[21년 11월 칼럼] 철도시스템의 시스템엔지니어링 활동 및 RAMS 적용효과
1. 서론
1.1 배경 및 목적
최근 국제적으로 지구 온난화와 대기오염원의 원인으로 지목되는 이산화탄소 배출을 저감하기 위한 관심이 고조되고 있으며, 국내에서도 배기가스가 배출되지 않는 신개념 교통수단인 무인운전 방식의 경량전철 시스템 도입을 주요 도시에서 추진 중이나, 국내에서는 유인 운전 방식의 지하철 건설 위주에 익숙한 체계로 인하여 완전자동 무인운전 시스템의 운영 경험이 부족한 부분을 보강하고, 이를 극복하기 위한 하나의 대안으로서 설계 단계에서부터 제작, 설치 및 운영 단계까지 시스템을 통합적으로 관리하기 위한 System Engineering의 핵심 요소인 RAM 및 Safety 관리의 체계적 접근의 필요성이 제기되고 있다.
1.2 시스템공학(SE)의 탄생 배경
시스템에 관련된 복잡한 문제들을 해석·해결하기 위해 여러 과학기술을 종합적·체계적으로 적용하는 종합적인 공학적 방법의 체계 공학으로서, 하나의 학문체계로 등장한 것은 1960년 무렵이다. 시스템공학은 미국을 중심으로 발달해 왔는데, 시스템이라는 사고 방식 또는 방법을 명확하게 특정한 의미에서 최초로 도입한 것은 F.W.Taylor의 ‘과학적 관리법’(1911)으로, 테일러시스템이란 이름으로 알려줬다. 1969년 아폴로계획에 의한 달 착륙의 성공에 시스템공학의 모든 지식과 경험이 이용되어, 이후 시스템공학이라는 명칭이 널리 알려지게 되었다.
성공적인 시스템 개발을 실현하기 위한 목표 달성을 위해 다양한 분야 간 접촉 및 수단이 바로 시스템공학이다. 시스템공학은 우주왕복선 등의 우주개발에서 급속히 발전하여, 원자력발전, 화학플랜트의 설계, 도시 재개발, 통신네트워크 시스템 등을 구축·설계·건설할 때 필수적인 수단이 되고 있다.< 출처 : 네이버(2021), 박문각 >
1.3 PM과 SE
시스템의 규모와 요구기능은 점차 대형화되고 복잡해지고 있다. 이러한 시스템 개발 프로젝트의 성공적인 수행을 위해서는 프로세스에 대한 체계적인 시스템공학(System Engineering; SE)과 프로젝트 관리(PM) 활동이 요구되고 있다. 또한 SE와 PM활동은 시스템 개발에 있어서 상호 밀접하게 연관되어 있기 때문에 SE와 PM 프로세스는 상호 통합과 연계성이 확보되어야 효과적이고 효율적인 프로젝트 수행이 될 것이다.
1.4 PM과 SE 영역 구분
PM의 일부분으로서의 관점에서 PM과 SE 영역을 검토해 보면 사업계획 및 통제 측면의 PM 영역과 시스템 아키텍쳐와 시스템 통합을 포함하는 SE 영역으로 구분할 수 있으며, 위험관리·평가 및 고객과의 상호작용의 공통 영역으로 나눌 수 있다.
2. 무인운전 경량전철의 SE 요구사항
2.1 무인운전 경량전철 시스템
최근 철도시스템은 경제성 및 도시환경에 적합한 첨단 도시 교통시스템을 요구하고 있다. 이는 승객, 운영사, 공급사의 요구사항 분석을 통해 재해석 할 수 있다.
승객 측면에서, 운전시격 단축을 통해 대기시간 및 통행소요시간을 줄임으로써 승객서비스 향상을 요구하고 있으며, 또한, 소음⦁진동 감소를 통한 승차감 향상도 이에 포함된다. 운영사 측면에서, 승객의 요구사항 반영을 위해 열차의 최소운전시격 유지를 통해 본선에 투입해야 하므로 역간 거리를 단축해야 하며, 이를 위해서는 차량 경량화 및 가감속 성능이 우수한 차량 선택이 필수적이다. 이는 차량의 경량화에 따라 승강장 등 토목⦁건축 비용을 절감의 효과 및 에너지 비용 절감의 효과를 의미한다.
