위험 분석 기법 - HAZOP (Hazard and Operability)

HAZOP 의 기본 전제는, 제품이 원래 설계된 대로 작동하는 한 근본적인 위험성이나 운용상의 문제는 없다는 것이다. 그러나, 만일 무엇인가의 이유로 인해 이상요인이 발생하게 되면, 제품이 그 충격을 감당할 수 있느냐 없느냐에 따라 사고가 발생한다는 것이다.

이 기법은 영국의 임페리얼 화학공업주식회사 (Imperial Chemical Industries Ltd., ICI) 에서 개발되어 미국 화공기술자협회 화학공정안전센터 (American Institute of Chemical Engineers Center for Chemical Process Safety) 에서 정리된 기법으로서, 여러 전문분야의 구성원들로 이루어진 분석 팀이 조직적으로 난상토론 (brainstorming) 을 하는 과정에서 시스템의 위험원들과 운용상의 문제점을 구명하는 것이다.

방법론과 분석내용으로 보아서는 앞에서 살펴 본 What If 분석과 크게 다르지 않지만, 분석을 연구 절점 (study nodes) 이라고 하는 특정부분에 집중시키며, 지침어 (guide words) 라고 하는 독특한 분석지침을 도입하기 때문에 좀 더 조직적이고 체계적으로 분석을 할 수 있다는 점에 차이가 있다.

HAZOP 의 분석 목적은 다음과 같이 정리할 수 있다.

• 의도된 설계기능이나 조건 등을 포함하여, 제품이나 시스템의 상세한 설명을 제공한다. 
• 시스템이나 제품의 모든 부분을 체계적으로 검토함으로써, 설계의도로부터의 일탈이 어떻게 발생하는가를 파악한다. 
• 이러한 일탈들이 위험이나 사용상의 문제들을 초래할 수 있는지 결정한다. 

HAZOP 에서는 기본적으로, 제품의 기능특성이 제품의 상태변수를 통해 표현되어야 한다. 제품의 상태변수 (process parameters) 란 제품의 기능이나 운용상태를 나타내기 위한 물리적 변수들을 말하는데, 표 1 에서 보는 바와 같이 온도, 습도, 압력, 유속, 반응속도 등이 그 예이다.

표1. 제품의 상태변수 예시 

SW 제어 구분(예시)

SW 는 제어 특성에 따라 6 개의 제어 범주로 구분할 수 있다.

범주 1

• 시스템의 기능을 독자적으로 제어하는 SW
• 해당 SW 의 오작동으로 인한 위험원 발생을 완화하기 위한 다른 독립 적인 하위 시스템이 없어서 해당 SW 의 고장이 직접적으로 시스템의 위험원을 발생시킨다. 

범주 2

• 시스템의 기능을 제어하는 SW
• 해당 SW 의 오작동으로 인한 위험원 발생을 완화하기 위한 다른 독립적인 하위 시스템이 있다. 

범주 3

• 시스템의 위험원을 탐지하고, 위험원을 완화하기 위한 사용자의 조치를 요구하는 기능을 수행하는 SW
• 해당 SW 의 오작동은 시스템의 위험원을 발생시킨다. 

범주 4

• 시스템의 기능을 제어하는 SW
• 해당 SW 의 오작동으로 인한 위험원을 방지할 수 있는 다중의 독립된 하위 시스템이 존재한다. 

범주 5

• 시스템의 위험원을 탐지하고, 위험원을 완화하기 위한 사용자의 조치를 요구하는 기능을 수행하는 SW
• 그러나 해당 SW 외에도 다중의 독립적인 상태정보를 제공하는 독립적인 하위 시스템이 있다. 

범주 6

• 시스템의 기능을 제어하지 않으며, 사용자 조치를 위한 정보를 제공하지도 않는 SW 

표는 SW 의 안전무결성 수준 결정을 위한 SW 위험원 심각성 매트릭스로 SW 의 안전무결성 수준은 SW 의 제어특성과 시스템의 안전무결성 수준의 조합으로 결정된다. 세로축은 SW 의 제어범주를 나타내며, 가로축은 시스템의 안전무결성 수준을 나타낸다. 예를 들어, 시스템의 안전무결성 수준이 4 이고 SW 의 제어범주가 ④이면, 해당 SW 의 안전무결성 수준은 최소한 2 이상으로 개발되어야 한다. 

