† 교신저자 : 정회원, 교통안전공단, 철도항공안전본부, 철도심사처, 대리 E-mail : [email protected] TEL : (031)362-3643 FAX : (031)362-3639 * 한국철도기술연구원, 고속철도인터페이스연구실, 수석연구원 ** 서울과학기술대학교, 철도전문대학원, 철도건설공학과 교수
위험도평가 적용을 통한 궤도시설 안전성 향상에 관한 연구
A Study for the Safety Improvement of Track using the Risk Assessment
이병석† 양신추* 박용걸**
Byung-Suk Lee Sin-Chu Yang Yong-Gul Park
ABSTRACT
The railway system consists of rolling stocks, facilities, electrical system, signaling and operation and so on, organically bound. Recently due to lots of train failures and accidents, especially the derailment related to track irregularity this year, all the people using the train are worried about railway safety and we paved the way for letting them knowing that all components of railway system are so important. As a result, most of developed countries operating railway have used to risk assessment methods about safety management to prevent railroad accidents in advance.
The purpose of this paper is to find out how to closely apply to track field for risk assessment methods. Because there is no case to apply to and we're not interested in yet, despite of importance of track, in situations of higher train speed.
Therefore, in this study we're going to investigate risk assessment methods and compare enire railway system with track system, eventually we want us try to present to safety management conditions necessary and secure safety improvement in track field.
1. 서 론 철도시스템은 차량, 운영, 전기, 신호, 궤도, 노반, 구조물 등 여러 요소의 최적화된 유기적 상호작용에 의하여 이루어진 복합시스템으로 예방적이고 지속적인 관리를 통해 철도안전을 보장하는 것이 일반적이다. 그러나 최근 연이은 KTX 고장과 철도사고로 철도안전에 대한 우려가 확산되고 있다. 이는 철도시스템의 한 부분의 소홀은 즉각적인 철도관련 사고장애로 이어질 수 있음의 반증하기도 하다. 이런 이유로 철도시 스템과 같은 복잡 다양한 시스템의 안전관리를 위해 철도선진국과 항공 및 원자력 산업 등에서는 위험도 분석과 평가를 수행하여, 안전개선에 필요한 정량적 목표를 수립하고, 이에 따라 전반적인 시스템의 안전 에 대해 허용 가능한 수준으로 관리하도록 하고 있다. 현재 국내 철도의 위험도평가를 활용한 안전관리는 철도 전반에 걸쳐 타당성과 유효성을 고려하는 초기 단계이다. 열차속도의 점진적 향상에 따른 궤도시설의 시스템적 고도화라는 중요성 인식의 측면에서 볼 때, 그 필요성은 인정되나, 위험성평가와 같은 안전관리기법 적용에는 현실적 어려움이 있다. 그러나 궤도 가 다른 시스템에 비해 비교적 단순하다는 보편적 관념에서 출발하다 보면, 궤도와 관련된 사고장애는 필 연적 발생을 유도하기에 이를 것이다. 따라서 궤도와 관련된 사고예방을 위해서는 검증된 위험도평가 기법을 궤도시설에 직접적 적용으로 발생되었거나 발생할 우려가 있는 위험요소를 정립하고 궤도시설 구성요소별로 분석을 통해 허용 가능 한 안전수준으로 관리할 수 있는 노력이 필요하다. 본 논문에서는 궤도시설에 적용 가능한 위험도 기반의 안전관리 이론과 모델을 조사하고 궤도시설의 위험원에 대하여 위험도평가 기법을 활용하여 전체 철도시스템에 대한 궤도시설의 안전수준과 필요한 안전요구조건을 제시하여 궤도시설의 안전성을 향상시키고자 한다.
2. 본 론
2.1 철도시스템 위험도평가 이론
전체 철도시스템에 대하여 위험도평가 기법을 적용하는 사례는 보편화되고 있는 반면, 철도시설, 특 히 궤도시설에 적용하는 사례는 드물다. 철도시설안전기준의 관한 규칙에는 이와 유사하게 철도시설에 적용할 수 있도록 안전성분석 개념이 있지만, 궤도시설은 포함되지 않는다. 그림 1의 좌측은 영국철도 의 안전관리 가이드라인(Guideline)인 Yellow Book에 명시된 절차를, 우측은 ISO/IEC GUIDE51에 명 시된 절차를 나타내는데, 흐름은 다소 다를 수 있으나, 기본 내용을 공통적으로 포함하고 있다.
