冗長設計・フェイルセーフ設計実践ハンドブック

公開日：2025/09/06 最終更新日：2025/09/19

技術者研修

TOP
技術者研修
冗長設計・フェイルセーフ設計実践ハンドブック

はじめに：冗長設計・フェイルセーフ設計の重要性
基本概念と設計原則
現場視点から見たリスクと障害シナリオ
冗長化アーキテクチャの設計実務
フェイルセーフ機能の具体的実装
部門連携と意思決定プロセス
教育・訓練と組織内展開
導入ステップと評価プロセス
まとめ
振り返りワーク

はじめに：冗長設計・フェイルセーフ設計の重要性

公共交通システムは、多数の利用者の安全を預かる社会インフラであり、わずかな機器の不具合や設計上の見落としが重大事故につながるリスクを常に抱えています。そのため、設計段階から「安全側に倒れる仕組み」を組み込むことは不可欠であり、冗長設計やフェイルセーフ設計はその根幹を成す思想です。特に鉄道やバスといった公共交通では、一度に数百人単位の乗客を輸送するため、単一障害点（Single Point of Failure）を放置すれば運行停止や人命に関わる事態を招きかねません。現場では「壊れることを前提に設計する」姿勢が求められ、その姿勢をいかにシステム全体に織り込むかが技術者の腕の見せ所となります。

冗長設計とは、「主要な機能を複数の系統で支える仕組み」を指し、電源二重化や信号回路の並列化、通信経路のバックアップなどが代表例です。これにより、片系が故障しても全体が停止せず、運行を継続できる強靭性を確保できます。一方、フェイルセーフ設計は「万一の故障が起きても安全側に動作する」思想であり、たとえば鉄道信号機が球切れを起こした際には自動的に赤信号を表示する仕組みなどが典型です。両者は補完関係にあり、冗長設計が「止めない工夫」であるのに対し、フェイルセーフ設計は「止めてでも安全を守る工夫」と言えます。このバランスをどう取るかが、実務における設計判断の難しさであり、設計者にとって最も重要な思考課題のひとつです。

また、これらの思想は設計部門だけで完結するものではなく、運行管理部門や保守現場との密な連携が欠かせません。例えば冗長化した電源を導入しても、現場の技術者が切替手順を理解していなければ、障害発生時に十分な効果を発揮できません。逆にフェイルセーフ設計を徹底しすぎると、少しの不具合でシステムが停止し、運行に過剰な影響を与える恐れもあります。このため、設計者は「現場でどのように運用・維持管理されるか」を想定したうえで、冗長性とフェイルセーフ性の最適点を探る必要があります。

公共交通における安全確保は、単なる技術論ではなく、社会的責務そのものです。冗長設計・フェイルセーフ設計を理解し実践できるかどうかは、技術者個人の力量だけでなく、組織全体の成熟度を測る指標ともなります。本記事では、その基本原則から具体的な実務手法、部門間の連携方法、教育展開に至るまでを整理し、現場で直ちに活用できる実践知として提供します。主任・中堅クラスの技術者が自らの判断力を高め、現場と管理部門の橋渡しを担うための一助となることを目指します。

基本概念と設計原則

冗長設計とフェイルセーフ設計は、公共交通における安全確保の両輪とも言える概念です。まず冗長設計とは、ある機能や構成要素が一つ故障しても全体が維持できるよう、複数の系統を用意することを意味します。二重化、三重化、バックアップ系統などがその代表例であり、鉄道における電源二重化や飛行機の複数エンジン搭載などが典型的な事例です。一方、フェイルセーフ設計とは「障害が発生した際にシステムが安全側に移行するよう設計する」思想であり、たとえば信号機が電球切れを起こすと自動的に赤信号を表示する仕組みが挙げられます。