안전 무결성 수준(SIL) 결정

IEC61508 에서는 안전 무결성수준(SIL)을 주어진 조건하에 있는 안전관련 시스템이 주어진 시간 내에 요구되는 안전 기능을 만족스럽게 수행할 수 있는 확률로 정의하며, 크게 네가지 등급으로 분류하고 있으며, SIL 4 가 가장 높은 수준이고 SIL 1 이 낮은 수준이다. 안전 무결성은 안전 기능을 수행하는 안전관련 시스템의 성능과 관계되어 있다.

SW 안전 무결성 수준은 모 시스템의 안전 무결성 수준을 하위시스템으로 할당하는 과정을 통해서 결정된다. 즉, 시스템의 안전 무결성 수준을 SW 를 하나의 구성요소로 갖고 있거나 또는 SW 가 유일한 구성요소일 수 있는 하위시스템으로 할당하므로 하위 SW 시스템에 대한 안전 무결성 수준은 상위의 시스템 안전 무결성 수준과 같은 수준으로 배정한다. 그림 1은 할당 과정을 보여준다.

그림1. 안전 무결성 할당 과정

이와 같은 조건은 SW 안전 무결성 수준이 다음과 같은 사항들을 고려하여 감소될 때까지 그대로 유지된다.

위험 완화 기능을 수행하는 하위 시스템에서 단일 또는 복수 고장이 발생하여도 위험한 사건(hazardous Event)이 감소되도록 안전 기능을 복수 이상 제공하는 구조적 설계를 시스템에 반영한다. 하위 시스템이 도출된 위험한 사건 또는 감소 기능에서 어떤 역할을 수행하는지 파악한다. 하위 시스템들의 역할과 그 연계를 파악할 수 있도록 충분히 상세하게 시스템의 구조적 특징이 정의되어야 한다.

SW 의 무결성 수준을 결정하기 위해 필요한 내용은 다음과 같다.

• 시스템 안전 무결성 수준 
• 위험원 목록과 각 위험원에 대한 다음과 같은 정보 
• 위험원을 초래한 수 있는 개시 사건들 
• 각 개시 사건에 대한 발생 예상 빈도 또는 확률 
• 각 하위시스템의 역할을 결정하고 완화 기능을 파악하기 위해 충분히 상세한 시스템 구조의 정의  

하위 시스템에 안전 무결성 수준을 할당하는 방법은 아래와 같다.

• 대상 시스템을 구성하는 모든 하위 시스템들을 규명한다.  
• 어떤 하위시스템의 고장이 단일 또는 복합적으로(다른 하위시스템의 상태와 조합해서) 시스템의 위험원이 되는지 결정한다. 복합 구성에서 만약 한 하위 시스템의 고장이 독자적으로 시스템의 위험원이 된다면 그 하위 시스템의 안전 무결성 수준은 시스템의 안전 무결성 수준과 동일하게 할당된다. 만약 그 하위시스템의 고장이 다른 하위시스템들의 상태와 조합해서 시스템의 위험원이 된다면 그 하위시스템의 무결성 수준은 다음에 정의된 평가결과에 따라 감소될 수 있다. 다음에 언급된 평가는 강제 사항은 아니나, 하위시스템의 무결성 수준을 감소시키기 위해 수행한다. 
• 어떤 하위시스템의 고장이 독립적으로 또는 다른 하위시스템의 상태와 조합해서 시스템의 완화 기능의 수행 여부에 영향을 줄 수 있는지 결정한다. 그림 2는 시스템 사이의 관계를 개념적으로 보여준다. 

 그림 2. 시스템 사이의 관계 

• 하나의 하위 시스템의 고장이 독자적으로 시스템의 완화 기능을 수행하지 못하게 한다면 그 하위시스템의 무결성 수준은 시스템의 무결성 수준과 동일하게 할당된다. 만약 그 하위시스템의 고장이 다른 하위시스템들의 상태와 조합해서 시스템의 완화 기능을 수행하지 못하게 한다면 그 하위시스템의 무결성 수준은 다음에 정의된 평가결과에 따라 감소될 수 있다. 다음에 언급된 평가는 강제사항은 아니나, 하위 시스템의 무결성 수준을 감소시키기 위해 수행한다. 
• 고장이 시스템의 위험원이 되지 않거나, 시스템 사건의 완화 기능과 관계가 없는 SW 가 탑재된 하위시스템들이 있는지를 결정한다. 그러한 SW 는 가장 낮은 무결성 수준을 할당한다. SW 고장이 위험원을 초래할 수 없도록 하기 위하여 결함 격리(fault isolation)가 필요하다. 시스템의 설계 담당자와 안전(또는 품질보증) 담당자는 결함이 적절하게 격리되도록 하기 위하여 시스템의 구조가 적합한지 조사해야 한다. 만약 결함 격리가 고장처리방법으로 가능하다면 그 방법은 시스템과 동일한 SW 무결성 수준이 할당된다. 

