시스템 아키텍처 설계 방법론에 기반한 무인운전 경량전철 차량의 화재대응 시나리오 생성에 관한 연구
한 석 윤*·김 주 욱*·김 영 민*
*한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부
A Study on the Fire Response Scenarios Generation of Unmanned Light Rail Transit with Systems Engineering
Architecture Design Methodology
Seok-Youn Han*
·
Joo-Uk Kim*·
Young-min Kim**Korea Railroad Research Instute
Abstract
Modern systems development becomes more and more complicated due to the need on the
ever-increasing capability of the systems. In addition to the complexity issue, safety concern is also increasing since the malfunctions of the systems under development may result in the accidents in both the test and evaluation phase and the operation phase. Light rail transit(LRT) with passenger capacity between bus and subway is driven by an unmanned control, so safety issues of LRT in emergency shall be considered more carefully than other rolling stock. Modern railway system is a complex system and many actions in emergency are required. In this view, interoperability approach is effective to identify the related elements in emergency. In this paper, we propose the method to generate the fire response scenario of unmann ed LRT based on the outputs of systems engineering architecture design methodology. The proposed method is could be contributed to establish more reliable and applicable fire response scenario.
Keywords : Systems Architecture, Complex System, Light Rail Transit, Emergency Scenario, Systems Engineering
1. 서 론
오늘날 과학 기술의 발전에 따라, 철도분야에서도 경 량전철과 같은 무인화 시스템이 등장하였다. 철도 시스 템은 항공체계와 같이, 오랫동안 승객 또는 화물을 옮 기는 수송수단으로 이용되어져 왔다. 하지만, 개발 대 상 시스템의 대형화, 복잡화, 기술의 고도화에 따른 시
스템 운용상 결함이 발생되고 있다. 또한, 시스템 운용 에 관한 제어적 복잡성으로 인해 많은 사고가 유발되 고 있다. 철도차량의 경우 사고가 발생시, 수많은 인･
물적 피해를 초래한다. 이러한, 대상의 시스템을 안전 중시 시스템이라고 한다[1]. 최근 들어 전세계적으로, 원자력, 고속열차, 선박과 같은 대형 시스템을 중심으 로 발생되는 사고로 인해, 안전의 중요성에 대해 다시
†본 연구는 산업통상자원부 플랜트엔지니어링기술개발사업(경량전철시스템 및 운영고도화를 위한 시스템엔지니어링 적용기술 개발)의 연구비지원에 의해 수행되었습니다.
†Corresponding Author : Seok-Youn Han, Tel: 031-460-5701, E-mail: [email protected]
Received January 20, 2015; Revision Received March 13, 2015; Accepted March 13, 2015.
[Figure 1] The study area from the perspective of Design Vee Model
한번 우리 사회에 부각되고 있다. 따라서 고도화된 기 술을 기반으로 무인으로 운용되는 경량전철의 운용 중 발생되는 비상 상황은 유인철도 차량보다 대응에 있어 서 보다 확고히 중요시 되고 있다. 경량전철 시스템 체 계는 차량, 역사, 신호 등 전체 시스템 체계를 구성하 기위해 다양한 하부 체계로 구성되어져 있다. 이러한 관점에서 전체 시스템 체계를 구성하는 하부 구성 시 스템 간에 상호 운용성에 관한 측면은 오늘날 무인 경 량전철 운용에 있어서 핵심적인 요소로 부각되고 있다.
설계적 측면에서 고려되는 상호운용성은 결과적으로 철도차량의 비상대응 매뉴얼을 생성 및 활용하는데 있 어서 중요한 역할을 수행할 수 있는 기초 자료가 될 수 있다. 우리가 쉽게 주변에서 이용하는 도시철도의 경우만 생각해봐도 다양한 노선에서 일정한 시간적 앞･뒤 간격을 두고 운용되는 수많은 열차들로 운행되 어 오는 것을 쉽게 생각할 수 있다. 이러한 차량들이 선로의 교차점이나, 같은 선로 상에서도 수많은 열차들 이 운행되고 있다는 점에서 운용적 특성에서 상호운용 성에 관해 고려되어야 한다는 것을 알 수 있다.