両者の違いを整理すると、冗長設計は「止めずに継続させる仕組み」であるのに対し、フェイルセーフ設計は「止めても安全を守る仕組み」と言えます。公共交通システムでは「安全性」と「安定運行」の双方が求められるため、両者をいかに適切に組み合わせるかが重要な設計課題となります。例えば、信号システムでは二重化によりバックアップ経路を確保しつつ、万一の異常時には必ず列車を停止させるフェイルセーフ機能を持たせることで、安全と運行継続の両立を図ります。

設計原則としては、まず「単一点故障の排除（Elimination of Single Point of Failure）」が挙げられます。どこか一つの部品が壊れただけで全体が停止するような構造を避け、必ず代替経路や安全制御が機能するようにすることが第一歩です。次に「フェイルオペレーショナル（Fail-Operational）」と「フェイルセーフ（Fail-Safe）」の切り分けも重要です。前者は障害が発生しても運行を継続可能にする設計で、後者は障害発生時に停止や縮退運転により安全を確保する設計です。どの機能をどちらに分類するかは、リスクアセスメントやコスト制約を踏まえた判断が求められます。

また、国際規格や業界標準の理解も欠かせません。鉄道分野ではEN50126/50128/50129（RAMS規格）が、安全性・信頼性の枠組みを示しています。自動車業界ではISO 26262（機能安全）、航空業界ではDO-178CやDO-254などが同様の役割を果たしています。日本国内においても、鉄道信号規程や電気設備技術基準といった規範があり、設計者はそれらを遵守する必要があります。これらの規格は「なぜその安全設計が必要か」を体系的に説明しているため、単なる遵法意識にとどまらず、設計思想を深く理解するうえでの基盤となります。

最後に、実務に落とし込む際は「シンプルな設計を優先する」原則も忘れてはなりません。複雑な冗長化は一見すると強固に見えますが、保守や検査の現場で誤操作や隠れた不具合を招きやすくなります。過剰設計を避け、現場が理解しやすく、教育や訓練で確実に再現できる設計を目指すことが、冗長設計・フェイルセーフ設計の本質的な実効性を高めることにつながります。

現場視点から見たリスクと障害シナリオ

冗長設計やフェイルセーフ設計を実務に落とし込むうえで重要なのは、現場で実際に発生し得るリスクや障害を具体的に想定することです。設計段階でどれほど理論的に安全性を追求しても、現場の運用条件や環境要因を無視すれば、思わぬ形で安全性が損なわれます。公共交通の現場では、設備の老朽化、気象条件、利用者行動、さらには作業者の操作ミスまで、多様なリスクが複雑に絡み合っています。そのため、設計者は「机上の論理」ではなく「現場の現実」に即した障害シナリオを描くことが不可欠です。

鉄道を例に取れば、信号装置のリレー接点が経年劣化によって不安定化し、想定外の誤動作を引き起こす可能性があります。これをフェイルセーフ設計が担保していなければ、信号が誤って進行を現示し、列車の追突リスクにつながります。また、駅構内の電源系統では、主電源断が発生した場合に非常電源が確実に立ち上がらなければ、照明や換気が停止し、乗客避難に大きな支障をきたします。ここでは冗長化の有無が安全確保の明暗を分けることになります。

バスや自動運転車両の領域では、センサー類の故障が典型的なリスクです。LIDARやカメラが一時的に動作不良を起こした場合、冗長的に配置された他のセンサーや、フェイルセーフとして速度制御・停止機能が働かねば、重大事故に直結します。航空機の世界ではさらに厳格で、操縦系統や電装系は必ず複数の独立系統で構築され、パイロットが即座に切替可能な設計になっています。公共交通の他分野においても、これらの知見を応用することで、障害発生時の安全余裕度を高めることができます。

現場で見逃されやすいリスクとして、人為的要因も挙げられます。点検時にブレーカーを戻し忘れる、ケーブルを誤接続する、切替操作を誤るなど、作業ミスが発端となって障害が拡大するケースは少なくありません。この場合、設計段階で「誤操作をしても致命的な事故には至らない」構造を組み込むことが重要です。たとえばスイッチの物理的インターロックや、作業後の確認動作を強制する仕組みがそれに当たります。こうした仕組みはフェイルセーフ設計の一部であり、現場技術者の負担を軽減する効果も持ちます。

