KR20110070242A - 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산 방법 - Google Patents

시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산 방법 Download PDF

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박기준
정종덕
한석윤
안태기
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Abstract

이 발명은, 해석해를 구하기 어려운 복합 구조인 철도차량의 신뢰도를 효과적으로 계산하기 위하여 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 어느 시간에 대한 신뢰도 기반의 기기상태를 판별한 후 신뢰성 블록 다이어그램(RBD, Reliability Block Diagram)의 전체 연결경로를 전개하여 신뢰도를 계산하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산 방법에 관한 것으로서,
철도차량의 시스템과 하위 부품(서브시스템)의 신뢰도 관계를 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)으로 구성하는 단계와, 인접행렬을 이용하여 구성된 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)을 행렬로 표현하는 단계와, 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 모든 경로로 구성되는 행렬인 신뢰도 경로 행렬을 전개하는 단계와, 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 시스템을 구성하는 모든 하위 부품(서브시스템)에 대하여 그 순간의 각 하위 부품(서브시스템)들의 고장여부를 나타내는 행렬인 고장 판정 행렬화 하는 단계와, 시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도를 계산 단계를 포함하여 이루어진다.
신뢰성 블록 다이어그램, 몬테카를로 시뮬레이션, 인접행렬, 철도차량

Description

시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산 방법{Method of reliability calculation based on simulation for a railway vehicle}
이 발명은 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산방법에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 해석해를 구하기 어려운 복합 구조인 철도차량의 신뢰도를 효과적으로 계산하기 위하여 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 어느 시간에 대한 신뢰도 기반의 기기상태를 판별한 후 신뢰성 블록 다이어그램(RBD, Reliability Block Diagram)의 전체 연결경로를 전개하여 신뢰도를 계산하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산 방법에 관한 것이다.
신뢰성에 관한 전통적인 정의는 개념적으로는 “시스템이 주어진 사용조건 아래에서 의도된 임무기간 동안 고장의 발생이 없이 고유의 기능을 성공적으로 수행할 수 있는 능력 또는 성질”을 의미하며, 이와 같은 신뢰성의 정도를 확률적으로 나타낸 것이 신뢰도이다.
신뢰성을 연구하는 신뢰성 공학은, 최근 들어 시스템이나 장치에 부과되었던 임무가 질적으로 고도화하여, 인간 활동에 밀착하고 있는 일과 양적으로 복합화하고, 관련된 부분의 어떤 것의 고장으로 전체가 정지하는 일이 증대되었기 때문에 더욱 중요한 개념으로서 주목받고 있다.
현재 신뢰성 공학에서는 일반적으로 진단 시스템을 통해 예측할 수 없는 우발 고장의 확률을 예측하는 신뢰성에 대한 연구가 부각되고 있다.
한편, 철도차량은 높은 신뢰도를 요구하는 시스템임에도 불구하고, 해석해를 구하기 어려운 복합구조 시스템이기 때문에 수학적 계산방법을 이용하여 전체 시스템의 신뢰도를 계산하는 것에 대하여 어려움이 있다. 신뢰도 계산이 이루어지지 않으면 RCM(Reliability Centered Maintenance) 최적 정비 주기의 도출과 리던던시(Redundancy) 설계를 하기가 곤란한 문제점이 있다.
이에 따라 RCM(Reliability Centered Maintenance) 최적 정비 주기의 도출과 리던던시(Redundancy) 설계 시 근간이 되는 복합구조 시스템의 신뢰도 계산방법에 대한 개발의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 기술적 과제에 부응하기 위한 것으로서, 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 해석해를 구하기 어려운 복합 구조 시스템인 철도차량의 신뢰도를 효과적으로 계산하기 위한, 철도차량의 신뢰도 계산방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, RCM(Reliability Centered Maintenance) 최적 정비 주기의 도출과 리던던시(Redundancy) 설계를 용이하게 할 수 있도록 하는, 철도차량의 신뢰도 계산방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 철도차량의 시스템과 하위 부품(서브시스템)의 신뢰도 관계를 신뢰성 블록 다이어그램(RBD, Reliability Block Diagram)으로 구성하는 단계와, 인접행렬을 이용하여 구성된 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)을 행렬로 표현하는 단계와, 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 모든 경로로 구성되는 행렬인 신뢰도 경로 행렬을 전개하는 단계와, 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 시스템을 구성하는 모든 하위 부품(서브시스템)에 대하여 그 순간의 각 하위 부품(서브시스템)들의 고장여부를 나타내는 행렬인 고장 판정 행렬화 하는 단계와, 시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도를 계산 단계를 포함하여 이루어진다.
