06 도심지 주요 시설물의재난 대응 기술 개발

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백 용 | 국가과학기술연구회 복합재난대응연구단장([email protected])

김현우 | 국가과학기술연구회 복합재난대응연구단 1세부팀장([email protected]) 김광영 | 국가과학기술연구회 복합재난대응연구단 2세부팀장([email protected]) 이덕희 | 국가과학기술연구회 복합재난대응연구단 3세부팀장([email protected]) 홍창희 | 국가과학기술연구회 복합재난대응연구단 4세부팀장([email protected])

재난 대응 기술 개발

머리말

도심지 과밀화와 개발로 인하여 초고층 건물이나 복합지하연계시설물이 많아지고 있으 며, 대심도 지하도시의 국가 주요 시설물이 늘어나고 있는 추세이다. 그러나 도심지에서 재난이 발생할 경우, 상상하지 못할 정도의 대규모 대형 사고로 이어질 가능성도 높아지 고 있는 것 또한 사실이다.

지난 2016년 12월 한국건설기술연구원을 중심으로 한국지질자원연구원, 한국과학기술 정보연구원, 한국철도기술연구원 등 정부출연연구기관들이 참여한 가운데 초고층과 복합 시설에서의 재난 발생 시 인명피해를 최소화시킬 수 있는 대응 기술을 마련하기 위해 ‘복 합재난대응연구단’이 결성되었다. 연구단은 초고층복합시설 등의 재난 · 재해 피해 저감을 위한 ‘위험 요소 예측과 신속 복구 기술’과 ‘사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System:

CPS)을 활용한 신속하고 효과적인 재난 · 재해 대응 기술’ 개발을 목표로 구성되었다(국가 과학기술연구회 2016).

재난이 발생할 경우, 정확한 사태 파악과 재난상황에 대한 정보를 외부로 전달하는 것 이 무엇보다도 중요하다. 이 글에서는 연구단에서 수행한 내용인, 도심지 주요 시설물에 서 발생할 수 있는 재난 대응 방안 및 기존의 기술을 한층 업그레이드한 첨단 재난 · 재해 대응 기술을 소개하고자 한다.

재난자료 수집

2019년 기준 우리나라는 중국, 미국, 아랍에미리트에 이어 세계 4위 초고층 건축물(높이

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특집 기후변화시대 대비 국가재난안전관리

200m 이상) 보유 국가다. 우리나라 초고층 건물에 지진이나 화재가 발생한다면 과연 재 난 대응 시스템이 신속하게 작동할 것인가? 또한 이상기후와 연계하여 도심지에 폭우로 인하여 돌발홍수가 발생했을 때 어떻게 대응할 것인가? 이를 위해 CPS를 활용한 재난 대 응 기술을 살펴보도록 하자.

CPS는 사이버 세계와 물리 세계가 공학기술로 결합되어 있어 실시간으로 반응할 수 있 는 시스템이다. 아직 여러 기술적 장벽이 존재하지만 재난 대응에 유용하여 국내외 여러 재난 분야에서 센서 기반 CPS를 구축하고 있다. 현재의 재난 대응은 제한된 정보만으로 이루어진다. 그러나 CPS를 통해 수많은 센서가 곳곳에서 정보를 수집, 분석할 수 있고 사 람과 사람, 사람과 장치 간 통신할 수 있는 환경이 갖춰진다면 궁극적으로 재난관리자는 데이터와 과학적 분석을 기반으로 의사결정을 할 수 있게 된다.

CPS는 그 자체를 ‘현재 상태 파악과 제어를 위한 정보의 흐름’으로 표현할 수 있을 만큼 방대한 양의 정보가 수집되어야 하며 그만큼 다양한 종류의 센서가 사용된다. 하지만 복 합재난대응연구단은 재난 시 인명피해 최소화를 목표로 하는 실용화형 사업임을 감안하 여 기존 센서를 활용하면서도 즉각적인 효과를 기대할 수 있는 분석과 대응에 보다 비중 을 두어 정보를 수집하였다. 즉, 현재 정보수집 분야에서 사각지대인 영역을 대상으로 센 서 배치부터 모니터링까지 전반적 체계를 구성하며, 센서 네트워크를 안정적으로 최대한 활용할 수 있는 방안을 제시하고자 하였