위의 네 가지 절차는 SW 만으로 이루어진 모든 하위시스템들의 무결성 수준이 결정될 때까지 또는 SW 를 하나의 구성요소로 하는 모든 하위시스템들의 무결성 수준이 설계 담당자와 안전 담당자에게 적절하다고 인정될 때까지 반복적으로 적용한다.

<위험 분석 절차> 안전 기능 할당

시스템의 위험원에 대하여 위험성이 정해진 후 해당 위험성을 수용할 수 없을 경우에 어떻게 위험원의 발생빈도를 허용 가능한 발생빈도로 낮출 것인지, 제어시스템의 위험성을 허용 가능한 목표치에 도달시키기 위한 안전 기능은 무엇인가에 대한 문제를 해결한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 다음 사항을 만족 해야한다.

• 모든 위험원과 관련된 발생원인을 세부적으로 도출한다. 
• 발생 원인이 위험원으로 진전되지 않도록 하는 안전기능을 도출한다. 
• 발생 원인을 나눌 경우 가능한 한 최소한으로 나누어야 한다. (Minimal Cut Set) 

각 안전기능은 개발된 관련 안전무결성 요구사항을 하나 이상의 지정된 E/E/PE 안전관련 시스템 및/또는 기타 리스크 감소 설비에 할당하여 안전기능을 위한 허용 가능 리스크가 달성될 수 있도록 한다. 

이런 할당은 반복적이며, 허용 가능 리스크가 달성되기 어렵다고 판단되면 위험요인을 감소하기 위한 기능을 추가로 개발하여 EUC 제어 시스템, 지정된 E/E/PE 안전관련 시스템 및 기타 리스크 감소 설비를 위한 명세를 변경하고, 할당을 반복한다. 명세된 안전기능을 모두 할당하고 목표고장 기준으로 각 안전기능을 정의한다. 그림 1은 위험원 제거를 위한 안전기능 할당의 절차를 보여준다. 

그림 1.  위험원 제거을 위한 안전 기능 할당 절차

제어시스템의 안전 기능을 도출하여 해당 위험성을 낮추려고 할 경우에는 가능한 한 최악의 경우를 고려한다. 그러나 제어시스템과 같이 복잡한 시스템의 안전기능의 정도를 설정함에 있어서 다음과 같은 어려움이 있다. 

• 시스템의 갖가지 기능들이 고장날 경우 그 고장 정도는 매우 다양하다. 
• 시스템의 고장을 방지할 안전 기능은 일반적으로 몇 가지 위험원에만 영향을 미친다. 
• 위와 같은 특성을 가지는 안전기능에 단순히 안전 무결성 수준을 설정하여 평준화하는 것은 주관적이며, 모호한 작업일 수 있다. 

 

이러한 SIL 할당의 어려움을 보완하기 위하여 다음과 같은 절차를 적용한다. 

• 조치를 취해야 하는 위험원에 대하여 최대로 수용 가능한 발생 빈도 또는 허용 가능한 위험률을 적용한다. 
• 어느 고장측 고장이 어떤 기능에 영향을 미쳐 잠재적으로 위험원이 발생하는지 확인한다. 이는 어느 고장측 고장이 다른 고장측 고장과 And 게이트로 연결되어 있는지 확인하는 것이다. 
• 잠재적인 위험원 중 가장 낮은 값을 선택한다. 
• 해당 안전 기능을 안전무결성 수준으로 전환한다. 

제어시스템을 운영하는 동안 다양한 상황이 발생한다. 매우 다양한 위험원이 발생할 수 있으나 그 발생 빈도를 평가한다는 것은 매우 어려운 작업이다. 예를 들어 인적 요인과 관련된 위험원이 그런 경우이다. 따라서 각각의 위험원을 보완하는 안전기능들이 필요한지, 필요하지 않은지를 결정하는 문제부터, 안전기능에 필요한 레벨은 어느 정도인지를 결정하기 위해서 주어진 운영환경의 특징 및 통계값을 살펴보고, SIL 에 기반을 두어 좀더 자세히 위험성 분석을 수행해야 한다.
 

<위험 분석 절차> 안전 요구사항 할당

지정된 E/E/PE 안전관련 시스템 및 기타 리스크 감소 설비에 전체 안전 요구사항(전체 안전기능 요구사항과 안전무결성 요구사항 모두)에 대한 명세를 포함하여 안전기능을 할당하고, 각 안전 기능에 목표고장 기준과 안전무결성 수준을 할당한다.

