[논문]특수재난현장 진압대원의 안전을 위한 통합 지휘시스템에 관한 연구

노태호

doi:10.7731/kifse.2015.29.6.098

특수재난현장 진압대원의 안전을 위한 통합 지휘시스템에 관한 연구
Integrated Command System for Firefight Satety in Special Disaster Area 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.29 no.6, 2015년, pp.98 - 108

초록
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자연 재해 또는 대형 인적 재난 현장과 같은 특수재난현장의 지휘본부에서는 소방관의 안전과 효과적인 지휘 통제를 위한 통합 지휘시스템은 매우 중요하다. 통합지휘시스템은 특수재난현장의 온도, 습도, 이산화탄소 등의 환경 정보와 현장 상황을 파악할 수 있는 영상 정보 및 소방관의 맥박, 공기통 잔량 등의 개인 신체 정보를 필요로 한다. 수집된 정보들은 Analog to Digital Converter (ADC) 칩을 거쳐 디지털 신호로 변경되고 Micro Controller Unit (MCU)가 직렬 통신 방식인 Serial Peripheral Interface (SPI) 통신 방식으로 이용하여 송신 보드로 디지털 신호를 전송한다. 송신 보드에 저장된 디지털 신호는 Radio Frequence (RF) 송신기를 이용하여 통합지휘시스템으로 전송된다. 자이로센서 및 관성센서를 이용하여 건물 내부에 있는 진압대원의 위치를 확인한다. 수집된 정보는 소방관의 안전과 효과적인 지휘를 할 수있는 통합 지휘 시스템을 위한 각종 정보로 활용된다. 본 연구는 무선 전송 기술, 실내 측위기술 및 통합지휘시스템에 전송 된 정보를 이용한 의사결정 지원 통합지휘시스템 대하여 이론적 및 실험적으로 연구한다.

Abstract ▼ AI-Helper

An integrated command system is critical for the safety of firefighters and effective work in the headquarters of a special disaster areas such as natural disaster or large man-made hazard. The integrated command system requires environmental information such as temperature, humidity, and $CO_2$ levels, as well as personal physical information such as pulse and air respirator levels. An Analog to Digital Converter (ADC) chip converts sensed information into digital signals, and a Micro Controller Unit (MCU) transmits the digital signals to a transmission board using serial communication through a Serial Peripheral Interface (SPI). The digital signals are saved in a transmission board and transmitted to the integrated command system by a Radio Frequency (RF) unit. The location of fire-fighters in a building are determined using a gyro sensor and an inertial sensor. The collected information is applied to the integrated command system for firefighter safety and to ensure that they can effectively carry out their duties. Tthis study theoretically and experimentally investigated the technologies of RF transmission, indoor position, and an integrated command system that supports decision making using the transmitted information.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 2008년 중국의 쓰촨성(四川省) 지진, 2010년 아이티 지진 등 수년간 세계적으로 대규모 지진이 빈번히 발생하여 큰 인명 및 재산피해가 발생하고 있어 우리나라에서도 지진의 위험성에 관한 관심이 증가하고 있으며 특히 2011년 3월에 발생한 후쿠시마 원자력 발전소 사고는 태평양 지진으로 인한 해일에 의한 대형 자연재해 사고이며 2012년 9월 구미에서 발생한 불산 누출 사고 등 이런 특수재난 현장에서는 진압대원과 지휘부간의 의사소통, 현장 영상 정보 및 진압 대원의 신체 정보 등의 원활한 통신 위한 재난현장의 통합지휘시스템 개발이 절실히 요구되고 있다. 그러므로 본 연구는 진압 소방대원의 안전을 위한 특수 재난통합지휘시스템을 위한 요소 기술을 조사 및 분석하여 특수 재난 현장에서 활용할 수 있는 통합지휘시스템을 위한 무선 전송 기술, 실내 측위기술 및 통합무선지휘시스템 등에 대하여 연구한다.
본 연구에서는 재난현장용 통합지휘시스템의 기본적인 요소 기술들에 관하여 연구 분석하였으며 이를 토대로 특수재난현장용 통합 지휘시스템을 제안한다. 또한 건물 내부의 시연을 통한 무선 전파의 감쇄 특성에 대한 상대적인 데이터를 제시하였다. 본 연구에서 측정된 데이터는 절대적인 데이터가 아니고 무선 전송 환경 및 안테나 특성 등의 환경에 따라 변경될 수 있는 상대적인 데이터이지만 본연구의 결과를 활용하여 건물 지하층 및 지하구 등의 무선기기 설치나 활용에 유용한 참고 자료로 사용할 수 있을 것으로 생각되며 통합지휘 시스템에 전송되는 재난 현장의 환경, 소방대원의 개인 안전 정보, 측위 정보 및 영상정보 등을 활용하여 아래와 같은 효과를 기대할 수 있지만, 건물 내에서 무선통신 음영 지역에서 원활한 통신을 위한 중계기 설치 및 이에 대한 법적 제도적 근거 제시 등에 더 많은 연구가 필요할 것이다.
본 연구는 정보 전송, 실내 측위 및 통합지휘시스템 관련 기술 및 현황을 기존 문헌을 통하여 고찰하고 이를 바탕으로 재난 현장에서 사용할 수 있는 재난현장 통합지휘시스템을 제안하며 향후 연구과제에 대하여 제시한다.
본 연구에서는 재난현장용 통합지휘시스템의 기본적인 요소 기술들에 관하여 연구 분석하였으며 이를 토대로 특수재난현장용 통합 지휘시스템을 제안한다. 또한 건물 내부의 시연을 통한 무선 전파의 감쇄 특성에 대한 상대적인 데이터를 제시하였다.