다. 이러한 목표에 따라 재난 발생 시 상 부구조물에 비해 관심을 받지 못했던 지 하공간으로 눈을 돌려 ‘구조물기초 손상 모니터링 시스템’과 지하공간의 침수상 황을 파악할 수 있는 ‘IoT 수위계’를 개발 하였다. 또한 활용도를 높이기 위해 시 스템에 맞춰 시공 및 센서 배치, 운영 가 이드라인을 제공할 수 있도록 하였으며, 센서를 적재적소에 설치하여 안정적으로 운용할 수 있는 유무선 정보전송 시스템 을 제작하였다.

<그림 1>은 일반적인 초고층 구조물기 초 형상을 보여준다. 기반암이 얕은 지 역에서는 말뚝기초 없이 직접기초만으로 구성되기도 한다. 큰 지진이 일어나거

자료: 국가과학기술연구회 2016.

<그림 1> 초고층 구조물기초 형상

<그림 2> 일반적인 구조물기초 형상 및 재난 발생 시 기초 손상 위치 추정 결과

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험 정도를 추정한다. 일본 고베 지진 후 피해조사 단계에서 상부 구조물 상태는 육안관찰 을 통해 손상 파악이 가능했지만, 교량, 건축물의 기초 건전도를 평가하는 데는 상당한 비 용과 시간이 소요되었다. 구조물기초 상태 모니터링 시스템은 이처럼 지반활동으로 피해 를 입은 구조물의 재사용 여부를 결정하고자 할 때 어느 정도 손상을 입었는지 정량적으 로 감지할 수 있다. 평상시에도 구조물의 손상을 모니터링하고 있으므로 안전감시자 역할 을 하게 된다.

침수 분야는 구성체계인 정보 수집, 분석, 대응 단계에 맞춰 복합시설 지하공간 침수 발 생 모니터링 기술과 침수 예측 모델링, 침수 방지 시설 및 대피체계 매뉴얼을 개발하고 있 다. 국내 수위측정 장비는 주로 하천을 대상으로 개발되어 왔으며 실내에서 안정적, 효율 적으로 사용할 수 있는 무선 수위계는 상대적으로 많지 않은 실정이다. 따라서 본 연구단 에서는 실내 벽면에 부착하여 빠른 유속에도 정확한 수위를 측정, 무선으로 통합 재난정 보 플랫폼에 전송할 수 있는 IoT 수위계를 제작하였다. 그동안 파악하기 어려웠던 지하공 간 수위정보가 수위계 설치로 제공되면 재난관리자는 현장상황을 정확하게 파악할 수 있 을 뿐만 아니라 수많은 사례연구에 기반을 둔 분석 시스템에서 현 상황과 가장 유사한 시 나리오를 제공받게 된다. 이를 이용하여 침수방지문과 같은 장치를 제때 필요한 위치에서 작동되도록 준비할 수 있으며, 동시에 최적의 대피경로를 제시할 수 있다.

센서와 시스템, 센서 와 센서를 연결해주는 네트워크는 CPS의 인 프라스트럭처이다. 재 난 발생으로 인한 전원 차단, 통신장애 상황 을 극복하고 정보가 문 제없이 흐를 수 있어야

하며, 여러 센서들의 다양한 물리적 출력단자와 연동하여 정보를 전송할 수 있어야 한다.

또한 해킹 등에 대비하여 센서와 서버 전송구간에도 보안모듈이 적용되어야 한다. 무엇보 다 전원 공급에 어려움이 없다면 무선 시스템으로 구성함으로써 센서 배치의 자유도를 높 일 수 있다.

본 연구단에서는 재난으로 건물 내 유선통신선로가 단절되거나 화재로 인한 통신장애

<그림 3> IoT 수위계 및 현장 설치 예시

IoT 통신모듈 일체형 로거

정전용량식 침수계측 센서

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를 대비하여 현장에 최적인 유무선 정보전송 장비를 개발하였다. 성능 검증을 위해 고층 건축물과 복합시설에서 개발 장비를 테스트한 결과 <표 1>과 같이 손실 없이 정보가 전송 되는 것을 확인하였으며, 현장 환경에 따라 수신율이 낮은 경우에도 무선모듈을 변경하는 방식으로 유연하게 대처할 수 있음을 확인하였다.

