R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C129828-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 안전·신뢰성 기반 고장 예지 건전성 관리기술(PHM)을 활용한 국도상 TCS 유지관리 기반 기술 연구 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-01 ~ 2018-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 장중순 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
8명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 220,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 370,000,000 원 |
|||
| 연구기관명 | 아주대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
1) 안전ㆍ신뢰성 기반 고장 예지 건전성 관리기술(PHM)을 활용한 국도상 TCS유지관리 기반기술연구의 필요성 ○ 국도상 TCS 운영 대상범위가 국도·지방도 상에서 운영되는 국도용 신호제어기어서 일몰시간 이후부터 다음 날 일출 때까지 대부분 인적이 한산한 곳에서 신호등 단독 또는 연동작동을 하고 있으나, 정상작동 하고 있는지를 실시간 모니터링(Real time Monitoring) 할 수 없는 상황이어서 임시적 고장 내지는 사용 중 랜덤(Random)고장 발생으로 인한 점멸ㆍ섬광신호(Flashing-Light Signal)로 절체 작동하던지 아니면 신호등이 꺼진(무신호)상태로 발생하고 있어 안전 위험에 노출되어 있는 상태임. - 이번 신청기술의 국도상 TCS의 유지보수 전략은 상태기반 정비기술(CBM: Condition-Based Maintenance)의 구체화를 실현하고자 함. 이는 실시간 상태 모니터링(Real tme Status Monitoring), 빅데이터(Big Data) 처리 및 정비 시기 및 범위 결정의 기술로 구분할 수 있음. - 사물인터넷(IoT: Internet of Things)을 통해 해당 국도상에 설치되어 운영 중인 TCS의 상태를 실시간으로 모니터링 하여 신호 처리, 기계학습, 통계분석 등의 빅데이터 처리기법을 통해 적절한 건전성 지표(Health Index)를 확보한 뒤 고장예지(Prognostics) 기법을 활용하여 잔여유효수명(RUL: Remaining Useful Life)을 예측하고 최적의 정비 주기와 범위를 결정하는 기술이 절실히 필요함. - 이는 운영자로 하여금 전반적인 건전성 관리(Health Management)를 할 수 있도록 제공을 함. 따라서 국도상 운영 중에 있는 TCS의 고장예지 및 건전성관리 기술(PHM: Prognostics and Health Management)개발 필요한 건전성 데이터(health index data)를 취득하여 안전ㆍ신뢰성 있는 잔여유효수명의 예측과 최적의 정비 주기 및 범위(KM: Knowledge Matrix)를 구축하는 기술을 절실히 필요함. 2) 재난 유발가능성 ○ 교차로 및 국도상 횡단보도 사고 현황 - 우리나라 총 인적재난 중, 도로교통사고가 81.5%(사망자)∼97.9%(부상자)를 차지함. 여타 재난 사상자의 약 4.4배(사망자)∼ 48배(부상자)에 이르고 있음. - 비용은 연간 11조 7,774억원으로 GDP의 1.1%, 국가예산의 5.8% 수준이며, 자동차 1만대 당 사망자 수는 2.6명으로 OECD 평균 1.3명에 비해 200%로 매우 높음. 3) 국도상 TCS 개발 및 운영현황 (1) 개발현황 ○ 개발 회사 - 국도상TCS 생산기업은 수십여개 이상의 기업이 전국에 분포되어 공급을 하고 있으나, 시장을 주도하고 있는 업체는 2~3개임. - 시장주도 업체가 일부샘플 제품으로 인정시험을 실시한 후 전국 각 지역에서 공사를 대행하는 업체가 현지에 설치 공급하고 있는 실정임. (2) 운영현황 ○ 유지보수 - TCS 에 대한 유지보수는 권역별로 지정된 소수의 업체에서 실시하고 있음. - 점검 지침에 검사 기준과 점검 서식을 상세하게 제공하여 유지보수 실시하고 있으나 점검 서식의 관리에 대한 내용이 존재하지 않음. 4) 문제점 (1) 검수규격 ○ 우리나라 국도상 TCS 규격은 신뢰성 측면에서는 선진국 규격의 약 60% 수준에 있음. ○ 신호운영 알고리즘에서 안전·신뢰성 확보에 중요한 모순검지기능은 미국규격이나 유럽규격의 경우 물리레벨의 전위(Voltage Potential)레벨 값을 기준으로 정한 규격을 적용함. 