제안 방법

- 국가 재난 안전망이 Long Term Evolution (LTE) 방식으로 700 MHz으로 선정되었지만, Access Point (AP) 등 중계기가 없으면 주파수의 특성 때문에 건물내부, 무너진 건물더미, 지하시설 등과 같은 장소에서 외부로 무선영상을 전송할 수 없는 한계를 가지고 있으므로 200~700 MHz 대역의 주파수 전송 기술을 연구 분석한다.
- 무선영상수신기 수신입력 신호의 세기 및 불요파를 측정하기 위해 무선영상수신기 RF Module의 전원을 off하고 Coupler를 이용하여 Spectrum Analyzer로 수신신호를 측정한다. 무선영상수신기의 RF Module의 전원을 끄지 않으면 무선영상수신기의 송신출력세기가 수신입력 신호의 세기보다 월등히 크기 때문에 Spectrum Analyzer에서 수신입력 신호를 측정할 수 없으므로 무선영상 수신기의전원을 끄고 측정한다.
- 이산화탄소 등 유해 가스 관련 현장 환경 정보 및 소방관의 위치인식뿐만 아니라 공기통 잔량, 맥박 등과 같은 신체 정보를 제공받고 현장 상황실에서 소방대원들의 상태를 모니터링 함으로써 소방대원을 위험한 상황을 판단할 수 있도록 지원하는 의사결정시스템을 연구 분석한다.
소방대원이 건물 내로 진입하는 직전까지는 GPS 지원으로 측위가 이루어지고 건물 내로 진입 시에는 직전 위치를 기준으로 관성센서 기반 측위가 이루어진다. 대원 단말간 거리를 Beacon을 이용하여 측정하여 각각의 단말기에 구현된 관성센서로 거리이동 정보와 방향전환 등의 정보를 바탕으로 실내에서 진압하는 대원의 위치를 계산하여 얻는다.
무선영상수신부(기지국)을 지상 1층에 설치하고 무선영상송신부(단말기)를 위치 1~3을 이동하며 무선영상신호의 분석을 실시하였다. 아래 Figure 8은 시연 장소를 도식화한 것이다.
온도, 습도, 이산화탄소 및 일산화탄소 등 재난현장의 주변 환경정보와 맥박, 공기통의 공기 잔량 등의 개인 안전 정보 등 센서로 부터 출력되는 정보 및 재난 현장의 영상 정보 등 카메라로 부터 다른 장치들에서 전송하는 기술에 대하여 분석한다. 통신 방법은 아래 Figure 1처럼 Serial Peripheral Interface (SPI) 통신에 사용되며 하나의 전송선로에서 데이터가 동시에 양쪽방향으로 전송하는 전이중(Full Duplex) 방식 과 데이터가 양쪽 방향으로 전송될 수는 있지만 동시에 전송할 수는 없는 것으로, Inter Integrated Circuit (I²C) 통신에 사용되는 반이중(Half duplex) 방식이 