수집자료 분석 및 해석

다양한 복합재난에 능동적으로 대응하기 위한 정확한 재해 감지, 신속한 분석, 신뢰도 높 은 정보의 공유가 가능한 복합재난 위험 분석 및 피해 예측 기술 확보가 필요하다. 따라서 도심지 대형 시설물의 복합재난 수집정보의 표준화, 재난유형별 위험도 평가, 분석 알고 리즘 개발, 분석 DB 구축, 피해 예측 분석 기술 성과물(SW) 개발이 요구된다.

복합재난 분석 및 거동 예측 기법 개발은 다음과 같은 핵심 기술 개발을 목표로 하고 있 다. 첫 번째는 초고층 · 복합시설 관련 복합재난 센서 데이터의 표준을 정립하고, HPC 기 반 복합재난 데이터 응용 분석 및 예측 기술을 개발하는 것이다. 두 번째는 정밀한 구조물 의 동적 거동 평가를 위해 초고층구조물-지하복합시설-지반의 상호 관계를 고려한 정밀 해석기법을 개발하고, 세 번째는 복합시설 지하공간의 침수심 오차 5mm 이하의 준3차원 수치모형 기반 지하공간 침수예측 기술을 개발하는 것이다. 네 번째는 초고층 · 복합시설 에서 발생 가능한 화재의 위험요소를 건축계획 단계에서 예측하고, 유지관리 단계에서는 화재 발생에 의한 피해규모를 예측하기 위한 시뮬레이터 기술을 개발하는 것이다. 다섯 번째는 하이브리드 내화 시뮬레이션 기술 개발을 통한 화재 시 구조물의 거시적 거동 평 가 소프트웨어 및 실시간 구조 안정성 예측 데이터베이스를 구축하고, 여섯 번째는 초고 층 건축물의 복합 재난 시나리오에 따른 재난 위험도 평가기법 구축 및 재난상황별 피해 예측, 신속 대응이 가능한 관리기준치를 제시하였다.

장소 환경 무선모듈 측정방법 측정결과

용인 기흥역

◯◯ 아파트

지상 46층 지하 3층

DMR 지하3층 - 지상 5, 15, 25, 46층 송수신 (각 층별 60회)

데이터 수신율 100%

CAT.M1 데이터 수신율 100%

수원 영통역

◯◯ 아파트

DMR 지하 1층 - 지상 15층 송수신 (각 층별 60회)

수원역 환승센터

DMR 지상 2층 - 지하 1, 3, 4층 송수신 (각 지점별 60회)

<표 1> 무선 전송장비 성능 테스트 결과

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목표에 대비하여 본 연구단에서 도출한 성과는 다음과 같다. 첫 번째는 본 연구단의 세 부과제별 활용 · 수집 중인 재난 유형별 실험 데이터, IoT 계측 데이터를 포함하는 표준화 지침(v1.0)을 개발하였고, 신뢰도 높은 한국형 초고층 복합시설의 복합재난 분석 예측 기 술 확보 및 HPC 기반 연계 분석 지원소프트웨어(HPC-WS v1.0)를 개발하였다.

두 번째는 구조물-지반 간 동적 영향을 고려한 정밀해석 DB 구축을 통한 ‘구조물 동적 안정 평가시스템’을 개발하였고, 상하부 구조물 및 지반상태를 고려할 수 있는 정밀 동해 석 매뉴얼을 개발하였다(<그림 5> 참조).

세 번째는 지하 복합시설 대상 고정확도 침수예측 기법 고도화 및 관련 기술 개발을 위 해 실증 기반 고정확도 침수예측 DB를 개발하였다(<그림 6> 참조).

