鐵道 열차제어시스템 障礙 分析을 통한 운영리스크 개선연구 = Study on improving operational risk through analysis of railway train control system failures

국문 초록 (Abstract)

철도안전 트랜드는 첨단 디지털 기술을 활용하여 인적오류를 최소화하고 기존 철도시설물의 사고위험을 예측 및 선제적 관리로 전환하고 있다. 이를 위해 철도산업 각 분야에서는 디지털 및 AI 기반 안전시스템 도입과 인프 라 모니터링 및 안전시설 자동화, 유지보수 자동 및 기계화, 사이버 보안 및 안전문화 강화에 전력하고 있다. 과거 사람에 의한 열차제어가 이루어졌다면 현재는 무선통신 기반의 컴퓨 터제어로 변화하며 사후 대응이 아닌 위험을 사전에 감지하고 사고를 방지 하기 위한 자동제어 시스템으로 변화하고 있다. 열차제어시스템의 거듭된 발전과 함께 국제기준이 마련되고 국내외 철도 산업은 국가 차원의 열차제어 국산화 방향에 따라 개발 노력을 기울이고 있 으며 한국형 열차제어시스템(KTCS)의 상용화를 앞두고 있지만, 이러한 발 전에도 열차제어시스템의 운용과정에서는 많은 위험도를 지니고 있으며 이 는 운영사고로 이어지며 현실적인 문제가 되고 있다. 아울러 고도화된 열차제어시스템은 SIL4 기반의 기술기준이 마련되어 있 지만, 국가 또는 운영기관별 특성에 따라 기술기준과 적용 차이로 궁극적으 로 시스템에 수반된 인적 취급 절차로 설계되어 위험요인 증가의 요인이 되 었다. 본 연구에서는 철도 안전과 운영효율에 있어 가장 핵심적인 열차제어시 스템의 안전한 운용을 위해 운영과정에서 발생하는 시스템 고장분석과 사 고위험도 예측분석을 통해 시스템 신뢰성 관리와 종사자 인적오류 개선 등 운영리스크 개선에 목적을 두었다. 시스템 신뢰성 관리는 철도유형별 열차제어시스템 운영과정에서 발생하는 고장 관련 주요 요인은 FTA(Fault Tree Analysis)와 Tree SHAP(Shapley Addictive explanations) 기법을 활용하여 시스템의 주요 고장을 정의하고 각 요인의 상관관계를 분석, 원인에 대한 발생확률과 심각도를 평가하여 취 약점을 파악하고, 분석 결과를 토대로 시스템의 운용 측면의 SIL 수준을 통 해 시스템 적정성 여부와 안전성 향상을 위한 효율적 관리방안을 제시하였다. 종사자 인적오류 관리는 인적오류 위험성평가(Risk Assessment)를 통해 순수 인적오류의 위험도 등급을 파악하고, 전조지표모델(PIM, Precursor Indicator Model)을 통해 사고위험도 예측분석으로 인적오류의 전조사고 예측 결과에 대해 예측분석 적용을 검증하였다. 아울러 최적화된 열차제어시스템 적용을 위해 시스템에 따른 철도유형별 및 노선별 선로용량 비교와 비용편익분석을 통해 열차제어시스템의 효율적 운영방안을 제시하고자 한다. 열차제어시스템 운용 리스크 관리는 FTA/SHAP/PIM 등 다양한 분석기법 을 활용하여 시스템 내 구성장치별 영향변수 결과를 반영한 유지관리 업무 프로세스 개선 등 중점관리를 통해 신뢰성 확보와 종사자 오류의 사전 예방 관리에 기여할 것으로 사료 된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 방법 및 연구 범위 3
• 1.3 연구 구성 5
• Ⅱ. 이론적 배경 7
• 2.1 선행연구 7
• 2.1.1 열차제어시스템 운영연구 7
• 2.1.2 열차제어시스템 안전성 및 신뢰성 연구 9
• 2.1.3 열차제어시스템 표준연구 16
• 2.1.4 전조사고 선행연구 21
• 2.1.5 인적오류 위험성평가 연구 24
• 2.1.6 선로용량 산정 연구 26
• 2.2 열차제어시스템 운영 29
• 2.2.1 열차제어시스템 표준화 29
• 2.2.2 국내외 열차제어시스템 현황 33
• 2.2.3 열차제어시스템 운영 변화 43
• Ⅲ. 열차제어시스템 운영사고 및 고장기반 위험도 분석 54
• 3.1. 운영사고 및 고장 데이터 54
• 3.2. 위험도 분석 55
• 3.2.1 FTA를 활용한 고장분석 55
• 3.2.2 Tree SHAP를 활용한 결함 분석 61
• 3.2.3 PIM을 활용한 위험도 분석 63
• 3.2.4 인적오류 위험도 66
• Ⅳ. 운영사고 및 고장기반 분석 결과 70
• 4.1 열차제어시스템 FTA 결과 70
• 4.2 Tree SHAP를 활용한 사고장애 분석 결과 84
• 4.3 PIM을 활용한 위험도 분석 90
• 4.4 인적오류 분석 및 위험성 평가 95
• 4.5 선로환경을 고려한 열차제어시스템 적용 99
• Ⅴ. 열차제어시스템의 운용 리스크 개선 전략 109
• 5.1 TCS 운용 리스크 판별 109
• 5.2 TCS 운용 리스크 개선 111
• 5.3 TCS 운용 리스크 관리모델 114
• Ⅵ. 결론 및 고찰 118
• 6.1 결론 118
• 6.2 연구의 한계 120
• 6.3 향후 연구 방향 121