또한, 수송수요가 적은 시간당 5,000명에서 20,000명 노선에서 경제성 확보를 위해 무인자동운전을 통한 운영비 절감이 필요하다. 공급사 측면에서, 무인자동운전을 구현하기 위해서는 유인으로 이루어지던 업무를 자동화설비로 대체하여 수행가능한 사항에 대한 검토와 이에 대한 서브시스템으로 기능 할당이 이루어져야 하며, 각 서브시스템의 설계 및 제작단계에서 반복적인 시스템의 신뢰성 및 안전성확보가 반드시 고려되어야 한다.
이러한 신뢰성 및 안전성 요구사항에 대해서 국제 규격 IEC 62267(Railway applications-Automated Urban Guided Transport safety requirements) 및 EN 62290-1(Railway applications-Urban guided transport management and command/control systems)에서 권고하는 무인운전 요구사항을 통해 검토하고자 한다.
2.2 무인운전 경량전철 요구사항
2.2.1 IEC 62267 및 EN 62290-1 요구사항
2.2.1 IEC 62267 및 EN 62290-1 요구사항
표 2.1는 열차 운전방식별 요구되는 시스템 기능을 정의 한 것이다. 이 규격의 근본 취지는 기존 유인운전에서 무인운전으로 발전하면서 운전자나 승무원의 부재로 인해 시스템이 보상해야 할 안전성 확보를 요구하는 것이다. 무인자동운전 시스템을 구현하기 위해서는 운전자의 업무를 시스템 자체적으로 수행을 해야 하며, 열차운행상태를 통합관제실에서 확인하여 원격제어 등 적절한 조치를 취할 수 있도록 시스템적으로 구현이 되고, 스크린도어와 같은 안전설비를 강화해야 한다.
다음절에는 상기 표준규격의 무인운전 시스템 요구조건이 실제 프로젝트에서 어떠한 사양으로 요구되는지 비교하고자 한다.
2.2.2 무인경량전철 프로젝트 요구사항 사례 분석
본 절에서는 국내 및 해외 무인경전철 시스템 구축 시 발주처로부터 요구되는 제안요청서(RFP, Request For Proposal)를 분석하여 무인경량전철 구축을 위한 요구사항을 분석하고, 이를 구현하기 위한 기법을 제시하고자 한다.
사례분석은 국내 용인경전철, 부산김해경전철, 인천2호선 경전철로 모두 무인 경전철이며, 해외에서는 완전자동 무인경전철의 모범사례인 코펜하겐경전철을 대상으로 IEC 62267 요구사항과 비교하여 분석했으며 그 내용은 표 2.1와 같다.
2.3 시스템엔지니어링 기법 적용 필요성
표준 규격 및 국내⦁외 무인경전철 요구사항 사례 분석과 같이 무인운전 경전철 건설은 도로, 교량 등 다른 건설 사업과는 달리 승객 및 대중의 생명과 안전을 절대적으로 확보해야 하는 복합 다공정 시스템으로서 초기계획 단계에서부터 설계, 시공 및 시운전에 이르는 전 과정에 있어 그 성능과 안정성이 확보될 수 있도록 엔지니어링 측면의 접근이 매우 중요하다. 이것은 단순한 토목 구조물로서의 안전 확보 차원이 아닌 대량 운송시스템 운영의 신뢰성 및 안정성 확보 차원에서 시스템 엔지니어링의 중요성이 강조됨을 의미하고 있다. 또한, 표 2.3의 국내외 무인경전철 요구사항분석 결과 수행요구업무는 시스템엔지니어링의 수행분야와 일치한다.
즉, 시스템엔지니어링은 철도 시스템의 성능과 안전 확보를 위한 필수적인 도구로 인식되고 있으며 상당히 전문성을 요구하는 분야로써 무인경전철 시스템 구축시 시스템 엔지니어링 기법을 활용하여 건설기간중의 안전 확보는 물론 체계적이고 과학적인 방법으로 건설 전 과정을 관리함으로써 완전무인 자동운전 환경에 적합한 설비를 완벽하게 구축할 수는 엔지니어링 기법이다.
