Fault Tree Analysis(FTA)에서의 Cut-Set 분석

Cut-Set Analysis in Fault Tree Analysis

 

FTA의 Cut-Set 분석은 시스템의 특정 실패(Top Event)를 유발하는 최소한의 고장 요소 조합을 파악하는 데 사용됩니다. Cut-Set은 특정 Top Event를 발생시키기 위해 필요한 최소한의 고장 이벤트 조합을 의미하며, 이를 통해 시스템에서 가장 취약한 부분과 개선이 필요한 영역을 식별할 수 있습니다.

 

1. Cut-Set의 종류 및 분석 목적

• Cut-Set: 시스템의 Top Event를 발생시키기 위해 고장해야 하는 하위 이벤트의 조합입니다. 여러 Cut-Set이 존재할 수 있으며, 각 Cut-Set은 Top Event를 발생시킬 수 있는 고유한 고장 경로를 나타냅니다.
• Minimal Cut-Set: Cut-Set 중에서도 불필요한 이벤트가 없는 최소 조합을 의미합니다. Minimal Cut-Set은 Top Event를 발생시키기 위해 꼭 필요한 고장 이벤트들의 조합으로, 이들 중 하나라도 고장이 발생하면 Top Event가 발생하게 됩니다.

Cut-Set Analysis

 

Cut-Set 분석은 시스템의 취약점을 파악하고, 위험을 줄이기 위한 최적의 대책을 세우는 데 도움을 줍니다. 주요 목적은 다음과 같습니다:

• 취약한 부분 식별: Minimal Cut-Set을 통해 시스템에서 가장 취약한 고장 조합을 파악할 수 있습니다.
• 위험도 평가: Cut-Set이 많고, 해당 이벤트들이 발생 가능성이 높다면 시스템의 위험이 증가합니다.
• 안전 대책 마련: 취약한 Cut-Set을 개선하거나 보완함으로써 전체 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

 

2. Cut-Set 분석 및 대책 수립 방법

2-1 Cut-Set 분석 수행 절차

1. Top Event 설정: 분석의 최종 목표가 되는 Top Event를 정의합니다. Top Event는 분석을 통해 예방하고자 하는 주요 고장이나 실패입니다.
2. FTA 트리 작성 및 논리 게이트 설정: FTA 트리를 작성하고 AND, OR 게이트를 사용하여 고장 원인 간의 관계를 정의합니다. 각 이벤트가 논리적으로 연결되면서, 특정 조건에서 Top Event가 발생할 수 있는 구조를 시각화합니다.
3. Cut-Set 파악: 트리에서 Top Event를 발생시키기 위해 필요한 고장 이벤트들의 조합(Cut-Set)을 파악합니다. 각 Cut-Set은 Top Event를 유발할 수 있는 최소한의 고장 경로를 의미합니다.
   
4. Minimal Cut-Set 식별: 파악된 Cut-Set에서 불필요한 이벤트를 제거하여, Top Event를 발생시키기 위한 최소 고장 조합인 Minimal Cut-Set을 도출합니다. 이 과정은 시스템의 필수적인 고장 원인들을 분석하는 핵심 단계입니다.
5. 위험도 평가 및 대책 마련: Minimal Cut-Set을 바탕으로 시스템의 취약점을 평가하고, 필요한 경우 이를 개선하거나 보완하는 대책을 수립합니다.

아래 예제 그림을 보면 Minimal Cut-Set 식별 과정을 알 수 있습니다. 게이트 1번 AND 게이트로 2개의 OR 게이트로 연결되어 있으므로 2∩3 으로 분해될 수 있습니다. (Rule 2) 그리고 게이트 2를 구성하는 베이직 이벤트 A, B, C에 대해 A∩3, B∩3, C∩3으로 분해 할 수 있습니다. (Rule 1) 같은 방법으로 게이트 3에 대해서도 반복 적용하면, A∩C, A∩D, A∩E, B∩C, B∩D, B∩E, C∩C, C∩D, C∩E로 분해됩니다. 여기서 동일 게이트에 속한 베이직 이벤트와의 동시 발생(교집합)은 고려할 필요가 없습니다. 이는 둘 중 하나만으로도 상위 이벤트가 발생할 수 있기 때문에 궂이 동시 발생(교집합)은 고려할 필요가 없습니다. (Rule 4) 또한 동일 이벤트에 대한 동시 발생도 고려할 필요가 없고 그 자체만 남습니다. (Rule 3) 따라서 Rule 4에 의해 A∩C, A∩D, A∩E, B∩C, B∩D, B∩E, C∩C, C∩D, C∩E 소거하면, A∩D, AE∩, B∩D, B∩E, 그리고 C가 남습니다.

이를 다시 게이트 4와 게이트 5로 확대하여 적용하면, 최종적으로 남는 Cut-Set은 F∩D, G∩D, F∩H∩I, G∩H∩I, B∩D, B∩E, C가 남습니다. 

Cut-Set Example

 

 

2-2 Cut-Set 기반 대책 수립 절차

Cut-Set 분석을 통해 얻은 결과는 시스템의 고장 가능성을 줄이고 신뢰성을 높이기 위한 개선 대책을 마련하는 데 매우 중요한 정보를 제공합니다. Cut-Set 분석을 통해 도출된 Minimal Cut-Set을 활용하면 최종 고장(Top Event)을 유발하는 가장 작은 고장 조합을 파악할 수 있으며, 이를 기반으로 우선순위를 정하고 구체적인 개선 대책을 수립할 수 있습니다.