필요한 기능안전성을 달성하기 위해 사용될 지정된 안전관련 시스템을 명시한다. 허용가능 리스크 감소는 E/E/PE 안전관련 시스템 및 기타 리스크 감소 설비에 의해 충족될 수 있다.

각 안전기능과 안전무결성 요구사항을 하나 이상의 지정된 E/E/PE 안전관련 시스템 또는 기타 리스크 감소 설비에 할당하여 안전기능을 위한 허용 가능 리스크가 달성될 수 있도록 한다. 이런 할당은 반복적이며, 허용 가능 리스크가 달성되기 어렵다고 판단되면 EUC 제어 시스템, 지정된 E/E/PE 안전관련 시스템 및 기타 리스크 감소 설비를 위한 명세를 변경하고, 할당을 반복한다.

안전무결성 요구사항 할당은 확률을 조합하는 적절한 기법을 이용하여 수행한다. 할당이 충분히 진행되면 E/E/PE 안전관련 시스템(들)에 할당된 각 안전기능에 대한 안전무결성 요구사항을 안전무결성 수준으로 명시한다. 표를 참고한다.

• 저요구 작동모드(low demand mode of operation)에 대한 안전 기능의 요구 시 위험측 고장평균 확률(PFDavg, Probability of Failure on Demand) 
• 고요구 작동모드 (high demand mode of operation)에 대한 안전 기능의 위험측 고장 평균 빈도(PFH, Probability of Failure per Hour) 
• 연속적인 작동모드(continuous mode of operation)에 대한 안전 기능의 위험측 고장 평균빈도(PFH). 

위와같이 세가지 유형의 작동 모드를 구분하는 이유는 빈번한 호출이 이루어지지 않는 경우에는 확률적으로 정확한 측정이 어렵기 때문에 이를 보완하기 위한 별도의 측정 변수 및 기준이 필요하기 때문이다.

서로 다른 안전무결성 수준을 가지는 안전기능들을 구현하는 E/E/PE 안전관련 시스템의 경우 특정 안전기능들 간의 구현 독립성이 충분하다는 것을 보여줄 수 없다면, 이렇게 구현 독립성이 불충분한 안전관련 하드웨어와 소프트웨어의 각 부분(Part)들은 가장 높은 안전무결성 수준을 가지는 안전기능에 속하는 것으로 취급한다. 그러므로 가장 높은 관련 안전무결성 수준에 적용 가능한 요구사항들을 모든 부분(Part)에 적용한다.

<위험 분석 절차> 안전 요구사항 명세

이 단계에서는 E/E/PE 안전관련 시스템 및 기타 리스크 감소 설비에 대해 필요한 기능안전성을 달성하기 위해 안전기능 요구사항 및 안전무결성 요구사항의 측면에서 전체 안전 요구사항에 대한 명세를 개발한다.

위험원 및 위험 분석으로부터 얻은 위험한 사건에 기초하여 필요한 모든 전체 안전기능 요구사항에 대한 명세를 개발한다. 보안 위협이 확인된 경우 보안 요구사항을 규정하기 위해 취약점 분석을 수행한다.

각각의 전체 안전기능을 위해 목표 안전무결성 요구사항을 허용 리스크에 부합되도록 결정하고 각각의 요구사항은 정량적 또는 정성적 방법으로 결정하며, 이는 전체 안전무결성 요구사항의 명세를 구성되며, 전체 안전무결성 요구사항은 다음중 하나의 관점에서 규정한다.

• 허용 가능 리스크를 달성하는 데 필요한 리스크 감소 
• 허용 가능 리스크를 충족하기 위한 허용 가능 위험한 사건 

EUC 리스크를 평가할 때 단일 EUC 제어 시스템 기능의 위험측 고장의 평균 빈도가 시간당 10－5 이하일 경우 그 EUC 제어 시스템은 요구사항에 따르는 안전관련 제어 시스템으로 간주한다.

EUC 제어 시스템의 고장으로 하나 이상의 E/E/PE 안전관련 시스템 및/또는 기타 리스크 감소 설비가 필요한 경우, 그리고 EUC 제어 시스템을 안전관련 시스템으로 지정하지 않는 경우, 다음의 요구사항을 적용한다.

