KICT 한국건설기술연구원

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• Tech-lead형 액상화 위험지도 구축기술 고도화 연구 Tech-lead형 액상화 위험지도 구축기술 고도화 연구 ▲ 한진태 KICT 지반연구본부 연구위원 ▲김종관 KICT 지반연구본부 수석연구원 ▲박가현 KICT 지반연구본부 수석연구원 들어가며 2017년 포항지진 시 국내 계기지진이래 최초로 지반 액상화 현상이 공식적으로 보고되었고 이에 따라 국민적 불안감이 증대되었다(그림 1). 액상화 현상은 일반적으로 건축물 및 인프라의 피해를 유발한다. 2011년 발생한 뉴질랜드 Christchurch Earthquake와 일본 The off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake의 사례를 보면 건축물의 침하 및 부등침하, 지하 맨홀 및 하수관거의 부상에 따른 피해, 도로 침하, 모래 분사에 따른 시설물 피해 등 큰 경제적 피해를 초래한다. 따라서 지진 시 액상화 발생 가능성이 높은 지역의 사전 예측을 위한 국내 액상화 위험지도 개발이 필요하다. 본 연구팀은 1단계 연구인 ‘Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강공법 개발(2018~2020)’을 통해 한국건설기술연구원에서 위탁 운영하고 있는 국토지반정보 포털시스템의 지반시추 자료 데이터베이스를 기반으로 국내 액상화 위험지도 개발 및 결과 표출 시스템을 시범 구축하였다. 이를 통해 데이터베이스 변화에 따라 효율적 갱신 및 관리가 가능해졌다. 개발된 액상화 위험지도 작성 시스템을 바탕으로 각 지자체별 액상화 위험도 구축을 통해 액상화 위험지역의 파악 및 사전대응이 가능하다. 한편, 액상화 위험지도를 지자체 GIS 시스템에 적용하여 활용하기에 앞서 각 지자체별로 자체 개발한 GIS 시스템을 개발운영하고 있기 때문에 프로토콜 매칭 및 데이터표준화에 관한 연구가 필요하다. 또한, 향후 지자체에서 액상화 위험지도를 재난재해 대응, 도시계획 등에 활용할 수 있도록 도시모형연계 방안에 관한 연구가 필요하다. 이와 더불어 1단계에서 개발한 액상화평가 프로그램 및 데이터 품질관리 등 액상화위험지도 구축기술 고도화를 통해 액상화 위험지도의 신뢰도를 제고할 필요가 있다. 본 연구의 1단계에서는 국토지반정보 포털시스템과의 연계를 통한 액상화위험도 평가 및 액상화위험지도 작성에 중점을 두었다면, 2단계(그림 2)에서는 액상화 위험지도의 신뢰도를 향상시키기 위한 고도화 연구를 수행하였다. 액상화 위험지도를 지자체에 적용하기 위해 액상화 위험지도 프로토콜매칭 및 데이터 표준화 연구를 진행하였고, 3D 도시모형 연계 액상화 시뮬레이션 프로토타입을 구현하였다. 최종적으로 2단계 1차년도(2021년)에는 서울특별시 공간정보 플랫폼(Virtual Seoul) 내 2D 액상화 위험지도를 탑재하는 데 성공하였으며, 2차년도(2022년)에는 서울특별시 공간정보 플랫폼내 3차원 액상화 위험지도 탑재를 추진할 예정이다(한국건설기술연구원 2021). 액상화 위험지도 구축기술 고도화 액상화 위험도 자동평가 프로그램의 기본 개념은 1단계 연구사업 ‘Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강 공법 개발(2018-2020)’에서 정립하였다. 기존의 프로그램은 액상화 평가 자동화 및 국토지반정보 포털시스템과의 연계에 주안점을 두었다면 본 연구에서는데이터 품질관리, 광역단위 평가, 다수 지진파에 대한 액상화평가 수행을 추가하여 액상화 위험도 자동 평가 프로그램을 고도화하였다. 데이터 품질관리는 지반정보 데이터(심도, 지층종료, SPT 타격횟수, SPT 관입깊이 등)가 액상화 평가에 적절한지 검토하는 절차이다. 먼저 지층정보 데이터 중 심도데이터 불일치 유무, 지층종류 불일치 유무를 1차적으로 판단하여 필터링을 수행하며, 2차로 SPT실험 데이터 중 타격 횟수가 50회 이상이거나 관입깊이가 30cm 이상인 경우 이상치로 간주하고 제외한다. 실제 현장에서 SPT 실험 수행 시 관입깊이가 30cm를 넘거나 타격횟수가 50회를 넘는 경우가 실무상 존재하긴 하나 데이터베이스상의 데이터에서 이를 판단하기 어려운 점과관입깊이와 타격횟수가 반대로 입력된 것으로 의심되는 데이터가 존재하여 판단에 어려움이 있으므로 결과의 신뢰성을 확보하기 위해서 액상화 평가 시 제외하는 알고리즘으로 구성하였다. 다음으로 다수 지진파에 대한 액상화 평가를 수행하기 위해 7개의 지진파에 대하여 순차적으로 지반응답해석을 수행하고 각각의 응답해석결과를 바탕으로 액상화 평가를수행한 후 평균값을 결과로 도출하도록 구성하였다. 이를 통해 지진파 선정으로 인한 편차를 줄일 수 있다. 또한, 액상화 위험지도의 신뢰도를 향상시키기 위한 방법으로 앞서 설명한 품질관리 절차 이외에도 인공지능을 이용하여 지반정보를 자동으로 품질관리 하는 방안에 대하여 검토하였다. 그 결과, 본 연구에서 개발한 오토인코더 모델이 지반정보의 품질관리에 적절하게 사용될 수 있음을 확인하였다. 차년도에는 개발한 모델의 정확도 검증, 이상 여부를 판단할 수 있는 임계점 설정, 다양한 지역 데이터에 적용하여 본 모델의 적용성 확장, 알고리즘 개선 등 다양한 시도를 통해 인공지능을 이용하여 지반정보의 이상치를 탐지하는 데 있어서 보다 향상된 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 데이터 프로토콜 매칭 및 표준화 액상화 위험지도 서비스는 현재 표준모델에 따라 관계자에게 인쇄물 또는 전자문서 형태의 정적 지도로 제작·배포되고 있다. 정적 지도는 외부 환경과 관계없이 누구나 쉽게 열람 할 수 있다는 장점이 있으나, 제한된 용지 면적 내에 모든 항목을 표현해야 하는 제약으로 인해 세부적인 정보 취득이 매우 제한적인 단점이 있다. 현시점에서 액상화 위험지도의 최종 사용자는 행정안전부 또는 지방자치단체의 재난대응 부서가 해당한다. 이 경우, 전자문서 형식을 액상화 위험지도 서비스 방식으로 한정한다면 정보의 재편집 및 유관 행정업무에서의 활용(분석 등)이 매우 제한적이다. 따라서 향후 액상화 위험지도 서비스는 파일 시스템(File System) 중심의 서비스 제공 방식과 웹 서비스(Web Service) 중심의 서비스 제공 방식을 병행하여 제공할 필요가 있다. 본 연구에서는 액상화 위험지도의 파일 시스템 중심 서비스 제공 방식과 웹 서비스 중심 방식의 서비스 제공 방식에 대하여 검토하였고, 향후 지자체나 관련 부처의 상황에 따라 유연하게 액상화 위험지도를 활용할 수 있는 방안을 선제적으로 마련하였다. 액상화 시뮬레이션 프로토타입 구현 본 연구에서는 액상화 위험지도를 지자체에서 도심지 재난재해 위험도 관리 및 대응, 도시계획 등에 활용할 수 있도록 지형, 건물을 함께 3D로 시각화하고 연계하는 3차원 도시 시뮬레이션 활용 방안에 대해 검토하였다. 이를 위하여 지역별 상세자료 취득의 제약으로 인해 지질도 보간 및 시각화 테스트는 ‘경상북도 포항시’의 시추성과를 이용하여 구현하였으며, 3D 도시 모형 연계 시뮬레이션 테스트는 서울지역 액상화 위험도 모의 평가 결과를 토대로 ‘서울특별시 영등포구’로 설정하여 그림 3∼5와 같이 단계별로 구현하였다. 먼저, 서울특별시 일부 지역의 건물 높이 정보를 취득하여 ‘건물지반높이’와 ‘건물 높이’ 속성정보를 이용하여 LOD1 수준의 3D 건물을 시각화하였다. 이후 액상화 위험도 평가결과를 연계하여 건축물이 정착한 지반의 액상화 위험도와 함께 시각화가 가능하며, 경우에 따라 특정 위험수준에 위치한 건축물만을 선택적으로 시각화하는 것이 가능하다. 본 연구에서는 초고층 건물에 대한 선택적 시각화를 시도하여 시범적으로 액상화 위험지도의 3차원 도시 시뮬레이션 활용 가능성을 확인해보았다. 서울시 Virtual Seoul 시스템 내 2차원 액상화 위험지도 탑재 본 연구에서는 서울시를 대상으로 지반액상화 평가를 수행한 후 서울시 공간정보 플랫폼인 Virtual Seoul 내에 2차원 액상화 위험지도를 탑재하였다. 국토지반정보 포털시스템에서 제공받은 서울특별시 지반정보 DB자료는 총 24,327공이다. 여기서 1차 필터링(좌표데이터 검증) 및 2차 필터링(지층정보, 시험정보 존재확인)을 통해 전체 중 약 85%인 20,857공이 사용가능한 것으로 나타났다. 다음으로 데이터의 품질관리를 진행하였다. 지층정보 및 시험정보 품질관리 후 데이터 일치성 여부를 재검토한 결과 최종적으로 사용가능한 데이터는 총 13,236공으로 확인되었다. 이후, 7개의 지진파를 이용하여 액상화 평가에 사용하였으며 활용한 자세한 물성 정보 및 방법론에 관해서는 2020년도 연구보고서에 명시되어 있다(KICT, 2020). 본 연구팀은 액상화 위험지도 현장적용과 관련하여 2021년 2월부터 서울시와 지속적인 미팅을 통해 Virtual Seoul 내에 액상화 위험지도 적용방안에 관한 논의를 진행하였다. 그 결과 그림 6~8과 같이 서울시 공간정보플랫폼 Virtual Seoul 내에 2차원 액상화 위험지도를 현장적용하였고, 차년도에는 3차원 액상화 위험지도를 Virtual Seoul 내에 탑재할 예정이다. 맺음말 본 연구에서는 지진 시 액상화 발생 및 피해예측을 위해 1단계 연구인 ‘Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강공법 개발(2018~2020)’에서 개발한 국토지반정보 포털시스템과 연계된 2차원 및 3차원 액상화 위험지도 작성기술 및 시스템을 바탕으로 지자체에 액상화 위험지도를 보급하고 상부 및 지중 구조물의 피해를 예측 가능하도록 하였다. 액상화 위험지도의 신뢰도를 향상시키기 위하여 데이터 품질관리, 광역단위 액상화 평가, 7개의 지진파를 통한 액상화 자동 평가 개선 등 액상화 위험도 평가기법 고도화 연구를 수행하였다. 지자체에 액상화 위험지도를 보급 및 적용하기 위하여 액상화 위험지도 프로토콜 매칭 및 데이터 표준화 연구를 진행하였고, 3D 도시모형 연계 액상화 시뮬레이션 프로토타입을 구현하였다. 2단계 1차년도에는 서울시 공간정보 플랫폼 Virtual Seoul 내에 2차원 액상화 위험지도를 탑재함으로써 본 연구 성과의 현장 적용성을 확인하였으며, 차년도에는 서울시 공간정보 플랫폼 Virtual Seoul 내에 3차원 액상화 위험지도까지 탑재하여 도심지 재난재해 대응 및 관리에 폭넓게 활용될 예정이다. 지반연구본부 게시일2022-05-26 조회수 12