시스템 설계의 단계는 크게 4가지(개념설계, 체계개 발, 양산, 운용) 단계로 나뉜다[3]. 오늘날 시스템 개 발영역의 설계 앞부분에서 주된 역할을 담당하는 시스 템공학은 시스템을 설계 및 개발영역에 개념설계단계 에 포커싱을 두고 있다[4]. 개념설계 단계에서는 이해 당사자의 운용목적, 목표, 요구도를 발전시켜 운용개념 도를 생성하게 된다. 이는 시스템 체계를 구성하는 체 계의 상호 운용성을 식별하고 세부 상호 운용성을 발 전시키는데 중요한 기틀이 된다.
현재의 철도차량 비상대응 매뉴얼은 비상 상황의 유 형별로 화재, 탈선, 충돌 및 추돌, 침수 등 발생할 수 있는 상황에 따라, 관련 책임자로 하여금 지휘체계 및 상황 전파체계를 통해서 대응하고 있다. 지금의 비상상 황 대책안은 거시적 관점에서 바라보면, 다른 상호시스 템으로부터 발생되어 미치는 영향을 식별하기 어렵고 복합적 상황 발생시, 이에 대한 대응책을 수립하기 어 렵다는 점을 발견하게 된다.
시스템의 대형화와 복잡화의 증가로 인해 시스템의 개발, 뿐만 아니라, 운용측면에서도 상호 운용성을 반영 한 다양한 대응이 필요하다는 것을 알 수 있다. 이러한 관점에서 시스템공학은 시스템 개발 및 운용, 유지, 폐 기라는 전 수명주기 적 관점과 시스템을 계층적 관점에 서 바라보고 최근들어 상호운용성 고려한 설계 및 안전 성 확보에 관한 문제를 접근해 해결한다는 점에서 문 제 해결 접근으로 유용한 방법론을 제공할 수 있다.
따라서, 본 연구에서는 시스템 설계 엔지니어 관점에 서 경량전철 차량시스템의 상호 운용성으로부터 발생 할 수 있는 안전성 문제를 고려하였다. 화재대응 시나 리오를 생성하기 위해서 가능한 접근법을 개발하여 상 이한 시스템 체계 및 비상 상황의 복합적 발생 시 대 응 가능하도록 하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 서론에서는 사회 및
연구의 연구동향과 필요성을 제시하였고, 2.에서는 관
련 선행연구 및 연구 목표를 기술하여 문제정의를 언
급하였다. 3.에서는 개발된 화재대응 시나리오 생성과
정에서 발생된 문제를 해결 또는 설계 반영을 위해 필
요한 요소 식별하고 이를 프로세스화 하여 수행 가능
[Figure 2] Research concept of emergency response scenario generation based design area
한 접근법을 제시한다. 4.에서는 3.에서의 제시된 접근 법에 따라 경량전철 체계에 대한 화대대응 시나리오 생성에 따른 적용사례를 제시하여 수행하여 제시된 절차를 검증 및 확립하였다. 마지막, 5.에서는 본 논문 의 결과를 정리 및 요약 하였다.