그림 1. 위험도평가 절차(Risk Assessment Process)
현재 제안되고 있는 국제안전규격들의 특징은 위험도평가에 토대한 안전성 입증에 있다. 이는 안전 확보의 기본 개념은 위험도평가를 바탕으로 하고 있다는 것이다. 세부적으로 살펴보면, 위험원 규명의 HAZOP(Hazard and Operability), 원인분석(Causal Analysis)을 위한 FMEA(Failure Modes and Effects Analysis)와 FTA(Fault Tree Analysis), 결과분석(Consequence Analysis)을 위한 ETA(Event Tree Analysis), 안전손실분석(Safety Loss Analysis), 선택분석(Options Analysis), 영향분석(Impact Analysis), ALARP 등이 있다. 설비, 시설 혹은 시스템은 의도된 사용방법 외에 합리적으로 예견 가능 한 위험원을 판별하고 위험도의 크기를 정량화하여 그 위험성이 허용 가능한지의 여부를 평가하고 만 약 허용가능하지 않으면 위험성 저감대책을 수립하여야 하며, 충분히 허용 가능한 위험도 수준일 때를 안전으로 수용한다. 표 1은 철도시스템 위험도 평가를 통해 얻은 결과를 등급으로 분류하는 예시이다. 표 1. 철도시스템 위험도 등급분류 사례 빈 도 결과의 정도 파국적 위기적 한계적 무시 가능 빈번하게 발생 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ 자주 발생 Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅲ 때때로 발생 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅲ 극히 적게 발생 Ⅱ Ⅲ Ⅲ 발생 가능성 있음 Ⅲ Ⅲ Ⅳ Ⅳ 발생하지 않음 Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅳ
2.2 궤도시설 사고장애 Data Base 통계 분석 철도시스템의 복잡성을 고려해 보면, 사고장애 발생 유형도 다양하게 나타난다. 궤도시설과 관련된 사고장애를 분석하기 위해 교통안전공단 철도안전정보시스템을 활용하여 철도운영기관 전체를 대상으 로 하여 직접적으로 영향을 준 원인으로 분류하면 표 2와 같이 요약할 수 있다. 표 2. 궤도관련 철도사고장애 원인별 분류 구 분 발생원인 발생결과 궤도틀림관련 분기기 주변 역캔트 열차탈선 궤도작업 후 다지기 부족 장비탈선 임시선로의 궤도침하 장비탈선 분기기관련 곡선 선로상에 설치된 분기기의 횡압요인과 열차운행 충격 열차탈선(2회) 선로전환기 크로싱 첨단 레일 수평불량 열차탈선 레일관련 레일온도변화에 따른 용접부 절손 신호장애 장기간 반복적인 충격으로 레일 이음매부 피로누적 신호장애 궤도재료관련 침목노후에 따른 레일 체결력 부족으로 궤간확장 열차탈선 교량침목 교환작업 시 가드레일 미설치 및 다지기 소홀로 횡저항력 부족 레일좌굴 그림 2의 국내 철도운영기관에서 지난 5년간(2007～2011) 발생한 궤도관련 사고를 나타내고 있는데, 사고의 경우(좌), 주로 궤도에서 가장 관리가 필요한 분기기, 궤도틀림과 노후침목에 기인한 사고이다. 특히, 분기기 사고는 동일 개소에 연이어 발생한 것이다. 장애의 경우(우)에는 대부분 레일절손 등 궤 도재료적인 측면에서의 관리미흡, 결함 등으로 발생하고 있었으며, 작업불량 등 다양한 요인에 의해 발 생한 사례가 상당히 있었다. 분기기 침목노후 궤도틀림 0 1 2 3 2009 2010 2011 33 21 1 10 53 22 0 10 20 30 40 50 60 취급 (관리 )부주 의 시설 차량 /시설 /I/ F 시 설장비 결함 기타 외부 요인 기타 그림 2. 궤도시설과 연관된 철도사고장애
2.3 궤도시설 위험도 평가 위험도평가는 발견된 위험원에 대하여 사고발생빈도 및 사고결과의 심각도를 정량적 혹은 정성적으 로 다단계의 상대적 수준으로 나누어 Matrix 형태로 표현한다. 결과적으로 궤도시설의 위험도(Risk)는 사고의 발생빈도와 발생빈도를 조합한 것으로 다음과 같이 표현된다. 위험도 = 사고발생빈도(Frequency) × 사고결과의 심각도(Severity) 2007년에서 2011년까지 발생된 궤도관련 사고장애분석 결과를 토대로 도출한 위험원은 표 2에서 이 미 제시한 바와 같다. 원인분석은 FTA(Fault Tree Analysis), 결과분석은 ETA(Event Tree Analysis) 기법을 이용하였고 사고장애로 인한 손실은 5년간 발생한 실제 손실액 중 최고액을 기준으로 연간발생 건수를 곱하여 나타내었다. 리스크 매트릭스(Risk Matrix)는 영국철도에서 활용하고 있는 Yellow Book 에서 발췌하여 사용하였으며 표 3과 같다.