• 위험측 고장률은 다음에서 얻은 데이터로써 확인 
• 유사한 응용에서의 EUC 제어 시스템의 실제 운영 경험 
• 인정되는 절차에 의해 수행된 신뢰도 분석 
• 일반 장비의 신뢰성있는 산업 데이터베이스 
• 위험측 고장률은 시간당 10의 (-5)승 보다 높아야 함 
• 합리적으로 예측 가능한 모든 위험측 고장 모드는 전체 안전 요구사항에 대한 명세의 개발을 고려 
• E/E/PE 안전관련 시스템 및 기타 리스크 감소 설비로부터 독립적 

위 요구사항을 충족할 수 없는 경우, EUC 제어 시스템을 안전관련시스템으로 지정해야 한다. EUC 제어 시스템 기능의 안전무결성 수준에 따라서 EUC 제어 시스템에 대해 요구되는 위험측 고장률에 의해 결정된다. 그러한 경우, 할당된 안전무결성 수준에 해당되는 요구사항을 EUC 제어 시스템에 적용한다.

자세히 보기 >>>

위험원 및 위험분석 절차 정리

위험원 식별

1. 예비위험원목록 (PHL)

• 응용시스템에 대한 예비위험원목록(PHL)을 작성한다. 이것은 모든 확인된 위험원을 수록하고, 일반적으로 안전성 분석보고서와 가상개시사건 목록을 참고한다. 

2. 예비위험원분석 (PHA)

• SW에 의해 영향을 받는 응용시스템과 하부시스템들에 대한 예비위험원분석(PHA)을 작성한다. 이 분석에서 예비위험원목록(PHL)에 수록된 각 위험원을 평가하고, 그리고 각 위험원에 미칠 수 있는 SW의 영향을 기술한다. 

3. 위험원 조사 및 평가

• 요구되는 위험원 조사와 평가를 응용시스템과 그 하부 시스템의 수준에서 수행한다. 이것은 위험원들에 미치는 SW의 영향 평가를 포함하여야 한다. 각 위험원에 관련된 SW 영향요소는 다음과 같다. 
• SW 가 E/E/PES 시스템 안전 장치를 위협할 수 있다. 즉 SW 가 정확하게 동작하지 않으면 위험한 상황을 만들 수 있고, 그 상황은 다른 시스템에 의해서 재거 또는 완화되어야 한다. 예를들어 SW-기반 제어 장치가 고장나면 E/E/PES 시스템을 불안전한 작동으로 시스템 이상 현상을 일으킬 수 있다. 
• SW 는 어떤 위험원이 사건(incident)으로 진전되는 것을 막을 수 있다. 때문에 SW가 정확하게 동작하지 않으면, 그 위험원이 사건으로 진행할 가능성이 있다. 예를 들어, E/E/PES 시스템 정지 장치의 SW가 고장나면 비상시 E/E/PES 시스템 이상로 아주 심각한 사건으로 진행할 수 있다. 
• SW 는 그 시스템을 위험한 상태에서 위험하지 않는 상태로 가져갈 수 있다. 위험한 상태는 SW가 아닌 응용시스템의 특정 부분에서 생길 수 있다. 비상노심냉각장치를 제어하는 SW 가 그러한 사례이며, 이 장치는 다른 냉각 장치를 사용할 수 없을 때 E/E/PES 시스템을 고온 정지에서 저온 정지로 전환하기 위해 잔열을 제거한다. 
• SW 는 사고 결과를 완화하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 격납 건물 격리 장치를 제어하는 SW는 일반 대중에게 피해를 줄 수 있는 방사성 방출을 격납건물 안으로 격리시킬 수 있다. 

위험성 계산 

4. 심각도 및 발생가능성 산정

• 확인된 각 위험원에 대해서 발생에 따른 심각도 수준과 발생 가능성을 정한다. 표1과 표2는 이를 위한 기준으로 사용될 수 있다. IEC 61226 과 MIL-STD- 882 를 기반으로 작성되었다. 

표1. 위험원 심각도 (IEC 61126 참조)

 

표2. 위험원 발생확률(Mi-Std-882C 참조) 

5. 위험성 추정

• 위의 단계 4에서 인용한 도표를 이용하여 표3을 작성한다. 표2는 각 위험원에 대해 리스크 추정치를 도출하는데 사용될 수 있다. 표3은 전체 리스크 척도를 얻기 위해 표 1의 위험원 심각도와 표2의 위험원 발생확률을 조합한 것이다. 따라서 치명적인 심각도와 비교적 빈번한 발생 확률을 갖는 사건들은 높은 리스크를 갖는 것으로 판단된다.

표3.  위험성 수준 결정을 위한 매트릭스 

6. 위험성 수준 파악

• 예비위험원목록(PHL), 예비위험원분석(PHA) 또는 다른 위험원분석에서 확인된 각 위험원에 대해서는 위의 단계 5에서 작성된 도표를 이용하여 리스크 수준을 파악한다.