2. 문제의 정의
2.1 국내 철도안전법의 한계에 따른 경량전철 비상대응의 문제점
철도차량 시스템의 비상상황 대응시나리오는 국토교 통부의 철도 비상대응계획 수립에 관한 지침과 철도 안전법[5]을 바탕으로 생성하게 된다. 하지만, 지금까 지 관련된 지침과 법은 유인운전 철도차량 시스템을 대상으로 생성된 관련 자료이기 때문에, 무인운행에 관 한 지침이 부족한 상황이다. 따라서, 무인으로 운행되 는 경량전철의 경우에는, 보다 확고한 비상 대책안이 필요한 상황이다. 이러한 이유는 화재발생이라는 비상 상황 발생시 사고원인에 따른 중앙제어에 따라 승객 스스로 대처해야하기 때문이다. 이로 인해, 무엇보다도, 승객 스스로 보다 즉각적인 사고파악과 조치가 어려운 상황에 처한 국내 경량전철의 비상 상황시 대응에 대 한 노력을 통해, 승객의 안전이 최우선 적으로 보장 될 수 있어야 할 것이다.
2.2 시스템 아키텍처 산출물을 통한 상호운용 성을 반영한 화재대응 시나리오 개발의 필요성
경량전철 뿐만 아니라, 국내 철도산업 분야에서는 화
재발생이라는 비상 상황시 개별 시스템을 대상으로 화
재대응 시나리오를 생성하게 된다. 국내에서 운용되
고 있는 경량전철은 비상상황에 신속히 대응하기 위해
서 화재, 탈선, 충돌 등의 발생 가능한 비상상황 가정
하에 대응계획을 수립하여 관련 책임자, 대응 프로세
스, 지휘통제체계에 따라 수행하게 된다. 경량전철 화
재대응 시나리오 생성의 근간이 된, 국토교통부 철도
비상상황 수립계획에서는 사고유형, 위치, 대상을 중점
으로 다루고 있다. 특히, 이렇게 사고유형과 대상(시스
템)을 구분하여 상황을 대비하다 보면 복합적인 요소
에 의한 상황발생과 사고 대상시스템과 관련한 다른
대상 시스템과 상호연동성을 판별하기
[Figure 3] Creation procedure of fire response scenario reflected interoperability
[Figure 4] Fire emergency response scenario occurs when creating the required elements and
deliverables
어려워 화재 발생에 따른 대응시 신속한 대응에 있어 서 지연을 초래할 수 있는 상황이 발생할 수 있다.
[Figure 1]과 [Figure 2]의 개념도와 같이, 아키텍처 산출물을 활용한다면 기존의 위기상황 발생시 활용했 던 플로우 차트 등 대응에 있어서 보다 효율적이고 가 시적인 효과를 가져다 줄 수 있을 것이다.
2.3 선행연구의 고찰
본 연구와 관련한 선행연구[6],[7],[8].에서 제시된 공통점은 개별 주체인 대상(시스템)을 바탕으로 발생 할 수 있는 상황을 설정하고 각 상황별로 대응할 수 있는 요구사항을 시나리오에 반영도록 하여 해결하고 자 하였다. 선행연구[6]에서는 다양한 비상 시나리오 생성을 통해 시나리오 기반으로 비상대응 요구사항 별 로 정의된 활동-조치(Activity-Action)로 비상대응절 차를 구축하는 방안을 제시하였으며, 선행연구[7]에서 는 철도사고 발생 시 복구와 사고피해 유형별 데이터 베이스(Data Base)구축을 위한 임시복구유형 표준화 방안을 구축하여 사고유형별 임시복구 시나리오 및 주 체별 행동요령을 포함하는 복구 표준운영 절차서를 마 련하였다. 마지막으로, 본 연구와 유사한 연구 방법론 을 적용한 참고문헌[8]에서는 같은 대상 시스템인 무 인 경량전철 시스템을 대상으로 발생 가능한 비상상 황과 상황별 복구 시나리오를 운영자관점에서 생성하 였다. 위 선행연구를 통해, 국내 철도차량의 비상상황 대책에 있어서 단일 객체를 대상으로 비상유형, 책임, 지휘체계를 통해 대응한다는 점에서 상호 운용성 기반
의 대응이 어렵다는 것을 알 수 있다.
