150km/h 이하의 저속으로 운행하던 우리나라 철도는 2004년에 고속철도 시대를 맞이하면서 속도경쟁력 측면에서 다른 교통수단을 앞지르기 시작하였고 현재는 일반철도 및 도시철도에서도 열차속도 향상이 매우 활발히 추진되고 있다.
이렇게 고속으로 주행하는 열차를 더 안전하게 운행할 수 있도록 밑받침이 되어주는 전자연동장치가 전국 국가철도 구간에 503개소가 설치되어 있으나 2020년 하반기에 고속철도 구간에서 여러 차례 셧다운 되는 등 많은 고장을 일으키고 있어 전자연동장치에 대한 신뢰성 연구가 절실하게 필요하였다.
따라서 본 논문에서는 전자연동장치에 대한 기술개발, 설계, 제작, 검증단계까지 국제철도표준을 기반으로 하는 기술적 요구사항에 대한 분석과 RAMS 활동을 수행하였으며 이를 토대로 전자연동장치 위험원 분석 및 안전성 입증이 가능하도록 절차와 방법을 정립하였다.
그 과정으로 첫 번째, 국내 및 해외 열차제어시스템에 적용되는 RAMS 일반사항에 대한 조사를 시행하여 본 논문에 반영 여부를 검토하였으며 둘째, 전자연동장치의 안전성 활동 프로세스를 정립하고 전자연동장치 개발 수명주기에 따른 안전성 확보 및 입증 계획을 제시하였다.
셋째는 전자연동장치와 관련된 위험원을 식별하고 위험상태 등을 규명하였으며 이를 근거로 위험원이 시스템에 미치는 영향을 분석함으로써 발생 가능한 모든 위험요인으로부터 사고를 최소화하기 위한 시스템 안전성이 확보되도록 하였다.
넷째로 설계과정에서 나타나는 전자연동장치의 위험원 목록을 작성하고 Risk 감소 및 제거를 위한 절차 및 방법을 제시하였다.
다섯째 전자연동장치의 신뢰성, 유지보수성, 가용성 분석을 통해 운영 효율을 높이기 위한 결과를 제시하였고 정량적으로 안전성을 입증하기 위하여 위험측 고장률을 확보하였다.
마지막으로 안전기능 실패율을 정량적으로 분석하는 방법 및 결과를 제시하였고 그 결과를 활용하여 전자연동장치에 대한 안전성을 입증하였다.
이러한 과정을 거쳐 연구한 결과로는 첫 번째로 전자연동장치에 대한 총 7개의 위험원이 식별되었으며 해당 위험원을 허용 가능한 수준으로 제어하도록 안전기능을 도출하였다. 그 결과 전자연동장치의 "위험측 진로설정으로 인한 사고발생" 등 총 4개의 안전기능에 대하여 국제표준의 SIL4 요건을 만족해야 열차의 안전운행이 보장됨을 확인하였고 이는 정량적으로 환산하였을 경우 4 x 10-9/h 이하로 위험측 고장이 발생할 수 있는 매우 안전한 수준으로 목표를 설정하였다.
정량적 안전성 입증을 위한 마지막 과정으로 고장계통분석(FTA)을 수행하여 공통으로 고장을 유발하는 원인을 분석하였으며 추가적으로 소프트웨어 통신에 대한 에러율을 계산하였다. 이러한 과정을 거쳐 나타난 결과로는 전자연동장치 단위 구성 기준으로 안전기능에 대한 실패가 1.1596 x 10-9/h로 산출되어 목표로 한 수치를 상회하는 것으로 확인되었으며 이를 역의 규모에 따른 고장계통분석을 수행하고 비교한 결과 역 규모에 따라 미치는 영향은 크게 차이가 나지 않는 것으로 확인되었다.
이 모든 과정을 종합해 보면 본 논문에 적시된 절차와 방법을 준수하여 전자연동장치에 대한 안전성을 검증할 경우 안전기능의 실패로 인해 열차충돌, 탈선 등의 사고나 재산의 피해가 일어날 확률이 안전하게 통제되어 SIL4 수준을 만족하고 있음을 확인하였다.
따라서 본 논문을 통해 제시된 전자연동장치에 대한 위험원 분석방법 및 안전성 입증 절차 등은 현장에서 적용이 가능한 매우 합리적인 수준이라고 볼 수 있다.
이와는 별도로 전자연동장치 이외의 다른 신호설비에 대하여도 지속적인 안전성 입증 연구를 수행하여 다양한 입증방안이 개발되어야 할 것으로 보고 있다. 그러기 위해서는 철도산업 전반에 걸쳐 국제표준을 기반으로 하는 안전성 확보라는 근본적인 목적을 갖고 안전성을 입증하는 것이 무엇보다 중요하다고 판단된다. 따라서 새롭게 개발되는 전자연동장치는 물론 현재 안전성을 검증하지 않고 사용하고 있는 다른 신호설비에 대하여도 국제표준을 기반으로 하는 안전성 프로세스를 구축하고 이 프로세스를 기본적으로 적용한다면 앞으로 철도산업의 안전성은 더욱 향상될 것이다.