프로젝트 수행 경험상 RAM관리 및 Safety 관리는 모든 서브시스템을 대상으로 관리 할 뿐 아니라, 타 시스템엔지니어링 모든 분야와 연동하여 수행된다. 그러므로, 시스템엔지니어링 분야에서 RAM 관리 및 Safety 관리가 타 분야 보다 그 중요성이 크다고 볼 수 있다.
3. 시스템엔지니어링 중점 활동 분석
3.1 시스템엔지니어링 분야
철도 시스템엔지니어링은 시스템 구축 및 운영 중 비용, 일정 및 위험 제약 환경 안에서 이해관계자(고객, 공급사, 공중, 운영자 등)의 기대를 만족시키는 철도 시스템을 통합적으로 구축 개발하고 실현 시키는 공학적 수단으로 발전되어 왔다. 즉, 시스템 엔지니어링 기법의 적용은 철도 시스템 구축을 성공적으로 완수하기 위해 차량, 신호, 통신 등 서브시스템을 종합적이고 체계적인 접근방법과 수단을 적용을 의미한다.
특히, 최근 무인운전 경전철 시스템은 토목 구조물이나 차량을 경량화 시켜 운전 시격 단축과, 선로 용량 증대를 통해 승객 수송 수요 요구를 만족시키고자 한다. 또한, 안전성 측면에서 사고 원인의 대부분을 차지하고 있는 인적 오류를 최소화하고, 시스템의 안전성을 확보하며, 운영적 측면에서 운영비 감소를 위한 무인운전⦁무인역사 중심의 철도시스템 구축이 요구되고 있다. 이는 완전자동 무인운전 경량철도 시스템을 의미하며, 유인운전에서의 승무원⦁역무원 역할을 대행하기 위한 부가기능 확보가 요구된다. 그 부가적인 기능은 앞에서 기술한 시스템 엔지니어링 기법을 적용을 통해 실현 가능하다.
표 3.1는 완전자동 무인운전 경량철도 시스템 요구사항을 만족시키기 위한 시스템엔지니어링 분야의 주요 내용에 대해 기술하고 있다. 물론 철도시스템에 따라 그 수행 하는 분야의 범위는 다소 상이 할 수 있으나, 무인운전 및 무인역사가 요구되는 경전철 시스템에서는 표2.2에서 기술된 모든 분야의 수행이 요구되고 있다. 아울러, 시스템엔지니어링을 구성하는 모든 분야는 서로 독립적으로 수행되는 것이 아니라, 서로 상호 유기적 활동이 요구된다.
3.2 RAMS 적용시 효과
제2장 및 제3장을 통해 무인운전 경량전철에서의 RAMS관리 및 시스템엔지니어링 수행분야에서 RAMS 관리에 대한 중요성을 기술하였다. 본 절에서는 RAMS 관리를 수행함으로써 무인운전 경량전철 구축 시 얻을 수 있는 효과에 대해 검토하고자 한다.
철도시스템과 같은 대형적이고 복잡한 시스템의 유지보수에 필요한 비용은 총수명 주기비용(LCC, Life Cycle Cost)의 60% 정도를 차지 할 정도로 유지보수가 전체 운영비에 미치는 영향은 크다.
그러므로 효율적인 보수 및 정비 횟수를 줄여 비용을 절감하는 것이 필요하며, 경험자들에 의하면 반복적인 유지보수 활동을 적게는 40% 많게는 70% 절감하였다고 한다. 이것은 예방정비(PM, Preventive Maintenance)를 최적화 하여 안전성 및 경제적인 목표인 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.
4. 국내 RAMS 체계 현황 및 문제점
4.1 국내 RAMS 적용 현황
국내에서 개발품 및 부품에 대한 RAMS 기술은 산▪학▪연을 중심으로 어느 정도 개발되어 있지만, 전체 시스템 통합측면에서의 RAMS 기술은 미약한 상태이다. 전체 시스템 수준의 RAMS 기술이 일부 적용된 서울시9호선 도시철도 민간투자사업을 포함하여 부산-김해 경전철사업, 의정부 경전철 사업, 용인 경전철 사업 등의 턴키사업에서 핵심 분야는 해외 컨설팅에 의존하여 구축된 사례이다.