그러나 국내 규격의 경우에는 이 부분이 없으며 모순검지기능 방식에 차이가 있음. (2) 유지보수 ○ 고장 보고, 분석 및 고장 수리 체계(FRACAS) - FRACAS(Failure Reporting, Analysis Corrective Action System)는 유지보수체계를 포함하여 안전·신뢰성 향상을 위해서는 도입을 하는 것이 필수적이나, 우리나라에서는 실시하지 않고 있음. ○ ERROR CODE - 유럽의 경우 TCS의 문제 발생 시 ERROR CODE를 확인하여 문제 발생의 원인을 쉽게 파악하고 대처할 수 있도록 함. 하지만 우리나라의 경우 오류코드 체계가 없어 문제가 발생하였을 경우 원인을 파악하는데 어려움이 있음. (3) 국도상 TCS의 실질적인 내구연한 ○ 국도상 TCS는 컴퓨팅 기술 및 정보통신기술로 구성되어 있으며, 개발단계에서 요구되는 내구연한은 최소 10년임. - 국도상 TCS 평균 사용기간은 약 8.4년으로 요구 내구연한에 16%부족한 수준임. 이에 비하여 선진국의 경우는 요구내구연한은 유럽의 경우 15년임. 5) 향후 기대효과 ○ 수출 - 국도상 TCS 는 SOC 인프라 공공시설물로서 고장 발생 시 막대한 피해를 야기할 수 있으나, 그동안 지적 되지 않았음. 따라서 국도상 TCS 의 안전과 신뢰성을 향상시키는 연구는 반드시 필요함. - 국도상 TCS 의 신뢰성이 보증될 경우 약 100조원대로 추산되는 유럽, 미주 등의 수 [최종목표] ○ 국도상 TSC의 내구연한 향상 - 현장에서 운영하고자하는 교차로에 최초로 신제품을 설치하여 운영을 시작한 시점에서 수명을 다하여 교체가 되는 시기까지의 사용 기간을 늘리고 또한 MTBF를 증가시켜 국도상 TSC의 신뢰성을 높임. - 부품 단위로 현재 설계상에서 실제 사용 환경 조건(온도, 습도 등)에 견디는 것에 적절한지 분석 후 부품 개선을 통해 국도상 TSC의 신뢰성을 높이는 것을 목표로 함. ○ 국도상 TSC의 유지관리체계 개선 - 고장 및 수리 이력을 수집하여 데이터베이스화하는 S/W를 기반으로 포터블 TSC 현장 신뢰성 평가 장치를 이용하여 현장에서 사용 중인 국도상 TSC의 신뢰성을 평가 - 오류 및 고장을 코드 화하여 유지관리하는 SOC 유지관리기술을 기반으로 국도상 TSC의 유지관리체계를 개선하여 MTBF를 증가시킬 수 있도록 관리. - 발생한 고장을 보고하고 고장을 분석하고 필요한 수리 작업 및 사후조치 등을 데이터베이스화하며 데이터베이스상의 국도상 TSC의 고장의 유발 원인 및 고장 수리 방법을 이용하여 향후에 다루어질 업무들과 연계시키는 FRACAS를 구축. ○ 국내 국도상 TSC 표준규격 개선 - 현재 국내의 국도상 TSC 표준규격은 유럽·미국·일본 등의 선진국에서 사용하고 있는 표준 규격에 비하여 신뢰성 수준의 60%밖에 되지 않으며 이는 국내의 국도상 TSC의 내구연한이 해외에 비해 짧은 기간을 가지는 원인임. - 국내에서 사용하고 있는 표준 규격은 존재하고 있으나 이 마저도 제품의 개발 설계 단계에서 신뢰성 설계는 적용하지 않고 있으며 신뢰성 예측을 통한 내구연한 산출 적용을 하지 않고 공인기관에서 샘플수량 일부만을 시험을 하여 통과하면 공급 납품 수량 전체 물량이 적합으로 판정하는 규정 및 제도를 시행하고 있기에 문제점이 많은 실태. [연구내용 및 범위] ※ 안전성·신뢰성 선행연구 및 사례조사 ● TSC 안전성·신뢰성 기존 연구조사 ● EMC관련 안전성·신뢰성 기존 연구 조사 ● 모순 검지 관련 안전성·신뢰성 기존 연구 및 국내 실태 조사 ● 유지보수체계 관련 기존 연구 및 국내 실태 조사 ● TSC 표준규격 기존 연구 조사 ● RAMS 선행 기존 연구 조사 ※ 신뢰성 평가의 예측 범위 설정 ● 실제 사용 환경조건 예측 범위 설정 ● EMC평가 관련 예측 범위(전압 전위, 전류 등) 설정 ● 모순 검지 평가 범위 설정(시나리오) ※ 데이터 조사 및 분석 ● TSC의 설계도 및 BOM 수집 및 분석 ● EMC관련 부품(낙뢰피해보호기, 서지보호기) 