[논문]도로터널용 원격 자동소화 설비의 test bed 적용을 통한 실용화 방안 연구

박상헌; 안승주; 김재훈; 김경수; 윤준수; 유용호

doi:10.9711/ktaj.2019.21.6.837

도로터널용 원격 자동소화 설비의 test bed 적용을 통한 실용화 방안 연구
A study on practical use of remote automatic fire extinguishing equipment through test bed in road tunnel 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.6, 2019년, pp.837 - 847

박상헌 (동일기술공사) , 안승주 (동일기술공사) , 김재훈 (동일기술공사) , 김경수 (동일기술공사) , 윤준수 (동일기술공사) , 유용호 (한국건설기술연구원 화재안전연구소)

초록
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국내 장대 지하도로는 선진화 교통망 구현을 위해 대도시를 중심으로 추진되고 있다. 폐합되고 장대화된 지하도로의 화재안전성 확보를 위해 많은 방재시설이 적용되며, 1등급 터널에서는 물분무 설비를 이용하여 초기 화재 진압을 위한 설비로 적용되지만 2~4등급 터널에서는 초기 화재진압을 위한 방재시설 대응 및 화재진압 주체가 불분명하여 화재확산에 따른 추가적인 인적/물적 피해가 불가피하다. 따라서 본 연구에서는 1등급 물분무 설비와 같이 초기화재 진압이 가능하도록 옥내소화전 소화용수를 이용하여 관리실에서 CCTV로 모니터링 하고 자동 제어를 통하여 화재지점에 직접 분사하는 원격 자동소화설비 시스템을 개발하였으며, Test Bed를 통하여 실용화를 위한 통하여 성능개선방안을 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Korea's long underground roads are being promoted around the metropolitan city center to realize advanced transportation networks. Many disaster prevention facilities are applied to secure fire safety of the closed and long-distance underground roads. As the facility response and fire suppression subjects are unclear, additional human and material damages from fire spread are inevitable. Therefore, in this study, we developed a remote automatic fire extinguishing system that uses the fire extinguishing water inside the fire hydrant to monitor the CCTV in the management room and sprays it directly to the fire site through automatic control. The design application method was studied through the performance improvement that can be put into practical use.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Water spray extinguishing system installed on the side wall in road tunnel
표 Table 1. Facilities for damage prevention installation pursuant to criteria of tunnel grade
그림 Fig. 2. Operating process for remote control automatic fire extinguishing system
그림 Fig. 3. Remote automatic fire extinguishing facility indoor performance verification experiment and field application
그림 Fig. 4. Fire drill performance verification test for remote automatic fire extinguishing facility
그림 Fig. 5. Case of foreign application of automatic spraying equipment
표 Table 2. Improvement plan of the remote automatic fire extinguishing facility
그림 Fig. 6. Injection part design and prototyping
그림 Fig. 7. Automatic MOV design and prototype production of fire extinguishing pipe
그림 Fig. 8. Remote automatic fire extinguishing facility
표 Table 3. Improvement plan of operating system
그림 Fig. 9. Remote control system control PCB board and laser beam
그림 Fig. 10. Design drawing plan of remote automatic fire extinguishing facility tunnel
표 Table 4. Main design specification of operation server