현재 국내 분야별 단일 시스템 레벨의 경우 CENELEC 등 표준규격을 준수하며 Bottom-Up 방식의 절차를 준수하며 제품 개발에 적용 중이므로 조기에 관련 기술 확보가 가능 할 것이다. 또한, 국내에서 RAMS의 이론적인 기반은 구축되어 있고 단위 구성품 수준에서 분석된 사례는 있으나, 전체 시스템 수준에서 완전하게 RAMS 체계가 분석된 사례는 아직 없다. 그나마 경부 고속철도의 시제차량에 한정해서 운행실적, 고장실적, 수치분석 등 일부만 수행(1998~1999) 되었으나 이는 설계단계에서는 수행되지 않고 시험단계에 한정되었고, 이후 용인경전철, 부산-김해경전철, 인천도시철도2호선 등에서 시도되었으나 계약구조의 한계로 통합관리 부재의 문제가 있었다.
4.2 현재 RAMS 수행 체계
전술한 바와 같이 철도시스템의 RAMS 관리는 국제규격인 EN50126을 준수하고 있다. 시스템 수준과 서브시스템 수준에서 EN50126 권고사항이 모두 적용 가능하나 그 수행 활동에 대한 깊이는 다소 차이가 있다. 그림 4.1에서와 같이, 무인경전철 시스템을 구축 할 경우 시스템 수준에서는 1단계 개념 설정 단계부터 10단계 시스템 승인을 받아 운영을 시작하여 14단계인 시스템 폐기까지의 모든 수명주기가 적용된다.
서브시스템 수준의 경우, 시스템 수준의 5단계에서 할당 받은 RAM 및 안전성 관련 정량적⦁정성적 성능목표치를 할당 받아 서브시스템 수준 2단계인 서브시스템 정의 및 요구조건을 개발하고, 최종 서브시스템 검증을 완료 후, 시스템 수준의 8단계에 합류하여 현장에 설치한다. 각 서브시스템이 현장에 설치 완료후 시스템 수준의 9단계에서 서브시스템을 통합한 시험 및 시운전 실시로 전체시스템의 RAMS 검증을 수행하고 고객에게 시스템이 인도된다.
5. 국내 RAMS 수행체계 문제점 및 향후과제
전술한 바와 같이 그림 4.1의 서브시스템 수준에서는 EN 50126 표준규격을 준수하며 Bottom-Up 방식 절차에 따라 제품 개발에 적용 중이지만, 시스템 수준에서는 국내 기술 미흡으로 외국의 컨설팅에 의존하고 있는 실정이다.
2004년 국내 표준협회에서 KS C IEC 62278 “철도용 전기 설비의 신뢰성, 가용성,유지 보수성, 안전성(RAMS) 관련 시방서 및 설명서”를 제정하였으나, 이는 EN 50126 및 IEC 62278 표준규격(Railway applications－Specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety(RAMS))을 번역한 것으로 RAMS 관리체계를 국내에서 따르기는 어려운 실정이다.
무엇보다 RAMS 요구조건을 설계단계에서 제작, 설치, 시험 및 시운전, 운영단계에 이르기까지 효율적으로 적용하기 위한 통합 프로세스 구축이 필요하며, 아울러 완전 무인운전 경량전철의 성공적인 구축을 위해 시스템엔지니어링의 체계적인 업무표준화 구축 및 향후 시스템엔지니어링의 상세 업무가 정의/수행 된 후, RAM 모델링 기법 및 안전성 요구조건 평가 결과의 철저한 검토와 운영단계에서 운영기관별 평가를 위한 RAMS 운영 기준 개발이 시급한 과제이다.
[필자소개]
한 석 인
우송대 철도차량시스템학과 교수,
PMI Korea Chapter 부회장,
한국 시스템엔지니어링협회 이사
[참고문헌]
[1] 민성기(2007), 시스템엔지니어링 매니지먼트, 시스템체계공학원.
[2] 민성기(2007), 시스템엔지니어링 핸드북, 시스템체계공학원
[3] 차재환 외(2001), “고속철도(KTX-Ⅱ) RAM 목표값 설정을 통한 소요량 연구”, 한국철도학회논문집
[4] 철도 서비스 평가 체계 구축 방안 연구(2005), 교통개발연구원