Risk Evaluation of Hierarchical Failure Causes in FMEA

Abstract

FMEA는 설계 및 공정에서 발생할 수 있는 잠재적 고장유형을 식별하고 그것의 원인 분석을 통해 위험을 평가하는 도구이다. RPN을 위험평가 척도로 하는 FMEA는 적용하기 쉽고 간단하여 1940년대 말 처음 도입된 이래 현재까지 산업현장에서 널리 사용되고 있다. 그러나 RPN을 이용한 위험평가에 대해서는 많은 문제점들이 제기되어 왔으며 대표적으로는 RPN을 구성하는 세 요소들간의 상대적 중요도가 배제되어 있다는 점, 세 요소의 서로 다른 값의 조합으로 같은 RPN을 가질 경우 위험 정도를 달리 해석할 수 있다는 점, 그리고 세 요소의 값을 정확히 평가하기 어렵다는 점 등이 있다. 기존 FMEA의 여러 문제점들 중 본 연구에서 개선하거나 보완하고자 하는 사항들을 정리하면 다음과 같다. 첫째, RPN의 구성요소인 발생도, 검출도 그리고 심각도의 평가가 주로 과거의 경험이나 엔지니어들의 주관적 판단에 의해 결정되기 때문에 객관적이고 논리적인 평가가 이루어지기 어렵다. 둘째, 고장의 근본원인에 대한 체계적인 분석방법을 제공하고 있지 않아서 여러 계층에 걸친 원인에 의한 고장은 분석하기 어렵다. 셋째, 하나의 원인으로 다수의 고장을 일으키는 공통원인고장을 고려하고 있지 않다. 넷째, 원인이 발생하고 일정 시간이 경과한 후에 고장이 발생할 경우를 고려하지 않고 있다. 이와 같은 네 가지 사항들은 산업현장에서도 자주 접할 수 있는 현실적인 문제들이므로 본 논문에서 집중적으로 연구하고 개선 방안을 제시하였다. 본 논문의 연구주제를 자연스럽게 전개하기 위해 연구내용을 다음과 같이 구성하였다. 먼저 서론부분에서는 개선 방향으로 제시한 네 개 분야와 관련된 국내외 선행연구를 조사하였다. 조사된 선행연구들은 핵심 키워드인 “RPN”, “계층”, “공통원인고장” 그리고 “시간”으로 분류하여 내용을 분석하였고 그 결과를 바탕으로 연구의 범위 및 방향을 설정하였다. 다음으로 본 연구의 전체적인 기본 전제가 되는 계층적 고장원인 구조 하에서 FMEA의 실시방법을 제시하였다. 고장이 여러 계층의 고장원인으로 인해 일어날 경우 근본원인은 가장 하위계층의 원인이 될 것이다. 고장문제를 근본적으로 해결하려면 근본원인에 대한 조치를 취해야만 할 것이므로 고장원인에 대한 계층적 정보는 정확한 위험평가 시 필요할 뿐 아니라 고장 조치에도 중요한 요소이다. 본 연구에서는 FTA를 근거로 구체화된 고장원인에 대한 계층 정보를 FMEA시트에 표현할 수 있는 방법론을 제안하였다. 또한 고장원인 간의 관계정보를 통해 발생확률 및 검출확률을 구하는 방법을 제안하였고, 이를 통해 확률기반의 위험우선순위 척도인 RPM 을 제시하였다. 본 연구에서 제안한 RPM은 고장원인의 발생으로 유발되는 고장영향의 평균적인 위험도를 나타낸다. 즉, 고장에 관련된 제반 사항을 고려하여 산출된 심각도의 수학적인 기대 값으로서 기존의 RPN과는 달리 실질적인 의미를 갖는 척도이다. 또한, 계층적 분석을 통해 근본원인에 대한 위험평가를 할 수 있도록 함으로써 기존의 FMEA보다 예방차원의 조치가 합리적으로 이루어질 수 있는 토대를 제공하였다. 이어서 계층적 고장원인 구조하에서의 공통고장원인 발생문제를 다루었다. 공통원인고장의 발생에 가장 쉽게 노출될 수 있는 경우는 동일한 부품이 병렬 연결된 구조일 것이다. 따라서, 본 연구에서는 이 같은 현실적인 측면과 모형의 단순화를 위해 동일부품들이 공통원인고장에 노출되었을 경우만 고려하였다. 공통원인고장의 적절한 표현을 위해 고장나무를 이용하여 부품 고장을 독립적인 고장과 공통원인으로 인한 고장으로 분리하였다. 고장나무로 표현된 공통원인고장의 계층정보를 FMEA시트에 포함시켜 표현할 수 있는 방법을 제안하였고 위험평가는 RPM을 기반으로 하였다. 공통원인의 RPM은 공통원인에 관련된 모든 고장의 RPM값의 합으로 구하였다. 이것은 공통원인으로 인한 손실은 그로 인해 발생하는 모든 고장에 수반된 손실의 합으로 나타날 것이기 때문이다. 공통원인고장을 포함한 FMEA시트는 사례적용을 통해 유용성을 검증하였다. 마지막으로 계층적 고장원인 구조 하에서 원인과 고장 발생 사이에 시간적인 지연이 있을 경우를 연구하였다. 고장은 고장원인 발생 즉시 발생할 수도 있겠지만 종종 일정시간 경과 후에 발생하는 경우도 있다. 일반적으로 고장 발생 전에 고장의 징후가 보인다면 그것은 고장원인이 이미 발생하여 고장으로 진행되고 있다는 것을 의미한다. 이 같은 상황은 대부분 현장에서 자주 볼 수 있는 것으로 본 논문의 마지막 연구 주제로 하였다. 연구의 난이도를 고려하여 먼저 계층적 구조가 아닐 경우부터 모형화하여 분석한 후 2단계 계층구조를 가진 경우에 대해 분석하였고 3단계 이상은 모형이 지나치게 복잡하게 되어 본 연구에서는 제외하였다. 관련된 시간변수로서 원인발생시부터 고장발생시까지의 지연시간, 고장발생 이후의 경과시간, 원인발생 후 구체적인 원인을 밝혀내기까지의 탐지시간을 고려하였다. 그리고 고장원인이 탐지되는 시점을 고려하여 심각도를 모형화하였다. 원인이 고장발생 전에 탐지되는 경우에는 영향은 없고 원인에 대한 조치비용만 필요할 것이고 고장발생 후에는 원인에 대한 조치뿐만 아니라 고장영향에 대한 처리도 필요할 것이기 때문이다. 본 연구에서는 지연시간과 탐지시간이 모두 지수분포를 따른다고 가정하고 위험평가모형을 제안하고 심각도가 선형 및 2차 모형일 경우를 분석하였다. 또한, 예시를 통해 제안 모형을 토대로 평가된 RPM의 타당성과 유효성을 검토하였다.