• 가뭄대응 중소하천 물부족 위험도 평가 및 물 확보 기술 개발 가뭄대응 중소하천 물부족 위험도 평가 및 물 확보 기술 개발 ▲ 김철겸 KICT 수자원하천연구본부 연구위원 들어가며 우리나라의 가뭄은 통계적으로 약 5~7년 주기로 발생하고 있으며, 최근에는 기후변화 등의 영향으로 인해 발생 및 피해가 빈번해지고 있다. 미래에 예측되는 기후변화 및 물 사용량 증가 등에 따른 물부족 현상의 심각화는 용수공급 문제뿐만 아니라 수질 및 수생태계에도 악영향을 주게 된다. 특히 중소하천 유역은 댐이나 저수지를 통한 수량 확보 및 하천유량의 조절이 어려워 가뭄에 따른 물부족 대응력이 낮고, 물부족 현상으로 인한 수질 및 생태환경의 질적 저하도 반복되는 상황이어서 안정적 물 확보와 수질환경을 고려한 지속적인 물관리 방안이 요구되고 있다. 효과적인 가뭄대응을 위해서는 무엇보다 강우 예측과 함께 가용 수자원에 대한 정확한 분석과 평가, 그리고 이를 기반으로 물부족 위험도를 경감시킬 수 있는 효율적인 용수확보가 필요하다. 용수확보를 위한 대안 중 하나로 하수처리수 재이용수가 주목받고 있으나, 재이용수의 수질에 대한 불안감과 심미적 거부감 등으로 실제 재활용되는 비율은 20% 미만으로 나타나고 있다. 따라서 재이용수의 이용률을 높이기 위해서는 수질에 대한 처리수준을 더 강화하는 한편, 아직은 규제 대상이 아니지만 각종 신종 유해물질들에 대해서도 안전한 수준의 수질이 확보되어야 할 것이다. 아울러 중소하천 유역의 경우 가뭄 시에는 하수처리장에서 방류되는 수량이 하천 유량 대비 큰 비중을 차지하기 때문에 방류수 내 영양물질에 의해 부영양화나 녹조 등의 발생 가능성이 더 높다. 따라서 재이용수의 수질 안전성 확보뿐만 아니라 가뭄 시 하천수질 보호를 위해서는 하수처리장 배출수에 대한 수질 처리수준을 고도화할 필요가 있다. 가뭄 시 중소하천 유역에서 발생가능한 수량과 수질 측면에서의 문제점을 해결하기 위하여 본 과제에서는 그림 1과 같이 크게 3가지 분야에 대해 세부 기술들을 개발하였다. 예측/전망 분야에서는 기상, 증발산량, 유출량 등에 대한 사전예측 기술을 개발하였으며, 분석/평가 분야에서는 중소하천 유역의 복잡한 물이용 체계와 유역의 물리적 특성을 반영한 정밀 시공간 수문해석 기술을 개발하여 수자원 가용량 및 물부족 위험도 등을 평가하였다. 물 확보 분야에서는 하수처리장 재이용수에 대해 기존의 처리공정 대비 고도화된 처리 기술, 그리고 경제적인 처리 기술을 개발하였다. 또한 하수처리공정에서 발생하는 슬러지나 부영양화 유발물질을 획기적으로 저감시킬 수 있는 기술 개발도 함께 수행하였다. 기상 및 수문량 장기예측 기술 기상학적 관점에서 한 달에서 수개월 시간 규모에 해당하는 장기예측은 가뭄과 홍수, 폭염과 한파 등과 같은 기상재해에 대응하여 안정적인 수자원 확보와 관리, 농업생산성 확보 등 을 위해 필수적인 정보이다. 장기예측은 주로 통계모형과 기후모형에 의해 이루어지는데, 아직 충분한 수준의 예측성을 확보하지 못한 상태이며 최근 지속적으로 관심과 연구가 집중되고 있는 분야이다. 우리나라 기상청에서도 역학적 모형인 전지구 기후모형의 결과를 이용하여 강수량과 기온에 대한 1~3개월 전망자료를 제공하고 있으나, 한반도의 지리적 특성상 갑작스런 폭우나 태풍 등의 발생, 과거에 비해 빈번해진 이상기후 현상 등으로 인해 정확한 예측이 쉽지 않은 상황이다. 본 연구에서는 한강권역을 대상으로 미래 1~12개월의 월 강수량과 기온을 예측할 수 있는 통계적 모형을 개발하였다. 예측대상인 기상인자(강수량, 기온)와 전지구 기후패턴과의 원격상관성을 기반으로 예측월에 따라 탄력적으로 최적의 예측인자를 선정하여 예측모형을 구성함으로써 미래 기후변화 등에 따른 기상 및 기후 변동성을 반영할 수 있도록 하였다. 예측된 월 단위의 기상정보에 대해서는 통계적 상세화 기법을 통해 주요 지점별 일 자료로 변환하고, 변환된 일 자료를 수문모형과 연계함으로써 기준증발산량이나 유출량과 같은 수문요소에 대해서도 기상예측기간과 동일하게 미래 12개월에 대한 전망결과를 도출할 수 있다. 예측된 기상 및 수문량 정보에 대해서는 그림 2와 같이 웹 기반 시스템을 통해 제공하고 있다. 현재 한강권역의 월 강수량, 평균기온, 기준증발산량과 충주댐 유역 및 경안천 유역의 유출량에 대한 월 단위 예측정보를 제공하고 있으며, 1990년 12월을 기준으로 예측한 1991년 1월~12월에 대한 예측결과 부터 최근의 예측결과까지 제공하고 있다. 중소하천 유역의 정밀 수문량 해석 및 평가 기술 대하천 주변의 광역상수도 공급지역에 비해 중소하천 유역은 가뭄 시 물공급 안정성이 상대적으로 취약하기 때문에 물공급 시설의 효율적 운영, 물공급 위험도 평가, 가용 수자원의 최적이용 등 종합적인 대책 마련을 위해서는 하천유출량이나 수자원가용량에 대한 신뢰성 높은 예측이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 가뭄 시 유역 내 상세 물이용체계 (지하수 취·배수, 하·폐수 방류 등)와 수문환경특성을 반영한 물부족 위험도 평가 및 수자원가용량 평가 기술을 개발하였다(그림 3). 개발된 기술을 활용하여 국내 최초로 지하수 취수가 유역의 하천유출량 예측정확도에 미치는 영향을 규명 하였으며, 한강권역을 비롯하여 낙동강, 금강, 영산강, 섬진강 등 전국을 대상으로 중권역별로 개발 기술에 대한 예측정확도 70% 이상을 확보함으로써 환경부 및 지자체의 가뭄 시 물관리 정책을 지원하기 위한 실용화 기반을 마련하였다. 또한, 중소하천 수문량 평가 소프트웨어(DWAT, Dynamic Water resources Assessment Tool)를 개발하여 2019년 세계기상기구(WMO, World Meteorological Organization) 홈페이지를 통해 공개하였으며 2019년 6월 WMO 수문의회(Hydrological Assembly)에서 ‘전지구 수문현황 및 전망 시스템(HydroSOS, Global Hydrological Status and Outlook System)’의 시범사업을 DWAT이 지원하는 것으로 의결하였다. 2021년에는 4개의 회원국 해외현장(콜롬비아, 아르헨티나, 영국, 부탄 하천 유역)에 DWAT이 적용되었으며, 연구팀에서는 WMO 기술자문사업을 통해 DWAT의 적용 및 교육과 관련하여 지속적인 기술지원을 수행하고 있다(그림 4). 고도산화 기반 재이용수 고도처리 기술 물 재이용은 적절한 수처리 기술을 통해 처리한 하·폐수 처리수나 중수 및 우수를 이용 목적에 부합되는 용수로 다시 사용하는 것을 의미하며, 상수 사용량의 절감효과 외에 공공수역으로의 오염부하량 배출 삭감 등의 부가적인 효과도 있어 물부족 문제 개선 및 건전한 물환경 조성 측면에서 그 필요성이 증가하고 있다. 한편 재이용수 중에는 화학물질 및 병원성 미생물 등 인체 또는 생태계에 위해가 우려되는 신종 및 미량 오염물질들의 잔류 가능성이 확인되고 있어 재이용수의 안전성을 확보할 수 있는 재이용수 생산 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 2020년부터 방류수 수질기준에 새롭게 추가된 TOC 항목을 지표로 활용, 잔류성 미량유기오염물질을 효과적으로 처리할 수 있는 자외선 기반 고도산화처리공정을 개발하였다. 개발 공정은 하수 2차처리수를 대상으로 TOC농도를 2.3~4.4mg/L까지 저감하여 TOC 기준 하천생활환경 기준 Ib~III 등급 수준(하수처리수를 생활용수 원수로 이용할 수 있는 수준)까지 처리가능한 하수처리수 재이용 기술을 확보하였다. 또한, 현재 규제대상에 포함되어 있지는 않으나 재이용수의 안전성 확보를 위해 향후 규제 가능성이 높은 항생제 등 23종의 의약품류에 대해 선회류식 미세기포 발생장치를 이용하여 개발한 오존처리공정을 적용한 결과, 그림 5와 같이 의약품류는 80% 이상, 과불화화합물의 대표적 물질인 과불화옥탄술폰산(Perfluorooctanesulfonic acid, PFOS)은 43% 정도 저감될 수 있음을 확인함으로써 미규제 신종오염물질 처리를 위한 선제적 대응 기술을 확보하였다. 저에너지 하수처리수 재이용 기술 재이용수 이용 활성화를 위해서는 수질의 안전성 확보와 더불어 경제적인 용수 공급방안이 필요하다. 국내에서는 하수처리량 중 14.7%인 약 10억m3을 재이용하고 있는데, 주로 처리장 내 세척수와 기타용수, 하천유지용수(장외용수의 74%)로 활용되고 있다(환경부, 2015). 이는 추가적인 처리없이 하수처리수 방류수를 직접 활용할 수 있기 때문이다. 국내에서 공업용수와 농업용수 등의 활용을 위한 처리공정으로 오존 기반의 고도산화공정, 분리막 기반의 역삼투(reverse osmosis; RO) 공정이 주로 활용되고 있다. 분리막 기술로 많이 활용되고 있는 RO 공정의 경우 운영·관리비용의 44%가 12~19bar 이상의 고압 유지를 위한 에너지 비용으로 나타나고 있다. 반면 해수담수화 등에 활용되는 축전식 탈염(capacitive deionization, CDI) 공정은 듀얼 모듈로 구성된 다공성 전극에 인가된 전기를 통해 생성되는 전기이중층에 수중의 이온성 물질을 흡착하여 처리하는 기술로 RO 공정보다 이온제거율은 떨어지지만 에너지 소모는 낮은 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 한외여과(Ultrafiltration) 분리막과 CDI를 연계한 저압분리막(UF)-CDI 공정을 개발하여 목표수질에 대한 처리도 가능하고 에너지도 절약할 수 있는 최적공정을 도출하였다. 목표 TOC 농도 5mg/L와 비교하여 3.62mg/L 수준까지 처리할 수 있음을 확인하였으며, 에너지 측면에서는 기존의 RO 공정과 비교하여 유지관리비를 약 30% 이상 절감할 수 있는 것으로 분석되었다(그림 6). 따라서, 오존/자외선 고도산화처리 공정과 더불어 재이용수의 처리효율을 높이고, 수질 안전성을 충분히 확보하여 재이용수에 대한 거부감을 줄이고 활용률을 높이는 데 기여할 수 있을 것이다. 슬러지 발생없는 수중의 인 제거 및 회수 기술 하수처리수에 함유된 영양염류 특히 인산염은 하천 및 댐에 부영양화 현상을 야기시켜 수질 악화를 초래한다. 기존에 수중에 함유된 인산염의 제거는 철염 또는 알루미늄을 이용한 급속교반-완속교반-침전 등의 화학적 처리방법 위주였는데, 이와 같은 방법은 화학적 슬러지 발생 과다로 슬러지 처리비용이 크게 소요되는 문제가 있다. 이에 따라 여러 연구자들이 인산염 제거를 위한 흡착제로 철광석, 슬랙, 영가철 등 철 성분을 이용하여 슬러지 발생없는 인 제거를 시도하고 있으나 제거효율이 높지 않고 반응시간이 4시간 이상으로 너무 과다하다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 세계 최초로 슬러지 발생없는 인산염 제거 흡착 신소재를 개발하였으며, 제거된 인산염을 이용하여 비료를 생산할 수 있는 최적방법을 도출하였다(그림 7). 개발된 흡착 소재의 성능 평가를 위해 약 65회의 흡착/탈착 과정을 반복해서 실험한 결과, 처리수 내인 성분이 아예 검출되지 않거나 현재의 수질 기준의 약 1/10수준인 0.03mg/L 이하로 나타났다. 또한 유지관리 측면에서1,000m3/일 규모의 처리용량을 기준으로 기존 공정(PAC+DAF)1)과 비교하여 순건설비는 비슷하지만 약품소요비는 1/30 수준으로 나타났으며, 부산물로 월 240kg의 인산염 비료를 생산할 수 있어서 경제성도 우수한 것으로 분석되었다. 하수처리시설 반류수 내 인·질소 회수를 위한 MAP 결정화 기술 국내 공공하수처리시설에서 방류되는 수량은 2015년 기준 하루 평균 약 1,900만3정도로 경안천과 같은 중소하천 유역의 경우 갈수기 유량의 70% 이상을 차지하는 유효한 수자원이다. 그러나 방류수에는 인과 질소 등 영양물질이 잔존하고 있어 하천과 호수의 부영양화 및 녹조의 발생을 유발시킬가능성이 높다. 한편, 하수처리시설에서 고농도의 인과 질소를 함유한 반류수는 침사지로 반송되어 후속 생물학적 처리공정에서 인 및 질소의 부하를 급증시키고, 이로 인해 최종적으로 방류수의 수질까지 저하시키는 문제가 있다. 본 연구에서는 하수처리시설에서 발생하는 반류수 내의 인,질소와 같은 영양물질을 획기적으로 제거·회수할 수 있는 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate) 결정화 신공정을 개발하였다. 아울러 회수된 MAP 결정은 완효성 비료로 활용가능하다(그림 8). 개발된 MAP 결정화공정에 대한 실증플랜트 운영을 통해 설계 및 최적 운전인자를 도출하고, 운전·유지관리 매뉴얼을 통한 실용화 기반을 구축하였다. MAP결정화 신공정은 하수슬러지 소각재를 활용하여 고농도 인용출액을 회수함으로써 반류수 내 인(PO4-P)의 제거효율을 90% 이상 확보하였으며, 기존의 MAP 결정화공정에서 평균 20%에 머물던 질소(NH4-N)의 제거효율을 80% 이상으로 제고시켰다. 