Digraph를 기반으로 한 Automatic FTA System 개발

김지용, 이근원*, 문 일↕

연세대학교 화학공학과, 한국산업안전공단 산업안전보건연구원*

Development of a New Digraph-Based Automatic FTA System

for Safety in Chemical Process

Jiyong Kim, Keunwon Lee*, and Il Moon↕

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

Korea Occupational Safety & Health Research Institute

서론

본 연구의 목적은 FT(Fault Tree)의 합성 및 FT의 분석을 자동으로 수행하는 프로그램을 개발하는 것이다. FTA(Fault Tree Analysis)는 정상사상(Top event)의 모든 사고 발생 원인들의 연관 관계를 파악하기 쉬운 수목(Tree)으로 표현하여 대상 공정의 정량적, 정성적 안전도 분석이 가능한 효과적인 위험성 평가 방법이다. 하지만 기존의 수작업으로 행한 FTA는 많은 시간과 비용 그리고 인적 소모가 필요했다. 또한 수작업으로 행한 FTA의 결과는 분석자의 논리적 오류나 주관이 개입되므로 객관성과 신뢰성을 유지 할 수 없었다. 이러한 단점을 보완하기 위해 선행 연구로 Digraph(Directed Graph)에서 FT를 자동으로 작성하는 알고리즘과 작성된 FT를 자동으로 분석하는 알고리즘을 개발하였고 이를 바탕으로  FTA를 사용자가 쉽게 이용할 수 있는 자동 FTA 시스템(yFTA)을 개발하였다.

본론

FTA는 실제 공장의 여러 가지 사고 원인을 미리 파악하고, 그 결과를 이용하여 그 사고의 발생 확률을 최소화하는 데 사용된다. FT는 AND와 OR인 두 종류의 논리 게이트 조합에 의해 대상 공정 설비의 위험성을 표현한다. 이 트리에 의한 표현법은 그 자체로 대상 공정 설비에 잠재하는 고유의 특징을 시각적으로 파악하는 우수한 수단인 동시에 여러 가지 전문기술 분야에 걸친 정보를 그 속에 망라할 수 있는 유연성이 풍부한 시스템적인 수단이다. 그리고 대상 공정의 위험성에 관해 확률론적인 정량성의 분석이 가능하게 함으로써 기존의 감각적, 경험적으로 분석되어온 공정의 안전성 문제에 대해 확률론적 정량성을 기초로 한 객관적인 분석을 가능하게 한다. 본 연구에서는 이러한 FTA의 수월한 작업을 위해 공정에 따른 Digraph 정보를 사용자가 입력하여 자동으로 FT가 구성되게 하는 FT 자동 합성 시스템과 이를 자동으로 해석하는 분석 시스템을 통합하였다. 이로써 사고의 세부적인 원인 목록을 체계적으로 작성하여 해당사고의 구조를 쉽게 수목상으로 표현할 수 있고, 재해 발생 원인의 정량적 해석과 예측, 원인의 중요도를 알 수 있으며, 컴퓨터 처리 및 통계학적 처리가 가능하다.

FTA를 자동으로 수행하기 위해서는 우선 대상 공정을 정확하게 표현하는 작업이 필요하다. 본 연구에서는 이를 위해 Digraph를 이용했다. Digraph는 간선(directed edges)으로 연결된 노드(node)들의 집합이다. 즉, 노드는 공정 변수나 고장 타입을 표현하며, 간선은 그 노드들간의 관계를 표현한다. FT를 자동으로 그리기 위해 PFD(Process Flow Diagram)나 P&ID(Piping and Instrumentation Diagram)등의 공정도로부터 얻은 자료를 바탕으로 사용자가 작성한 digraph를 적합한 형태의 자료로 입력하여야 한다. 입력된 정보들은 프로그램에서 자동으로 확인, 분류하여 FT 생성 규칙에 따라 자동으로 그리게 된다. 본 시스템에서는 분석하고자 하는 노드의 상황에 따라 4가지의 구조를 가지며, 각 구조는 각각 상황에 맞는 FT를 생성한다. 그리고 공정에 있어서의 결함은 기기의 결함과 조업자의 실수들을 나타내는 인간 오류(Human error)로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 공정에서 발생할 수 있는 결함을 digraph에 표현되는 형태에 따라 세 가지로 분류하였다. 이는 결함의 특성에 따른 분류보다는 digraph에 표현되는 형태에 따른 분류가 더 효과적이기 때문이다.