설계도 수집 및 분석 ● 관리주체 및 업체의 장비/장치 별 유지보수처리 데이터 조사 ● 시스템 장치의 모순 검지 규격 및 알고리듬 분석 ● 해외 TSC 표준규격 조사 ※분석/평가 예측 방법 조사 ● FMEA, FMECA, FTA 등의 에측 방법 조사 ● EMC 공인시험기관 평가방법 조사 ● 신뢰성 기반의 유지보수관리체계(H/W, S/W, 알고리듬, 운영규정 등)에 대한 해외 사례 조사 ● 다른 유사 분야의 RAMS 적용 절차 조사 ※포터블 TSC 현장 신뢰성 평가 장치(H/W 및 S/W) 기능 요구사항 결정 ● 포터블 TSC 현장 신뢰성 평가 장치의 기능 요구사항 조사 및 결정 ● 오류 코드 유지관리 기술 조사 및 결정 ※ 예측 및 평가 ● 신뢰성 예측 규격(MIL-HDBK-217F 등)을 이용하여 TSC 신뢰성 예측 ● 평가방법에 따라 서지, 필터 규격 기준 준거한 EMC 평가 ※ 설계 기준 평가 ● 국내 규격과 해외 표준 규격 비교 및 국내 규격의 적합성 평가 ● RBD 이용한 신뢰도 평가 ● 부하 산정 평가 ● 고장메커니즘 설계 적용 평가 ● 페일 세이프 설계 적용 평가 ● 인간공학적 설계 적용 평가 ● EMC를 고려하여 설계가 되었는지 평가 ● 모순 검지 신뢰성을 고려한 설계가 되었는지 평가 ※ 부품 적합성 평가 ● 부품 별 환경 및 전기적 특성 적합성 파악 ● 각 부품의 성능이 제품에 적절한지 평가 ● EMC 부품의 전자 환경에 대한 적합성 파악 ※ 유지보수관리운영체계 개선 방안 도출 ● 유지보수관리체계 국내 실태와 문제점을 개선할 수 있는 방안 연구(코드 설정 등) 및 개선 방안 도출 ● 해외와 국내의 환경조건 및 제품 고장메커니즘 등을 비교 평가 ● 국내에 어울리는 환경 적합성 및 FRACAS 적용 방안 도출로 개선방안 설정 ※ RAMS 적용방안 ● RAMS 적용 장비/장치 범위 설정(신뢰도 평가를 통한 취약하거나 관리가 필요하다고 판단되는) ● 유사 분야의 RAMS 적용방법을 기반으로 RAMS 적용방법 설정 ● RAMS 시스템 국제 인증 절차 분석 ● 복합적 환경인자 특성 적용 적합성 평가 ※ 포터블 TSC 현장 신뢰성 평가 장치(H/W 및 S/W) 시제품 제작 ● TSC 고장 및 수리 이력을 가지고 있는 데이터베이스 S/W 제작 ● SOC 유지보수관리체계 S/W 제작 ● 데이터베이스 S/W를 기반으로 한 H/W 평가 장치 제작 ※ 설계기준 가이드 설정 ● TSC 신뢰성 설계기준 가이드 제시 ● 환경 별 EMC 관련 부품 적정교체시기 가이드 제시 ● 유지보수결과데이터 시정조치 가이드 제시 ● 모순 검지 신뢰성 설계기준 가이드 제시 ● RAMS 설계기준 가이드 제시 ※ 규격 기준 내용 제시 ● TSC 신뢰성 규격의 기준 내용 제시 ● EMC 신뢰성 규격 기준 내용 제시 ● 모순 검지 신뢰성 규격의 기준 내용 제시 ※ 현장 TSC 대상 내구 연한 평가 ● TSC 현장 내구연한 데이터 수집 및 내구연한 평가 ● EMC 관련 부품 현장 내구연한 데이터 수집 및 내구연한 평가 ● 포터블 TSC 현장 신뢰성 평가 장치를 이용한 신뢰성 내구 연한 평가 ● 내구 연한 연계 RAMS 적용 방안 제시 ※ 유지보수관리운영체계 개선 ● 고장코드설정(일반, 중요 고장 코드 분류) ● FRACAS 적용하여 개선 ※ 예측 및 평가 보고서 ● 해외 표준규격 평가 결과 보고서 ● EMC 평가 결과 보고서 ● 유지보수관리운영체계 개선 평가 결과 보고서 ● 모순 검지 평가 결과 보고서 ● 포터블 TSC 현장 신뢰성 평가 장치 이용 신뢰성 평가 결과 보고서 ● RAMS 도입 적용 방안 보고서 |
|||||
| 색인어 | 한글 | 국도상TCS | 고장예지 및 건전성 관리 기반 기술 | 내구연한 | 보전성, 가동성, 안전·신뢰성 기반기술 | 공공시설물 유지관리기반기술 |
| 영문 | Traffic Signal Control System (TCS) | Prognostics & Health Management (PHM) | Mean Time Between Failure (MTBF) | Reliability, Availability, Maintainability, Safety (RAMS) | Failure Reporting, Analysis Corrective Action System (FRACAS) | |
| 최종보고서 | 최종보고서(아주대_장중순_PHM).pdf | |||||