<계측차료 기반 구조물 긴급 동적 안정성 평가 시스템> <지반을 고려한 지하-상부구조물 해석 기법>

<그림 5> 정확도 침수예측 기법

지상 공간 침수 모의

준3차원 수치모형

테스트베드 대상 수리모형 실험

지하 공간 침수예측 DB

실험실증 기반의 고정확도 예측 지하공간 특성 반영 침수 예측

2차원 홍수범람 모의 층별 홍수범람

층간연계시설(계단)

연직시설(승강기, 환기구) 불연속흐름 모의

저수지 흐름 모의

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네 번째는 건축물 화재 관련자들에게 화재 대응 정보를 제공할 수 있는 위험요소 및 피 해규모 예측 시스템을 개발하였다(<그림 7> 참조).

다섯 번째는 화재 발생 시 구조물의 거시적 거동 예측이 가능한 하이브리드 내화 시뮬 레이션 실험 방법 및 소프트웨어와 복합재난 시 실시간 모니터링 데이터를 이용한 구조물 위험요소 진단 툴을 개발하였다.

여섯 번째는 초고층 건축물의 재난 시나리오별 위험도 평가 및 관리시스템 개발을 통한 초고층 건축물 복합재난 시나리오 DB 및 소프트웨어(EDPASS)를 개발하였다.

본 연구단은 초고층 건축물 및 복합시설의 지진, 침수, 화재 등의 재난 시나리오별 위험 도 평가, 재난 시나리오 DB 구축, 구조물 상태 평가, 침수예측 기법 개발, 하이브리드 내 화 분석 기술 개발 결과를 집대성하여 복합재난에 유연하게 대응 가능한 분석 기술을 개 발 및 확보하였다.

조기 대응과 복구 방안

복합재난이 발생했을 경우 재난 대응 통합 플랫폼을 연계하고 실시간 재난 모니터링 과 지능예측을 기반으로 한 신속대응 체계 를 구축하여 인명과 시설물을 안전하게 보 호해야 한다. 이 장에서는 지진, 화재, 침 수의 순서로 대응 전략에 대하여 기술하고 자 한다.

지진분야는 기초 지반의 지진동에 대하

<그림 6> 위험요소 및 피해규모 예측시스템

<화재위험도 평가 SW 개발> <연기확산 예측 시스템 개발>

<그림 7> 구조물 긴급 동적 안전성 평가 시스템

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진 발생 시, 초고층 · 지하복합시설 및 주변 지반 에 설치된 다양한 계측기(지진가속도계, 지표변 위계, 지하수위계 등)로부터 수집된 정보를 분석 하여 시설물 내 거주하고 있는 인명을 대피시키고 시설물의 훼손 여부를 판단하는 시스템이다.

화재분야에서 집중적으로 개발한 것은 인명피 해를 최소화하는 데 직접적으로 연관되는 연기 제 어와 피난 효율성 개선 분야이다. 방연설비, 피난 자의 안전한 대피경로를 확보하는 대피통로 및 비 상엘리베이터 대응 기술, 빌딩이나 지하시설 구조 물의 붕괴를 방지하며 화재 진압 후 이를 신속하 게 복구할 수 있는 기술을 개발하였다. 각 설비는 본 연구단의 중앙 제어장치인 CPS와 실시간으로 양방향 통신하는 지능 제어체계로 구성된다.

침수분야는 도심 홍수 시 복합시설 지하공간의 침수 방지를 위한 최적의 설계 기법 및 침수 발생 을 방지하거나 침입수의 흐름을 유도하는 구조물 과 재실자의 대피 방안 마련을 목표로 무선 침수 센서와 침수 방지문을 개발하였다.

통합 재난정보 플랫폼

재난재해 상황에 신속 · 정확하게 대응하기 위해 분산된 다양한 정보의 통합, 파편화된 시 스템 간 연계, 정보-설비-사람을 유기적으로 연결하는 플랫폼 기술을 개발하였다. 상세 시설물 정보 + 실시간 센싱 정보 + 지역 정보 등 재난 대응에 필요한 다양한 정보의 유기 적 연계 · 통합 및 현실 동기화를 실시하였고 의사결정 지원을 위한 3차원 공간정보 기반 의 직관적 재난정보 서비스를 제공할 수 있다. 범용적 연계 인터페이스를 통해 다양한 계 측센서와 재난 대응설비를 연동하고, SOP(Standard Operating Procedure, 표준재난대 응절차)의 시스템화로 시나리오에 기반한 재난 대응이 가능하다.