그리고 여러 가지 기본 사상(Basic event)들의 확률 데이터를 같이 입력할 경우 정상 사상 및 중간 게이트들의 발생 확률까지 계산하게 된다. 확률 데이터로는 □(The Failure Rate), □(The mean tine to repair)를 이용하여 q(Unavailability)를 이용하였다. 작성된 FT로 사용자가 원하는 최소컽셋(Minimal cut sets)이나 기본 사상의 중요도 등의 다른 결과도 계산 가능하다. 특히, FT 분석에 있어서 최소컽셋은 정상사상의 고장에 가장 영향을 많이 미치는 기본 사상을 찾아 내는데 가장 정확한 방법이다. yFTA의 전체적인 흐름도(Flow sheet)는 Fig.1과 같다.

Figure 1. Overall algorithm for running yFTA

대상공정

Figure 2는 이상(two-stream)흐름을 Flash Tank를 사용하여 증기와 액상으로 분리하는 공정이다. 탱크에서의 수위(Level)는 수위제어기(Level Controller)를 통해서 제어된다.

Figure 2. PFD of a flash tank control system

압력센서(Pressure Sensor)로써 탱크에서의 압력을 측정하는데 조업자가 지시계에서의 고압 발견 시 수작업으로 밸브 1을 열어 압력을 낮추게 된다. 또한 안전밸브(Relief Valve)가 설치되어 있어 탱크안에서의 고압발생 시 작동하여 압력을 낮추게 설계되어 있다.

Figure 3. Digraph for the example

예제 공정에 대한 Digraph는 Figure 3에서 나타내었다.

Digraph에서 FT를 작성하기 위해서는 종류 별로 Node data(공정도에 표현된 공정 변수), Failure data(기기 고장, Human error 등), Probability data(□, □), Description data 등이 필요하다. 입력 화면은 Figure 4에 나타냈었다.

Figure . Data input screen

탱크 안의 물질이 폭발성이 있는 물질일 경우 압력이 과도하게 증가하는 경우 폭발의 위험이 있다. 따라서 탱크 안의 압력이 과도하게 증가하는 것(Figure 2에서 Line 2의 압력 증가)을 정상사상(Top event)으로 선정하여 FT를 구성하면 Figure 5와 같은 결과를 얻을 수 있다. Figure 5에서 보여진 정상사상(Top event)에 대한 최소컽셋(Minimal cut sets)을 구하면 Figure 6과 같다.

Figure 5. Result of the generated FT

Figure 6. Minimal cut sets

for a top event

Figure 6을 살펴보면 정상사상 즉, 탱크 안의 압력이 과도하게 증가하는 사고의 원인으로는 Line 1의 압력 증가, 릴리프 밸브의 압력 증가, 조업자의 실수, Line 1의 유량 증가, Line 5의 압력 증가 등이 있다.

결론

본 연구에서는 FT 자동합성 알고리즘과 FT 자동 분석 알고리즘을 이용하여 Automatic FTA system(yFTA)을 개발하였다. yFTA를 이용하여 수작업으로 진행되어온 FTA의 단점을 개선함으로써 짧은 시간과 적은 비용으로 사고 발생 확률과 최소컽셋을 구할 수 있다.  또한 쉬운 사용 방법으로 산업 현장  등 FTA 사용을 확대함으서 화학 공정의 안전성 향상을 기대할 수 있다.

감사의 글

본 연구는 한국산업안전공단의 □공정 DB를 이용한 멀티미디어 FTA 작성시스템 개발□ 과제에 대한 연구비 지원으로 이루어 졌으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. Lapp, S. A and Powers, G. J., "Computer-aided Synthesis of Fault Tree", IEEE Trans. Rel., 1977

2. 양준언, 유철진, "화학공정 위험성 평가 Ⅱ (사고빈도 분석)", 한국산업안전공단, 1988

3. Faisal I. Khan, S.A. Abbasi, "Analytical simulation and PROPAT Ⅱ: a new methodology and a computer automated tool for fault tree analysis in chemical process industies", Journal of Hazardous Materials, 2000

4. 이한용, 김진경, 문일, □회분 공정의 안정성 평가를 위한 모델 검증 기법의 적용□, 화학공학 37권, 6호, 1999

5. 정원석, 문일, 이근원*, □FTA 자동화를 위한 Digraph 변환 알고리즘의 개발□, 화학공학의 이론과 응용 6권, 1호, 2000

6. 김지용, 문일, 이근원, □Fault Tree Analysis 자동화를 위한 Minimal cut sets□, 화학공학의 이론과 응용 Vol.19, No.2, 2001