또한 처리과정에서 MgO 단일 약품의 사용으로 비용을 최소화하고, 비료로 활용가능한 MAP 결정을 회수함으로써 실용화를 위한 충분한 경제성도 확보하였다. 개발된 신공정은 반류수 내 고농도로 순환하는 인과 질소를 획기적으로 저감시킴으로써 후속처리공정의 부하를 저감시키고, 최종적으로 방류되는 하천의 수질 보호에도 기여할 수 있을 것이다. 맺음말 이상과 같이 지난 5년간의 연구를 통해 중소하천 유역의 가뭄대응을 위한 핵심 기술력을 확보하였다(그림 9). 예측/전망 분야에서는 기상 및 수문에 대한 정량적 전망 기술을 개발하고, 장기전망 결과를 서비스할 수 있는 웹 기반 제공시스템을 구축함으로써 선제적 가뭄 전망, 예측정보의 활용성 제고 기반을 마련하였다. 분석/평가 분야에서는 정밀 시공간 수문해석 및 평가 기술을 개발하여 국내 지자체 가뭄대책 수립을 위한 의사결정지원근거를 마련하였으며, 국외 WMO 주요 회원국들에 보급함으로써 글로벌 적용 및 기술 지원 기반을 구축하였다. 대응/확보 분야에서는 하수 재이용수를 이용하기 위한 고도처리공정 및 저에너지 처리공정을 개발함으로써 미규제 유해물질에 대한 선제적 대응과 수처리시설에 대한 기술 지원, 대체 수자원의 이용가치 향상 등을 도모하였다. 또한, 슬러지 발생없는 영양물질 저감 기술 및 회수 결정화 기술을 통해 하천수질의 보호는 물론 자원화를 통한 수익 창출 기반도 마련하였다. 장기예측 기술과 관련해서는 웹사이트를 통해 한강권역에 대한 기상 및 수문 예측정보를 지속적으로 제공하고 있으며, 수문해석 및 평가 기술은 WMO 주요모형으로 채택되어 여러 회원국들에 대한 기술지원을 수행하고 있다. 재이용수 생산 기술은 기술이전을 받은 업체에서 폐수처리시설의 공정개선사업에 적용을 검토하고 있으며, 영양물질 처리 기술 또한 각 핵심공정별로 관련 업체들과 기술 설명 및 실무협의를 진행하고 있다. 본 연구에서 개발된 여러 세부 기술들은 기존 가뭄대응에 있어 상대적으로 취약지역이었던 중소하천 유역 및 지자체를 대상으로 안정적이고 안전한 수자원 확보는 물론 건강한 물환경 조성에 기여할 수 있을 것이다. 수자원하천연구본부 게시일2022-05-26 조회수 11
• PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 ▲ 박광연 KICT 구조연구본부 수석연구원 PSC 구조물의 노후화와 외부 PS텐던 비파괴검사의 필요성 국내외를 막론하고 문명화(Civilization)가 진행된 국가는 토목공학(Civil engineering) 기술의 정수가 담겨 있는 각종 교량이 다수 건설되어 물류와 승객이 강과 골짜기를 빠르게 건너갈 수 있게 한다. 대한민국 역시 문명화 된 국가답게 많은 교량이 건설되어 한강을 쉽게 건너 강북지역과 강남지역을 하나의 도시로 묶고, 산골짜기를 극복해 산간 지역의 접근성을 크게 키웠으며, 섬과 육지를 연결해 섬을 육지화하는 등 많은 역할을 하고 있다. 이러한 교량의 38%는 Pre-Stressed Concrete(PSC) 구조를 사용해 지어진 것으로 조사되고 있는데 대한민국의 경제가 급격하게 성장한 80~90년대부터 많은 수의 교량이 지어졌음을 고려하면 30년 이상된 노후 PSC 구조의 안전진단 기술 개발이 시급하다는 것을 알 수 있다. PSC 구조는 이름에서 알 수 있듯 Pre-Stressingtendon(PS텐던)이 가장 중요한 역할을 하고 있는데 PS텐던은 크게 외부 PS텐던과 내부 PS텐던 두 가지로 분류할 수 있다. 이중 외부 PS텐던은 2016년 서울시 내부순환로 정릉천교의 외부 PS텐던 부식사고로 인한 막대한 경제적, 사회적 손실 사례가 발생해 안전진단의 필요성에 대한 경각심을 전 국민에게 일깨워 주었다(그림1). 외부 PS텐던 비파괴검사기술의 현 주소 한국건설기술연구원에서는 정릉천고가교 사례를 계기로 외부PS텐던의 건전성을 평가할 수 있는 기술을 조사하기 위해 국내외 비파괴검사 기술을 대상으로 KICT Blind Test(2016)를 실시했다. 외부 PS텐던의 건전성은 단면손상, 응력, 공극 등 3가지 지표를 활용해 확인할 수 있는데 응력은 국내외를 막론하고 관련 기술을 가지고 있는 곳이 없었고 공극은 한 프랑스 기업(Advitam)만 응모해 73% 정도의 탐지율을 보여 주었다. 세 개 지표 중 단면손상이 가장 중요하고 직접적인 지표라 할 수 있는데 관련된 비파괴기술에 지원한 10여 개 국내외기업 중 일본의 Tokyo-Rope와 러시아의 Instron 두 개 기업만이 유효한 결과를 보여주었고 국내 기업은 유효한 결과를 내지 못함을 확인했다. 유효한 결과를 보여 준 두개의 기업의 기술 역시 비용, 사용성, 장비의 크기 및 무게 등을 개선하지 못하면 현장 적용에 무리가 있을 것이란 결론에 도달했다. PSC 구조물 비파괴평가기술(PSC 청진기) 개발 이러한 이유로 한국건설기술연구원은 외부 PS텐던을 비파괴검사하여 단면손상과 응력 상태, 공극 유무를 검사할 수 있는 원천기술을 개발하는 과제를 진행하게 되었다. 단면손상과 응력은 금속으로 만들어진 외부 PS텐던의 자기특성을 이용하며 공극 유무는 레이더 기술을 응용해 검사하는 방법을 사용했다. 이 글에서는 PS텐던의 건전성을 평가하는 데 가장 중요한 지표인 단면손상을 비파괴검사하는 기술을 간단히 소개하고자 한다. 개발된 비파괴검사 센서의 기본 개념 그림 2는 개발된 전자기센서가 외부 PS텐던에 설치된 개념도를 보여준다. 외부 PS텐던(그림 2의 적갈색 부분)은 실제로 덕트와 그라우트로 포장되어 있지만 덕트와 그라우트의 자기적 성질은 공기(혹은 진공)와 거의 같기 때문에 없는 것으로 가정할 수 있다. 전자기센서는 크게 1차 코일(그림 2의 노란색 부분), 2차 코일(그림 2의 주황색 부분), 고정틀(그림 2의 보라색 부분) 3개 부분으로 이루어져 있다. 고정틀은 자기장에 반응하지 않는 플라스틱으로 만들어져 있다. 1차 코일은 일종의 전자석으로 전기를 흘려 센서 내부에 자기장을 형성시키며, 발생된 자기장의 크기는 센서 내부를 관통하는 금속성분인 외부 PS텐던의 단면적에 대한 함수이다. 2차 코일은 외부 PS텐던을 수회 감싸도록 감겨있는데 1차 코일에 가해지는 전류에 변화를 주어 센서 내부의 자기장에 변화를 주면 2차 코일에 자기장 변화량에 비례하는 유도전류가 발생한다. 이러한 원리를 이용해 1차 코일에 일정한 진폭의 sine파 형상을 갖는 교류전기를 흘리면 2차 코일에는 외부 PS텐던의 단면적 크기와 양의 상관관계를 갖는 진폭을 가진 교류전기가 유도된다. 따라서 유도된 교류전기의 진폭을 분석하면 외부 PS텐던의 단면적을 추정할 수 있다. 외부 PS텐던이 파단되거나 녹슨경우(산화철은 자기장에 반응하지 않는다) 금속성분을 가진 부분의 단면적이 감소하므로, 단면감소로부터 부식과 파단을 추정하는 것이 가능하다. 현장 작업에 최적화된 센서의 개발 그림 2를 보면 알 수 있듯, 이러한 원리를 이용한 센서는 외부 PS텐던을 감싸는 폐쇠회로 형태를 갖추어야 한다. 앞에서 소개한 일본의 Tokyo-Rope와 러시아의 Instron도 위에서 언급한 개념과 기본적인 아이디어는 공유한다(물론 세부 내용을 뜯어보면 꽤나 다르다). 하지만 일본과 러시아의 기술은 외부 PS텐던을 감싸는 폐쇠회로를 만들기 위해 그림 3과 같이 현장에서 권선작업 혹은 그에 준하는 작업을 해야 하며 이는 상당한 시간을 소요하기 때문에 작업성이 떨어진다. 또한, 센서의 상태가 설치할 때마다 바뀌기 때문에 센서의 신뢰도가 떨어지며 센서 부품을 모두 따로 들고 이동해야 하므로때문에 비좁은 교량 내부 통로에서 작업하기에 불리하다. 반면 한국건설기술연구원에서 개발한 전자기센서는 그림 4와 같이 2개로 분리되어 있어 조금만 숙달되면 1~2분 이내에 설치가 가능하다. 또한, 주요 접합부를 신뢰도 높은 기성커넥터로 구성해 아무리 반복 설치해도 센서의 신뢰도가 감소하지 않게 했다. 무게도 총 5kg, 한쪽 당 2.5kg 수준으로 사람이 들고 다니기에 무리가 없는 무게이다. 이 센서를 그림5와 같이 설치하고 외부 PS텐던을 따라 적당한 속도로 스캔하면 해당 구간을 비파괴검사 해 단면적의 변화를 확인할 수있다. 신호처리 및 인공지능을 이용한 의사결정 기술 그림 6은 개발된 비파괴장비를 테스트하기 위해 만든 시편에 적용한 결과이다. 그림 상단에 손상을 모사한 단면적과 손상구간이 도식화되어 있다. 그림 5와 같은 과정으로 측정한 결과는 그림 6의 초록색 선과 같이 나타나는데 진폭 변화가 미미해 육안으로 구분하기 어렵다. 마그네틱 센서로부터 측정한 결과를 이용한 외부 PS텐던의 건전성 평가를 돕기 위해 측정한 신호에 진폭 복조 등 몇 단계의 신호처리를 거치면 그림 6의 빨간색 선과 같은 결과를 얻을 수 있다. 빨간색 선에서는 PS텐던의 손상에 따른 변화가 확연히 구분되는 것을 볼 수 있다. 하지만 이러한 변화가 손상에 의한 변화인지 혹은 잡음인지를 구분하기 위해서는 많은 경험이 필요하다. 또한 손상이 어느 정도 진행되었는지에 대한 정보를 얻기에는 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해 얕은 신경망을 이용해 그림 6의 파란색 점과 같이 손상 위치를 특정하고 손상 단면적의 비율과 손상 길이까지 예측하는 알고리즘을 개발했다. 또한 그림 7과 같은 다수의 시편을 제작해 인공지능을 학습하는 데 사용했다. 맺음말 한국건설기술연구원에서는 2016년 정릉천고가교와 같은 상황이 다시 반복되는 것을 막기 위해 PSC 구조물의 주요 요소인 외부 PS텐던을 비파괴검사하는 기술을 개발했다. 전자기학을 응용해 금속성분으로 이루어진 단면적을 비파괴검사하는 원리를 이용하고 있으며 외부 PS텐던의 파단과 부식을 사전에 감지해 PSC 구조물을 보수보강할 수 있게 하는 기술이다. 단순히 센서를 개발하는 것 뿐 아니라 센서의 사용성을 개선하고 측정된 신호에 신호처리 과정과 인공지능을 적용해 의사결정을 돕는 기술도 함께 개발했다. 센서의 사용성은 현재 수요기업과의 긴밀한 의사소통을 통해 계속해서 개선 해나가고 있으며, 의사결정을 돕는 신호처리와 인공지능 역시 알고리즘을 개선하고 학습데이터를 추가해 정확도를 높여나 가고 있다. 또한 같은 원리로 케이블 교량의 케이블을 비파괴 검사하는 기술 역시 개발하고 있다. 여기서 소개한 기술이 완성되어 교량 유지보수 시장에 진출한다면 교량의 선제적 보수를 통해 막대한 경제적 손실을 막고, 많은 국민이 불편함을 겪음으로 인해 발생하는 사회적 손실 역시 막는 데 일조할 수 있을 것이다. 구조연구본부 게시일2022-04-28 조회수 627