<그림 9> 침수방지문과 무선 침수계

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I/O Interface

S S O P

센서

설비

업무 BIM / GIS

정적 데이터

(정형)

+ Sensing Data 동적 데이터

(비정형)

<그림 10> 플랫폼에서 다루는 정보 및 시스템 기작 개요도

주: S-SOP는 System-SOP이며, 플랫폼에 시스템화된 SOP를 뜻함.

<표 2> 통합 재난정보 플랫폼의 주요 기능 1. 재난정보 연계·통합 및 활용 기능

- 다양한 정보의 통합 및 센서-설비-시스템 연결 [인터페이스 모듈]

- 3차원 공간정보 기반 직관적 재난정보 서비스 및 CCTV 투망 감시 [대시보드]

- 종류/규격/재질 등 부재 단위 시설물 상세 정보 기반, 스마트 시설물/설비 유지관리 및 공간별 화재 취약도, 연기 확산 분석 등

- 빅데이터 기반 센서 상태 모니터링 및 실시간 비화재보 검지

2. 시스템적 재난 표준대응체계(System-SOP) 서비스 - 정보-설비-사람의 유기적 연동을 통한 적시적지 상황 제어 - 골든타임 내 실효적 대응이 가능한 시스템적(자동화) 재난 대응

- 주거시설/상업시설/플랜트 등 다양한 현장의 특성을 반영한 맞춤형 SOP 구축을 위한 System-SOP Editor 기능

3. 재난 현장 지원 및 유지관리 모바일 서비스

- 방재센터-재난현장 간 실시간 소통 지원 → 단계별 임무/현장 상황 전달 - 현장설비-데이터 객체 연동을 통한 시설물 정보조회 등 스마트 유지관리

<통합 재난정보 플랫폼 주요 기능 및 서비스>

<플랫폼 작동 예시(정보서비스 대시보드 및 S-SOP 작동)>

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오는 지진 소식에 한반도가 지진 안전지대가 아니라는 가설이 현실로 다가왔다. 최근 늘 어나는 초고층 아파트와 빌딩은 화재 발생 시 거주자의 대응에 어려움이 있을 것은 자명 한 사실이다. 초고층 화재에 대한 교육을 받은 적이 없기 때문이다. 국내의 도심지 홍수 피해도 예외는 아니다. 광화문 광장의 도심홍수, 강남 일대의 물폭탄에 이은 도심돌발 홍수피해 등 매년 겪는 도심홍수피해도 언제 어디서든 닥치는 재난이다. 도심지 물 폭탄 이 이웃 일본에 들이닥쳐 수백 명의 사망자를 낸 것도 2019년 여름의 일이다.

재난은 멀리 있지 않다. 언제 어디서든 나에게 다가올 수 있는 현실이다. 첨단산업의 발 달과 더불어 새로운 재난 대응 기술들이 개발되고 있다. 본 연구단은 나름 훌륭한 성과를 내기 위하여 열심히 달려왔다. 앞으로도 본 연구단과 같은 새로운 연구단이 만들어지면서 보다 좋은 기술이 개발되리라 믿는다.

바라건대 국민들이 안전을 지켜주어야 할 사명감과 의무감으로 수행된 좋은 연구결과 가 실용화 및 널리 활용이 되었으면 한다. 국민들 한 사람 한 사람 재난에 대하여 새로운 시각으로 접근하고 재난 대응의 파수꾼이 되었으면 한다. 사고는 항상 조그마한 부주의와 관심 소홀에서 오는 것을 염두에 두어야 한다.

참고문헌

건설신문. 2019. 인명피해 최소화를 위한 초고층 복합시설 재난재해 대응기술, 10월 28일.

국가과학기술연구회. 2016. 개방형 플랫폼 기반 초고층 복합시설 재난/재해 대응 통합 CPS구축 계획서. 세종: 국가과학기 술연구회.

나지운. 2019. 초고층ㆍ지하공간 재난피해 줄일 16개 신기술 개발, 건설경제신문. http://www.cnews.co.kr/ (2019년 12월 4일 검색).