표 3. Yellow Book에서의 Risk Matrix
Severity of Potential Harm/Loss (심각도)
5 4 3 2 1
Frequency (주기) fatalitiesMultiple (다수사망) Single fatality (사망) Multiple major injuries (다수중상) Major injury (중상) Minor injury (경상) 5 = Daily to monthly 25 20 15 10 5 4 = Monthly to yearly 20 16 12 8 4 3 = 1 to 10 yearly 15 12 9 6 3 2 = 10 to 100 yearly 10 8 6 4 2
1 = Less than 100 yearly 5 4 3 2 1
2.3.5 사고발생 빈도 및 심각도 분석 사고발생 빈도 및 사고결과의 심각도는 앞의 분석결과를 기준으로 Risk Matrix에 적용시켜 위험등급 을 구분하였다. 교통안전공단 철도안전정보시스템에 철도운영기관에서 직접 입력하고 있는 자료를 근 거로 실제로 궤도와 관련되어 발생한 사고장애 대하여 사고발생빈도와 피해정도(사고결과 심각도) 중 최고치를 기준으로 작성해 보았다. 표 4. 궤도시설 사고장애 결과에 따른 위험등급 사고결과 사고발생빈도 (Frequency) 사고결과 심각도 위험등급 궤도틀림 / 탈선 (사고장애) 3 4 12 분기기이상 / 탈선 / 파손 (사고장애) 3 4 12 레일이상 / 탈선 / 파손 (사고장애) 4 4 16 궤도재료이상 / 파손 (장애) 5 2 10
2.4 위험도평가 기반의 궤도시설 안전요구사항 궤도시설을 설치하고 관리할 때 당해 철도시설이 가질 수 있는 위험을 식별하고 그 원인 및 영향 을 분석하여 정량화한 결과를 설계 및 시공 등에 반영함으로써 철도시설의 결함 또는 고장 등으로 인 한 철도사고의 발생가능성을 최소화시키는 과학적인 기법을 적용하여 위험도를 관리할 필요가 있겠지 만 본선 터널 내 및 지하 역시설의 화재, 철도신호설비에 대해서만 일부 적용하고 있는 실정이므로 철 도의 점진적 고속화라는 측면에서 살펴보면, 궤도의 시스템적 고도화를 이끈다는 점에서 위험도평가 혹은 안전성분석이 반드시 필요하므로 궤도시설에 적용시켜 볼 필요가 있다. 기존의 사고장애 사례를 통해 궤도시설에 대한 위험요인은 파악할 수 있으며, 이를 기초로 궤도시설 리스크 감소에 대한 안전 요구기준을 제시할 수 있다. 사고빈도를 줄이기 위한 노력과 심각도를 줄이기 위해 역으로 이에 대한 예방과 보완을 동시에 진행한다면 위험수준을 얼마든지 조정할 수 있다. 표 5는 리스크 감소방안을 조 치하였을 때 발생빈도와 심각도의 단계가 하락하게 되면 위험수준이 개선될 수 있음을 나타내고 있다. 표 5. 리스크 감소에 따른 궤도시설의 위험등급 리스크 감소방안 사고발생빈도 (Frequency) 사고결과 심각도 위험등급 등급개선 정도 궤도틀림관리에 대한 절차서 강화 궤도틀림관리의 전문화, 과학화 궤도틀림관리 교육 우선순위에 따른 궤도틀림보수 궤도틀림 검측데이터 및 선형 관리 2 4 8 4등급 개선 분기기 통합관리 조직 분기기 점검 데이터 더블체크 분기기 점검 데이터의 정확화 분기기관리 교육훈련 강화 2 4 8 4등급 개선 레일의 중량화 레일관리의 과학화 레일관리 