2.4 연구의 목표 및 범위
본 연구의 목적은 시스템 아키텍처 설계 기반의 접 근법과 그 결과물을 바탕으로 경량전철의 비상대응 시 나리오 생성에 있다. 특히, 발생 가능한 여러 비상 상 황 중에 화재발생의 경우를 중점으로 다루었다. 따라 서, 대응 시나리오를 생성하는데 있어서 상호 운용성을 반영한 비상대응 시나리오 생성에 초점이 맞춰져 있다.
시스템 설계 관점에서 상호 운용성을 통한 시스템 체 계의 인터페이스 식별은 개발 초기단계인 개념설계 단 계에서 설계 수행활동을 통해 생성되는 산출물이다. 따 라서, 설계와 운용의 연장선에서 경량전철의 화재발생 시 보다 확대된 상호 운용성 개념을 기반으로 발생 가 능한 본질적 문제를 해결하고자 한다.
3. 시스템 아키텍처 산출물을 활용한 화재 대응 시나리오 생성 방안 구축
3.1 시스템 설계 아키텍처 활동 및 산출물의 분석
시스템 아키텍처 활동은 개발에 관련한 이해당사자로 부터 요건(Needs) 분석을 시작으로 크게 3가지(요구 사항, 기능, 물리적)아키텍처 산출물을 생성하게 된다 [6]. [Figure 5]와 같이, 이해당사자로 하여금 수집된
[Figure 5] The concept generated from the operation of the identified stakeholder Needs
진다. 이러한 과정을 거쳐 식별 또는 생성된 다양한 요 구사항, 기능, 물리적 구성품이 아키텍처 기반의 설계 활동을 통해 식별되고 통합되어 하나의 시스템으로 완 성되어 진다.
3.2 화재대응 시나리오 생성시 필수 반영 요 소 및 시스템 아키텍처 활동의 적용방안
3.1절의 연구 활동을 통해, 시스템 아키텍처 기반의 설계에 대해 전반적으로 설명하였다. 이를 통해서 알 수 있듯이, 설계적 측면과 운용(비상대응) 측면은 분리 된 것이 아니라 연장선에 있다는 것을 알 수 있다. 따 라서, 기존에 생성되는 화재 대응 시나리오는 설계 산 출물인 운용개념 바탕의 시나리오와 설계 아키텍처 산 출물을 활용한다면 보다 상호 보완적인 역할로서 활용 가능할 것이다. 본 연구에서 시스템 아키텍처 활동을 통해, 식별 가능한 요구사항 또는, 기능, 물리적 구성품 간에 인터페이스 식별을 바탕으로 운용자 중심이 아닌 시스템 설계측면에 전체 체계를 중심으로 상호 운용성 식별이 가능해지므로 보다 보완된 화재 대응 시나리오 생성이 가능해 질 것이다.
다음은 이러한 화재대응 시나리오 생성 시 반영 요
5. 체계간 비상 상황시 인터페이스 식별 6. 전체 체계, 비상 상황 간 대응 시나리오 검증
[Figure 7] Train fire response procedures in the city railway operating organization
[Figure 6] An identified LRT System configuration by Operational concepts[9].
3.3 시스템 아키텍처를 통한 화재대응 시나리 오의 개발 절차
화재대응 시나리오를 생성하는데 있어서, 필요한 필 수 요소를 식별하였다. 또한, 식별된 요소가 아키텍처 설계 활동을 통해 반영할 수 있도록 절차를 마련하였 다. 이러한 절차는 아키텍처 설계를 진행하면서 자연스 럽게 식별된 필수사항이 도출 및 산출될 수 있도록 아 키텍처 기반의 화재 대응 시나리오의 생성 방안을 제 시하고자 한다.
4. 시스템 아키텍처 설계 산출물을 반영한 경량전철 화재대응 시나리오 모델 개발
4.1 화재 대응시나리오 생성을 위한 기존 개발절차에 대한 고찰
기존 국내 도시철도차량의 비상 상황 발생시 대응 시나리오 구축현황을 살펴보면 도시철도 운영기관(서 울도시철도공사, 인천교통공사, 서울메트로 등)을 중심 으로 비상 시나리오 대응책을 구축하여 대응하고 있다.