이 발명의 구성은, 인접행렬을 이용하여 구성된 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 행렬화의 각 노드들은 기본적으로 ‘1’과 ‘0’의 값 중 하나를 갖으며, 각 노드가 직접 연결되어 있으면 ‘1’, 직접 연결되어 있지 않으면 ‘0’으로 정의되면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 신뢰도 경로 행렬은 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)상에서 이니셜 노드(Initial node)에서 엔드 노드(End node)까지의 경로가 하나이상 존재한다면 시스템을 정상으로 판정하고, 하나라도 존재하지 않는다면 시스템은 고장으로 판정하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용한 고장 판정 행렬은 하위 부품(서브시스템)에 대하여 0~1사이의 난수를 발생시켰을 때 발생된 난수가 특정 서브시스템의 신뢰도 값보다 작은 경우 서브시스템은 정상으로 판정하고 서브시스템의 신뢰도 값보다 클 경우 시스템은 고장으로 판정하며, 정상일 경우 1, 고장일 경우 0으로 나타내어 행렬화 하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도 계산은 고장 판정 행렬에 의해 표현된 서브시스템들의 상태가 하나의 신뢰도 경로 행렬의 여러 경로들 중에서 하나라도 만족하면 전체 시스템은 정상이고 신뢰도 경로 행렬의 여러 경로들 중에서 하나도 만족하지 못할 경우 시스템은 고장으로 판정되면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도 계산 단계에서는 매 시간마다 발생시킨 고장 판정 행렬의 수가 n개이고, n개의 고장 판정 행렬 중 시스템이 정상일 때의 고장 판정 행렬의 수를 a개라고 하면 그 시간에서의 신뢰도 값은 a/n으로 추정하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬에 대하여 만족 여부 판정은 신뢰도 경로 행렬상의 모든 성분 노드들의 모든 논리곱이 1인 경우로 하면 바람직하다.
이 발명은, 해석해를 구하기 어려운 복합 구조인 철도차량의 신뢰도를 효과적으로 계산하기 위하여 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 어느 시간에 대한 신뢰도 기반의 기기상태를 판별한 후 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 전체 연결경로를 전개하여 신뢰도를 계산할 수 있으며, RCM(Reliability Centered Maintenance) 최적 정비 주기의 도출과 리던던시(Redundancy) 설계를 용이하게 할 수 있도록 하는, 효과를 갖는다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량 신뢰도 계산방법의 전체 흐름도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량 신뢰도 계산방법의 구성은, 철도차량의 시스템과 하위 부품(서브시스템)의 신뢰도 관계를 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)으로 구성하는 단계(S110)와, 인접행렬을 이용하여 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)을 행렬로 표현하는 단계(S120)와, 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 모든 경로로 구성되는 행렬인 신뢰 도 경로 행렬을 전개하는 단계(S130)와, 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 시스템을 구성하는 모든 하위 부품(서브시스템)에 대하여 그 순간의 각 하위 부품(서브시스템)들의 고장여부를 나타내는 행렬인 고장 판정 행렬화하는 단계(S140)와, 시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도 계산 단계(S150)를 포함하여 이루어진다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량 신뢰도 계산방법은 컴퓨터에 의해서 수행되며, 그 작용은 다음과 같다.
먼저, 시스템의 신뢰성 블록 다이어그램(RBD) 구성단계(S110)에서는 철도차량의 시스템과 하위 부품(서브시스템)의 신뢰도 관계를 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)으로 구성한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 신뢰도 관계를 도시한 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 구성도이다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 신뢰도 관계를 도시한 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 구성은, 이니셜 노드(Initial node)(220)와 엔드 노드(End node)(230)의 사이에 총 5개의 서브시스템(211, 212, 213, 214, 215)이 직렬구조와 병렬구조가 혼합되어 있는 복합구조 시스템으로 이루어진다.
다음에, 인접행렬을 이용한 신뢰성 블록 다이어그램(RBD) 행렬화 단계(S120)에서는 도 2의 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 구성을 인접행렬을 이용하여 행렬화한다. 상기한 인접행렬이란 공간과 공간의 연결 관계를 직접적으로 나타내는 방법으로서, 이 행렬의 성분은 기본적으로 ‘0’과 ‘1’의 값 중 하나를 갖는다. 이 와 같은 인접행렬을 이용하여 도 2의 신뢰성 블록 다이어그램(RBD) 구성을 행렬화할 경우를 도 3에 나타내었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인접행렬을 이용하여 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)을 행렬화한 신뢰성 블록 다이어그램(RBD) 행렬 구성도이다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 이후의 신뢰도 경로 행렬의 전개를 위하여 시작노드(310)와 종료노드(320)를 지정하여야 하며, 도 2의 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)은 총 5개의 서브시스템(211, 212, 213, 214, 215)으로 구성되어 있으므로 각각의 서브시스템(211, 212, 213, 214, 215)은 1에서 5까지의 인덱스를 각각 부여받고, 이니셜 노드(220)는 0(330)의 인덱스를 부여받고, 엔드노드(230)는 6(340)의 인덱스를 부여받아 인접행렬로 나타낼 수 있다.
