FTA 자동화를 위한 Digraph 변환 알고리듬의 개발

정원석, 문일, 이근원*

연세대학교 화학공학과, 한국산업안전공단 산업안전보건연구원*

Development of Digraph Conversion Algorithm

for Automating FTA

Wonseok Jung, Il Moon, Keunwon Lee*

Deptartment of Chemical Engineering, Yonsei University

Occupational Safety & Health Research Institute, KOSHA*

서론

FTA(Fault Tree Analysis)는 사고의 세부적인 원인목록을 작성하여 해당사고의 구조를 파악할 수 있으며 복잡한 시스템내의 결함을 최소시간과 최소비용으로 효과적으로 예방할 수 있게 하는 위험성 평가 방법이다. 각 사업장에서 이미 많이 사용하고 있는 HAZOP에 비해 FTA는 정량적인 안전성 평가 기법이며, 더 효과적인 차세대 방법으로 필요성이 절실히 대두되고 있다

본 연구에서는 PFD(Process Flow Diagram)나 P&ID(Piping & Instru- mentation Diagram)로부터 사용자가 작성한 Digraph(Directed Graph)를 적합한 형태의 자료로 입력, 자동으로 FT(Fault Tree)가 생성되도록 Digraph-FT 전환 알고리듬을 개발하였고 대상공정에 적용하여 보았다.

Digraph의 필요성

시스템의 공정도로부터 FT를 자동으로 생성하는 시스템의 구축을 위해 이용 가능한 방법은 두 가지로 요약될 수 있다. 첫 번째는 구성요소(열교환기, Pump, Valve 등)의 각 변수(온도, 압력, 유량 등)가 그것과 관계있는  각 요소의 변수에 대해서 어떻게 기능하는가를 Digraph로 표현해서 이것을 간략화, 합리화 해서 FT를 작성해가는 방법이고, 두 번째는 구성요소의 출력상태를 입력상태와 내부 Mode 상태의 결합에 따라서 Decision Table로 표현해서 FT를 작성해 가는 방법이다.

본 연구에서 개발한 자동화 FTA 시스템은 Digraph를 이용하였다. Digraph는 일반적이고 컴퓨터 프로세싱에 적합한 형태의 표현이므로 화학공정뿐 아니라 다른 공정에 대해서도 유연하게 적용될 수 있는 공정의 표현이다. 본 연구에서 사용하는 Digraph의 특징은 공정변수를 나타내는 노드(Node)외에 결함(Failure)을 공정변수에 미치는 영향에 따라 분류하여 사용자가 첨가하게 하였다는 것이다. 따라서 간선(edge)이 여러 개 존재하는 다중 루프(Loop)가 존재하는 Digraph를 분석하여 FT가 자동으로 생성되게하는 알고리듬을 구성하였다.

Digraph-FT 전환 알고리듬

본 연구에서 개발한 Digraph-FT 전환 알고리듬은 Fig 1과 같다. 분석하고자 하는 공정에 대하여 Digraph를 구성하고, 선정한 Top event가 놓여 있는 상황에 따라 각각의 FT 생성 규칙을 적용하였다. 선택한 사고, 즉 Digraph 상에서의 노드에 대하여 FT 생성규칙을 적용한 후에 다시 반복적으로 각각의 노드에 대해 규칙을 적용하면서 기초사상(Basic event)이 나타날 때까지 알고리듬을 반복적으로 수행하게 하였다.

Fig 1. Digrph-FT conversion algorithm

FT 생성규칙은 노드가 놓여 있는 상황에 따라 구분하였다.

1. Structure Ⅰ

·Loop에 있지 않는 경우

·PFFL, PFBL 에 있는 경우

·NFFL에 있으면서 종말노드가 아닌 경우

□ 2. Structure Ⅱ

□   ·NFFL의 종말노드인 경우

3. Structure Ⅲ

□   ·NFBL에 있는 경우

□   ·NFFL의 시작노드만 NFBL에 있는 경우

4. Structure Ⅳ

□   ·NFFL의 종말노드만 NFBL에 있는 경우

5. Structure Ⅴ

□   ·NFFL의 시작노드, 종말노드가 모두 NFBL에 있는 경우

대상공정에의 적용

본 연구에서 개발한 알고리듬을 Fig 2의 예제에 적용해 보았다.  선택한 예제는 Hot stream이 열교환기로 흘러 들어가 반응기로 가는 중간단계의 물질을 생성해 주는 공정인데 그 과정에서 발생하는 열교환기내의 과열을 막기 위해 냉각수가 유입된다.

Fig 2. PFD of heat exchange system with hot and cold stream

주어진 공정에 대하여 Digraph를 구성해 보면 Fig 3과 같다.

Fig 3. Digraph for heat exchange system

예제 공정에서 흐름5의 Hot stream의 유량이 증가하는 hm5(+1)을 Top event로 선정하여 FT를 구성해 보면 Fig 4와 같은 결과를 얻을 수 있다.

Fig 4. Fault tree for heat exchange system

결론

본 연구에서는 새롭게 개선된 Digraph-FT 전환 알고리듬을 이용하여 효율적인 위험성 평가 시스템을 구축하였다. 제안된 자동화 FT 생성 시스템을 이용하여 기존의 사용자가 수행하던 FTA 보다 정확하고 효율적인 분석을 수행 할 수 있었다.

참고문헌

1. Andrews, J. D and Brennan, G., "Application of the Digraph             Method of Fault Tree Construction to a Complex Control               Configuration", Rel. Eng. and Sys. Saf., Vol. 28, 1990.

2.  Lapp, S. A and Powers, G. J.,  "Computer-aided Synthesis of Fault

Trees", IEEE Trans. Rel., 1977.

3.  이한용, 김진경, 문일, □회분공정의 안전성 평가를 위한 모델 검증 기법     의 적용□, 화학공학 37권, 6호, 1999.

4. 주종대 등, □화학공정위험성평가Ⅱ(사고빈도 분석)□, 한국산업안전공단,     2000.