• LiDAR 기반의 자율주행차량을 지원하는 도로안전시설물 개선 기술 개발 LiDAR 기반의 자율주행차량을 지원하는 도로안전시설물 개선 기술 개발 ▲ 박범진 KICT 도로교통연구본부 연구위원 자율주행차량과 LiDAR 차량이 스스로 주행하는 자율주행은 차량에 설치된 센서를 통하여 도로와 주변을 인식하고, 인식된 정보를 기반으로 차량을 안전하게 제어하는 기술이다. 현재 자율주행기술은 차량 제조 및 전장 업계, IT 업계 등이 기술 발전을 주도하고 있다(KICT, 2021). 자율주행차량(Autonomous Vehicle, 이하AV)에서 운전자 눈의 역할을 수행하는 센서는 영상, 라이다(Light Detection And Ranging, 이하 LiDAR), 레이더, 적외선 등 다양하게 존재하나, 현재는 영상과 LiDAR가 자율주행기술 발전을 주도하고 있다. LiDAR는 3D 형태로 주변 인식이 가능하며, 타 센서들에 비하여 주간 뿐만 아니라 야간의 시인성이 우수한 것으로 알려져 있다(Kim, 2021). 특히, LiDAR는 레이저를 도로안전시설물에 직접 조사(Irradiation)하여 시설물의 거리와 크기 등을 검지하기 때문에 도로안전시설물의 재질, 모양 등을 변경하면, LiDAR가 시설물을 인식하는 데 도움을 줄 수 있다(Kim, 2021). 대한민국 정부는 협력(Cooperate)을 자율주행 구현을 위한 전략으로 삼아 AV의 상용화 시점을 2027년으로 설정하였다. 전문가들은 미래 자율협력주행에서 도로안전시설물을 AV와 협력하는 대상들 중에 하나로 본다. 즉, 미래의 도로에서는 도로안전시설물이 설치 목적과 역할에서 벗어나, 자율주행에 대응하는 새로운 설치 목적과 역할을 담당할 것으로 예상한다. 본 연구에서는 LiDAR의 검지성능을 향상시키는 도로안전시설물 개발 사례를 소개하고자 한다. 더불어, LiDAR가 어떤 방식으로 자율주행제어에 기여하는가에 대한 설명과 함께 검지특성 기반의 도로안전시설물 개선의 필요성과 도로안전시설물의 향후 개발방향을 예측하였다. 왜 LiDAR인가? (LiDAR는 도로안전시설물 개선으로 자율주행차량 지원이 용이한 센서) LiDAR는 1990년대 GNSS(Global Navigation Satellite System)기술이 발전하면서 범용적으로 활용하기 시작되었고, 이를 소형화하여 AV에 사용하게 되었다. 가장 널리 사용되는 ToF(Time of Flight) 방식의 LiDAR는 검지하고자 하는 물체를 향해 레이저를 조사하고, 조사한 레이저가 물체에 반사되어 돌아오는 비행시간으로 물체와의 거리를 측정한다. 이러한 원리로 인하여 측정하고자 하는 물체에 따라 검지성능이 달라질 수 있다. 표 1은 현재의 AV에서 가장 많이 활용되는 센서별로 센서에 영향을 미치는 요인을 분석한 표다. LiDAR는 조사하는 레이저의 물체 반사면 입사각, 물체 반사면의 도료와 코팅재료 등이 검지성능에 영향을 미치는 요인이다. ‘AV 지원 도로안전시설물’의 의미가 AV가 안전한 주행을 위하여 지금보다 정확하고, 빠르게 도로안전시설물을 검지하도록 지원해야 한다는 의미로 해석된다면, 표 1의 영향요인으로 알 수 있듯이 영상 등의 타 센서보다는 LiDAR를 대상으로 도로안전시설물을 개선할 때 효과가 클 것이다. LiDAR를 대상센서로 도로안전시설물을 개선한다면, 그림 1과 같은 효과를 기대할 수 있다. 그림 1의 X축을 AV의 거동단계(검지→인식→분류→매칭→제어)로 구분한다면, LiDAR를 활용한 ‘AV 지원도로안전시설물’은 검지시간을 감소하는 효과(그림 1의 좌)를 얻을 수 있다. 단축된 검지시간은 거동단계의 총 시간을 단축시킬 수 있으며, 그림 1의 우와 같이 인식 단계에서 정확성을 높일 수 있는 시간을 벌어주는 효과가 예상된다. 어떤 도로안전시설물을 개선할까? (자율주행차량이 검지하는 도로안전시설물) 현재 도로에는 각각의 설치 목적을 갖는 무수히 많은 도로안전시설물이 존재한다. 따라서, LiDAR의 검지성능을 향상시키는 데 적절한 도로안전시설물을 선택하는 것은 어려운 일이다. 이에 현재 AV가 인식하는 도로안전시설물을 조사(Research)하였다. 현재, 센서가 시설물을 인식하고 있다는 의미는 시설물이 자율주행기술 구현에 일정부분 역할을 이미 수행하고 있다는 것으로 판단하였기 때문이다. 표 2는 자율주행 발전을 위해 공개하는 Global DB에서 찾은 LiDAR가 인식하고 있는 도로안전시설물 종류이다. 공개 DB(표 2)를 분석해보면, AV는 반복적인 설치패턴을 갖는 시설물(차선, 지주), 주행에 필요한 의미 전달정보제공을 위한 시설물(도로표지, 교통안전표지), 그리고 AV 주행 시, 어떤 상황에서도 지켜야할 경계를 알려주는 시설물(도로 중앙선과 보도구분 방호울타리, 보도구분 연석) 등의 고정시설물과 단기 공사구간 혹은 사고와 같은 이벤트 발생 시 AV가 알아야하는 임시 시설물(교통콘) 등이 현재 주요하게 인식하고 있다. 도로안전시설물 개선 사례는? 본 연구는 이벤트 발생 시 AV의 주행안전성을 향상하기 위한 목적으로 사고·공사 시의 이벤트 발생 시에 임시적으로 설치되는 교통콘을 AV 지원을 위한 도로안전시설물 개선사례로 선정하였다. LiDAR의 검지성능을 향상시키기 위하여 교통콘의 모양, 재질, 배치 등을 그림 2와 같이 개선하였다. 모양은 기존의 원뿔기둥 형태에서 레이저의 반사를 극대화시키기 위한 삼각 평면모양으로 개선하였다. 이는 결과적으로 교통콘의 모양(그림 2의 하단)은 사람 운전자에게도 이질감이 없으며, 기존 교통콘의 설치 목적을 그대로 계승하였다고 볼 수 있다. 재질 및 도료는 알루미늄에 유광페인트로 도색하고, 흰색의 고휘도 재귀반사시트를 사용하였다. 또한 공사구간의 설치 시 차량과 대향할 수 있도록 배치하여 기존의 교통콘과 성능을 비교하여 보았다. 개선된 교통콘의 LiDAR의 검지성능 향상을 판단하기 위하여 LiDAR의 성능지표인 NPC(Numbers of Point Cloud)를 측정하여 성능검증을 수행하였다. 결과는 표 3과 같다. 여기서, NPC는 LiDAR가 물체에 조사한 레이저가 물체에 반사되어 돌아온 레이저의 개수를 의미한다. 따라서 NPC가 높을수록 물체를 정확하게 인식할 수 있다. 맑은날과 강우시 모두, 개선된 교통콘이 기존의 교통콘보다 평가한 모든 거리에서 더 많은 NPC가 관측되었다. 특히, 이러한 결과는 강우시에 개선의 효과가 큰 것으로 분석되었다. 강우 시에는 맑은 날에 발생되는 NPC의 차이보다 더 많은 차이가 발생되었기 때문인데. 예를 들어 강우 20mm/h의 상황에서 20m 거리에서 측정한 NPC는 기존 교통콘은 16.8개인 반면에 개선 교통콘의 경우, 30.8개가 관측된다. 이러한 결과는 LiDAR가 일반 교통콘에 비하여 개선 교통콘의 검지가 보다 용이한 것을 의미하며, 앞서 언급한 LiDAR측면의 도로안전시설물 개선 효과를 실제로 기대할 수 있음이 확인되었다. 앞으로 도로안전시설물은? 전문가들은 완전한 자율주행기술의 상용화시기에 대한 이견은 있지만, 결국 AV의 상용화는 이루어질 것으로 본다. 도로안전시설물도 이러한 AV의 발전에 발맞춰서 발전해야 할 것이다. AV 보급은 일반운전자가 압도적으로 많은 시기(Short Term)를 거쳐, 일반운전자와 AV가 도로상에 비슷하게 주행하는 시기(Mid Term)와 일반운전자보다 AV가 많아지는 시기(Long Term)로 흔히 구분된다. 이에 따라 도로안전시설물도 Short Term 시기에는 현재의 도로안전시설물의 역할을 계승 하면서 부분적으로 개선하는 방향으로 자율주행을 지원해야 하며, Long Term을 대비하여 기존의 도로안전시설물의 사람 운전자 지원이 아닌 전적으로 AV의 지원을 위한 가상시설물(가칭)의 개발과 설치도 고려해야 한다. 그림 3은 LiDAR가 인식하는 미래도로와 시설물의 모습이다. 좌측 그림은 현재 악천후 시에 사람 운전자의 시야이며, 그림 3의 우측은 LiDAR가 인식하는 미래도로이다. 우측 그림에는 좌측 그림에 존재하지는 않지만(사람은 보이지 않지만) 존재하는 시설물(가운데 마름모 Cloud Point)도 있고, 사람이 보는 모양과 LiDAR가 보는 모양이 다른 시설물(갈매기모양 Cloud Point)도 있으며, 비가 올 때 LiDAR에만 선명한 교통콘(삼각형 Cloud Point)도 있다. 이러한 변화는 미래에 도로주행의 주체가 사람에서 기계로 전환됨에 따라 새롭게 요구되는 역할을 반영한 것으로 자율주행 센서의 작동원리와 활용에 대한 연구를 통해 자율주행의 안전도를 제고할 것으로 기대된다. 도로관리통합클러스터 게시일2022-04-28 조회수 245
• 딥러닝을 활용한 강우 및 홍수예측 기술 현황 딥러닝을 활용한 강우 및 홍수예측 기술 현황 ▲ 윤성심 수자원하천연구본부 수석연구원 기후변화로 인해 돌발적이고 국지적인 강우의 발생횟수와 강도가 증가하고 있다. 이러한 기상현상은 수재해 피해를 가중시키고 있으므로 수재해 발생을 사전에 예측하여 대응할 수 있는 기술이 더 중요해지고 있다. 수재해 사전 대응에는 언제, 어디에, 얼마나 많은 비가 내릴지 예상하는 강우예측 정보와 다양한 수재해 양상(하천홍수, 도시침수, 해안 및 산지 돌발홍수)을 수문 및 수리학적 모형으로 예측한 홍수량 및 홍수위 정보가 필수적으로 사용된다. 최근 이와 같은 주요 예측정보 생산에 딥러닝 기술을 적용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로 기상분야에서는 기상수치모델, 레이더 기반 예측기법을 적용하여 강우량과 강우발생 지역을 예측하고 있다. 그 중 레이더 자료를 이용한 강우예측 기법은 기상레이더에서 관측되는 강우장이 동일한 호우에 대해서는 동일한 기상특성을 갖는 것으로 판단하고, 외삽 기반의 예측기법을 사용한다. 역학·물리적 원리에 기반한 기상 예측 외에도 1990년대부터 인공신경망기법을 이용한 강우예측 연구가 수행되어 왔으며, 최근에는 이미지 검색 및 분류와 같은 컴퓨터 비전 분야에서 강점을 갖는 딥러닝 기법과 기상레이더 자료와 같은 2차원 데이터들을 이용하여 강우를 예측하는 연구 추세가 증가하고 있다(Kuligowski et al., 1998; Lee et al., 1998; Hall et al., 1999;Seo et al., 2012, Argawal et al., 2019). 딥러닝 기술을 선도하고 있는 Google은 인공위성 및 수치예보와 결합한 레이더 자료(Multi-radar multi-sensor, MRMS)와 U-Net CNN을 이용해 1km 고해상도로 매 2분마다 최대 6시간 예측강우를 산정하며, 미국 NOAA의 선행 1시간 예측강우와 비교한 결과 높은 정확도를 보였다. 여기서 U-Net CNN은 객체구별에 강점이 있는 CNN에 U자형 네트워크를 통해 객체구별과 지 역화를 강점으로 빠른 연산이 가능한 심층학습 기법이다(Agrawal set al., 2019년). 국내에서도 딥러닝을 이용한 강우예측들이 수행되고 있는데 한국건설기술연구원에서는 한국수력원자력(주)과의 수탁연구를 통해 기상청에서 2010년부터 20017년까지 관측된 레이더 이미지를 구축하고, 기존의 U-Net 뿐만 아니라 데이터 연속성을 고려할 수 있는 ConvLSTM2D U-Net 신경망 구조를 갖는 모델로 학습하여 기존 외삽 기반의 예측기법보다 정확도가 높은 강우예측 모델을 개발한 바 있다(Yoon et al., 2020; Shin et al., 2021). 본 기법은 U-Net구조와 ConvLSTM2D의 구조로 학습을 각각 진행하고 최종적으로 이를 합쳐서 Convolution층을 배치하여 예측하는 모델을 구성하여 사용하였다. 여기서, U-Net은 이미지의 전반적인 특징 정보를 얻기 위한 수축형태(Contracting Path)의 네트워크와 정확한 지역화를 위한 팽창형태(Expanding Path)의 네트워크가 U자형의 대칭 형태를 갖으며, ConvLSTM2D는 시공간적 상관관계를 포착할 수 있는 네트워트 구조로 입력에서 상태로의 전환과 상태에서 상태로의 전환 모두에서 컨볼루션 구조를 갖는다. 해당 모델의 구조는 그림 3과같다. 특히 기존의 U-net과 차별되는 점은 Upsampling층 대신 Conv2DTranspose를 사용하는데 Upsampling층은 낮은 해상도를 강제로 고해상도로 올리는 반면 Conv2DTranspose는 학습된 필터를 사용한 convolution 연산으로 해상도를 높인다. 또한, RainNet에 있던 과적합을 막기 위해 사용하는 Dropout 위치에는 2차원 전체 특징맵을 제외할 수 있는 SpatialDropout2D을 사용하였다. 학습된 신경망 강우예측 모델은 현재를 기준으로 과거 30분 전까지의 연속된 4개의 자료를 이용하여 10분 선행 예측자료를 생성하는 데 최적화되었다. 