2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A153 AHP 를활용한철도차량주요안전부품우선순위선정방법연구 A study of method of selecting the priorities of the major safety components of the railway vehicle utilizing the AHP 김시화 +, 유영준 *, 정해진 *, 김종운 **, 이원영 *** Si Hwa Kim *, Yoyng Jun Yoo *, Hai Jin Jung *, Jong Woon Kim **, Won Young Lee *** Abstract Railway vehicle is composed of many parts as a convenient transportation of transporting many passengers. Railway vehicle components for these roles are separate, organically operated, high safety is demanded. However, accidents due to component failure is constantly generated. Ministry of Land, Infrastructure and Transport has established the approval and inspection implementation guidelines of railway safety management system with the revision of the Railway Safety Act, and notice, railway operating agency is adapted to manage the selection of key components related to safe driving There, most of the railway vehicle operating agency, at the time of the major safety components selection, but not in a systematic way, based on the failure history of parts, has selected the main parts. In this paper, we try to present a hierarchical decision-making methods (Analytic Hierarchy Process, AHP) method of selecting the priorities of the major safety components of the weighting scheme parts another important degree of leverage Keywords : AHP, Railway vehicle, Key components, weight, Priority 초록철도차량은많은승객을수송하는편리한교통수단으로서수많은부품으로구성되어있다. 이러한역할을하기위한철도차량부품은개별적, 유기적으로동작하면서높은안전성이요구되고있다. 하지만부품고장으로인한안전사고는끊임없이발생하고있다. 국토교통부는철도안전법개정에따른철도안전관리체계승인및검사시행지침을제정, 고시하여, 철도운영기관은안전운행과관련한주요부품을선정하여관리하도록되어있으나, 대부분의철도차량운영기관은주요안전부품선정시체계적인방법보다는부품고장이력을바탕으로주요부품을선정하고있다. 본논문에서는계층적의사결정방법 (Analytic Hierarchy Process, AHP) 을활용한부품별중요도와가중치부여방식의주요안전부품우선순위선정방법을제시하고자한다. 주요어 : AHP, 철도차량, 주요부품, 가중치, 우선순위 1. 서론 철도차량은많은승객을수송하는편리한대용량교통수단으로서수많은부품으로구성되어있다. 이러한역할을하기위한철도차량부품은개별적, 유기적으로동작하면서높은안전성이요구되고있다. 하지만부품고장으로인한안전사고는끊임없이발생하고있다. * 교신저자 : 서울메트로군자자량사업소 (shihwa1052@hanmail.net) ** 네모시스 *** 서울과학기술대학교글로벌융합산업공학과
국토교통부는철도안전법개정에따른철도안전관리체계승인및검사시행지침을제정 고시하여, 철도운영기관은안전운행과관련한주요부품을선정하여관리하도록되어있으나, 대부분의철도차량운영기관은주요안전부품선정시체계적인방법보다는부품고장이력을바탕으로주요부품을선정하고있다. 2016년 1월, 도시철도차량의주회로장치고장으로많은승객들이불편을겪는사고가발생하였다. 이에따라감사원에서는해당사고관련부품의관리실태및전동차부품관리전반에대하여체계적인부품관리가필요하다는권고사항이있었다. 따라서본논문에서는계층적의사결정방법 (Analytic Hierarchy Process, AHP) 을활용하여, 부품 ( 장치별 ) 중요도에따른가중치를부여하고, 우선순위에따른주요안전부품을선정하여체계적인부품관리에도움이되고자한다. 2. 본론 2.1 AHP 모형 2.1.1 계층분석기법 AHP기법은다수대안에대한다면적평가기준을통한의사결정지원방법의하나로, Thomas Saaty에의해개발되었으며의사결정프로세스를체계적으로분석하고, 여러평가기준의가치를쌍대비교 (pairwise comparison) 에의하여단계적으로도출함으로써대안들에대한합리적평가를지원한다. AHP 방법론은복잡한의사결정문제를계층으로구조화하여, 단계적으로접근하여종합판단하여의사결정을도출하는방법이다. AHP 방법론의개발자인 Thomas Saaty는이러한일관성비율의값은일반적으로 0.1(10%) 이하가되어야판단의일관성이있고, 각기준별가중치가의미있는것으로간주한다고하였다. 일부사회과학분야의연구조사에서는설문문항의특성상각상 하기간의독립성확보가어렵다는점을감안하여일관성비율이 0.2(20%) 이내까지를허용범위로하고있다.[1-4] Fig. 1 AHP Execution sequence [5]