さらに、外的要因による障害シナリオも軽視できません。落雷や台風、大雪といった気象災害は、通信障害や電源断を引き起こす主要因です。こうした不測の事態に備えるためには、電源冗長化や無線通信の多重経路確保など、物理的な冗長性が不可欠です。設計段階で「どのような環境条件下で故障が重なる可能性があるか」をシミュレーションし、最悪のシナリオに耐えられる構造を追求することが、現場での安心感につながります。

このように、現場のリスクと障害シナリオを具体的に描くことは、冗長設計・フェイルセーフ設計の第一歩です。設計者は、自ら現場を観察し、保守担当や運行管理者の声を聞き、実際のトラブル事例を学び取る姿勢を持たなければなりません。シナリオを「想像」するのではなく「実際の出来事から抽出」すること。それこそが実効性のある設計につながり、公共交通全体の信頼性を底上げします。

冗長化アーキテクチャの設計実務

冗長化アーキテクチャの設計は、単に「二重化すればよい」というものではなく、設備の特性・コスト・保守性・運用体制を踏まえて最適化する必要があります。冗長化はシステムの信頼性を高める一方で、導入や維持に伴う負担も大きいため、設計者は「どの機能を継続させるべきか」「どの範囲を安全側に止めるべきか」を明確に区分しなければなりません。公共交通の現場では、電源、通信、制御装置といったクリティカル領域を中心に、冗長化の設計判断が求められます。

代表的な手法のひとつが「二重化」です。鉄道信号システムでは、同一機能を持つ装置を並列に配置し、片方が故障した場合に即座に切り替わるように設計されています。この場合、ホットスタンバイ（常時稼働していて即座に切替可能）とコールドスタンバイ（待機状態であり、切替時に起動する）の選択肢があります。前者は切替速度が速く、列車運行への影響を最小化できますが、常時稼働のため故障検出や電力消費が増えます。後者はコストを抑えられる反面、切替までの遅延が発生し得ます。設計者はどちらの方式を採用すべきかを、運用現場の許容度合いや障害発生時の影響範囲を考慮して判断する必要があります。

さらに高度な手法として「N+1冗長」「クラスタリング構成」などがあります。バスの車載通信ネットワークや鉄道の運行管理システムでは、複数のサーバをクラスタとして構成し、1台が故障しても残りが業務を継続できるように設計します。これにより、大規模システムでも停止リスクを最小化できます。航空分野では「トリプルモジュラーリダンダンシー（TMR）」と呼ばれる方式が一般的で、3系統の計算機が同時に演算し、多数決で正しい結果を選択することで誤動作を防ぎます。こうした発想は公共交通の高度自動化システムにも応用可能です。

設計実務において忘れてはならないのが「切替時の挙動」です。冗長化された装置があっても、切替が円滑でなければ安全性は確保できません。例えば、電源系統の切替時に一瞬でも無電圧状態が生じれば、制御装置がリセットされ列車が停止してしまいます。そのため、無停電電源装置（UPS）や瞬断補償機能を併設し、切替シームレス性を確保することが重要です。切替テストを現場で定期的に実施し、保守員が確実に対応できるよう訓練することも不可欠です。

また、冗長化は設計者だけでなく、保守部門・調達部門との協議を通じて成立します。部品点数が増えれば調達コストや在庫管理の負担も増大します。さらに、現場保守員にとっては「複雑で分かりにくいシステム」になればなるほど、障害復旧に時間がかかるリスクも高まります。したがって設計者は、冗長化による信頼性向上と、現場での保守容易性のバランスを意識しなければなりません。複雑化しすぎないこと、教育・訓練によって現場が正しく扱えること、この2点が実務における成功要件となります。