다음에, 신뢰도 경로 행렬 전개 단계(S130)에서는 어떠한 시스템의 신뢰도 관계를 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)으로 구성하였을 때 시스템이 정상으로 작동할 수 있는 경로를 나타낸다. 도 2를 예로 들어 본다면 이니셜 노드(220)에서 엔드 노드(230)까지를 연결할 수 있는 경로로서 이러한 경로가 하나이상 존재한다면 시스템을 정상으로 판정할 수 있다. 만약 경로가 하나라도 존재하지 않는다면 시스템은 고장으로 판정할 수 있다. 도 2의 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)을 신뢰도 경로 행렬로 전개하여 도 4에 도시하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템이 정상으로 작동할 수 있는 경로를 전개하여 행렬화한 신뢰도 경로 행렬 전개 구성도이다. 도 4에 도시되어 있는 인덱스 0(410)은 도 2의 이니셜 노드(220)를 나타내고, 인덱스 6(420)은 도 2의 엔 드 노드(230)를 나타낸다.
다음에, 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용한 고장판정 행렬화 단계(S140)에서는, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 0~1 사이의 난수를 균등 분포로 발생시켜서, 상기한 난수가 서브시스템 1(510) 및 서브시스템 2(520)의 신뢰도 값보다 작은 값이면 서브시스템 1(510) 및 서브시스템 2(520)를 정상으로 판정하고, 상기한 난수가 서브시스템 1(510) 및 서브시스템 2(520)의 신뢰도 값보다 큰 값이면 서브시스템 1(510) 및 서브시스템 2(520)을 고장이라고 판정하여 행렬을 생성한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬의 행 성분들 중 만족하는 것이 있는 시스템 정상을 도시한 참고도이다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 이니셜 노드(530)와 엔드 노드(540)는 항상 작동하는 것으로 가정하여 1의 값을 할당한다. 그리고, 도 5와 같이 서브시스템 2(520)의 신뢰도 값이 난수보다 큰 값이라면 서브시스템 2(520)는 정상으로 판정되고, 고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬의 행 성분들 중 만족하는 것(550)이 있으므로 도 5의 시스템은 정상이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬의 행 성분들 중 하나도 만족하지 못하는 시스템 고장을 도시한 참고도이다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 이니셜 노드(530)와 엔드 노드(540)는 항상 작동하는 것으로 가정하여 1의 값을 할당한다. 그리고, 도 6과 같이 고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬의 행 성분들 중 모두 만족하지 못하면 도 6의 시스템은 고장이다.
이와 같이 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 난수를 발생시켜 고장 판 정 행렬을 정의하고 고장 판정 행렬에 의해 표현된 서브시스템들의 상태가 하나의 신뢰도 경로 행렬의 여러 경로들 중에서 하나라도 만족하면 전체 시스템은 정상이고, 신뢰도 경로 행렬의 여러 경로들 중에서 모두 만족하지 못하면 시스템은 고장으로 판정된다. 고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬에 대하여 만족 여부 판정은 신뢰도 경로 행렬상의 모든 성분 노드들의 모든 논리곱이 1인 경우이다.
다음에, 시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도 계산 단계(S150)에서는 매 시간마다 발생시킨 고장 판정 행렬의 수가 n개이고, n개의 고장 판정 행렬 중 시스템이 정상일 때의 고장 판정 행렬의 수를 a개라고 하면 그 시간에서의 신뢰도 값은 a/n으로 추정한다.
이상에서와 같이 신뢰도 경로 행렬 전개 방식기반의 몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하면 철도차량의 어떠한 시스템에 대해서도 서브시스템의 신뢰도를 알 때 전체시스템의 신뢰도를 계산할 수 있다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량 신뢰도 계산방법의 전체 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 신뢰도 관계를 도시한 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인접행렬을 이용하여 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)를 행렬화한 신뢰성 블록 다이어그램(RBD) 행렬 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템이 정상으로 작동할 수 있는 경로를 전개하여 행렬화한 신뢰도 경로 행렬 전개 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬의 행 성분들 중 만족하는 것이 있는 시스템 정상을 도시한 참고도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬의 행 성분들 중 하나도 만족하지 못하는 시스템 고장을 도시한 참고도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
211, 212, 213, 214, 215 : 서브시스템 220 : 이니셜 노드
230 : 엔드 노드 310 : 시작노드
320 : 종료노드

