 위험사건철도사고로발전될잠재적가능성이높은사태가발생한것지연운행고속열차및전동열차는 0분, 일반여객열차는 0분, 화물열차및그밖의열차는 0분이상지연하여운행한것운행장애의범주에해당하지않은것으로소안전확보를위해관리가필요한장애폭풍, 폭우, 호우, 폭설, 지진, 낙뢰등자연현상또는대규모화재, 폭발등으로철도시설또는철도차량에피해가발생한경우. 철도사고 장애현황철도사고 장애는 00년이후로꾸준히감소추세에있으며 ( 년철도사고 건운행장애 5건으로역대가장낮은수준 ) 본논문에서는국토해양부 0년통계연보를기본자료로하여 0년 ~ 년간철도사고 장애현황은 Table 과같다. Table Railway accident failure status (00~0) 구분연도 0 0 0 05 0 0 08 09 0 총계 09 9,00 80 8 598 08 589 58 철도사고 운행장애 철도교통사고 철도안전사고 열차사고건널목사고여객교통사상공중교통사상직원교통사상 5 0 9 9 5 0 8 소계 0 5 5 9 9 9 0 0 철도화재사고철도시설파손여객안전사상공중안전사상직원안전사상 80 5 05 55 0 5 8 5 소계 8 88 0 08 8 8 합계 59 0 0 5 0 05 90 5 위험사건 0 0 8 지연운행 차량탈선차량파손차량화재열차분리차량구름규정위반선로장애급전장애신호장애차량고장열차방해기타 9 0 8 8 5 9 5 5 5 5 8 5 9 5 0 5 5 8 합계 9 8 9 9 0 99 관리장애 5 0 0 0 9 0 9 8 8 0 8 5 0 0 9 8 5 5 0 9 8 5 5 8 5 5 0 8 9 5 5 95 8 5 59 0 5 5 9 8 59 9 50 85 Fig. Railway accident failure graph Fig. 5 Casualties graph
.. 탈선관련사고모드분석 ( 궤도의결함을중심으로 ) 본절에서는 00년부터 0년까지한국철도에서발생된철도사고 장애 ( 총809건 ) 중탈선사고 ( 선로전환기할출포함총건 ) 를한정하여원인을조사하였으며크게 가지 ( 궤도, 지장물, 차량, 운영 ) 로구분하여그중궤도결함으로인한열차탈선사고를예시로 FMEA분석을전개하고자한다. 탈선사고의내용및원인은 Table 5로정리하였으며주요원인별코드 ( 저자가약자의형태로임의부여 ) 를부여하였다. 그결과대부분의탈선사고는분기점취급및신호확인소홀로인한인적오류가대부분 (5건,%) 을차지하였고궤도결함으로인한탈선사고 ( 코드DF) 는전체 건중 9건으로약0% 정도를차지함을확인할수있었다. Table 5 Code and the cause of the train derailment (00~0) 위험사건근본원인주요원인코드 ( 예시 ) 발생건 () 열차탈선 ( 가 ) 궤도결함에의한탈선 (DF) DefectinFacility 선로상지장물에의한탈선 (TO) Track Obstaclees 차량장치이상에의한탈선 (DV) DefectinVehicle 운영결함및인적오류에의한탈선 (DO) DefectinOperation 궤도형상 / 하부도상의수평 / 수직뒤틀림 (buckling) 가DF0 자갈도상열화, 자갈살포부적절 가DF0 궤도교차수준 (cross level) 불균일 가DF0 부적절한과도상승 가DF0 체결구결함으로궤간확장 가DF05 화학반응에의한침목손상 ( 부식 ) 가DF0 내부결함 가DF0 0 레일마모 가DF08 레일파손 ( 피로포함 ) 가DF09 0 선로전환장치결함 가DF0 5 차량 / 선로상호작용 가DF 5 시공불량 ( 고정축거이상의직선미삽입등 ) 가DF 기타 가DF 0 산사태 가TO0 암석 ( 자연재해또는불법행위 ) 가TO0 인접도로의난파차량 가TO0 0 인접궤도의탈선차량등 가TO0 수목또는태풍에의한기타비산물 가TO05 눈, 눈사태 가TO0 0 터널내탈락물 ( 천장에서탈락 ) 가TO0 0 화물열차에서선로로떨어진화물등 가TO08 기타 가TO09 0 주행장치결함 가DV0 차륜및보기결함 가DV0 8 대차구성품마모 가DV0 연결차량상호간섭 ( 연결장치파손, 불량 ) 가DV0 제동장치결함 가DV05 5 기타 가DV0 이선진입에의한운행탈선 가DO0 5 과속주행에의한운행탈선 가DO0 제동취급불량에의한입환탈선 가DO0 5 적재불량 / 하중분포결함에의한운행탈선 가DO0 분기점취급 / 운전오류 ( 출발신호오인 ) 에의한탈선 가DO05 5 구름방지소홀에의한탈선 가DO0 기타 가DO0 열차탈선외위험사건코드부여예시 : 열차충돌 ( 나 ), 열차화재 ( 다 ), 건널목사고 ( 라 ), 차량파손 ( 마 ), 사상사고 ( 바 ),. 위험도평가모델개선방안제시.. 사고형태영향분석 (AMEA) 전개본논문에서는철도사고 장애에대한위험도평가방법으로 FMEA기법을활용, 고장형태가
