하드웨어 시스템의 기능안전 구현 및 평가
Implementation and Assessment for Functional Safety of Hardware Systems
초록/요약
기능안전 (Functional safety)은 전기/전자/프로그램 가능한 안전관련 시스템 (Electrical /electronic/programmable electronic safety-related systems)과 기타 위험 감소 수단에 의존하는 제어장치 (Equipment under control) 및 제어시스템에 적용되는 것으로, 전체적인 안전의 한 부분으로 정의된다. 장치산업, 자동차, 원자력, 철도 등의 분야에서 기능안전의 적용이 의무화되고 있다. 기능안전을 적용하기 위하여 다양한 표준이 제시되어 있지만, 안전관련 시스템의 설계 및 개발, 평가 활동에서 이를 적용하기가 어려운 문제점이 발생하고 있다. 본 연구에서는 하드웨어 시스템의 하드웨어 우발고장과 시스템적 고장을 예방하기 위한 전략적인 접근을 바탕으로, 설계 및 개발단계에서 기능안전을 구현하기 위한 절차를 개발한다. 대상 시스템을 선정하고, 위해요인 분석 및 위험평가를 실시하여 안전기능과 안전무결성을 결정한다. 이를 바탕으로 개발하고자 하는 안전관련 시스템에 관한 안전기능 요구사항과 안전무결성 요구사항을 도출한다. 하드웨어에 관한 아키텍처 제약 (Architectural constraints)을 만족하기 위하여 서브시스템 형태 (Subsystem type), 안전고장 비율(Safe failure fraction), 하드웨어 결함 허용수준 (Hardware fault tolerance)에 대한 조사를 실시한다. 하드웨어 위험고장률 (Dangerous hardware failure rate)을 산출하기 위하여 대상 시스템에 대한 모델링을 실시하고, 조사된 고장률 및 고장을 경감하기 위하여 적용된 기법을 고려한다. 시스템적 안전무결성을 달성하기 위하여 기술적 패키지 구성 또는 실증 (Proven in use)을 실시한다. 의료기기는 위해에 취약한 환자를 대상으로 사용되는 것이므로 안전성을 확보하는 것이 중요하고, 이를 위한 한 가지 방법으로 기능안전이 제시되고 있다. 하지만 의료기기 소프트웨어에 관한 연구가 실시되고 있을 뿐, 하드웨어 시스템에 관한 기능안전을 구현하기 위한 연구는 실시되지 않고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 의료기기 분야의 특성 및 제도와 양립 가능한 기능안전 구현 방안을 개발한다. 의료분야 안전성 표준인 IEC 60601에서 명시하는 기본안전과 필수성능에 관한 정보를 바탕으로, 기능안전의 안전기능을 결정한다. 의료기기에 관한 품목별 등급 분류 기준과 위험관리 결과를 이용하여 필수성능에 대한 안전무결성수준 (Safety integrity level)을 결정한다. 의료기기의 실사용 환경을 조사하고, 이를 반영한 고장률 추정 값을 기능안전 구현 활동에 적용한다. 제안된 내용을 산소포화도 측정기를 대상으로 사례 연구를 실시한다. 기능안전과 관련된 표준은 시스템의 설계 및 개발단계에서 실시하는 기능안전 구현 활동에 초점을 두고 있다. 그러므로 기능안전 표준에 따라 개발되지 않은 안전관련 시스템인 레거시 시스템 (Legacy system)의 평가에 필요한 정보를 제시하지 못하고 있다. 현재 다양한 분야에서 레거시 시스템이 사용되고 있으며, 시스템에 대한 기능안전 평가가 인증 시장에서 요구되고 있다. 기존의 한계점을 해결하고 시장의 요구에 부합하기 위하여, 필드에서 사용되고 있는 레거시 시스템에 대한 하드웨어 안전무결성수준 평가 절차를 제안한다. 연구된 기능안전 구현 절차를 바탕으로, 하드웨어 안전무결성수준을 평가하기 위하여 필요한 활동을 선별한다. 선별된 활동을 목적에 맞게 수정 및 보완하여 평가 절차를 제안한다. 화력발전소에서 사용되고 있는 보일러 제어시스템에 적용하여 사례 연구를 실시한다.
more목차
제1장 서론 1
제1절 연구 배경 및 목적 1
제2절 연구 범위 및 방법 5
제2장 기능안전 관련 표준 및 개념 7
제1절 기능안전의 구성요소 7
제2절 안전무결성수준과 작동모드 9
제3절 전기/전자/프로그램 가능한 안전관련 시스템의 구성 요소 14
제4절 기능안전 주요 표준 17
제3장 하드웨어 시스템의 기능안전 구현 23
제1절 서론 23
제2절 기능안전 구현 전략과 고장의 종류 26
제3절 하드웨어 시스템에 관한 기능안전 구현 절차 29
제4장 실사용 환경을 고려한 의료기기 하드웨어 시스템의 기능안전 구현 60
제1절 서론 60
제2절 의료기기의 필수성능과 기능안전의 안전기능 66
제3절 실사용 환경을 고려한 고장률 추정 70
제4절 의료기기 하드웨어 시스템의 기능안전 구현 절차 79
제5절 산소포화도측정기 하드웨어 시스템의 기능안전 구현 86
제5장 레거시 시스템에 관한 하드웨어 안전무결성수준 평가 106
제1절 서론 106
제2절 레거시 시스템과 안전무결성 평가 대상 109
제3절 레거시 시스템의 하드웨어 SIL 평가 절차 110
제4절 보일러 제어시스템에 관한 하드웨어 SIL 평가 115
제6장 결론 및 향후 연구 132
참고문헌 135
Abstract 143