最終的に、冗長化アーキテクチャの設計実務は「設計者の論理」と「現場の現実」をすり合わせる営みです。理想論に偏らず、導入後に運用・保守の現場で確実に使いこなせる仕組みを構築すること。これが真に機能する冗長設計の実践であり、公共交通における安全と安定運行を支える基盤となります。

フェイルセーフ機能の具体的実装

フェイルセーフ設計は「故障や誤動作が起きても、必ず安全側にシステムを収束させる」という思想に基づいています。公共交通におけるシステムは、わずかな不具合が人命に関わるため、冗長化だけでは十分ではなく、異常時に安全停止や制御縮退が確実に働くことが不可欠です。そのため、設計者は具体的な実装例を理解し、現場で機能する仕組みに落とし込むことが求められます。

鉄道分野では、信号リレー回路のフェイルセーフ設計が代表的な例です。リレーは電気が流れているときに進行信号を表示し、電源断や断線が発生すると自動的に動作が開放され、赤信号を表示します。これにより、たとえ故障が発生しても列車が安全に停止する仕組みが担保されます。またATS（自動列車停止装置）やATO（自動列車運転装置）も、車上装置の異常時には列車を強制的に停止させるフェイルセーフ機能を備えています。これらは「止めてでも守る」思想の具体例です。

バスや自動運転車両の領域では、制御ソフトウェアのフェイルセーフ設計が重要になります。たとえば自動運転バスでは、カメラやLIDARが障害物を検出できない場合に、システムが速度を制御して停止に移行する仕組みを備えています。またステアリング制御の異常時には、アクチュエータが解放状態に移行し、車両が急激に暴走しないよう安全側に移す設計が取られます。さらに、通信途絶時には「最後の有効コマンド」で制御を固定するのではなく、「安全停止」をデフォルトとする方針が基本です。

電源設備においてもフェイルセーフの発想は活用されます。非常用電源が起動しない場合に備えて、照明を消灯させるのではなく、最小限の非常灯だけが必ず点灯するよう設計することがあります。これにより、避難導線が確保され、乗客の混乱を最小化できます。さらに通信設備では、ネットワークが途絶しても「全てを止める」のではなく、「制御対象を安全側で固定する」ことが多く採用されます。具体的には、ポイント転換機が故障した場合に「進行できない側」に固定される設計が該当します。

フェイルセーフ実装の際に注意すべきは、「安全停止」と「運行継続」のバランスです。過剰に安全停止を優先すれば、システムが頻繁に止まり、運用に支障をきたします。逆に安全停止が不十分であれば事故リスクが高まります。このため、設計者はリスク分析（FMEA：故障モード影響解析やFTA：故障の木解析など）を用い、どの事象で停止させるべきかを明確にしなければなりません。さらに、現場の運行管理者と協議し「どの程度のリスクを許容するか」を合意するプロセスも重要です。

最終的に、フェイルセーフ設計は「人が操作を誤っても」「設備が故障しても」「環境が想定外でも」、安全に収束させる最後の砦です。設計者は技術的な仕組みだけでなく、現場での教育・手順・訓練と一体で設計を進める必要があります。単なる理論ではなく、日常の運用に耐え得る「実装された仕組み」として成立させることこそ、公共交通におけるフェイルセーフの実践と言えます。

部門連携と意思決定プロセス

冗長設計やフェイルセーフ設計を効果的に導入するには、設計部門だけでなく、運行管理部門、保守部門、調達部門といった多様なステークホルダーとの連携が不可欠です。公共交通におけるシステムは、一度導入すれば数十年単位で使い続けられるため、初期の設計判断がその後の運用やコスト構造を大きく左右します。そのため、意思決定プロセスにおいては、単なる技術論にとどまらず、組織全体の合意形成を重視する必要があります。