최적화된 딥러닝 강우예측 모델을 이용하여 강우예측을 수행한 결과, ConvLSTM2D U-Net을 사용하였을 때 예측 오차의 크기가 가장 작고, 강우 이동 위치를 상대적으로 정확히 구현하였다. 앞서 서술한 강우예측 분야와 마찬가지로 딥러닝을 이용하여 홍수를 예측하는 연구가 진행되고 있으며 AI 기반의 홍수예보기술 개발을 Google도 진행하고 있다. Google에서는 홍수예측 서비스를 위해 HydroNets를 개발하였다. HydroNets은 수문학적 특성을 갖는 각각 소유역의 사전 정보와 상하류로 연계되어 있는 소유역간의 가중치를 공유하면서 홍수량을 산정한다. HydroNets의 구성은 일반 수문물리학적 모의를 하는 공유모델과 유역특징 모델이 모듈형으로 구성되어 적용과 개선이 편리하다(Moshe et al., 2020). 특히,Google은 2018년부터 2억 명 이상이 거주하는 인도와 방글라데시 지역을 대상으로 HydroNets, 수위관측 정보를 이용한 Long Short-Term Memory (LSTM), 형태학적 침수모형 등과 같이 딥러닝 알고리즘을 바탕으로 실시간 홍수예측 정보를 제공하는 시스템을 개발하고 있다(Nevo et al., 2021). 이러한 딥러닝 기술의 강우 및 홍수예측 정보 생산 적용이 활발해짐에 따라 우리나라 환경부에서도 2020년 장마기간에 발생한 집중호우와 이에 따른 피해를 근본적으로 줄이기 위한 대책의 일환으로 첨단기술을 활용한 ‘과학적 홍수관리’를 본격 추진하여 기후변화에 따른 집중호우에 대응하기 위해 2025년까지 인공지능(AI)을 활용한 홍수예보 시스템을 도입하고자 한다(환경부, 2020). 기술 진보를 바탕으로 한 수재해 대응 기술의 향상은 국민의 안전을 지키는 데 기여할 것으로 예상된다. 수자원하천연구본부 게시일2022-03-15 조회수 595
• 미국의 건설공사 손해보험 제도 미국의 건설공사 손해보험 제도 ▲ 한재구 건설정책연구소 수석연구원 들어가며 건설공사 중에 발생할 수 있는 사고로 인한 손해에 대비하기 위해 다양한 보험 상품이 개발되어 있다. 건설공사와 관련된 보험은 크게 재산보험(Property Insurance), 배상책임보험(Liability Insurance)및 기타 보험 분야로 구분할 수 있다. 재산보험이란 재산을 소유하거나 관리하는 데 있어서 사고의 발생으로 소유자나 관리자, 또는 사용자가 경제적 손실을 입게될 경우 이것을 보상해 주는 보험을 의미한다. 배상책임보험은 피보험자가 공사 관계자가 아닌 제3자에 대하여 보험기간 중에 발생한 사고로 인하여 손해배상 책임을지게 되는 경우 그 손해를 보상할 것을 목적으로 하는 보험을 의미한다. 건설사업의 수행 단계별로 발주자, 건설기업, 전문건설기업등을 보호하기 위해 고안된 보험의 종류는 매우 다양하다. 이 글에서는 다양한 건설공사 손해보험 중 미국에서 가장 일반적으로 활용하고 있는 보험들에 대해서 알아보고자 한다. 미국의 건설공사 손해보험 종류 ① 건설사 위험 보험(Builders Risk Insurance) 건설사 위험 보험은 건설 중인 시설물과 다른 구조물에 대한 보험을 의미한다. 소유자 보험이나 상업 재산 보험과 같은 다른 상품들은 일반적으로 건설공사 중에 세워지는 구조물들을 포함하지는 않는다. 건설사 위험 보험은 아래와 같은 내용을 보장한다. - 건설장비·자재, 기초 구조물, 비계 등 임시 구조물, 포장, 담벼락,외장 등, 건설업자에 의해 조성된 조경일반적으로 보험사들은 프리미엄 옵션을 제공하는데, 이 옵션은 비용이 더 들지만 보험 범위 한도, 보험이 불가능한 사건 및 보험에드는 시설물을 확장할 수 있다. ② 상용자동차 보험(Commercial Auto/Truck Insurance) 상용자동차 보험은 기업이 이용하는 차량에 자동차 보험을 제공하기 위한 보험이다. 건설사업 전용으로 이용하는 상품은 아니지만, 미국 대부분의 주에서 건설사업자에게 가입을 요구하고 있다. 상업용 자동차 보험이 제공하는 보장은 보험 가입자가 높은 차량 수리비, 의료비 또는 자동차 사고로 인한 소송을 피할 수 있도록 하기 위한 것이다. ③ 근로자 보상 보험(Workers’ Compensation Insurance) 근로자 보상 보험은 근로자가 근무 중 다쳤을 때 사업자와 계약자를 보호하기 위해 만들어진 보험이다. 사고 후 발생할 수 있는 아래와 같은 비용을 보장한다. - 의료비, 임금체불, 부상과 관련된 지속적인 회복 비용, 부상자가 보험계약자를 고소할 경우 법정 수수료, 장례비용 및 사망급여 근로자 보상 보험은 다른 보험과 마찬가지로 건설사업에 국한되지 않지만, 업무상 부상 가능성이 있는 경우, 다른 사람을 고용할 계획인 건설기업에게 중요한 사항이다. 실제로 일부 주에서는 근로자 보상보험이 법으로 의무화돼 있다. ④ 일반 책임 보험(General Liability Insurance) 일반 책임 보험 또는 계약자 일반 책임 보험(contractor general liability incurance)은 사업 과정에서 신체적인 손해나 재산상 손해를 입었을 경우 기업에 책임보호를 제공하는 보험이다. 발주자, 건설기업, 전문건설기업 등 역할에 상관없이 보험 가입자를 불필요한 위험으로부터 보호하기 위해 책임 보험을 이용할 수 있다. 일반 책임 보험은 다음을 포함한 광범위한 손해를 포함한다. - 잘못된 작업 방식, 직무상 상해, 상업적 손해, 명예훼손 ⑤ 전문직 배상 책임 보험(Professional Liability Insurance) 오류 및 누락(errors & omissions) 보험이라고도 하는 전문직 배상책임 보험은 불만족스러운 업무에 대한 발주자의 소송으로부터 계약자를 보호한다. 경험이 많고 철저한 전문가가 수행한 업무에서도 실수가 발생할 수 있으나, 발주자는 계약자의 실수로 인해 발생하는 시간적, 금전적 손해를 이해하려 하지 않을 것이다. 아래와 같은 경우, 발주자는 계약자에게 소송을 제기할 수 있다. - 작업 실수, 계약 업무 누락, 과실 치사, 마감 기한 미준수 이러한 업무상 과실로 소송을 제기할 때 전문직 책임 보험은 변호사 선임 비용 등 법적 방어 비용을 부담할 수 있다. 미국의 설계 전문직 배상책임 보험 (Design Professional Liability Insurance) 보험사는 현재 보험시장에서 설계상 과실에 대해 다양한 설계 전문직 배상 책임 보험(Design professional liability insurance, 이하 DPLI)상품을 제공한다. 이러한 DPLI 상품은 보험사와 계약자 지정 옵션에 따라 보장 범위와 가격이 매우 다양하다. 2019년 조지아 주 DOT에서 발간한 보고서에서는 DPLI을 보장범위, 보험료 부담자에 따라 표 1과 같이 분류하고 있다. Annual-based DPLI는 설계사가 수행하는 설계 작업에 대한 업무상 과실에 관한 위험을 다루기 위해 설계사가 구매하는 상품이다. 보험 가입 기간 동안 설계사가 수행한 사업에서 업무상 부주의나 과실로 인한 위험에 대해 지정된 한도 내에서 배상책임이 보장된다. Annual-based DPLI와 달리, Project-specific DPLI는 특정 사업에 대한 설계 책임 보장을 위해 이용되는 보험이다. 이러한 유형의 상품의 장점은 설계사가 가입한 연간 기준 상품의 보장 한도가 다른 사업에 의해 이미 소진 되었는지 우려할 필요가 없다는 것이다. 보험료 부담자는 보험 유형의 차이를 나타내는 또 다른 기본 특성이다. 보험료 부담자는 주도적으로 보장 범위와 정책을 협상하기 때문에 중요하다. DPLI가 사업 수행 기간 동안 발생하는 설계 오류를 다루기 위한 것이지만, DPLI 보험료 부담자가 항상 서비스를 제공하는 설계사는 아니다. DPLI 가입 비용과 관련해서 미국 보험사인 Insureon(2021)에 따르면, 엔지니어링 전문가들은 DPLI에 대해 매달 145달러, 즉 연간 1705달러 미만의 값을 지불 한다. 설계 DPLI 가입자 중 18%는 연800달러 이하, 23%는 연 800~1600 달러 사이의 보험료를 부담하고 있는 것으로 조사되었다. 29%는 1600~2400 달러 사이, 30%는 연간 2400달러 이상의 보험료를 부담하고 있다. 회사, 업계 규모 및 과거에 소송을 당했는지 여부 등의 요인이 보험 비용을 결정하는 데 중요한 요소이다. 좀 더 세분화 해보면, 엔지니어링 전문직책임 보험의 평균 비용은 매달 약 155달러, 즉 연간 1,875달러이다. 건축설계사의 경우 월 145달러, 연간 1,730달러, 감리기술자의 평균비용은 월 115달러, 즉 연간 1,400달러로 조사되었다. DPLI 보장한도는 보험사가 DPLI에 따라 지급하는 최대 보험금 금액이며, 회사 규모에 따라 보장 한도와 범위의 최대 금액을 높일 수있다. 절반 이상의 설계사는 오류 및 누락 발생당 100만 달러이고 총 100만 달러 한도의 DPLI에 가입하고 있는 것으로 조사되었다. 21%는 발생당 50만 달러, 총 50만 달러 한도의 DPLI를 선택하였다 맺음말 우리나라에서도 건설기술진흥법 제34조에 따라 실시설계, 건설사업관리 용역을 계약하는 건설엔지니어링사업자의 고의 또는 과실로 인한 손해배상 및 보험(공제) 가입 의무가 있다. 이 경우 보험(공제) 가입 비용을 건설엔지니어링 비용에 계상토록 하고 있어, 건설엔지니어링사업자의 부담을 경감시켜주고 있다. 그러나, 기술형입찰(일괄 등) 공사의 경우 설계사가 시공사와 분담이행방식의 공동 수급체로 입찰에 참여하고 있으나, 시공사의 공사손해보험만 가입 의무화되어 예정가격 또는 공사예산에 계상(실질적으로 설계사는 시공사와 하도급계약 체결)하고 있다. 기술형입찰공사에서 설계손해배상보험은 민간계약으로 치부되어 의무가입 대상으로 규정되지 않고, 시공사에서는 관행적으로 용역원가에 미포함하여 용역계약을 체결하여 설계사에 부담이 되고 있는 실정이다. 기술형입찰시 설계손해배상보험(공제) 가입 의무화 및 보험료를 공사비 또는 설계용역비에 계상하도록 하는 관련 법령 및 제도를 개선하여 설계와 시공 수행의 형평성을 유지할 필요가 있다. 건설정책연구소 게시일2022-03-15 조회수 397