Cut-Set 기반 대책 수립 절차

 

1. Cut-Set 분석 결과 검토 및 우선순위 설정

• Minimal Cut-Set 파악: Minimal Cut-Set은 Top Event를 발생시키는 가장 작은 고장 경로로, 이들 조합 중 하나라도 발생하면 최종 고장이 발생할 수 있습니다.
• 우선순위 설정: Minimal Cut-Set 중 발생 가능성이나 고장의 심각도가 높은 이벤트를 우선순위로 두고 개선 대책을 수립합니다. 위험도 평가 기법을 사용하여 심각한 위험에 대해 우선적으로 대책을 마련할 수 있습니다.

2. 고장 발생 확률을 낮추기 위한 대책 마련

• 중복 설계(Redundancy): 높은 우선순위를 가진 고장 이벤트를 대체할 수 있도록 중복 설계를 추가합니다. 예를 들어, 자동차 브레이크 시스템에서 유압 손실이 발생할 경우를 대비해 이중 유압 회로를 설계할 수 있습니다.
• 고품질 부품 사용 및 테스트 강화: 발생 확률이 높은 구성 요소에 대해 고품질 부품을 사용하거나 테스트를 강화하여 고장의 가능성을 줄입니다. 예를 들어, 전자 제어 모듈의 신뢰성을 높이기 위해 부품 품질을 높이고 철저한 테스트를 수행할 수 있습니다.

3. 고장 탐지 및 대응 속도 개선

• 모니터링 및 알림 시스템 도입: 고장 발생 가능성이 높은 요소에 대한 모니터링 시스템을 추가하여, 문제가 발생했을 때 빠르게 탐지하고 경고를 보낼 수 있도록 합니다. 예를 들어, 브레이크 유압의 압력을 실시간으로 감지하여 압력이 비정상적으로 낮아질 경우 운전자에게 알림을 보내는 시스템을 구축할 수 있습니다.
• 진단 및 복구 절차 개선: 고장 발생 시 빠르게 진단하고 복구할 수 있도록 절차를 간소화하고 자동화할 수 있습니다. 소프트웨어 시스템에서는 오류가 발생했을 때 자동 복구 기능을 추가하거나, 사용자에게 대체 방안을 제시하는 방식이 있습니다.

4. 설계 변경을 통한 시스템 신뢰성 향상

• 설계 개선 및 구조 변경: 특정 고장이 다른 고장과 함께 발생할 경우 Top Event로 이어지는 구조라면, 이러한 상관관계를 최소화하도록 설계를 변경합니다. 예를 들어, 특정 부품에 과도한 의존이 발생하지 않도록 설계 구조를 변경하거나, 의존도를 낮추기 위한 조치를 고려할 수 있습니다.
• 고장 경로 차단: 특정 Minimal Cut-Set을 발생시키는 고장 경로를 물리적 또는 논리적으로 차단하는 방안을 마련합니다. 예를 들어, 특정 조건에서만 발생하는 고장이라면 그 조건이 발생하지 않도록 관리할 수 있습니다.

5. 정기적 점검 및 유지보수 계획 수립

• 정기 검사 및 유지보수: 높은 위험 요소를 포함하는 부품이나 시스템에 대해 정기적으로 점검하고 유지보수를 수행하여 고장 발생 가능성을 사전에 줄입니다.
• 예방적 유지보수(Predictive Maintenance): IoT 센서와 빅데이터 분석을 활용해 고장 발생 가능성을 예측하고 사전 유지보수를 실시하는 방법을 도입할 수 있습니다. 이 방식은 특히 발생 가능성이 높은 고장 요소에 대해 효과적입니다.

6. 위험 회피 방안 마련 및 운영 절차 개선

• 위험 회피를 위한 운영 절차 마련: 위험이 높은 조합이 발생하지 않도록 운영 단계에서 주의 사항과 절차를 마련합니다. 예를 들어, 고장 가능성이 높아지는 환경(고온, 고습 등)에서는 시스템 사용을 자제하거나 특별한 점검을 수행하도록 지침을 설정할 수 있습니다.
• 교육 및 훈련: 운영자와 유지보수 팀에게 고장 발생 시 조치 방법을 교육하여, 문제 발생 시 신속히 대응할 수 있도록 합니다.

 

3. Cut-Set 분석의 장점

• 리스크 식별: Minimal Cut-Set을 통해 시스템의 리스크를 구체적으로 파악하고, 위험성을 정량적으로 평가할 수 있습니다.
• 효과적인 개선: Top Event를 발생시키는 필수 고장 경로를 이해함으로써, 효과적인 대책을 수립하고 비용 효율적으로 시스템을 개선할 수 있습니다.
• 신뢰성 향상: Cut-Set 분석을 통해 식별된 취약 요소에 대한 보완 조치를 통해 시스템의 신뢰성과 안전성을 향상할 수 있습니다.

Cut-Set 분석은 FTA의 결과를 바탕으로 시스템의 취약성을 깊이 있게 분석하고, 이를 개선하기 위한 구체적인 정보를 제공합니다. 이를 통해 시스템 설계와 유지보수 시 효과적으로 위험을 줄이고, 전체 시스템의 신뢰성을 높일 수 있습니다.