設計部門は、技術的な安全要件や冗長化の方式を提案する立場にありますが、その内容が現場で実際に運用可能かどうかは、保守部門や運行管理部門の視点なしには判断できません。例えば、電源の三重化を提案したとしても、保守部門にとって切替操作が複雑すぎれば、障害発生時に迅速な対応ができず、かえってリスクを増やす恐れがあります。設計者は机上の合理性だけでなく、実際に操作する現場担当者の知識・技能水準や、訓練体系を踏まえたうえで最適解を探る必要があります。

運行管理部門は、安全と安定輸送を両立させる立場から、冗長化・フェイルセーフの導入による影響を精査します。例えば「安全停止の頻度が増えるとダイヤ乱れが常態化するのではないか」という懸念は運行管理者ならではの視点です。ここで重要なのは、リスクアセスメントの結果を数値で示し、設計選択による安全性向上と運行影響のバランスを可視化することです。感覚的な議論にとどめず、データとシミュレーションに基づく意思決定が、組織全体の納得感を生みます。

調達部門も意思決定プロセスにおいて重要な役割を担います。どれほど優れた冗長化方式を設計しても、コストが過大であれば導入は困難です。また、特殊な部品を採用すれば調達リードタイムが延び、長期運用中の更新や修繕に支障をきたします。設計者は調達部門と協議し、標準化された部品を活用するか、あるいは長期供給契約を結ぶかなど、ライフサイクルコストを見据えた選定を行わなければなりません。

意思決定の場では、各部門の立場や優先事項が異なるため、しばしば意見の対立が生じます。設計者や主任クラスの技術者は、単に自部門の立場を主張するのではなく、ファシリテーターとして合意形成を主導する役割を担うことが求められます。具体的には、①安全性、②運用継続性、③コスト、④保守容易性、の4つの評価軸を設定し、それぞれにスコアリングを行う方法が有効です。客観的な評価指標を基に議論することで、感情論を避け、組織横断的に納得度の高い判断を導き出せます。

このように、冗長設計・フェイルセーフ設計の意思決定は「設計部門が一方的に決める」ものではなく、「部門横断で検討し合意する」プロセスです。主任・中堅技術者には、自部門の専門性を活かしつつも、他部門の制約や視点を翻訳し、組織全体で実行可能な最適解を導く役割が期待されています。技術そのものだけでなく、合意形成のスキルを磨くことが、実務において大きな価値を持ちます。

教育・訓練と組織内展開

冗長設計やフェイルセーフ設計は、設計者だけが理解していれば機能するものではありません。実際に障害が発生した際に最前線で対応するのは、現場の保守員や運行管理者であり、彼らが設計思想を十分に理解していなければ、せっかくの仕組みも効果を発揮できません。そのため、設計段階から教育・訓練の視点を組み込み、組織全体で設計思想を共有することが不可欠です。

教育の第一歩は「なぜ冗長設計やフェイルセーフ設計が必要か」を理解させることです。単なる知識として暗記させるのではなく、過去の障害事例や事故調査報告を題材にし、「もしこの場に自分がいたらどのように対応したか」を考えさせる形式が有効です。これにより、抽象的な概念が自分事として定着し、現場での判断力向上につながります。また、研修では技術用語にとどまらず、運行や利用者安全への影響を明確に伝えることが大切です。

訓練においては、机上演習と実機訓練の両方を組み合わせることが効果的です。例えば、電源系統の二重化を題材に、片系統が停止した場合にどのように切替操作を行うかをシミュレーションし、その後に現場で実際の切替操作を実施します。こうした訓練は「理屈として理解している」段階から「体で覚えている」段階へと習熟を深め、障害発生時の初動対応を迅速化します。さらに、運行管理センターとの模擬連携訓練を行い、設計部門・運用部門・保守部門の連絡経路を確認することも有効です。