AI 본문요약
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문제 정의

원격 자동소화설비는 터널 내 화재 감지센서 또는 영상유고시스템에 의해 감지된 화재발생 신호가 터널 관리실 또는 인근 소방서로 전송되고, 화재 발생을 인지한 터널 관리자가 모니터를 통하여 옥내소화전 배관에 연결된 분사장치를 원격으로 제어하여 화재초기에 진압 또는 화재확산을 지연하여 인적 ‧ 물적 피해를 최소화하는 기술이다. 본 기술은 도로터널에 40~50 m마다 일정간격으로 설치된 옥내소화전 상부에 설치되어 화재발생 시 터널 관리자가 모니터를 통하여 화재를 초기에 직접적인 대응이 가능한 시스템이다(Park et al., 2017).
이러한 제어를 위해 해당 요소별 통신을 통한 제어가 필수적이며, 관리자가 쉽게 상태점검이 가능하도록 GUI개선이 필요하다. 본 연구에서는 기존 터널방재시스템에 직접 연동하여 적용될 수 있으나 독립적인 운영시스템을 구성하여 GUI를 개발하였고, 아래의 Table 3과 같이 운영자 제어측면에서 성능개선이 필요하다는 것을 파악하였다.
옥내소화전을 이용한 원격 자동소화설비의 자체실험 및 Test Bed를 통하여 실용화가 가능한 시스템으로 본 연구를 통하여 개발하였다. 이 시스템은 도로터널에 40~50 m마다 설치된 옥내소화전 상부에 설치되며 다수의 자동소화설비 설치를 고려할 경우, 원격제어에 적용 가능한 관제설비가 필요하기 때문에 이러한 필요사항을 고려하여 설계방안을 위한 연구를 수행하였다.
위와 같이 우수한 초기 화재진압성능 및 기술적인 개선을 통한 원격 자동소화설비의 Test Bed를 통하여 연구개발물에 대한 우수한 성과를 도출하였으나, 운영자측면에서 조작의 용이성, 설비의 자동제어 및 상태파악 등의 개선이 필요하다고 판단하여 H/W 및 S/W측면에서 상용화를 위한 연구를 수행하였다.
옥내소화전을 이용한 원격 자동소화설비의 자체실험 및 Test Bed를 통하여 실용화가 가능한 시스템으로 본 연구를 통하여 개발하였다. 이 시스템은 도로터널에 40~50 m마다 설치된 옥내소화전 상부에 설치되며 다수의 자동소화설비 설치를 고려할 경우, 원격제어에 적용 가능한 관제설비가 필요하기 때문에 이러한 필요사항을 고려하여 설계방안을 위한 연구를 수행하였다.