2.1.2 모형설정본연구모형설정의목적은철도차량주요안전부품선정시고려해야하는기준과선정대상부품에대한최적의의사결정을돕기위한것이다. 상위및하위계층은신뢰성평가 (RAMS) 기준을근거로설정하였으며, 대안으로는고장분류체계 1,2레벨을기준으로설정하였다. 2.1.3 평가기준본연구모형에서는서울메트로 2호선 200량발주사양서, IEC 62278, EN50126, 철도안전관리체계등에서도출된기준들을재분류및정리하여평가기준을도출하였다. Table 1 Evaluation items of research model 상위계층기준하위계층기준기준설명 고장발생빈도 (R) 가용도 (A) 유지보수소요시간 (M) 고장영향 (S) 교환교환 + 점검운행가용도가용성고장예방서비스안전 본선운행중고장으로해당장치부품을교환한실적 본선운행중고장으로해당장치부품을교환또는점검이력을포함한실적 전동차계획운행거리에대한실제운행거리의비 전동차가 DIA 를통해운행한시간과기지에대기 ( 유지보수포함 ) 하고있는시간과의비율 본선운행중해당장치부품고장으로인한조치소요시간 정기검사계획에의한해당장치부품사전예방점검에걸린시간 해당장치부품고장으로기지교체또는본선운행차량과운용변경을통해본선운행이정상적으로이루어지지못하는영향 해당장치부품고장으로파손, 사상사고등고장의영향 ( 치명도 ) 이허용수준을넘어안전사고에영향을미침. 상위계층평가기준은고장발생빈도 (R), 가용도 (A), 유지보수소요시간 (M) 과 고장영향 (S) 4가지로범주화하였다. 고장발생빈도 (R) 는전동차의 MTBF( 고장간평균시간 ), MKBF( 고장간평균거리 ) 산출을통한전동차의신뢰성 (Reliability) 평가에초점을맞춘평가기준이다.' 가용도 (Availability) 는전동차의운행능력평가기준이고 유지보수소요시간 (Maintenance) 은고장발생시수리시간과예방점검시간에소요된시간을산출하는방식으로유지보수방법을결정할수있는평가기준이며 고장영향 (Safety) 은서비스와안전에미치는영향정도에맞춘평가기준이다. 하위계층평가기준은 고장발생빈도 (R) 의교환과교환을포함한점검, 가용도 (A) 의운행가용도와가용성, 유지보수소요시간 (M) 의고장과예방, 고장영향 (S) 으로는서비스와안전으로제시하였다. 2.1.4 대안설정대안은서울메트로 1,4호선에서운용중인 VVVF 현대ADV 전동차고장분류 12개장치중주회로장치하위레벨 10개품목으로설정하였다.
Table 2 An alternative evaluation of the research model (Main circuit device) 평가대안판타그래프피뢰기컨버터 / 인버터고속도차단기교직절환기교류제어기박스주변압기필터리액터 (FL) 주퓨즈견인전동기 정의 전차선으로부터전력을공급받기위해사용되는장치 외부서지전압에대한보호기기 컨버터 / 인버터제어장치는견인전동기 4 대의전원제어장치 사고전류를검출 / 차단하는주회로기기보호장치로평상시에는 Unit Switch 로사용 교류 / 직류구간운행시전환장치 교류구간과직류구간에각기적합한회로를구성하여주는교직전환기 (ADCm) 교류차량에서전차선으로부터받은교류고압을견인전동기회로전압으로변환하는장치 DC 1,500V 가선전압을받는 DC 구간에서입력전압의고조파전압성분제거 전동차가교류구간의회로상태로직류구간모진시대전류에의한주변압기소손방지 철도차량견인용구동장치 2.2 AHP 분석이절에서는연구모형으로 VVVF 현대ADV 전동차를운용하는부서의전문가를대상으로실시한설문결과를분석하고자한다. 본모형은제 1계층에최종목표 (GOAL), 제 2계층에 4개의상위평가기준 (Criteria), 제 3계층에 8개의하위평가기준 (Criteria), 최하위단 4계층에 10개의대안 (Alternative) 으로계층을구성하였고전동차운용부서의전문가대상설문조사를실시하여기준간중요도를산출하였다. 설문조사는관련분야 20년이상의풍부한현장경험과전동차운용부서노하우를가지고있는전문가 13인을대상으로 2016년 8월 ~ 9월까지실시하였다. AHP 분석기법에서는개개인의판단오차를일관성비율로산출한다. 본연구에서는총 13인의응답결과지중 AHP 일관성비율 0.2이상인 4부를제외하고, 유효한설문 9부를가지고판단하였다. 본연구는 AHP분석 TOOL인 Expert Choice 11을이용하여분석하였으며일관성비율분석결과 C.I (Consistency Index) = 0.02로유의한수준의응답결과를얻을수있었다. Fig. 2 Hierarchy for priority selection of the major safety components (Main circuit device)
