유향그래프를 이용한 FT 자동합성 전문가시스템 구축

서우식, 허보경, 황규석

부산대학교   화학공학과

Development of Expert System

for Automatic Fault Tree Synthesis Using Digraph

Woo-Shik Seo, Bo-Kyeng Hou, Kyu-Suk Hwang

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University

1.서론

화학공업은 국가 기간산업으로서 산업발전의 중추적인 역할을 해왔다. 그러나 화학공장은 설비의 규모가 크고 복잡할 뿐 아니라 위험물질의 사용량이 많으므로 대형사고가 일어날 잠재성이 크다.

이러한 재해 또는 사고를 사전에 예방하고 안전한 조업을 위한 여건을 마련하기 위해 여러 가지 위험성 평가와 신뢰성 평가 방법이 도입되어 왔다. 이러한 시스템 안전공학의 대표적인 방법이 바로 FTA(fault tree analysis)이다. FTA는 시스템의 고장과 발생시키는 원인들과의 논리적인 관계를 tree로 구성한 다음, 시스템의 고장확률을 구하는 정량적 신뢰성 평가 방법이다. 그러나 FT(fault tree)의 합성은 많은 시간과 노력을 필요로 하기 때문에 Computer를 이용한 FT의 작성에 관한 체계적인 연구가 이루어져야 한다.

본 연구에서 제안한 FT 자동합성 전문가 시스템은 장치 유향그래프 모델(unit digraph model)로 각 장치의 기능을 표현하고 이것을 기반으로 전체공정의 유향그래프(digraph)를 작성한다. 작성된 유향그래프는 사용자 인터페이스를 통해 입력하여 임의의 고장에 대한 FT를 작성한 후, 사용자에게 그 결과를 보여준다.

2.연구방법

화학공정은  매우 복잡하고 규모가 큰 공정이지만 각 기능을 담당하고 있는 세부적인 장치별로 model화한 후, 각 장치 모델을 확장하면 이상의 전파나 faults/failures 등을 분석하는데 용이하다. 화학공장에서 발생할 수 있는 faults/failures는 공정변수들과의 관계, 루프(loop)의 형태, 장치의 고유한 특성 등으로 분류된다. FT를 작성하기 위해서는 여러 가지 방법들이 있으나 본 연구에서는 유향그래프를 이용한 정성적인 모사방법을 이용한다.

2.1.1 digraph에서의 loop의 종류

digraph는 공정변수를 표현하는 nodes와 이들의 상호영향관계(이것을 edge gain이라 한다)로 나타내는 것을 말한다. 그림에서 알 수 있듯이 Feedforward loop digraph는 시작노드와 종말노드로 가는 경로가 여러 개(즉, 시작노드와 종말노드가 일치하지 않는)인 경우를 말한다. 여기서, 각각의 gain의 곱이 음이면 Negative(Fig. 1), 양이면 Positive(Fig. 2)라고 말한다. Feedback loop digraph는 종말노드와 시작노드가 일치하는 것을 말하며, gain의 곱이 음이면 Negative(Fig. 3), 양이면 Positive(Fig. 4)라고 말한다.

Fig. 1. N-Feedforward loop digraph.

Fig. 2. P-Feedforward loop digraph.

Fig. 3. N-Feedback loop digraph.

Fig. 4. P-Feedback loop digraph.

2.1.2 digraph에서의 failures

(1) 이상(failures)의 전파가 한 노드에서 다른 한 노드로 다른 외부인자의 영향  없이 이루어지는 것(Fig. 5)

Fig. 5. failures on normal digraph.

(2)이상(failures)의 전파가 외부인자(장치, valve, pump, ...)에 의해 영향을 받으며, 각각의 조건에 따라 다르게 이상의 전파가 이루어지는 것(Fig. 6)

Fig. 6. failures on conditional edge digraph.

(3) 이상의 전파가 외부의 외란에 의해 이미 결정되어진 다음, 그 외란이 노드에 기존의 이상전파와 함께 추가로 전파되어지는 것(Fig. 7)

Fig. 7. failures on additional edge digraph

3. FT 자동합성 알고리즘

FT를 합성하기 위해 먼저 유향그래프를 작성해야 한다(유향그래프는 FT를 작성하기 위한 여러 가지 방법중의 하나이다). 유향그래프를 이해하기 위해서는 각 성분의 기능이 유향그래프에서의 용어들로 표현되어야한다. 성분고장(이상)의 모드는 unit digraph를 생성한다(Fig. 8).

우선 공정변수들은 digraph nodes와 location number로 표현된다. 공정변수는 P, M, T, S, C로 표시되며, 이것은 차례대로 압력, 유량, 온도, Signal, 농도를 나타낸다. 제안된 전문가 시스템의 구조는 Fig. 9와 같다.

Fig. 8. Procedure of automating FT synthesis

Fig. 9. FT Synthesis System.

4. 대상공정을 통한 FT 자동합성

본 연구에서는 butane vaporizing process(Fig. 10)의 control loop을 고찰하여 visual basic program으로 인터페이스 구축을 실행해보았다. butane vaporizing의 전체 유향그래프는 Fig. 11과 같다.

우선 control loop에 대한 것만을 살펴보면, 최상위 사건으로 M4에서의 유량증가를 들 수 있다. 이것에 대한 basic event는  M2의 유량증가이다. M4의 유량증가에 영향을 끼치는 인자는 여러 가지가 있으며, control loop에 영향을 주는 것도 유향그래프에서 쉽게 찾을 수 있다. Control loop에 영향을 주면, 유량 M3가 변화함에 따라 이상이 전파되어 M4에 영향을 준다. 아래 두 그림은 대상공정 중에서 control loop에 대한 유향그래프와 제안된 방법론을 이용해 FT를 합성할 수 있음을 보여준다. 위의 visual basic program에서 text control에 원하는 top event를 입력하여 확인버튼을 누르면, 해당 FT를 자동 생성해 준다(Fig. 12).

5. 결론 및 토론

복잡한 화학공정의 FT자동합성을 위해서는 각 공정을 세분하여 모델링한 후, 각 부분을 연결하여 확장하면 전체공정에 대한 유향그래프를 생성할 수 있다. FT생성을 위해서는 control loop에 대한 연구가 필요하다. 현재 다양한 화학공정에 유연하게 적용할 수 있는 전문가 시스템을 개발하고 있는 중이다.

Fig. 10. Schematic diagram of butane vaporizing system.

Fig. 11.  Control loop digraph of the .butane vaporizing process

Fig. 12. The user-interface for FT synthesis.

감사의 글

본 연구는 포항공과대학교 공정산업의 지능자동화 연구센타를 통한 한국과학재단 우수연구센터 지원금에 의한 것입니다.

참고 문헌

1. Andrews, J. D. and Morgan, J.M.: "Application of the Digraph Method of Fault Tree Construction to Process Plant", Reliablity Engng., 14, 85(1986).

2. Lapp, S.A., and Powers, G. J.: "Computer-Aided Synthesis of Fault Tree", IEEE Trans. Reliab., 26, 2(1987).