있으며 병렬 및 직렬 방식으로 데이터를 전송하는 컴퓨터 하드웨어의 일종으로 출력 신호는 Time To Live (TTL) 신호레벨을 갖기 때문에 노이즈에 약하고 통신거리에 제약이 있으며, TTL 신호를 입력 받아 노이즈에 강하고 멀리 갈 수 있게 해주는 RS232, RS422, RS485 등에 활용되는 Universal Asynchronous Receiver and Transmitter (UART) 비동기식직렬통신이 있다.
제안 시스템은 특수재난현장에서 수집된 영상, 환경 정보, 개인안전 정보를 효율적으로 관리하고, 수집 정보를 이용한 적절한 경고발생과 현장 지휘를 지원하는 의사결정 프로그램을 지원하는 통합무선지휘시스템을 제안한다.
특수 재난 현장의 환경, 개인 안전 및 영상 정보를 전달하는 통합지휘시스템의 시연을 대전 남부소방서의 대전시민체험관에서 실시하였다. 본 건물은 지상4층/지하1층 건물로, 지하1층의 농연시험장은 철망으로 미로를 만들로 연무를 분무하는 설비를 갖추고 있어서, 일반시민들을 대상으로 하는 화재안전체험교육 및 각종재난에 대한 예방 및 대처능력 향상을 교육시키고 대전 지역 소방공무원의 화재 진압 훈련에도 사용되고 있는 교육장이다.
특수 재난현장의 효율적 대응을 위한 진압 지휘 통제 기술과 현장 요원의 안전 확보 기술을 접목한 통합지휘시스템 개발에 관한 연구를 위한 연구방법은 우선 아래와 같은 요소 기술을 분석한다.
현재까지 실내 공간의 벽체, 문 또는 가구 및 강우 등 방애물에 대한 전파의 감쇄에 관한 실험실(LAB TEST) 수준의 많은 연구^(15,16)가 진행되었지만 본 연구는 실제 건물내부에서 시연을 실시하여 특수재난현장에서 발생할 수 있는 전파 음영 등에 대한 상대적인 데이터를 아래와 같이 제출한다.

대상 데이터

무선영상송수신장치는 총 4대를 구성하여 테스트하였으며 주파수는 아래 표와 같다.
특수 재난 현장의 환경, 개인 안전 및 영상 정보를 전달하는 통합지휘시스템의 시연을 대전 남부소방서의 대전시민체험관에서 실시하였다. 본 건물은 지상4층/지하1층 건물로, 지하1층의 농연시험장은 철망으로 미로를 만들로 연무를 분무하는 설비를 갖추고 있어서, 일반시민들을 대상으로 하는 화재안전체험교육 및 각종재난에 대한 예방 및 대처능력 향상을 교육시키고 대전 지역 소방공무원의 화재 진압 훈련에도 사용되고 있는 교육장이다.
아래 표는 특수재난현장의 영상 정보를 전송할 수 있는 주파수 대역 및 명칭이다. 본 연구에서는 UHF 대역 중(300~700 MHz) 사이의 주파수 대역을 사용한다.