제안 방법

1. 원격 자동소화설비 직 ‧ 분사 원격제어를 위해 회전수 측정을 위한 Pick-up 코일 및 제어통신을 추가하여 H/W를 개선하였으며, 관리자가 원격으로 제어가 가능하도록 GUI개선을 하였다.
4. Test Bed를 통하여 분사부와 CCTV의 수평설치에 대해서 회전 시 측벽 간섭을 최소화하기 위해 수직으로 제작하였으며 용수에 따른 CCTV 시야방해를 해소하기 위해 상부 마운트를 추가하였다.
5. 화재 운영대응에 대한 전방 차량 시야감소에 따른 화재지점 분사의 어려움을 해결하기 위해 화재 전방 소화설비를 회전시켜 전방 CCTV를 활용하여 화재지점 시야 확보가 가능하고 모니터 2개를 사용한 듀얼 모니터링을 통한 원격제어가 가능하도록 운영 S/W부 성능개선을 하였다.
Table 2에 대한 성능개선을 위해 Fig. 6과 같이 자동 구동이 가능하도록 기어부를 제작하였고 구동이 가능한 자동모터부 및 외부 하우징으로 구성되며, 경제성을 확보하기 위해 기존 직 ‧ 분사가 가능한 관창노즐을 활용하여 제어가 가능한 모터와 기어부 및 관창부에 기어와 연결되어 직 ‧ 분사가 자동화 시스템을 설계 제작하였다. 직 ‧ 분사 자동 제어부 초기제작은 직 ‧ 분사 위치 파악이 어려워 강제 일방향 구동에 따른 잦은 과부하로 인한 기어부 파손 방지를 위해 Pick-up 코일을 이용하여 전자기파로 발생된 신호를 카운팅하여 모터 작동에 따른 위치 확인이 가능하도록 제작하였다.
8과 같이 상부에 분사노즐을 설치하고 카메라를 하부에 설치함으로서 좌우구동에 따른 측벽의 간섭을 최소화 하는 형태로 제작하였다. 또한 상부 분사에 따른 카메라 전면부의 물로 인한 시야 방해를 막기 위해 마운트를 설치하여 시인성을 개선하였다.
직 ‧ 분사 자동 제어부 초기제작은 직 ‧ 분사 위치 파악이 어려워 강제 일방향 구동에 따른 잦은 과부하로 인한 기어부 파손 방지를 위해 Pick-up 코일을 이용하여 전자기파로 발생된 신호를 카운팅하여 모터 작동에 따른 위치 확인이 가능하도록 제작하였다. 또한 상부에 소화용수 유입이 가능한 중간 연결부는 베어링을 통하여 상부 볼트부의 회전이 가능하며 상하좌우 구동에 따른 조작 시 저항이 걸리지 않도록 설계제작 하였다.
10과 같이 구성하였다. 또한 원격 자동소화설비와 옥내소화전 소화용수를 제어하는 MOV가 다수로 설치되어 있기 때문에 통신의 안전성을 위하여 광통신 Network로 설계하였다.
3(d)와 같이 계획하였다. 시범 설치 후 화재 위험에 대비하여 임시 화재 상황을 발생시켜 대처 훈련을 수행함으로서 터널 운영 및 관리자의 화재 대응 능력을 제고함과 동시에 소방시설(원격 자동소화 시스템) 성능 점검을 목적으로 소방훈련을 수행(Fig. 4)하였다.
시범설치를 통한 분사노즐과 카메라의 수평설치에 대한 문제를 개선하기 위해 Fig. 8과 같이 상부에 분사노즐을 설치하고 카메라를 하부에 설치함으로서 좌우구동에 따른 측벽의 간섭을 최소화 하는 형태로 제작하였다. 또한 상부 분사에 따른 카메라 전면부의 물로 인한 시야 방해를 막기 위해 마운트를 설치하여 시인성을 개선하였다.
옥내소화전을 이용한 원격 자동소화설비를 개발하기 위해 시작품을 제작하여 한국건설기술연구원 터널실험동에서 Fig. 3(a)~3(c)와 같이 성능검증을 수행하였다. 직 ‧ 분사를 통한 초기 화재진압능력 및 관리자 원격제어 구현 여부 등 다양한 실험을 수행하였으며, 차량 화재 발생 후 최대 5분 이내에 30 m 거리에서 화재진압이 가능한 성능을 확보하였다(Park et al.
원격 자동소화설비를 관제실에서 평상시 원격 자동화 설비를 관제실에서 주기적인 상태파악을 통하여 작동여부를 인식하기 위해 모니터링GUI상 각 요소별 상태점검 기능 구현이 가능하도록 현장에 설치되는 컨트롤러부와 제어부 개선을 계획하였으며 현재 연구 수행 진행 중이다.
따라서 관리자가 원격으로 개폐가 가능하고, 밸브 상태와 Block valve개폐상태를 실시간 감시, 동결에 따른 파손방지 등 고려되어야 하기 때문에 기존 MOV에 대한 개선이 필요하였다. 이 연구를 통하여 원격 자동소화설비 전용 MOV를 설계 및 제작하였으며, Fig. 7의 제작사진 및 설치사진과 같이 적용되었다.
5 bar 이상의 수압으로 인하여 소화용수를 공급하는 Flexible hose 자체에 강한 압력으로 인한 외력이 발생되어 기존 40 W 모터의 출력으로는 구동이 불안전한 것을 확인하였다. 이러한 부분을 개선하기 위해 기존 DC모터 출력부를 40 W에서 60 W로 교체 및 기어비를 개선을 통하여 정밀제어가 가능하도록 개선하였고 관제부에서 사용자가 조작 속도를 조절할 수 있도록 구현하였다.
6과 같이 자동 구동이 가능하도록 기어부를 제작하였고 구동이 가능한 자동모터부 및 외부 하우징으로 구성되며, 경제성을 확보하기 위해 기존 직 ‧ 분사가 가능한 관창노즐을 활용하여 제어가 가능한 모터와 기어부 및 관창부에 기어와 연결되어 직 ‧ 분사가 자동화 시스템을 설계 제작하였다. 직 ‧ 분사 자동 제어부 초기제작은 직 ‧ 분사 위치 파악이 어려워 강제 일방향 구동에 따른 잦은 과부하로 인한 기어부 파손 방지를 위해 Pick-up 코일을 이용하여 전자기파로 발생된 신호를 카운팅하여 모터 작동에 따른 위치 확인이 가능하도록 제작하였다. 또한 상부에 소화용수 유입이 가능한 중간 연결부는 베어링을 통하여 상부 볼트부의 회전이 가능하며 상하좌우 구동에 따른 조작 시 저항이 걸리지 않도록 설계제작 하였다.
3(a)~3(c)와 같이 성능검증을 수행하였다. 직 ‧ 분사를 통한 초기 화재진압능력 및 관리자 원격제어 구현 여부 등 다양한 실험을 수행하였으며, 차량 화재 발생 후 최대 5분 이내에 30 m 거리에서 화재진압이 가능한 성능을 확보하였다(Park et al., 2017).