이러한 화재발생 비상상황에 대한 대응은 [Figure 7]
을 통해서 볼 수 있듯이, 일반적으로 철도차량의 비상 상황 발생시, 사고 대상, 사고유형에 따라, 각각의 상황
에 적합한 [Figure 8]과 같이 대응하기 위한 시나리오 를 생성하게 된다. 이러한 대응체계로서는 철도차량 뿐 만 아니라 철도전체 시스템 체계를 구성하는 하부 시 스템 간 관계를 파악하기 어려워 화재라는 급박한 상 황 하에서 효과적이고 체계적인 대응에 한계가 따른다.
4.2 화재 대응시나리오 생성을 위한 필수 반 영요소 분석 및 적용안
[Figure 3]에서 제시되는 Step.1~3의 과정을 통해, 상위수준의 개략적인 경량전철을 구성하는 철도체계의 구성과 상호인터페이스 측면을 고려할 수 있었다. 이러 한 과정을 거쳐서 경량전철 전체 체계를 구성하는 하 부 체계간 인터페이스와 대략적은 체계 구성을 [Figure 6]과 같이 식별하였다. 하지만, 이러한, 상호 인터페이스 식별로는 포괄적인 인터페이스 인지밖에 할 수 없다는 단점을 지니고 있다. 따라서, 본 연구에 서는 경량전철 시스템을 대상으로 운용관점에서 Effbd(Enhanced Function Flow Block Diagram)을 통해 상호 인터페이스 식별 및 입･출력 데이터를 식별 할 수 있었다. 이러한 활동과 산출물을 기반으로 식별 하여 step 4에 해당하는 인터페이스 통제 문서를 완성 할 수 있다. Step 5부터 Step 7은 아키텍처 기반의 설계와 관련된 단계이다.
[Figure 8] Traceability matrix of outcomes based on architecture design
출하고 추출된 요구사항 간의 (수평, 수직)관계를 명확 히 구분하는 과정이 요구사항 아키텍처 단계가 된다.
기능아키텍처 단계는 이러한 생성된 요구사항 분석을 통해, 속성이 기능과 관련된 요구사항을 도출하고 생성 된 요구사항 간의 관계를 명시하는 과정이 된다. 마지 막으로 물리적 아키텍처 단계는 기능 아키텍처 과정을 통해 정의된(관계) 기능을 바탕으로 이를 물리적 구성 품으로 구현 가능하도록 실제 물리적 구성품에 할당하 고 통합하여 실제 전체 시스템이 갖추고 있는 물리적 구성품을 식별하고 구성품 간의 관계를 정의하게 된다.