組織内展開の観点では、教育を一過性の研修で終わらせず、定期的なリマインドと知識共有の仕組みを構築することが求められます。例えば、社内イントラネットに「障害事例データベース」を整備し、冗長化やフェイルセーフが機能したケース、あるいは不十分であったケースを蓄積する仕組みは有用です。現場の担当者が自ら学べる環境を整えることで、教育効果が継続的に高まります。また、部門横断で参加できる勉強会やワークショップを定期開催することで、部門間の相互理解が促進され、意思決定や対応力の底上げにもつながります。

さらに、教育・訓練の設計においては「役職・職能ごとに求められる知識水準を明確化する」ことも重要です。新人・若手には概念理解と基本操作を重視し、中堅にはリスク判断や現場リーダーとしての意思決定スキルを強化する。管理職には複数部門の調整やコスト判断を含めた総合的理解を求める。こうした段階的教育体系を整えることで、組織全体として冗長設計・フェイルセーフ設計を実効性ある形で活かすことができます。

最終的に、冗長設計やフェイルセーフ設計は単なる技術要素ではなく、組織文化の一部として根付かせることが理想です。そのためには、教育・訓練を「安全文化を醸成する活動」と位置づけ、日常業務の中で継続的に取り組む必要があります。設計思想を理解し、実際の行動に移せる人材が増えるほど、組織全体の安全余裕度は高まります。

導入ステップと評価プロセス

冗長設計・フェイルセーフ設計を実際のシステムに組み込む際には、場当たり的な導入ではなく、組織的なステップと評価プロセスを踏むことが重要です。Mobility Nexusが整理している標準の8ステップ（課題認識～運用改善）に照らして考えると、各段階で明確に検討すべきポイントが見えてきます。設計者や主任クラスの技術者は、これらのプロセスを理解し、組織横断的に推進する役割を担うことが期待されます。

STEP1（課題認識・ニーズ抽出）では、現場で実際に発生している障害やヒヤリハット事例を収集し、「どこに冗長性やフェイルセーフを導入すべきか」を見極めます。単なる理想論ではなく、障害リスクが高く運行への影響が大きい領域に優先度を置くことが基本です。STEP2（技術調査・ソリューション探索）では、既存の設計事例や他社のベストプラクティスを調査し、導入可能な方式を比較検討します。

STEP3（要件定義・仕様検討）では、安全性・運行継続性・コスト・保守性といった観点を整理し、部門横断で合意形成を図ります。ここで重要なのは「安全性をどこまで担保し、どこで運行継続を優先するか」を明確にすることです。STEP4（開発・設計・調達）では、実際の回路設計やシステム構成を具体化し、調達部門と協働して部品の入手性やライフサイクルコストを確認します。

STEP5（試験・検証・現場適合性評価）では、実機テストや障害模擬試験を実施し、切替の確実性や安全側収束の機能を確認します。この際、現場保守員を参加させ、操作性や復旧手順が実務に即しているかを評価することが重要です。STEP6（導入決定・契約・スケジュール策定）では、リスクアセスメント結果や試験結果を踏まえ、経営層を含む組織全体で導入可否を判断します。導入の是非はコストだけでなく、社会的信用や安全文化にも直結するため、長期的な視点で決断する必要があります。

STEP7（施工・設置・切替作業）では、現場の工事計画と運行計画を調整し、切替作業を安全に進めます。特に二重化や冗長化システムの切替試験はリスクを伴うため、段階的な導入や夜間作業の活用が現実的です。STEP8（運用開始・フォローアップ・継続改善）では、運用中に発生した障害事例や応答記録を収集し、教育訓練や設計改善にフィードバックします。ここで得られた知見を次世代システムに反映させることで、冗長設計・フェイルセーフ設計は継続的に成熟していきます。

このように、冗長設計・フェイルセーフ設計の導入は一度きりの行為ではなく、計画から運用改善まで一貫したプロセスの中で実現されるべきものです。主任・中堅クラスの技術者には、単に設計を担うだけでなく、全体の流れを見渡し、部門間の橋渡し役として評価プロセスをリードする役割が求められます。これにより、組織全体の安全文化を高め、持続可能な設計・運用体制を築くことが可能になります。