아닌사고유형으로확대한 AMEA(Accident Mode and Effects Analysis) 을제안한다. AMEA는가능한범위까지잠재적사고형태와이에연관된원인이고려되고지정된다는것을보장하는수단으로철도시스템안전성검증에활용되어질수있다. 모든연관된시스템, 작업, 설비물, 재료, 환경과더불어인간의행동까지평가되어야한다. 사고유형을통해서사고발생의원인 / 메커니즘을추정하고안전관리에요구되는사항이포함되어야한다. 현재한국철도에서시행하는위험도분석법및위험도판단기준에서는중대성판단에있어인전, 물적피해를별도로구분하고있지않고있으며기준에있어서도현실과맞지않는부분이있다.( 예시 :. 물적피해에있어서치명적인사고의기준을 00억초과로규정한경우등 ) 철도사고는피해상황이다양하게발생하는부분이있어본논문에서는중대성판단에있어서총손실액, 사상자수를별도로구분하였고열차가지연됨에따른추가피해를영향도로구분하는방법을제시하고자하며그내용은 Table 과같다. Table Improvement of Risk assessment 구분 현행한국철도공사위험도분석기법 개선방안 기법명 FTA(Fault Tree Analysis) FMEA(Failure Modes Effects and Analysis) 위험도계산 위험도판단기준 가능성판단 위험도 (RISK) = 가능성 * 중대성 빈도구분빈도수준내용 가능성거의없음 0 년 회발생할경우 가능성낮음 년 회정도발생할경우 가능성있음 년 회발생할경우 가능성높음 개월 회발생할경우 빈번함 5 일 회정도발생할경우 중대성판단 강도구분강도수준내용 경미한 제한적 중대한 치명적인 개의차륜이탈, 등시스템손상으로 00 만원초과의재산손실, 본선지장 0~0 분이내 심각한시스템손상으로,000 만원초과재산손실, 본선지장 시간이내 사망자 명을포함한다수의중 경상자발생차량탈선, 시스템손상으로 0 억원초과의재산손실환경에대한상당한영향과주요시스템손실 다수의사상자를포함한중 경상자발생탈선, 화재등환경에대한중대한손상으로 00 억원초과의재산손실발생 위험도 (RPN) = 가능성 * 중대성 ( 총손실액 * 사상자수 ) * 영향도 ( 지연시간 ) 가능성판단 ( 기존동일, 빈도 ) 빈도구분빈도수준내용 가능성거의없음 0 년 회발생할경우 가능성낮음 년 회정도발생할경우 가능성있음 년 회발생할경우 가능성높음 개월 회발생할경우 빈번함 5 일 회정도발생할경우 중대성판단 ( 총손실액, 강도 ) 강도구분강도수준내용 경미한 00 만원이하의손실 ( 손실없음포함 ) 제한적 00 만원초과 ~000 만원이하의손실 중대한 ( 저 ) 000 만원초과 ~ 억이하의손실 중대한 ( 고 ) 억초과 ~0 억이하의손실 치명적인 5 0 억초과의손실 중대성판단 ( 사상자, 강도 ) 강도구분강도수준내용 경미한 인명피해없음또는경미한찰과상 제한적 중상자발생, 또는자살추정사망 중대한 다수의중경상자발생 치명적인 사망 명을포함한다수의중상자발생 영향도판단 ( 지연시간, 영향도 ) 영향도구분영향도수준 경미한 본선지장없음 제한적 본선지장 0 분이내 내용 중대한 본선지장 8 시간이내 치명적인 본선지장 8 시간이상또는환경에대한상당한영향과주요시스템손실
