2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S172

해중고속철도시스템 개발을 위한 시스템엔지니어링 프로세스 적용

Application of Systems Engineering Process for Development of Submerged Floating

High Speed Railway System

서승일*†, 사공명*, 이진호*

Sung-il Seo*†, Myung Sagong*, Jin-ho Lee*,

Abstract Submerged floating high speed railway is a long distant transportation system that integrates track, rolling stock, electric power supply, signaling, station and safety facilities to the floating structure. It is an innovative system that has no experience of construction and operation. Since it is used in extremely severe environment condition, safety and reliability must be made secure. From the concept design stage, overall management for the whole process of design, construction and operation is needed. In this study, a development method for novel submerged floating high speed railway system based on effective systems engineering process is proposed. Among the system life cycle, design process is specially selected for target research so that main tasks can be defined. Systems engineering technologies can contribute to successful development of this innovative complex transportation system. Keywords : Design process, High speed railway, Life cycle, Submerged floating structure, Systems engineering

초 록 해중고속철도는 부유식 해중구조물과 궤도, 차량, 전력, 신호∙통신, 역사, 안전 설비 등이 종합된 장거리 교통수단으로서 세계적으로 건설 및 운영 사례가 없는 새로운 시스템이다. 극한 환경에서 운행하는 시스템의 특성상, 안전과 신뢰성 확보가 매우 중요하므로, 개념 정립 단계부터 설계와 시공 및 운영의 전과정에 걸쳐 통합적인 관리 및 기술 구현이 필요하다. 본 연구에서는 새로운 시스템의 개발과 운용시에 유용성이 입증된 시스템엔지니어링 과정에 입각하여 해중고속철도시스템의 개발 방안을 제시하고자 한다. 시스템의 수명주기 중에 특히 설계 단계에서 시스템엔지니어링 프로세스를 정의하고 주요 업무를 설정하였으며, 수행하는 방안도 제안하였다. 시스템엔지니어링 기술은 수명주기에 걸쳐 시스템에 대한 체계적인 분석과 관리를 가능하게 하므로, 융복합 대형 교통시스템인 해중고속철도의 성공적인 개발과 활용에 기여할 수 있을 것이다. 주요어 : 고속철도, 설계프로세스, 수명주기, 시스템엔지니어링, 해중구조물

1. 서 론

바다를 사이에 두고 멀리 떨어져 있는 대륙과 대륙을 육상 교통수단으로 연결하기 위해 해

저터널이 건설되었다. 일본의 세이칸 해저터널과 영불 해저터널은 장거리의 대륙과 섬을 연결

해주는 교통인프라로서 첨단 건설 기술이 집약된 성과물이라 할 수 있다. 해저터널은 해저면

† 교신저자: 한국철도기술연구원 신교통연구본부(siseo@krri.re.kr)

* 한국철도기술연구원 신교통연구본부

하부에 터널을 관통해야 하는 시공상의 어려움으로 인해 장거리가 될수록 건설비용과 기간이

기하학적으로 증가하는 문제가 있다. 이러한 문제점들을 근본적으로 해결하기 위해 해중터널

의 개념이 등장하게 되었다[1]. 해중터널은 잠수식이므로 해수면의 파도나 바람의 영향을 크

게 받지 않아 안정적으로 떠 있을 수 있고, 육상에서 모듈 단위로 제작한 후 해상에서 조립하

여 완성할 수 있으므로 건설비용과 기간이 단축될 수 있는 장점이 있다. 또한 계류선으로 고

정하는 방식이므로 수심에 크게 상관없이 건설할 수 있는 장점도 있다.

10km 이상 장거리를 폐쇄된 공간에서 화재나 충돌 등 사고를 피하면서 빠르고 안전한 운행

할 수 있는 교통수단은 철도 밖에 없으므로 세이칸 터널과 유로터널에서 고속열차만 운행하고

있다. 따라서 해중터널은 해중고속철도가 되어야 한다.

해중고속철도는 전세계적으로 실현 사례가 없는 새로운 교통인프라이다[2]. 특히, 해중구조

물, 궤도, 노반, 차량, 전력, 신호통신, 역사, 안전 및 방재 시설 등이 종합된 교통시스템으

로서 그 목적을 달성하기 위해서는 설계와 시공 및 운영의 전과정에서 통합 관리가 필요하다.

새로운 복합시스템의 성공적인 개발 및 운영을 위해서는 개념 단계에서부터 효과가 입증된 시

스템엔지니어링 프로세스의 적용이 필수적이다[3]. 본 연구에서는 시스템엔지니어링 프로세스

에 입각하여 해중고속철도시스템의 개발 계획을 수립하고자 하며, 특히, 설계 단계에서 시스

템엔지니어링 프로세스를 적용하는 방안을 수립하고자 한다.

