2.1에서 조사한 바와 같이 사고 원인은 크게 시설 결함, 전기적⋅기계적 결함, 신호 및 통신체계 결함, 인적 결함, 기타 결함으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 이를 각각 시설 결함, 차량 결함, 신호 결함, 인적 결함, 기타 결함으로 재설정하고 각각의 결함 항목에 대하여 고장 수목 분석(Fault Tree Analysis)을 수행, 각각의 결함 항목에 대한 세부 원인을 선정하고, 발생 확률을 산정하였다.
2.2.2 고장 수목도(Fault tree) 작성
D-Rail Project의 일환으로 DNV(Det Norske Veritas)에서는 화물열차의 탈선사고 원인을 파악하고 리스크 모델을 수립하기 위하여 시설 결함, 차량 결함, 인적 결함에 대하여 고장 수목 분석을 수행하였다(
DNV, 2011). 하지만, 이는 화물 열차의 탈선사고에 국한되어 있으며, 앞서 2.1절에서 확인한 주요 결함인 신호결함 부분이 인적결함으로 포함되어져 있어 정확한 파악이 어렵다.
따라서 본 연구에서는, 고장 수목도 작성을 위하여, 철도차량 일탈 사고를 주요사건(Top Event)으로 선정하고, 사고 사례 분석을 통하여 얻어진 주요 사고 원인 분류인 시설 결함, 차량 결함, 신호 결함, 인적 결함을 중간사건(Intermediate Event)으로
Fig. 3과 같이 정의하였다. 이때 기타 결함의 경우, 선로 난입(차량 등), 기후에 의한 재난, 충돌에 의한 탈선 등의 여러 요인이 존재하지만, 국내에서는 발생빈도가 낮거나, 여타 다른 결함요인 항목에 포함되는 경우가 많기 때문에 본 연구에서는 고려하지 않기로 하였다. 또한, 모든 중간사건 및 기본사건(Basic Event)들은 하나만 발생하더라도 상위 사건의 주요 원인으로 작용할 수 있기 때문에, OR Gate를 사용하였다.
인적 결함의 경우, 시설 정비 불량, 차량 정비 불량, 운전 불량, 신호제어 불량, 외부 인적 오류로 나눌 수 있다. 하지만, 시설 정비 불량과 차량 정비 불량, 신호제어 불량의 경우 각각 시설 결함과 차량 결함, 신호 결함의 기본 사건이 되는 일부 항목의 원인이 되기 때문에, 본 연구에서는 운전 불량과 외부 인적 오류를. 각각 인적결함의 중간사건과 기본사건으로 선정하여
Fig. 4와 같이 나타내었다. 이때, 인적 오류 항목에서 제외된 항목들은 오류로 인한 결과를 추후 2.2.3절에서 각 항목의 발생 확률에 포함시키는 방식으로 분석을 수행하여 반영하였다.
시설 결함의 경우, 분기기부 결함, 노반부 결함, 레일결함, 기타 시설 결함으로 분류할 수 있었으며, 각 결함 항목에 대하여 기본사건을
Fig. 5와 같이 선정하였다.
신호 결함의 경우, 신호 및 전달 체계 오류, 폐색 장치 오류, 신호 장비 결함으로 선정하고 기본사건을
Fig. 6과 같이 선정하였다.
차량 결함의 경우, 동력차 결함, 객차 결함, 차량 연결부 결함으로 분류하며, 동력차 결함과 객차 결함의 경우, 각각 대차 결함, 차륜⋅차축 결함, 차량부 결함으로 중간사건을 선정하고, 각각의 중간사건 별 기본사건을
Fig. 7과 같이 선정하였다.
이렇게 구성된 철도차량 탈선사고의 고장 수목도 전체는
Fig. 8과 같다.
2.2.3 국내외 철도 차량 일탈 사고 원인 비교 분석
기본사고 발생 확률의 신뢰도 확보를 위하여, 많은 정량적 사례가 필요하지만, 철도 차량 일탈 사고는 발생 사례의 빈도가 크지 않다. 따라서 본 절에서는 2.2에서 수집한 철도 탈선사고 사례와 2.2.2에서 구성한 고장 수목(Fault Tree)을 이용하여, 국내와 미국, 영국, 유럽의 철도 차량 일탈 사고에 대한 고장 수목 분석(Fault Tree Analysis)을 수행하고 각 기본사건과 중간사건의 확률을 산정, 비교하였다.
본 연구에서 기본사건들은 각각의 해당 상위 중간사건에 대하여
Fig. 9와 같이 OR Gate의 논리 연산자로 연결되어 있으며,
Eq. (1)을 통해 계산할 수 있다.
P : Occurrence probability of Intermediate Event
PA , PB : Occurrence probability of Basic Event
국내 선로 결함의 확률 산정을 예로 들면, 기본사건인 정렬 불량, 레일 체결구 불량, 기타 결함이 각각 0.1965, 0.0179, 0.0357의 확률을 가진다. 각각의 기본사건(Basic Event)의 확률은
Eq. (1)을 이용하여 중간사건(Intermediate Event)인 궤도 결함에 대한 확률은 0.2390으로 산정된다. 이와 동일한 방식으로 철도 차량 일탈 사고의 기본사건과 중간사건의 발생확률을
Table 1과 같이 산정하였다.
발생확률 산정 결과, 국내 철도 차량 일탈 사고의 중간사고(Intermediate Event)는 ‘1순위 - 부주의에 의한 운전오류’, ‘2순위 - 차륜⋅차축 결함’, ‘3순위 - 궤도 결함’ 순으로 확인 가능하였다. 하지만 미국, 영국, 유럽의 경우 모두 ‘1순위 - 궤도 결함’, ‘2순위 - 신호 결함’ 순이며, 3순위의 경우 미국과 유럽은 ‘분기기 결함’, 영국은 ‘부주의에 의한 운전 오류’로 확인할 수 있었다.
시설 결함의 경우, 모든 국가에서 궤도 결함에 의한 철도 차량 일탈 사고 발생 확률이 가장 높게 나타났으며, 그중 궤도 틀림(Basic Event)에 대한 발생 확률의 경우, 영국(0.0483)을 제외한 한국(0.1964), 미국(0.1415), 유럽(0.4739)에서 가장 비교적 높은 수치를 보이며, 분기기 결함(Intermediate Event)에 대한 발생 확률은 영국(0.0621), 한국(0.0702), 미국(0.1939), 유럽(0.1407)으로 대체적으로 높은 수치를 보였다.
차량결함의 경우 분석 해당 국가 모두가 전반적으로 고른 분포를 보이며, 국내의 경우, 차륜, 차축의 베어링 결함(Basic Event)과 화차의 차륜 결함(Basic Event)이 각각 0.1071과 0.1250의 확률로 비교적 높게 산정되었다.
신호결함의 경우, 신호 및 통신, 관제 결함이 한국(0.1250), 미국(0.1870), 영국(0.2345), 유럽(0.2691) 모두 높은 확률로 산정되었다.
인적 결함의 경우, 유럽을 제외한 모든 국가에서 부주의에 의한 운행 결함(Intermediate Event)이 미숙으로 인한 운행 결함(Intermediate Event)보다 발생확률이 높게 나타났다.