.. 사고형태영향분석 Sheet 작성을통한중점안전관리항목도출 AMEA의구체적인위험도평가에있어서, 위험항목들이라할수있는사고모드들은앞절에서제시된위험도판단기준에의하여 RPN(Risk Priority Number: 위험우선순위 ) 에따라세가지항목의곱을계산하여요인간우선순서가결정된다. ( 단, 구분이모호한경우높은수준으로판단 ) 그결과 Table 의예시처럼궤도결함으로인한탈선사고위험요인의 RPN값을도출해본결과궤도형상의수평수직틀림이가장큰우선순위의요인으로중점관리되어야함을확인할수있다. ( 그중가장높은 RPN값을보인사고는 008..8 경부선남성현 청도역사이에서발생한탈선사고로선로보수작업불량으로인하여곡선내측선로상태불량과곡선주행에따른횡압이가중요인으로작용하여차륜후렌지가레일위로부상탈선함 : 곡선내축선로의구배가급격하게형성 ) Table Creating AMEA sheet due to derailment risk (Track defects,00~0) 유형 코드 사고위험요인 발생건 빈도 강도 강도 영향도 RPN 평균값 순위 가DF0 궤도형상 / 하부도상의수평 / 수직 뒤틀림 (buckling) 5 0 5 가DF0 자갈도상열화, 자갈살포부적절 가DF0 궤도교차수준 (cross level) 불균일 8 열차탈선 가DF0 부적절한과도상승 ( 장출등 ) 0 가DF05 체결구결함으로궤간확장. 가DF0 화학반응에의한침목손상 ( 부식 ) 8 가DF08 레일마모 0 가DF0 선로전환장치결함 5. 5 5 9 가DF 차량 / 선로상호작용 0.5 가DF 시공불량 ( 직선구간미삽입등 ) 8.5.. 중점안전관리활동전개 ( 중점안전관리항목활용 ) 앞절에서도출된중점관리항목은 Fig.과같이안전관리및원인제거대책을수립하고점검을실시하고철도사고 장애발생시데이터베이스를업데이트를하여우선순위를조정하는등체계적으로평가하고관리하고전개하는프로세스를통하여활용되어는중점안전관리활동을제안하는바이다.
Fig. Management process of potential risk factors 5. 결론철도산업은타산업에비해사고발생시대부분이대형사고이며사회적으로미치는여파가크다. 또한이러한철도사고는반복적으로같은원인에의하여발생하고있으므로사고를사전에예방하고관리하는위험도기반의체계적인시스템의확보가필요하고더욱발전시켜야할것이다. 본연구에서위험요인및대책을확인하고 AMEA시트를활용하여중점안전관리항목을도출하는체계에관한연구를통해서다음과같은결론을도출하였다. () 한국철도공사의철도사고 장애사례를기준으로 AMEA시트를작성하고 RPN값을도출해본결과분야별위험요소에따라중요도값이다르게나타나는것을알수있었으며, 중요도가높은요소에따라중점적관리를통한효율적인안전관리활동을제시할수있었다. () 체계적인안전관리데이터베이스구축을통하여보다손쉽게안전관리활동을수행할수있는시스템구축에관한연구가수행되어야할것으로사료된다. () 본논문에서는탈선사고모드에한정하여그원인을도출하고중요도를정량화하였으나향후차량파손, 급전장애, 열차충돌등모든사고모드에대하여확대적용한다면철도안전관리의효율성을높일수있을것으로판단된다. 본논문에서제시된방법은 0년간의탈선사고중궤도결함에한정하여분석한만큼철도사고 장애발생요인들의상호작용에대한영향에대해서는고려되지않았다. 철도사고는여러가지원인들이복합적으로작용하는부분이크므로주요사고원인으로제시된부분과구분기준으로제시된사항에대해서도적용이용이하도록디테일화되어야할것이며원인들사이의상호연관관계에관한연구가있어야겠다.
참고문헌 [] 한국철도공사 (0년), 철도안전성검증매뉴얼, pp.0 [] 철도종합안전기술개발사업보고서 (00) 철도사고위험도분석및평가체계구축, 한국철도기술연구원등, pp.5. [] 국토해양부및한국철도공사통계연보 (0). [] 한국철도공사사규 ( 제050호 ), 철도사고등의보고및조사에관한지침, 제조 ( 정의 ). [5] J.W. Song, J.H. Yu, C.D. Kim (00) Construction Safety Management Using FMEA Technique for Selecting Priority order, Korea Institute of Construction Engineering and management. [] G.H. Kim, Y.S. Kim, S.M.. Kwon, G.B. Lee, J.S. Park, K.S. Kang (00) A Study of Accident Mode and Effects Analysis for Using FMEA, Korea Safety Management & Science. [] Do Hyun. Jung (00) A Study on the Risk Assessment for Works on/near Operating Line, Seoul National University of Science & Technology.