요건분석

기능분석/할당

설계조합

시스템분석/통제

검증

요건루프

설계루프

-절충연구-효과도 분석-위험관리-형상관리-인터페이스 관리-성능검토

프로세스 입력

프로세스 출력

Fig.1 Systems engineering process Fig. 2 Systems engineering process for design stage

2. 해중고속철도시스템 개발을 위한 시스템엔지니어링 개요

2.1 시스템엔지니어링의 정의

시스템이란 정의된 목적을 달성하기 위하여 함께 일하는 연관된 요소들의 결합체이고, 시스

템엔지니어링이란 성공적인 시스템을 개발하기 위한 다분야의 종합적인 접근방법과 수단으로

정의된다[4]. 시스템엔지니어링 프로세스는 Fig. 1과 같이 표현할 수 있고, 설계 단계에서 시스

템엔지니어링 프로세스를 상세히 표현하면 Fig. 2와 같다.

2.2 해중고속철도시스템의 구성

해중고속철도는 초과 부력을 해저면과 연결된 계류장치의 장력으로 평형을 이루고 있으면서,

구조체내에 고속열차가 운행하는 시스템이므로 WBS(Work Breakdown System)에 의거하여

분해해 보면 Fig. 3와 같고, 개략 형상은 Fig. 4와 같다[5]. 철도부분은 기존 고속철도시스템과

동일하므로 세부적인 내용은 생략하고 해중터널과 관련된 시스템만 서브시스템까지

표현하였는데, 통상 3차 부품단위까지 분류한다.

부유식 구조체

계류장치

고정식 구조물

고속열차

궤도 및 노반

정거장

전력 설비

신호 설비

해중 고속철도시스템

안전 및 방재시설

외판

중량물

격벽

모듈연결부

내부 출입구

구조체 연결부

Tether

해저 연결부

해저파일

기둥

연결부재

승강장치

대피룸

헬기착륙장

충돌경보시스템

급속침수차단장치

안전모니터링 Fig. 3 System Breakdown of submerged floating railway Fig. 4 Configuration of submerged floating railway

3. 설계 단계 시스템엔지니어링 프로세스의 적용

Fig. 3에서 표현된 설계 단계에서 시스템엔지니어링 프로세스의 주요 과업 및 산출물을

정리해 보면 Table 1과 같다.

3.1 요구 조건 분석

임무, 운영 조건, 환경, 성능, 비용, 일정 등 관련 요구조건을 분석하고 기준을 설정한다. 구

조체와 계류장치, 고정식 구조물은 해양구조물에 대한 요구조건을 만족시켜야 하므로, 한국선

급의 “고정식 해양구조물 규칙”등의 요구조건을 적용시킬 수 있다[6]. 철도 관련법에서 요구하

는 조건을 분석하고, 철도표준규격에서 요구하는 성능기준 등을 분석한다. 특히, 철도시스템의

성능 조건을 만족시키기 위한 해중 구조체와 계류장치의 요구 조건을 분석하여야 하고, 인터페

이스 성능에 대한 분석이 필수적이다. 구조체의 안전과 함께 화재, 탈선, 충돌, 폭발, 지진 등

비상시의 안전(Safety)에 대한 요구조건도 만족시켜야 한다. 열차 주행안전성 측면에서 구조체

의 동요 요구조건을 분석하여야 한다. 신뢰성 및 유지보수성(RAM Reliability, Availability,

Maintainability)과 관련하여 신뢰성 목표, 검수주기, 부품 교체 주기 등에 대해 분석한다[7]. 요

구조건은 시스템요구조건 분석서 및 시스템 사양서에 포함된다.

3.2 기능 분석 및 할당

해중고속철도시스템을 하위 단위로 분해하고 서브시스템 및 컴포넌트에 대해 기능을 분석하

고 요구조건을 충족시키기 위한 기능을 할당한다. 구조체에 대해서는 각 컴포넌트별로 강도

뿐만 아니라, 방수, 방음, 방진의 기능도 할당할 수 있다. 계류장치에 대한 기능도 정의하고

요구 기능을 할당해야 한다. 횡동요에 의한 열차 탈선 방지의 기능은 계류장치, 궤도 혹은 차

량에 할당할 수 있고, 주요한 검토 사항중 하나이다. 전체시스템의 성능 목표치는 각 하위시

스템으로 할당된다.