• 재난상황 대응을 위한 유해가스 측정기 개발연구 재난상황 대응을 위한 유해가스 측정기 개발연구 ▲ 심재웅 화재안전연구소 수석연구원 들어가며 전 세계적으로 사용되고 있는 상업용 화학물질은 1,500만 종 이상으로 알려져 있다. 이들 중 약 7만여 종 이상의 화학물질이 우리 생활에 밀접하게 사용되고 있으며, 매년 1t 이상 생산되고 있는 화학물질은 1,000여 종에 달한다. 우리나라에서 산업공정에 사용 및 유통되는 화학물질의 수가 약 4만여 종에 달하는 등 현대사회 산업발전에서 차지하는 화학물질의 중요도와 범위는 상당하다고 볼 수 있다. 하지만 화학물질 생산과 사용이 증가함에 따라 경제적 손실을 초래하는 화학사고의 발생빈도와 피해규모 또한 지속적으로 증가하고 있다. 특히 우리나라에서 발생한 2012년 구미 불산사고로 인하여 화학사고가 지니는 위험성에 대해 각인되었으며 화학사고에 대한 안전대책을 다시 돌아보는 계기가 되었다. 이후에도 각종 화학사고가 발생하면서 화학물질을 철저하게 등록 및 관리 하여 피해를 방지하기 위하여 2015년부터 화평법(화학물질의 등록 및 평가 등에 관한 법률)과 화관법(화학물질관리법)이 시행됨으로써 유해화학물질에 대한 안전을 근본적으로 관리하고자 하였다. 유해화학물질 안전관리에 대한 대응 체계에 맞춰서 우리나라의 화학물질 사고를 저감하기 위해 2014년부터 출연(연)간 공동 융합시범 과제가 시행되었으며 14개 기관이 참여, 245억 원의 연구지원으로 ‘화학물질사고 예방, 감시 대응기술 개발’ 연구를 수행한 바 있다. 당시 산업공정에서 발생 가능한 유해가스 및 휘발성 유기화합물에 대하여 원거리에서 실시간으로 모니터링이 가능한 기술을 통해 화학적 사고발생을 예방하고자 하는 연구가 시작되었다. 이후 다부처 연구 과제를 통해 소형·경량화 유해화학 측정 센서를 무인기에 장착하여 원거리 가스 모니터링 기술 개발연구가 수행되었다. 해당 연구에 대한 주요 내용은 화학적 가스누출 등 재난이 발생한 곳에 신속하게 도착하여 실시간으로 누출 가스를 측정 및 분석하여 재난상황에 대응하고 안전지역을 확보하는 것이다. 국내외 정책 및 기술 동향 국내외 현황 및 정책 화학물질 사고는 유형별로 화재, 폭발, 질식 등 단일유형으로 나타나기도 하지만, 각 유형들의 복합적 사고발생이 많이 나타난다. 특히 화재가 전체의 43%, 누출 23%, 폭발 19%로 전체 유형의 상위 3가지로 85%를 차지하고 있다. 화재나 누출과 같은 사고의 경우 울산, 여수, 경기 지역 등 석유화학단지나 공단 등 대규모 산업단지가 위치한 지역에서 다수 발생한 보고가 있다. 화학물질을 취급하는 사업장, 보유자들의 취급 부주의, 안전의식 부재 등으로 인한 사고가 일반적으로 보고되고 있으며, 현재 화학물질로 인한 사고예방과 대응체계와 관련된 내용은 화학물질관리법에 구체적으로 명시되어 있다. 국외의 경우 유해가스 배출 관리 정책을 통해 대부분의 산업공정은 다양한 설비로 구성되어 부분적 손상으로 인한 기체/액체 형태의 화학물질 외부 누출 가능성을 방지하여 화학적 재난을 최소화 하고자 각국에서는 산업공정에서 정기적 누출검사와, 즉각적 수리를 규정하고 있다. Leak Detection and Repair(LDAR : 배출탐지기술)는 산업공정 중 발생하는 위험성 배출을 방지하기 위한 프로그램으로 이를 통해 산업체의 화재 및 폭발 방지, 근로자 보호 등의 효과를 보고 있다. 미국의 경우 EPA를 중심으로, FDA, DOE, USDA,NIH, NIEHS 등의 국가기관들이 연계하여 신종 유해화학물질 모니터링 및 노출관리 관련 정책을 마련하고 있다. 유럽의 경우 환경기술관련 연구 대부분이 Framework Programme에서 수행하고 있고, 오염자부담원칙과 사전오염예방원칙에 근간한 신화학물질 정책인 REACH(Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals)를 마련하여 2007년 6월부터 법안을 시행하고 있다. 국내외 기술동향 국내외 가스 형태의 화학(대기)물질(환경규제물질)을 진단 및 측정하는 기술은 지속적으로 발전하고 있다. 앞서 언급된 LDAR은 적외선(IR) 탐지와 같은 광학 이미지 시스템을 적용하며, 광범위한 지역의 배출상태를 신속히 확인하는 데 유용하다. 광학 영상화 기술이 도입되어 화학물질 누출을 관리하는 데 활용하며 무선전송기술, Taglee LDAR, 상대위치정보시스템(RPS) 등과 같은 기술이 접목된 새로운 측정기술이 지속적으로 개발 및 활용되고 있다. 광학 기술 중 대중적으로 보급화 된 적외선영역 기술은 누출, 배출되는 가스의 적외선 흡수를 통해 특정 파장을 분석함에 따라 IR 모니터에 표시하거나, 카메라처럼 영상으로 확인할 수 있도록 개발된 바 있다. 현재까지 대기 중 가스 측정에서 일반적으로 사용되는 대기오염 측정기들은 대부분 기계 내부의 소형 펌프를 이용하여 공기샘플을 측정기 내부로 흡입한 후 설치지점의 오염농도를 측정하는 지점 모니터링(point monitoring) 방식을 사용하며, 최근 몇 년 사이 광투과 방식을 이용한 원격측정장치인DOAS(Differential Optical Absorption Spectrometer), FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer) 등의 첨단 환경계측기들이 개발되어 보급되고 있는 추세이다. 적외선 분광분석 적외선 분광분석이란 적외선 영역의 스펙트럼인 약 12,800㎝-1 내지 10㎝-1 범위의 주파수 또는 0.78㎛ 내지 1,000㎛ 파장을 갖는 복사선을 이용하여 정성 및 정량 분석에 널리 응용되고 있다. 적외선에 노출된 분자는 분자의 진동이나 회전운동으로 인한 에너지의 변화를 일으킨다. O2, N2 또는 Cl2와 같은 동핵 화학종의 진동이나 회전에서는 쌍극자모멘트의 알짜변화(net change)가 일어나지 않는다. 이러한 몇 가지 종류의 화합물을 제외하고는 모든 분자화학종은 독특한 적외선 흡수스펙트럼(그림 1)의 특징을 나타내기 때문에 특정 화합물의 정성 및 정량에 효과적으로 활용되며, 대기오염물질의 분석에 많이 활용된다. 액체와 고체에서는 분자의 회전이 크게 제한되어 불연속적인 진동선 및 회전선들은 안 보이고, 분자 간의 충돌과 상호작용 때문에 넓게 펴진 봉우리들이 나타난다. 그러나 기체상태에서는 몇 개의 회전에너지 상태가 존재하므로 적외선 스펙트럼은 일련의 밀집된 선들로 구성되며 명확하고 sharp한 peak을 가지게 된다. 그림 1은 표준가스를 사용하여 적외선 분광분석기로 분석한 화학종의 고유 흡수스펙트럼을 나타낸다. 유해화학물질 선정 및 DB 구축 유해화학물질로 선정할 수 있는 다양한 가스 중 산업에서 많이 사용되고 있는 가스 10종과 CO, CO2를 포함한 총 12종(질산, 암모니아, 염화수소, 황산, 톨루엔, 불화수소, 아크릴로나이트릴, 황화수소, 벤젠, 메틸에틸케톤)을 선정하였다. 대기 중에서 가스를 측정하기 위해서는 기존에 보유한 데이터를 바탕으로 정량 및 정성분석을 수행하게 된다. 따라서 선정된 가스의 표준 가스들을 이용하여 연구 중 개발한 챔버(ZnSe window chamber)에 표준가스를 주입하여 농도에 따른 검량선을 작성하였다(그림 2). 해당 검량선을 바탕으로 가스의 정량·정성 분석을 할 수 있는 DB를 구축하였다. 유해가스 측정기 개발연구 유해가스 측정기 개발을 위하여 NDIR 방식을 적용하여 개발 연구를 진행하였다. NDIR 측정방식은 광학식 센서(Pyroelectric sensor)를 이용하여 가스분자의 광 흡수도를 측정하여 농도로 환산하는 방식인 비분산적외선 방식(NDIR : Non-Dispersive Infrared)이며, 이는 선택적 가스 검출이 가능하여 측정 정확도가 높고, 센서 수명이 길어서 경제성 또한 확보할 수 있다. 연구를 통해 개발한 시작품의 경우 1㎏ 미만의 센서 개발이 연구목표이기 때문에 최소한의 광원과 검출기를 이용해야 하여 측정 거리는 10m로 제한하였으나, 고정식 측정 방식으로 바꾸게 되면 측정거리는 충분히 늘릴수 있다(그림 3). 시작품으로 화학종별 가스분석을 수행한 결과 분석대상이 다중으로 존재할 경우 화학 종간 중적외선 영역에서 간섭현상이 발생하기 때문에 이를 화학종별 고유 스펙트럼으로 분리하여 확인하고자 파장별 보정인 PCA(주성분분석법) 통계법을 활용하여 보정에 따른 화학종의 정량분석 정확성을 상승시켰다. 유해가스 측정기는 다양한 디자인 변경 및 거리별 측정 연구 등 챔버를 이용하여 실내에서 연구를 수행하였고, 외부 태양 빛 간섭, 온습도 보정, 실내 비행시험 등을 통해 지속적으로 시작품의 성능을 향상시켰다. 특히 개발된 유해가스 측정기는 항온·항습시험, 방수·방진시험, 전자파 규격시험등 기본적인 환경시험을 통과하였다(그림 4). 이후 과제 내 타 기관에서 개발한 무인비행체와 유해가스 측정기의 짐벌을 통해 개발 시작품을 장착하여 한국항공우주연구원 고흥비행센터에서 비행실험을 수행하였다. 실내 챔버를 이용하여 12종의 가스를 측정 및 농도확인은 하였으나, 대기 중에 고 위험군 유해가스를 누출하기가 어려워 소형 화염에서 발생되는 CO와 CO2 를 비행을 통해 가스 측정을 확인하였다(그림 5). 맺음말 본 연구는 사람이 들어갈 수 없는 재난상황 중 유해가스를 파악하고 신속하게 안전지역을 확보하기 위한 목적으로 진행되었다. 특히 드론이라는 장비를 이용하여 사람이 파악하기 어려운 대규모 충전시설이나 사업장 등에 본 기술이 적극 활용 가능할 것으로 사료된다. 능동적 감시 및 관리를 통해 재난상황이 발생하지 않으면 좋겠지만, 발생하더라도 신속하게 확인 및 안전지대 확보를 통해 국민 모두에게 안전한 삶을 누릴 수 있기를 기대하는 바이다 화재안전연구소 게시일2022-02-18 조회수 565
• 자율형 초동진압용 소화체계 개발 현황 자율형 초동진압용소화체계 개발 현황 ▲ 박진욱 화재안전연구소 전임연구원 들어가며 4차 산업혁명이라는 흐름에 따라 인간 대신 컴퓨터가 인식하고 판단하는(AI), 그리고 가상 세계에 인프라를 형성하여 일하고 사람을 만나게 되는(메타버스·디지털트윈) 그런 스마트한 시대가 도래함과 동시에 불행하게도 COVID19이라는 무서운 전염병이 창궐하며 생존이라는 큰 목표 하에 산업에서의 기술 발전이 가속화되고 있다. 이러한 시대성에 맞춰 안전과 신뢰성이라는 키워드 아래 새로운 기술의 적용 및 변화에 비교적 소극적이던 소방·방재분야에서도 첨단 기술을 접목하여 효율성과 안전성을 확보하려는 시도가 활발히 일어나고 있다. 이러한 활동의 일환으로 군용 함정 및 다양한 민수 분야에 적용가능한 차대세 소화체계인 「자율형 초동진압용 소화체계」를 개발하고 있다. 자율형 초동진압용 소화체계는 화재감지기술/분석제어기술/자동분사기술 등이 접목되어 자율적으로 적정량의 소화수를 화원에 집중 분사하여 화재를 초기에 진압하는 신개념 소화체계이다. 함정을 포함한 대부분의 군사용 플랫폼들이 무인화 개념으로 발전하고 있다. 인구 감소와 국방비 감축 추세에 따라 각종 군사용 플랫폼을 운용하는 군 인력의 축소가 예상되는 미래의 국방환경을 고려하면 자율형 초동진압용 소화체계의 연구개발은 필수적이라고 할 수 있다. 함정의 경우, 향후 지속적으로 승조원이 감소할것으로 예상되는 상황이므로 함정에서 화재를 감시하고 초동대응 하기 위한 인력도 현격하게 줄어들 것이므로 자율형 소화체계 구축을 통한 효과적인 대응이 필요하다. 또한, 전투상황에 노출될 수있는 함정의 특성상 피격으로 발생할 수 있는 화재를 신속히 진압함으로써 함정의 전투력 및 생존성도 향상시킬 수 있을 것이다. 또한, 민간선박 및 터널을 포함한 지하공간, 물류창고 등 대형 화재사고로 이어져 큰 피해를 초래할 수 있는 다양한 민간 분야에도 적용이 가능하다. 다양한 민수 분야에서 일반적으로 사용되고 있는 스프링클러의 경우에는 화재발생 시 화재를 진압하더라도 구역 전체에 소화수를 분사하여 장비 및 물류의 피해가 상당하고, 구역이 넓을 경우 스프링클러의 효과를 기대하기 어렵다. 자율형 초동진압용 소화체계는 화재 초기에 발생 지점에 소화수를 집중분사하여 소화함으로써 이러한 단점을 보완할 수 있다. 이 글에서는 민간 및 국방 분야에서 도입이 필요한 차세대 자동소화체계인 자율형 초동진압용 소화체계 기술개발 현황에 대해 소개하고자 한다. 자율형 초동진압용 소화체계 개념 및 적용범위 자율형 초동진압용 소화체계는 화재발생 초기에 화재가 소규모인 상태에서, 자율적으로 화원에 소화수를 조준 분사하여 진압함으로써 골든타임 내에 화재 확산을 근본적으로 차단하고 주변장비의 피해를 최소화할 수 있어 기존 소화설비의 부족한 점을 보완할 수 있는 최신 기술을 적용한 신개념 소화체계이다. 운용개념도 및 체계 작동 시퀀스 다이어그램을 그림 1에 나타냈으며, 크게 화재탐지센서, 분석 및 제어 장치, 소화 모니터로 구성된다. 기술의 적용범위는 크게 군수와 민수 분야로 예측된다. 군수 분야에서는 각종 함정, 탄약고, 군수품 창고, 항공기 격납고 등에 적용할 수 있다. 함정에 적용 시 전투상황에서 피격에 의해 여러 구획에서 동시 다발적으로 화재가 발생하게 되는 경우에 자율기능으로 여러 구획에서 발생한 화재를 초기에 진압함으로써 전투력 유지 및 생존성 향상에 크게 도움이 될 수 있다. 