성능/효과

1) 소방대원의 안전성 향상재난현장에서 진압대원의 개인 안전정보(맥박, 체온 등)와 위치정보를 통해 고립 및 개인 안전에 문제가 발생할 경우 의사결정 프로그램에 의해 알람을 표출하여 상황을 예측하여 지시할 수 있으며, 지휘본부에서 대원의 상태를 항상 모니터링하고 있다는 안도감과 위험에 노출되는 것을 미연에 방지됨으로 인해 심리적 안정감을 가질 수 있어서 대원들은 본부를 더욱 신뢰하며 진압에 더욱 전념할 수 있을 것으로 판단된다.
단말기와 기지국의 송신출력을 조절하여 고출력과 저출력으로 비교 시험한 결과 두 그룹에 성능은 거의 유사하였으며. 또한 주파수에 따른 성능평가는 본 시험을 통해서 판단하기 어려움이 있었으므로 추후 성능 점검 및 성능이 유사한 조건인 여러 환경에서 시험이 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

2) 즉각적인 상황 대응재난현장의 정보(재난환경, 개인안전, 위치정보)를 실시간 상황 정보 파악을 통해 설정 임계치 이상의 위험요소가 발생 시 의사결정 프로그램에 의해 알람을 발생하여 지휘본부에서 신속하게 구조 및 지시함으로 현장 대응 능력이 향상될 것이다.
단말기와 기지국의 송신출력을 조절하여 고출력과 저출력으로 비교 시험한 결과 두 그룹에 성능은 거의 유사하였으며. 또한 주파수에 따른 성능평가는 본 시험을 통해서 판단하기 어려움이 있었으므로 추후 성능 점검 및 성능이 유사한 조건인 여러 환경에서 시험이 필요할 것으로 판단된다.
또한 건물 내부의 시연을 통한 무선 전파의 감쇄 특성에 대한 상대적인 데이터를 제시하였다. 본 연구에서 측정된 데이터는 절대적인 데이터가 아니고 무선 전송 환경 및 안테나 특성 등의 환경에 따라 변경될 수 있는 상대적인 데이터이지만 본연구의 결과를 활용하여 건물 지하층 및 지하구 등의 무선기기 설치나 활용에 유용한 참고 자료로 사용할 수 있을 것으로 생각되며 통합지휘 시스템에 전송되는 재난 현장의 환경, 소방대원의 개인 안전 정보, 측위 정보 및 영상정보 등을 활용하여 아래와 같은 효과를 기대할 수 있지만, 건물 내에서 무선통신 음영 지역에서 원활한 통신을 위한 중계기 설치 및 이에 대한 법적 제도적 근거 제시 등에 더 많은 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통합 지휘시스템까지 정보가 전달되는 과정은 어떻게 되는가?	통합지휘시스템은 특수재난현장의 온도, 습도, 이산화탄소 등의 환경 정보와 현장 상황을 파악할 수 있는 영상 정보 및 소방관의 맥박, 공기통 잔량 등의 개인 신체 정보를 필요로 한다. 수집된 정보들은 Analog to Digital Converter (ADC) 칩을 거쳐 디지털 신호로 변경되고 Micro Controller Unit (MCU)가 직렬 통신 방식인 Serial Peripheral Interface (SPI) 통신 방식으로 이용하여 송신 보드로 디지털 신호를 전송한다. 송신 보드에 저장된 디지털 신호는 Radio Frequence (RF) 송신기를 이용하여 통합지휘시스템으로 전송된다. 자이로센서 및 관성센서를 이용하여 건물 내부에 있는 진압대원의 위치를 확인한다.
	통합지휘시스템은 어떠한 것을 필요로 하는가?	자연 재해 또는 대형 인적 재난 현장과 같은 특수재난현장의 지휘본부에서는 소방관의 안전과 효과적인 지휘 통제를 위한 통합 지휘시스템은 매우 중요하다. 통합지휘시스템은 특수재난현장의 온도, 습도, 이산화탄소 등의 환경 정보와 현장 상황을 파악할 수 있는 영상 정보 및 소방관의 맥박, 공기통 잔량 등의 개인 신체 정보를 필요로 한다. 수집된 정보들은 Analog to Digital Converter (ADC) 칩을 거쳐 디지털 신호로 변경되고 Micro Controller Unit (MCU)가 직렬 통신 방식인 Serial Peripheral Interface (SPI) 통신 방식으로 이용하여 송신 보드로 디지털 신호를 전송한다.

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