AHP 분석결과, 4개의상위계층기준간상대적중요도는고장영향이 51.8% 로가장높게나타났고, 전체하위계층간상대적중요도는고장영향 (S) 의하위계층인 안전 이 37.8% 를차지하여 1순위로도출되었다. Table 3 Priority analysis between hierarchy 상위계층기준 상위계층간상대적중요도 하위계층기준 하위계층간상대적중요도 전체하위계층간상대적중요도 하위기준우선순위 고장발생빈도 (R) 0.252 (2 순위 ) 교환 0.302 (2) 0.080 (5 순위 ) 5 교환 + 점검 0.698 (1) 0.184 (2 순위 ) 2 가용도 (A) 0.156 (3 순위 ) 운행가용도 0.754 (1) 0.114 (3 순위 ) 3 가용성 0.246 (2) 0.037 (8 순위 ) 8 유지보수소요시간 (M) 0.074 (4 순위 ) 고장 0.509 (1) 0.054 (6 순위 ) 6 예방 0.491 (2) 0.052 (7 순위 ) 7 고장영향 (S) 0.518 (1 순위 ) 서비스 0.213 (2) 0.102 (4 순위 ) 4 안전 0.787 (1) 0.378 (1 순위 ) 1 상위계층기준및하위계층기준별로대안간상대적중요도적용결과, 전체순위중 1순위는 14.7% 를차지한판타그래프, 2순위는 13.8% 의컨버터 / 인버터, 3순위로는 13.1% 를차지한고속도차단기순으로나타났다. Table 4 A result of sub-standard different priorities analysis between alternative 대안 고장발생빈도 (R) 가용도 (A) 유지보수소요시간 (M) 고장영향 (S) 교환 교환 + 점검 운행가용도 가용성고장예방서비스안전 전체순위 판타그래프 0.053(8) 0.058(7) 0.139(1) 0.063(8) 0.058(8) 0.068(8) 0.138(1) 0.244(1) 0.147(1) 피뢰기 0.041(10) 0.043(10) 0.066(10) 0.031(10) 0.025(10) 0.039(9) 0.058(10) 0.106(3) 0.069(8) 컨버터 / 인버터 0.209(1) 0.225(1) 0.130(2) 0.208(1) 0.194(1) 0.208(1) 0.130(2) 0.068(7) 0.138(2) 고속도차단기 0.167(2) 0.134(3) 0.127(3) 0.100(5) 0.09(7) 0.111(4) 0.125(3) 0.136(2) 0.131(3) 교직절환기 0.102(5) 0.107(5) 0.096(5) 0.089(6) 0.095(4) 0.122(3) 0.125(3) 0.085(5) 0.100(5) 교류제어기박스 0.108(4) 0.137(2) 0.087(7) 0.126(3) 0.094(5) 0.139(2) 0.091(7) 0.057(10) 0.091(7) 주변압기 0.075(6) 0.068(6) 0.096(5) 0.121(4) 0.172(2) 0.107(5) 0.098(6) 0.088(4) 0.092(6) 필터리액터 (FL) 0.070(7) 0.057(8) 0.072(8) 0.079(7) 0.094(5) 0.069(7) 0.062(9) 0.067(9) 0.067(9) 주퓨즈 0.052(9) 0.052(9) 0.07(9) 0.044(9) 0.033(9) 0.034(10) 0.069(8) 0.068(7) 0.061(10) 견인전동기 0.123(3) 0.119(4) 0.118(4) 0.138(2) 0.144(3) 0.103(6) 0.103(5) 0.081(6) 0.105(4)
상위계층별상대적중요도와민감도성능종합결과는 Fig. 2 와 Fig. 3 과같은결과를얻었다. Fig. 2 Performance Sensitivity for nodes below : Goal : Selection of the main safety components (Main circuit device) Fig. 3 Dynamic Sensitivity for nodes below : Goal : Selection of the main safety components (Main circuit device) 2. 결론 본연구는철도차량의수많은부품중주요안전부품 ( 장치별 ) 선정최적의의사결정을돕기위하여 AHP기법을활용한 VVVF 현대ADV 전동차주회로장치안전부품 ( 장치별 ) 우선순위선정결과, 판타그래프, 컨버터 / 인버터, 고속도차단기순으로우선순위가도출되었다. 연구과정에서제시한요인별가중치부여방법을활용, 철도차량모든장치부품대상으로연구를진행하여주요안전부품으로선정된품목들은해당품목예비품관리방법, 유지보수체계재정립및예산책정시최적의우선순위의사결정에활용할수있을것이다.
참고문헌 [1] Saaty, T. L., The Analytic Hierarchy Process, McGraw Hill, New York, 1980. [2] Saaty, T. L., How to Make a Decision: The Analytic Hierarchy Process, Euro pean Journal of Operation Research, Vol. 48, 1990, pp. 9-26. [3] Saaty, T. L. and Luis, G. V., Diagnosis with Dependent Symptoms:Bayes Theorem and the Analytic Hierarchy Process, Operations Research, Vol. 46, No. 4, 1998, pp. 491-502. [4] 공희경, 전효정, 김태성 (2008), AHP를이용한정보보호투자의사결정에대한연구, JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGY APPLICATIONS & MANAGEMEN, 제15권 1호, pp.139-152. [5] 키노시타에이조, 오오야타카오 (2012), 전략적의사결정기법 AHP, 청람출판, pp. 17.