또한, 최근 함정 승조원수 감소 추세에 따라 부족한 손상통제 인력을 대체할 수 있어 함정 운용인력 축소 요구에 대처할 수 있는 최적의 대안이 될 수 있으며, 육상의 탄약고, 군수품 창고, 항공기 격납고 등에 적용함으로써 대한민국 국군의 화재 안전성을 향상시킬 수 있다. 민수 분야에서도 다양하게 적용할 수 있다. 화재를 유발할 수 있는 차량이 많고 구역이 넓은 차량운반선 및 로로선(RO/RO ship), 선원수의 감소에 대응할 필요가 있는 화물선, 화재에 의한 인명피해가 큰 크루즈선 및 여객선, 초기 진압 시 대규모 화재를 예방할 수 있는 해양플랜트 등에 적용할 수 있으며, 전역 소화설비 및 이동식 소화장치만 설치되어 골든타임 내에 화재 진압이 어려운 물류창고, 대형공장, 민간 항공기 격납고, 터널 등에도 적용이 가능하다. 자율형 초동진압용 소화체계 적용 기술 현황 자율형 초동진압용 소화체계 구축을 위해 그림 3과 같이 화재탐지센서, 분석 및 제어 장치, 소화 모니터 등의 기술을 개발하였으며, 민수/군수 분야 실용화 적용을 위해 합리적 평가 기준안을 마련하였다. 우선, 화재를 효과적으로 감지하기 위해 온도 및 열, 연기, 화염, 가스 등을 복합적으로 이용하여 탐지할 수 있는 복합센서를 개발하였으며, 오감지율을 최소화하기 위해 여러 대의 카메라로 여러 각도에서 중첩 점검이 가능한 멀티뷰 기술을 적용하였다. 화재탐지센서를 통해 전달된 화재 신호를 토대로 분석 및 판단, 제어가 가능하도록 AI기반 제어기술을 개발하였으며, 개활지 및 차폐지 특성이 고려된 화재 DB를 구축하여 화재 신호 시 화재 여부 및 화원 거리, 위치 추정을 위한 반복 학습용 데이터로 활용하였다. 이렇게 인식된 화재 신호 및 화원 추정 정보를 기반으로 거리별 소화모니터 제어가 이뤄지도록 하였으며, 화재분석 알고리즘에서 도출된 화원 위치 좌표를 이용하여 소화 모니터를 설계 요구목표에 맞게 조준/제어 할 수 있는 제어 소프트웨어를 개발 적용하였다. 소화 모니터는 상하좌우 방향 제어를 위해 2개의 모터가 장착된 다관절 형태이며, 관의 내부 손실을 최소화하기 위해 S자 형태(90˚ Elbow 2개, 180˚ return bends 1개로 구성)의 곡선 모양으로 제작하였다. 소화 모니터에 적용되는 분사노즐은 유로에 연결되는 노즐 본체, 유로 단면적 제어를 위한 Baffle, 분사 형태 조절을 위한 Stream shaper, 기타 부속요소로 구성되며, 서보모터로 제어되는 Stream shaper의 전후 방향 위치 조정을 통해 소화수 분사 패턴을 변화할 수 있도록 설계 적용하여 화재 대응성을 극대화하였다. 자율형 초동진압용 소화체계 기술은 그림 4와 같이 개발이 완료되었으며, 최대 분사거리 65m, 화재감지 정확도, 위치오차 등의 성능 평가 기준을 수립하고 성능검증을 위한 평가 시험을 진행 중인 단계이다. 맺음말 자율형 초동진압용 소화체계의 성공적인 기술 개발을 통해 대규모 인명사고 예방, 다양한 장비 및 설비/구조물 보호 등 근 미래에 민수 및 군수 분야의 실용화를 통한 위험 환경을 개선하고 화재사고에 대한 안전성을 획기적으로 높이는 Next Level의 소방·방재 기술로 미래 핵심기술이 되기를 기대해 본다. 화재안전연구소 게시일2022-02-18 조회수 486
• 건축물 단열재 화재안전 및 안전진단, 물류창고 화재안전 개선방안 고찰 건축물 단열재 화재안전 및 안전진단 ▲ 채승언 화재안전연구소 수석연구원 소방청의 2021년 상반기 화재통계 결과에 따르면, 전국에서 19,300건의 화재로 161명이 사망하고, 1,061명이 부상을 당했으며 6,434억 원의 재산피해가 발생하였다고 한다. 이를 하루 평균으로 분석하면 107건의 화재, 7명의 인명피해, 36억 원의 재산피해가 발생한 것으로서 작년 상반기와 비교하면 화재 건수와 사망자는 일부 감소한 것으로 보인다. 하지만 재산피해 규모는 108.2%(3,343억 원) 증가한 것으로 확인된다. 이러한 차이는 지난 6월 경기도 이천시 물류창고 화재로 인하여 큰 재산피해가 발생한 것 때문으로 보인다. 지속 반복적으로 발생되는 대형 화재사고의 저감을 위해서 화재위험에 대한 요인 분석과 차단 이전의 화재안전연구소에서 개발한 통합 화재안전 진단 평가 모델(K-FRA)을 통한 종합 위험도 평가 결과 도출 방법을 소개하고자 한다. 특히, 코로나19(COVID-19) 팬데믹 시대를 맞이하여 급속히 증가하는 배달 문화로 인하여 물류창고 등의 수요가 급증하고 있으며, 도심지 외곽에 주로 위치한 물류창고들은 작은 형태의 도심지 물류창고로써 우리의 생활 속에 파고들기 시작하였다. 이번 호에서는 지속적으로 발생하는 물류창고 화재 사고 등의 위험을 예방 및 개선하기 위한 물류창고 특성에 적합하고 안전성을 확보한 맞춤형 화재대응기술의 개발과 제도화의 진행 방향에 대하여 소개하고자 한다. 또한, 재난상황 중에 유해가스를 신속하게 파악하여 인명의 안전한 피난을 확보하기 위해 광학식 센서(Pyroelectic sensor)를 이용한 NDIR 방식과 이를 드론과 결합하여 사람이 파악하기 어려운 대규모 시설 등에 활용할 수 있는 방안을 소개하고자 한다. 물류창고 화재안전 개선방안 고찰 ▲ 김정엽 화재안전연구소 연구위원 들어가며 물류시설의 개발 및 운영에 관한 법률에서 물류창고는 “화물의 저장·관리, 집화·배송 및 수급조정 등을 위한 보관시설·보관창고 또는 이와 관련된 하역·분류·포장·상표부착 등에 필요한 기능을 갖춘 시설”로 정의되어 있다. 최근 비대면 사업 및 물류산업의 비약적 발전과 함께 물류창고가 크게 증가하고 있으나, 대규모 물류창고 화재사고 또한 다수 발생하고 있어서 이에 대한 효과적인 대응이 요구되고 있다. 즉 최근 5년간 물류창고는 연평균 362개소가 신규로 등록되고 있으며, 화재사고는 연평균 1,445건 발생하고 있다. 물류창고는 구조와 보관형태 등에 따라 높은 화재하중, 다량의 유독가스 발생, 냉장·냉동 기계설비, 대규모 공간, 지하층 포함, 화재진화·피난 곤란 등의 화재안전 측면에서 위험성이 높은 특성이 있다. 한편 물류창고는 분류와 유형에 따라 화재위험도와 피난특성 등이 상이한데, 국내 화재안전 기준에서는 ‘창고시설’로 단순히 용도분류되어 물류시설의 분류와 유형에 관계없이 유사한 접근을 하고 있다. 최근 물류창고는 택배 물량 증가, 보관 외 포장·가동 기능 등 물류창고 기능 확대, 물류배송 속도 증가, 저온상품 증가 등으로 인해 사고 위험성이 증가하고 있다. 또한 물류창고가 대형·첨단화 추세이고 설비 추가와 전력수요 확대가 이루어지고 있으나 물류창고의 안전관리는 미약한 현실이다. 이 글에서는 이러한 물류창고의 현황에 대한 분석을 언급하고 이를 바탕으로 물류창고의 화재대응에 대한 개선방안을 제시하고자 한다 물류창고 등록 및 화재발생 현황 2020년 12월 현재 표 1과 같이 물류시설법 등에 따라 등록된 물류창고는 4,522개소로서 최근 5년(’16∼’20)간 연평균 362개소가 신규로 등록하고 있으며, ’20년에는 732개소로 급증하고 있다. 시도별로는 경기 (1,491개소, 33.0%), 경남(582개소, 12.9%), 부산(399개소, 8.8%) 순으로 분포되어 있다. 물류창고에서 발생하는 화재사고는 지난 10년간 매년 1,000여 건 이상으로 지속적으로 발생하고 있고, 화재사고에 따른 피해현황으로 매년 수십명의 인명피해와 수백억 원의 재산피해가 발생하고 있다. 구체적으로는 최근 5년간(’16~’20) 총 7,227건(연평균 1,445건)의 물류창고 화재가 일어났으며, 인명피해 측면에서는 5년간 총 258명(사망 55명, 부상 203명), 연평균 51명(사망 11명, 부상 40명)의 피해가 발생하였다. 특히, 표 2와 같이 최근 군포 복합물류터미널화재 (’20.4., 창고건물 2개층 전소), 이천시 물류창고 공사현장 화재 (’20.4., 사상자 48명, 사망 38명), 용인시 양지 물류센터 화재(’20.7., 사상자 13명, 사망 5명), 덕평물류센터 화재(’21.6., 사상자 2명, 사망 1명) 등 대규모 화재가 발생하였다. 물류창고 화재특성·차이점 분석 및 화재안전 개선방안 검토 물류창고는 표 3과 같이 기본적으로 수용물품이 많고 집중화되어 있어서 화재하중이 일반 건축물에 비해 수 배에 이르는 것으로 추산되며 화재거동에 가장 크게 영향을 미치는 화재강도 또한 수 배에 이를 것으로 예측되고 있다. 수용물품이 대량·집중화되고 고천정화로 연기발생량이 수배 증가되고 화염확산 방지를 위한 방화구획의 대단면화로 방화구획 성능확보에 어려움이 발생할 수 있다. 또한 선반과 랙의 다단·다열 구조로 인해 화재시 스프링클러에서 방출되는 소화수가 화염에 접촉되기 곤란할 수 있고, 대공간·고천정화로 인해 화재감지에 시간이 소요된다. 물류창고는 저온상품 수요 증가로 냉장·냉동 설비가 증가하고 있고, 자동 운송·적재 설비 등 대규모 설비가 설치되어 상시 운전되는 운영환경에 놓여 있다. 건축 구조 및 재료적 특성으로는 철골조에 패널마감 구조가 많으며 이에 따라 패널자재와 단열재 등의 다량 사용으로 화재하중 증가 및 유독가스 발생이 예상된다. 또한 용적률 산정 시 지하층이 제외되고 열손실 감소의 이점 등으로 인해 지하층이 다수 포함되어 있다. 최근의 물류창고는 저장·보관의 단순기능을 넘어서 물류업체가 판매업체의 위탁을 받아 보관, 선별, 포장, 배송, 재고관리 등 모든 과정을 담당하는 풀필먼트(Fulfillment) 시설이 많이 증가하고 있으며, 이에 따라 재실자수가 적다는 가정은 성립되지 않고 재실자가 다수 존재하는 추세다. 또한 물류창고의 내부 환경에 익숙하지 않은 비정규 작업자가 다수 근무하고 있다. 물류창고 화재에 효과적으로 대응하기 위한 개선방안으로는 우선 앞에서 언급한 물류창고의 화재거동 특성을 반영한 맞춤형 화재대응 방안의 제시가 필요할 것으로 판단된다. 피난·방화 분야에서 물류창고는 일반 건축물에 비해 화재 리스크가 매우 높고 화재발생시 초기대응과 안전피난이 곤란한 시설로 평가되고 있어서, 이러한 물류창고의 화재거동 특성을 반영한 피난 및 방화 분야 성능향상 기술개발이 필요하다. 즉, 최근의 물류창고는 과거의 보관 중심에서 포장·가공·배송 등의 기능이 추가되는 풀필먼트 추세이며, 이로 인해 재실자 밀도가 증가하고 화재 위험도가 급상승하고 있으므로 이에 대응할 수 있는 피난안전 기준 개선이 진행되어야 한다. 현재의 물류창고 피난설계는 대단면·대공간화와 비정규 근로자 증가 및 지하층 포함 등의 물류창고 변화특성을 반영하지 못하고 있으며, 정부의 실태조사에 따른 개선안과 현장·전문가의 의견을 참조하여 피난설계 및 피난시설의 기술개발과 기준개선이 요구된다. 물류창고의 경우 국내 화재안전기준에서는 “창고시설”로 단순 용도분류되어 물류창고의 유형 및 위험도와 관계없이 유사한 접근을 하고 있으며, 이에 따라 과잉대응과 과소대응의 기준이 불명확하고 최적의 화재대응이 곤란한 실정이다. 따라서 분류와 유형에 따라 화재 위험도와 피난특성이 상이한 물류창고에 대해서 화재 위험성을 평가하고 위험도를 제시함으로써 비용효율적으로 화재안전을 확보할 수 있는 최적 화재대응 기술을 제공하여야 한다. 한편 물류창고에서 화재안전 기술의 니즈에 대응하여 민간·공공분야에서 기술개발을 추진하려 해도 밑바탕이 되는 기반자료가 미미하고, 물류창고 화재안전에 대한 전문적인 화재대응 및 안전관리 규정이 부재한 실정이므로 이에 대한 개선이 필요하다. 즉, 물류창고에서 화재안전 측면의 현황자료가 매우 부족하며, 물류창고의 화재거동에 크게 영향을 미치는 것으로 판단되는 수용물품 위험성 등급과 화재강도 및 건축구조 등에 대한 기반자료의 정립이 이루어져야 한다. 맺음말 물류창고는 화재 위험성이 높은 시설로서 화재대응·피난이 어려운 조건임에도 국내 물류창고 화재안전 기술의 개발 경험이 미미한 실정이며, 안전관리 규정이 미흡한 상황이다. 특히 물류창고 대형화(비대면 소비 증가 등), 설비추가(보관 외 포장·가공기능 확대), 전력수요 확대(저온상품 수요 증가) 등의 추세로 인해 사고 위험성이 증가하고 있으며 이에 대응하기에 한계가 발생하고 있다. 물류창고는 기본적으로 수용물품의 대량·집중 보관 기능을 가지고 이를 위한 구조 대형화의 건축구조·재료 특성과 대규모 설비 설치 등에서 일반 건축물과 큰 차이를 보이며, 최근 풀필먼트 시설 증가 등의 기능 복합화가 진행되면서 비정규 근로자 등의 재실자가 전통적 관점보다 크게 증가하고 있고 분류와 유형에서 매우 다양화되고 있다. 따라서 물류창고 화재 시 인명피해 저감과 물류창고 산업의 안전성 확보를 위해서 물류창고 맞춤형 화재대응 기술 개발과 제도화가 이루어져야 할 것이다. 화재안전연구소 게시일2022-01-25 조회수 774