3.3 설계 조합

설계 조합은 기능적인 아키텍처를 물리적인 아키텍처로 변환하는 것이라고 정의할 수 있다.

각 서브시스템 및 컴포넌트에 할당된 기능을 구현하기 위해 물리적인 형상을 설계하고 도면으

로 가시화한다. 형상품목을 정의하고 물리적인 인터페이스도 정의한다. 조합된 물리적인 설계

가 요구조건을 만족하는지 검증하고, 만족시키지 못하는 경우, 기능 아키텍쳐로 돌아가 기능

을 다시 할당하고 설계조합을 재수행하는 설계루프를 거친다.

3.4 시스템 분석 및 통제

시스템 분석 및 통제는 설계조합 결과에 대한 효과분석, 일정관리, 확인 및 점검 등의 기

술관리 및 평가 활동을 포함하며, 다음의 주요 과정이 포함된다.

3.4.1 절충 연구

절충연구는 다양한 대안에 대해서, 상충하는 요인이 존재하는 경우 효과도 측면에서 최적

의 조합을 선정한다. 해중고속철도 구조체의 형상 및 재질, 계류장치의 종류 및 위치, 다양한

앵커링 방법, 구조체 모듈 연결부 형상 등에 대해서 절충연구를 수행할 필요가 있다.

3.4.2 효과도 분석

설계조합 결과에 대해 수명주기 비용을 분석하고 비용 대비 일정, 기능, 위험 등에 미치는

효과를 분석하고 절충연구를 통해 대안을 선정한다.

3.4.3 위험 관리

위험 관리는 일정지연, 비용초과, 성능미달, 유해환경영향 또는 원하지 않는 불확실한 요

소에 대한 인식, 평가 및 통제하는 활동을 말한다.

3.4.4 형상 관리

기능적 형상과 물리적 형상에 대해 시스템규격서와 일치 여부를 비교 분석하고 이력 관리

를 수행한다.

3.4.5 인터페이스 관리

시스템간의 인터페이스를 검증하고 관리한다. 구조체와 계류장치의 인터페이스, 계류장치

와 기초의 인터페이스, 구조체와 궤도의 인터페이스, 구조체와 전차선의 인터페이스, 궤도와

차량의 인터페이스, 전차선과 차량의 인터페이스 등의 성능을 검증하고 관리한다.

3.4.6 성능 검토

시스템 성능요건을 검증하기 위해 모델링과 시뮬레이션 방법을 이용한다. 안전성 검증을 위

한 구조해석, 운동해석, 충돌, 내진, 수중폭발에 의한 구조체의 응답을 CAE(Computer Aided

Engineering)을 이용하여 시뮬레이션하고 평가한다. 축소모형에 대한 시험을 통해 성능을 시뮬

레이션할 수 있다. 모델링 및 시뮬레이션 결과는 시스템요구사양서 등을 이용하여 평가하고 검

증한다. RAM 성능도 모델링과 시뮬레이션을 통해 검증하고 위험도 해석도 수행하여 안전성을

검증한다.

Table 1 Tasks of system engineering process

프로세스 주요 업무 세부 내용 성과물

요구조건 분석

-임무, 운영 조건, 환경, 성능, 비용, 일정 등 관련 요구조건 분석

-부유식 구조체 설계 요구조건

-시종점 도달 시간, 수송 용량, 승하차 조건 -최고 속도, 운행 속도 -해양 환경조건(파랑, 조류, 해류, 기후), 지형 조건(수심, 지반), 내진 조건