따라서, 각각의 아키텍처 활동은 추적성을 기반하여 설 계의 연속성을 확보할 수 있다. [Figure 8]를 통해서 알 수 있듯이, 초기 설계 활동인 수집된 이해당사자 Needs로부터 시스템요구사항, 기능, 구성품간 인터페 이스 등의 다양한 정보간의 추적성 확립이 되어 진 것
기반으로 상호 운용성을 반영한 화재대응 시나리오 생 성에 관한 측면을 다루게 된다. 화재 대응 시나리오를 생성하기 위해서, 기존의 시나리오 생성기법과는 다른 설계기반의 방법으로 접근한다. 따라서, 설계 과정에서 식별되는 구성요소 그리고 구성품이 지닌 기능간의 상 호연동성 분석 및 파악이 가능하게 된다. 이러한 방법 을 통해 수행한 아키텍처 기반의 설계결과를 화재대응 비상 시나리오 생성에 접근하기 위해서는 다음과 같은 활동이 필요로 한다. [Figure 9]과 같은 경량전철이 지니고 있는 일반적 운용 시나리오를 시간적 흐름에 따른 거동을 다이어그램으로 바라보면 상호 연동되는 다른 체계간의 연동성을 확인 할 수 있다. 첫째로, EFFBD 다이어그램 기반으로 식별된 운용 시나리오와 상호 운용성 인지를 바탕으로 화재 발생시 대응책 및 연동성 확인을 할 수 있다. 두 번째로, 각각의 운용시
[Figure 9] Control scenarios of Light Rail Transit controller
나리오를 모드(Mode)에 따른 상태(State) 변화를 구 체화 하면서 각 모드별 비상상황이 발생할 경우의 상 호연동성을 분석하여 화재 대응 요구사항이 생성 및 분석된다. 이렇게 생성된 요구사항을 바탕으로 비상 시 나리오를 생성하게 된다. 이러한 과정을 거쳐 Step 8~10의 수행이 완료하면서 화재 발생시 대응 시나리 오 생성을 완료하게 된다. 생성된 화재대응 시나리오는 아키텍처 기반의 설계 파생자료인 요구사항, 기능, 물 리적 구성품, 그리고 EFFBD를 활용한 비상 시나리오 기반의 상호 운용성 확인을 통해 비상 시나리오 생성 에 관한 검증 과정을 거치게 된다. 이러한 Step 10~11의 과정을 거쳐 최종적으로 Step 12에서 제시 되는 아키텍처 기반의 설계 산출물 활용을 통해 상호 운용성을 반영한 경량전철 차량의 화재대응 시나리오 를 생성이 완료되게 된다.
4.3 아키텍처 설계 산출물의 특성을 반영한 시나리오 생성 절차 구축
3장에서 수행한 연구를 통해, 아키텍처 설계 관점에 서 식별된 화재대응 시나리오 생성에 필수적인 요소를 도출하였다. 도출된 요소를 아키텍처 기반의 설계를 통 해, 반영될 수 있도록 아키텍처 기반 설계의 각 단계별 특성을 분석하고 그 설계의 시나리오 생성에 필요한 요 소를 식별하였다. 따라서 이러한 식별된 요소들이 아키 텍처 기반의 설계를 통해 생성될 수 있도록 4.2의 적용 안을 바탕으로 아키텍처의 단계별 특성을 정의하여 시 나리오 생성에 필요한 필수요소와 맵핑 과정을 통해 연 계성을 제시하였다. [Figure 3]은 이러한 식별된 필수 요소를 반영하기 위한 아키텍처 기반의 설계 과정을 반 영한 총 12단계의 절차를 구축하여 제시하였다.
[Figure 10] Traceability establishment of architecture design deliverables
본 연구접근에 따른 연구결과의 검증과정을 수행하 였다. 이를 위해서 국내 경량 전철 차량 시스템에 대한 화재 발생에 따른 대응 시나리오 생성에 있어서, 시스 템 설계 아키텍처 접근법에 따른 설계 데이터를 활용 하여 상호운용성이 반영된 비상 대응책 시나리오를 생 성하였다. 따라서, 차량과 상호 연동성을 갖는 다른 시 스템에 대해서 범위를 한정하여 본 연구에서 제시하는 방법론이 타당성을 갖는지에 대한 검증을 수행하였다.
5.2 검증수행 방법
본 논문에서 제시하는 아키텍처 설계기법 기반의 생 성된 산출물과 본 연구에서 활용한 이해당사자 Needs, 운용개념도, 개념서를 바탕으로 식별된 상호운용성이 모델링 기법을 통해 구현되고 분석하여 오류 없이 진행 이 가능한 화재 대응 시나리오 인지에 대한 분석하였다.
이러한 분석은 도시철도 9호선의 차량 화재발생 비상대 응 매뉴얼과 비교분석을 통한 과정을 거쳐 수행하였다.
5.3 검증결과 분석 및 고찰