• 건축물 종합 화재안전 진단 평가 모델 개발 건축물 종합 화재안전 진단 평가 모델 개발 ▲ 권오상 화재안전연구소 수석연구원 들어가며 화재 사고는 인류가 불을 사용하면서부터 지속되어 왔으며, 이에 따른 인적 및 물적 피해도 동반되어 왔다. 화재사고는 수많은 원인으로 인해 발생되고 이후에 다양한 특성에 따라 대형화재로 확산되기도 하고 자연 소멸하기도 한다. 이처럼 화재는 발생에서 부터 확산되기까지 다양한 이유와 원인이 있기 때문에 이를 통해 화재위험을 예측하는 것은 기술적인 한계를 가지고 있다. 현재 IT 기술의 발전으로 CCTV 등을 활용한 영상정보, 교통 상황 및 지역 특성을 고려한 공간정보와 건축물 내의 센서 등을 활용한 데이터를 활용해 다양한 화재위험을 예측하는 기법들이 지속적으로 연구 개발되고 있지만 건축물에서 화재 특성을 반영하지 못하거나 일부 부분만 적용하고 있어 다양한 화재위험을 판단하기에는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존 건축물에서의 화재 특성을 반영한 통합 화재안전 진단 평가 모델을 제시하고 이를 향후에 앞서 제시한 IT 기술과의 융·복합을 통해 현재의 기술적 한계를 극복하고 나아가 화재에 대한 국민의 생명과 재산을 보호하는 데 도움이 되고자 한다. 국내 화재위험도 평가 기술 국내에서는 대형 인명피해를 발생시킨 화재사고로 인해 정부에서 ‘국가안전대진단’을 통해 중앙부처와 지자체, 공공기관 및 민간기관 등이 참여하여 사회 전반의 안전관리 실태를 점검하고 개선해오고 있다. 이때 사용되는 화재안전성능 평가는 표 1에 관련 예시를 나타내었다. Risk Matrix(한국산업보건공단, 2012) 건축물에서 화재위험을 정성적으로 평가하는 방법으로 가능성 등급과 사고강도 등급으로 대표되는 2차원의 위험 축으로 표현되고 이 방법은 Risk Matrix 상에서 화재발생 확률과 사고 강도에 따라 위험등급이 결정된다. 본 방법을 활용하여 결과를 도출할 때, 평가되는 위험 요소들은 개별적 빈도 수(확률)와 강도(결과)를 가지고 있으며, 평가 결과가 관련 전문가의 분석 및 판단에 의해 도출된다. 일반적으로 Risk Matrix는 정성적 평가방법으로 알려져 있으나 분석 그래프축과 설정 값을 구체적으로 수치화하여 정량적 또는 준정량적 평가 방법으로 활용할 수도 있다. 정성적 Risk Matrix에서는 평가 결과의 구체적 수치와 발생 가능성 및 평가하고자 하는 상관관계에 대한 충분한 이해가 없더라도 대략적 결과를 파악할 수 있다. 체크리스트 평가 방법 화재위험 평가에서 가장 많이 사용되는 체크리스트 평가 방법은 다양한 분야에서 평가 대상의 진행 현황 파악 및 개선점 도출에 활용되고 있다. 평가자가 평가항목에 전문성만 보유하고 있으면 평가 방법 자체의 사용성에는 어려움이 없어 가장 쉽게 접할 수 있는 형태의 위험 평가 방법이고 평가 목표를 달성할 때 발생하는 최소한의 위험을 인지하는 데 효과적이다. 또한 전문성을 갖추지 않은 건축물의 화재안전 담당자가 해당 평가항목과 적용기준을 참고하여 대상 건축물의 화재안전 확보 차원에서 무엇을 개선해야하는지 파악할 수 있는 가이드라인 역할을 할 수도 있다. 체크리스트 평가 방법은 여러 분야에서 위험 판단뿐만 아니라 일반 행정업무 및 프로젝트를 평가하거나 공정률을 확인할 때 이용될 수 있으며, 일반적으로 체크리스트는 위험요소를 확인하여 기준 절차가 지켜지는지를 확인하고 추가적으로 상세한 평가가 필요한지를 판단할 수 있다. 체크리스트를 사용하여 얻은 정성적인 결과는 상황에 따라 변하지만 일반적으로 기준 절차에 대한 ‘yes or no’의 결정으로 나타낸다. 화재위험도지수(FRI: Fire Risk Index) 화재성장 과정은 화재위험 예측에 가장 영향을 주는 요소이기 때문에 이를 Event Tree Analysis 개념을 적용하여 나타낸 방법이 화재위험도 지수이다. 이 지수는 화재통계의 분석결과를 기본 위험도로 산정하고 화재의 발생이나 그 위험을 증가시킬 수 있는 요소와 피해를 경감시킬 수 있는 요소를 고려하여 화재위험도 지수를 도출한다. 화재위험도 지수는 특수 건물의 과거 5년간 업종별 화재통계 자료에서 기본 지수를 구하고 화재위험 증가요인과 관리체계를 고려하여 잠재 화재위험 지수를 결정한 후 화재피해 경감요인을 반영한 지수이다. 화재위험도 지수 모델은 특수건물이 업종별 화재통계와 화재발생 가능성 증가요소 및 화재피해 경감에 기여할 수 있는 요소에 바탕을 두고 있어 화재로 인한 물적 손실 가능성과 피해범주를 이들 개념만으로 분석해야 하는 한계가 있다. 또한, 본 평가방법은 사실적인 현장조사나 점검을 통해 객관적 평가결과를 얻을 수 있기 때문에 화재위험도 지수 모델을 이해하지 못한 경우에는 신뢰도에 문제가 생길 수 있다. 국외 화재위험 평가 기술 B-Risk는 2013년도에 뉴질랜드 건축 및 건설연구기관인 BRANZ의 Colleen Wade가 뉴질랜드 건축법 NZBC(New Zealand Building Code)를 바탕으로 하여 모델설계 및 개발을 진행하였다. 이전 Tool로 BRANZ-Fire가 존재하지만 이는 2012년도까지 활용되었으며 이후는 업데이트되고 있지 않다. Zone Model(정성적방법론이 기반이 되는 구획공간 모델)을 활용한 이전 버전의 BRANZ-Fire와의 가장 큰 차이점은 Latin-Hypercube Monte-Carlo Simulation(정량적으로 샘플링할 수 있는 시뮬레이션)을 활용하여 확률적으로 화재위험성을 평가할 수 있다. CESARE-Risk는 2000년도에 호주의 건축법위원회 ABCB(Austalian Building Code Board)와 관련 기관들이 개발한 정량적 화재위험평가 도구로 A.M. Hasofer, J. Qu, V.R Beck이 함께 개발하였고, Beck의 방법론을 토대로 모델을 설계하였다. 건물 및 화재 조건에 대해서 설정하는데 건물에 대한 기본 전제 등은 정적 이벤트 트리로 구성하고, 화재성장 및 화재확산의 불확실성은 동적 이벤트 트리로 구성되어 있다. 이를 통해 비용-효율적인 측면을 고려하여 정량적으로 화재위험도를 평가할 수 있다. CESARE-Risk는 2001년도에 FIRE-RISK라는 이름으로 변경되었고 이는 컴퓨터 프로그램으로 활용되기도 하지만 방법론 및 모델의 알고리즘에 집중하여 이를 전반적으로 활용할 수 있도록 업데이트가 되었다. FiRECAM은 1999년도에 캐나다 건축법(National Building Code for Canada)을 근거로 David Yung 등 5명의 연구진이 모델 설계 및 개발을 진행하였으며, 15개의 서브모델로 구성되어 화재가 발생하였을 때의 단계별로 화재성장, 연기확산, 재실자 응답, 소방대 개입의 동적상호작용을 적용하여 화재위험도를 평가하는 프로그램이다. 통계 데이터를 활용하여 비용-효율적인 측면을 고려하는 정량적 방법이고, 시나리오의 개수는 설계화재의 유형, 스프링클러의 설치유무, 개구부 등으로 나누어서 설정하도록 되어 있다. F.R.A.M.E은 2008년도에 벨기에의 Erik De Smet에 의해 개발된 준-정량적 평가방법을 활용한 도구이며, 그리테너의 방법론을 활용하여 잠재위험, 수용수준, 보호수준에 해당하는 각각의 계수를 계산하여 건물 내의 화재위험도를 도출하는 방식이다. BS9999, NFPA 551, EU Guideline등 해외 기준들에 활용되고 있고, 비용-효율 측면과 내부 활동, 요구자의 성능에 따라 대체설계를 고려할 수 있다. 건축물 종합 화재안전 진단 평가 모델(K-FRA) 개발 건축물에서 화재사고에 따른 인명과 재산 피해를 저감시키고 사전에 화재사고에 대한 예방 차원의 대응을 위해 한국건설기술연구원에서는 건축물에 대한 통합 화재안전 평가기술을 바탕으로 K-FRA(KICT Fire Risk Assessment)를 개발하였다. K-FRA는 화재가 발생되는 화재실에서의 화재확산 위험을 바탕으로 건축물 내의 재실자 피난 위험과 내화구조의 위험을 분석하고 이를 통해 건축물에서의 통합 화재안전도를 평가하는 데 목적을 가진다. 화재확산 위험 평가는 건축물에서 화재가 발생될 경우에 화재의 확산 위험을 평가하는 방법으로 건축물의 화재심각도와 건축물의 화재대응도로 총 5등급으로 제시된다. 화재 심각도는 건축물의 용도, 구성재료의 가연성 여부와 화재성장률을 통해 결정되고 화재 대응도는 건축물의 층수, 인접도로, 내화시간과 방화관리자 특성과 같은 소방력을 통해 결정된다. 피난위험 평가는 총 3단계를 거쳐 5등급으로 제시된다. 1단계에서는 화재실의 면적평가, 피난용량평가 및 피난위험평가로 구성되고 층에 존재하는 화재실을 평가하게 된다. 2단계에서는 상정되는 화재실을 기반으로 화재조건에 따른 재실자의 안전성을 ‘안전’ 또는 ‘불안전’으로 평가하고 이를 통해 최종 3단계에서 사상자 발생확률과 재난약자 상주여부에 따라 총 5등급으로 나타낸다. 내화구조 위험평가는 건축물의 준공 이후 실사용 중인 기존 건축물을 대상으로 내화구조의 화재위험도를 예측 및 평가하는 데 목적을 가지며, 실사용 기존 건축물 주요 구조부재의 내화성능 취약요인 모니터링과 더불어 화재 시 건축물의 구조적인 붕괴 가능성을 미연에 예방 및 대비하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 앞서 평가된 건축물에서의 화재확산, 피난 및 내화구조 위험의 결과를 바탕으로 통합적인 화재안전을 A~E의 총 5등급으로 나타내게 된다. 통합 화재안전 평가는 다양한 분야에서 과거부터 널리 사용되고 있는 퍼지추론 이론을 활용하여 3개의 위험분석 파트 결과에 따라 발생할 수 있는 모든 가능성을 고려하여 결과를 도출한다. 예를 들어 모든 위험요인의 평가 등급이 2등급으로 나타낼 경우, 사전에 계산된 확률 라이브러리를 바탕으로 Min-Max 연산을 통해 B등급에 속할 가능성을 분석하고 최종적인 등급을 제시하게 된다. 맺음말 건축물에서의 화재사고는 지속적으로 발생되고 있으며, 대형화재가 지속적으로 발생되어 다수의 인명 및 재산 피해도 나타나고 있다. 반복적인 화재사고를 저감하기 위해서는 사전에 화재위험에 대한 요인을 분석하고 차단하는 것이 가장 효율적이지만 복잡하고 다양한 화재 발생 및 확산 원인으로 인해 한계가 있다. 본 연구에서는 국내외에서 제시 및 사용되고 있는 화재위험 평가 방법 및 기술에 대하여 소개하였고 이러한 방법 및 기술들에 한계와 제약 등을 극복하기 위해 한국건설기술연구원에서 국내 실정을 고려하고 화재 공학적 분야들을 통합하여 개발한 건축물의 통합 화재안전 평가 기술을 제시하였다. 또한 이를 통해 국내에서 발생되는 화재사고의 피해를 저감하고자 다양한 현장적용 및 기술의 신뢰성 확보가 향후에 이뤄질수 있을 것으로 판단된다. 화재안전연구소 게시일2022-01-25 조회수 486

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