-하중조건, 강도기준, 허용변위, 사용수명, 선로조건, 운전조건

-승차감, 주행성능, 제동성능, 집전성능 -소요 건설비 및 기간

-시스템 요구 조건분석서

-RAM 요구 조건 분석 -시스템 RAM 목표 설정

-Mean Kilo Between Service Failure 정의 -유지보수 주기

-RAM 요구조건분석서

-안전성 목표 및 허용한계 설정

-Preliminary Hazard Analysis

-화재, 탈선, 충돌, 폭발, 지진 등 비상시 영향 및 안전 대책

-비상시 탈출 조건 분석

-안전 요구 조건분석서

기능분석 및 할당

-시스템 분류 및 기능 정의 -기능에 대한 요구조건 정의 -하위 시스템별 요구조건 및 목표 할당

-구조체 및 계류장치와 하위 시스템 기능 할당 -안전 시설의 기능 분석 및 할당 -철도시스템의 기능 분석 및 할당

-시스템사양서 -부품사양서

-RAM 목표치 하위 시스템 할당

-하위 시스템 신뢰성 및 유지보수성 목표치 설정 -기존 자료에 근거한 목표치 할당 -가용도 목표치 설정

-RAM사양서

-안전성 목표치 하위 시스템 할당

-시스템 안전도 목표치 설정 및 하위 시스템 안전성 목표치 할당

-안전관리계획서

설계조합

-기능도를 설계도로 변환 -물리적 인터페이스 정의

-개념설계 및 기본설계 수행 -차륜-궤도-구조체 인터페이스 설계 -집전장치-전차선-구조체 인터페이스 설계 -시스템 및 하위시스템별 규격 설정

-설계기준서 -개념설계도 -기본설계도 -시스템규격서

-RAM 성능 관리계획 수립 -신뢰성 및 유지보수성 향상 설계 -RAM관리계획서

-Generic Safety Case 준비 -안전 시설 설계 및 검증 -안전검토보고서

시스템 분석 및

통제

-절충 연구 -신기술 타당성 검증 -설계 대안에 대한 효과 분석

-절충연구보고서

-효과도 분석 -수명주기 비용 및 비용대 효과 분석 -LCC분석보고서

-위험 관리 -일정지연, 비용초과, 성능미달, 유해 환경 영향 또는 원하지 않는 불확실한 요소에 대한 인식, 평가 및 통제

-위험관리보고서

-형상 관리 -기능 및 물리적 형상에 대해 규격서와 일치 여부 확인 및 점검

-형상검토보고서

-인터페이스 관리

-시스템 인터페이스 성능 확인-인터페이스 저해 요인 관리 -구조체-계류장치-철도시스템 인터페이스 관리 -차량 및 궤도 인터페이스 관리

-인터페이스 관리보고서

-인터페이스 성능검토 보고서

-성능 검토 -모델링 및 시뮬레이션 -성능 검증 및 평가

-CAE해석 보고서-모형시험 보고서

-RAM 성능 검토 -RAM해석 -전체시스템 Reliability Block Diagram 작성 및 해석

-RAM해석 보고서

-안전성 성능 검토 -Hazard analysis & Risk assessment -안전성 해석

보고서

4. 결 론

호남-제주 해저 고속철도 건설 수요가 증가하고 있고, 한중, 한일 해저터널 건설이 공론화

되고 있으나, 경제성 문제로 건설 착수가 어려운 현 상황에서, 해중고속철도시스템은 새로운

돌파구를 마련하는 계기가 될 것이다. 그러나 해중고속철도시스템은 아직 구현 사례가 없고

축적된 경험이 부족한 새로운 교통시스템이므로, 건설과 운영을 위해서는 철저한 준비와 대응

이 필요하다. 시스템엔지니어링 프로세스는 해중고속철도시스템과 같이 다분야의 기술이 조합

된 새로운 시스템 개발에 유용하게 적용될 수 있다. 본 연구에서 제안한 설계 단계에서 시스

템엔지니어링 프로세스의 주요 업무와 산출물은 해중고속철도시스템 개발 과정에서 지침이 될

것이다. 특히, 모델링과 시뮬레이션에 의한 시스템 분석과 인터페이스 관리는 이론적 연구와

시험이 수반되어야 할 과정이므로 연구개발 초기 단계에서 역량을 집중해야 할 과업이 된다.

시스템엔지니어링 프로세스를 해중고속철도시스템 개발 전체 과정에 적용하였을 때, 해중고속

철도는 수명주기에 걸친 시스템 요구조건과 성능을 최대한 충족시키면서 안전하고 신뢰성 있

는 교통수단이 될 것이다.

참고문헌

[1] Havard Ostlid (2010), When is SFT competitive, Precedia Engineering, 4, pp. 3-11.

[2] 서승일 (2012), 대륙연결을 위한 해중철도 구상, 해중철도 국제세미나 발표집, pp. 1-27.

[3] 서승일, 사공명, 이진호(2013), 시스템엔지니어링 프로세스에 기초한 해중고속철도시스템

기술개발 계획, 2013대한토목학회 추계학술발표대회 논문집.

[4] 미국국방획득대학교(민성기, 권용수 역) (2002) 시스템엔지니어링 입문, 한국시스템 엔지니어링협회총서 1, 문원출판, pp.51-92.

[5] 서승일 외(2013), 장거리 부유식 해중고속철도시스템 기술개발 기획, 국토교통진흥원.

[6] 한국선급(2013), 고정식 해양구조물 규칙.

[7] IEC (2001), Railway Applications-Specification and Demonstration of Reliability, Availability,

Maintainability and Safety(RAMS), IEC-62278, pp. 24-50.