Claims (7)

  1. 철도차량의 시스템과 하위 부품(서브시스템)의 신뢰도 관계를 신뢰성 블록 다이어그램(RBD: Reliability Block Diagram)으로 구성하는 단계;
    공간과 공간의 연결 관계를 직접적으로 나타내는 인접행렬을 이용하여 구성된 RBD를 행렬로 표현하는 단계;
    신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 모든 경로로 구성되는 행렬인 신뢰도 경로 행렬을 전개하는 단계;
    몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용하여 시스템을 구성하는 모든 하위 부품(서브시스템)에 대한 고장여부를 나타내는 고장 판정 행렬화 단계; 및
    하위 부품(서브시스템)에 대한 고장여부를 통하여 시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도 계산 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    인접행렬을 이용하여 구성된 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)의 행렬화의 각 노드들은 기본적으로 ‘1’과 ‘0’의 값 중 하나를 갖으며, 각 노드가 직접 연결되어 있으면 ‘1’, 직접 연결되어 있지 않으면 ‘0’으로 정의되는 것을 특징으로 하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    신뢰도 경로 행렬은 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)상에서 이니셜 노드(Initial node)에서 엔드 노드(End node)까지의 경로가 하나이상 존재한다면 시스템을 정상으로 판정하고, 하나라도 존재하지 않는다면 시스템은 고장으로 판정하는 것을 특징으로 하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    몬테카를로 시뮬레이션 기법을 이용한 고장 판정 행렬은 하위 부품(서브시스템)에 대하여 0~1사이의 난수를 발생시켰을 때 발생된 난수가 특정 서브시스템의 신뢰도 값보다 작은 경우 서브시스템은 정상으로 판정하고 서브시스템의 신뢰도 값보다 클 경우 시스템은 고장으로 판정하며, 정상일 경우 1, 고장일 경우 0으로 나타내어 행렬화 하는 것을 특징으로 하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도 계산은 고장 판정 행렬에 의해 표현된 서브시스템들의 상태가 하나의 신뢰도 경로 행렬의 여러 경로들 중에서 하나라도 만족하면 전체 시스템은 정상이고 신뢰도 경로 행렬의 여러 경로들 중에서 하나도 만족하지 못할 경우 시스템은 고장으로 판정되는 것을 특징으로 하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    시스템 작동 판정을 통한 시스템 신뢰도 계산에서는 매 시간마다 발생시킨 고장 판정 행렬의 수가 n개이고, n개의 고장 판정 행렬 중 시스템이 정상일 때의 고장 판정 행렬의 수를 a개라고 하면 그 시간에서의 신뢰도 값은 a/n으로 추정하는 것을 특징으로 하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    고장 판정 행렬이 신뢰도 경로 행렬에 대하여 만족 여부 판정은 신뢰도 경로 행렬상의 모든 성분 노드들의 모든 논리곱이 1인 경우를 특징으로 하는, 시뮬레이션 기법을 이용한 철도차량의 신뢰도 계산방법.
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