전문교육 레일용접 고품질화 3 4 12 4등급 개선 순회 및 수시점검 궤도재료의 지속적 개량 관리방법에 대한 교육 4 2 8 2등급 개선 따라서 궤도시설을 인적․물적․인터페이스적 구성요소의 집합체라고 가정해 볼 때, 복잡한 현상을 단순화시켜 다음과 같은 안전요구사항을 기준으로 리스크 감소방안을 마련할 필요가 있다. (1) 궤도시설에 대한 인적 측면에서는 일반적인 사항 이외에 궤도시설 안전관리에 대한 전문가를 확보 하고 체계적 교육 등의 기준을 의무화시켜 수준을 높이는 노력 (2) 궤도시설에 대한 물적 측면에서는 궤도시설에 대한 지속적 개량과 장비의 현대화, 작업방법의 개량, 궤도시설 유지보수 데이터의 체계적 관리 (3) 궤도시설에 대한 인터페이스 측면에서는 연관성이 있는 분야와의 모호한 관계를 정리하거나, 전문 분야를 신설하고, 관련된 규정, 절차서 등을 현재의 궤도시설관리에 적합하도록 수정
3. 결 론 본 연구에서는 궤도시설에 적용 가능한 위험도 기반의 안전관리 이론과 모델을 조사하고 궤도시설의 위험원에 대하여 위험도평가 기법을 활용하여 전체 철도시스템에 대한 궤도시설의 안전관리 수준과 궤 도와 관련된 철도사고장애를 예방하기 위한 최소한의 안전요구 사항을 제시하였다. 궤도시설 사고유형에 따라 궤도틀림관련, 레일관련, 분기기관련, 궤도재료관련으로 분류하여 위험원을 찾아 위험도를 평가한 결과, 직접적 인명피해를 유발하지는 않았으나, 시설피해, 열차지연 등의 사고결과 를 유발하였고, 사고발생에 대한 빈도와 결과의 심각도는 분기기, 궤도틀림이 가장 높았으며, 장애발생에 대한 빈도는 레일관련이 높게 나타났다. 궤도재료관련은 무시 가능한 수준이었으나, 복합적 요인에 의해 서 다른 요인과 동시에 발생하는 경향을 보였다. 궤도시설에서 위험을 내포하고 있는 요소별 위험성평가를 통해 도출된 궤도시설 안전성 향상에 필요 한 요구사항은 다음과 같다. (1) 궤도틀림관리 안전요구기준 측면에서는 우선순위에 의한 보수와 궤도틀림관리에 대한 절차서 강 화, 궤도틀림관리 전문가 양성, 특히 궤도틀림작업 후 궤도의 원래 상태를 유지하고 있는지에 대한 감독 강화가 필요하다. (2) 레일 안전요구기준 측면에서는 지속적인 레일 중량화, 과학적인 레일관리 및 전문적인 교육, 레 일용접의 고품질 유지 등이 필요하다. (3) 분기기 안전요구기준 측면에서는 분기기는 궤도뿐만 아니라 신호, 전기, 노반 등과 복합적 연관 성이 있으므로 분기기의 전문적이고 실효적인 유지 및 안전관리를 위한 통합관리 방안이 필요하고 유지 관리데이터의 체계적 관리와 정확성을 높이기 위한 노력이 필요하다. (4) 궤도재료(침목, 체결구) 안전요구기준은 수시 및 순회점검을 통한 보수, 궤도재료점검에 적합한 체크리스트 작성 등이 필요하다. 본 연구결과를 바탕으로 궤도시설에서 발생할 수 있는 예상, 발생 가능한 위험원인을 보다 상세하게 나열하고 사고장애에 대하여 객관화하고 정확하게 분석할 수 있는 기반에 대한 연구가 필요하겠다. 참고문헌 1. 장윤석, 최규형 (2008), “위험도 평가 기반의 전철/전력분야 안전확보 방안에 관한 연구”, 한국철도학회 추계학술 대회논문집.
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