대상 데이터

서울시와의 협의를 통하여 구룡터널에 원격 자동소화설비를 3개소(터널 중앙부)에 설치하는 Test Bed를 Fig.3(d)와 같이 계획하였다. 시범 설치 후 화재 위험에 대비하여 임시 화재 상황을 발생시켜 대처 훈련을 수행함으로서 터널 운영 및 관리자의 화재 대응 능력을 제고함과 동시에 소방시설(원격 자동소화 시스템) 성능 점검을 목적으로 소방훈련을 수행(Fig.

성능/효과

2. 옥내소화전 소화용수의 원격 개폐 및 상태 감시를 위해 Motor operated type 형태로 성능을 개선하였으며, 관리자가 원격으로 제어 및 상태감시가 가능하도록 Data 수집장치 추가 및 GUI를 개선하였다.
3. 기존 Panning 및 Tilting 구동시 본체부 편심하중 및 소화용수 주입압력으로 인한 P/T 구동부 문제해결을 위해 기존 모터(DC 24 V)의 출력을 40 W에서 60 W로 증가 및 구동 속도의 기존 기어비(Ratio)를 변경하여 운영자가 정밀하게 제어할 수 있도록 성능개선을 하였다.
P/T Driver는 원격 자동소화설비를 상하좌우로 구동하는 형태로 초기에 40 W DC 24 V 모터를 이용하여 구동이 가능하도록 설계제작하였다. 하지만 자체 실험결과 P/T Driver 내부 구동기어가 작게 제작되어 회전이 매우 빨라 정확한 화재지점에 분사하는 것이 어려웠으며, 3.5 bar 이상의 수압으로 인하여 소화용수를 공급하는 Flexible hose 자체에 강한 압력으로 인한 외력이 발생되어 기존 40 W 모터의 출력으로는 구동이 불안전한 것을 확인하였다. 이러한 부분을 개선하기 위해 기존 DC모터 출력부를 40 W에서 60 W로 교체 및 기어비를 개선을 통하여 정밀제어가 가능하도록 개선하였고 관제부에서 사용자가 조작 속도를 조절할 수 있도록 구현하였다.

후속연구

위와 같이 원격 자동소화설비의 상용화 시제품 및 Test bed를 바탕으로 방재시설 지침 중의 하나인 ‘도시부 소형차 전용터널 방재시설 설치 및 관리지침’에 원격자동살수 설비로 지침 적용 되어 도심지 소형차 전용도로에 위험도평가2등급 이상, 터널길이 3 km 이상 소화설비로 권장시설로 적용되어 있으며, 현재 도로터널에 설계 반영을 추진하고 있다. 국내 최초로 옥내소화전 소화용수를 이용한 원격 자동소화설비는 향후 방재시설에 원천기술의 하나로 발전되길 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 도로의 특성은 어떠한가?	국내 도로는 교통혼잡에 따른 경제적 손실방지 및 지상 녹지공간 구축과 같은 친환경 선진화 교통망 구축을 계획하고 있으나 지상부 도로확충 공간부족, 막대한 용지 보상비, 토지 소유자와의 이해관계 등의 문제로 사업추진에 많은 어려움이 발생되어 새로운 교통공간을 창출할 수 있는 강력한 해결책으로 국내외에서는 대심도 지하공간을 이용한 교통망 개발이 활발하게 추진 중(Park et al., 2017)에 있다.
	우리나라에 대심도 지하공간이 필요한 이유는 무엇인가?	국내 도로는 교통혼잡에 따른 경제적 손실방지 및 지상 녹지공간 구축과 같은 친환경 선진화 교통망 구축을 계획하고 있으나 지상부 도로확충 공간부족, 막대한 용지 보상비, 토지 소유자와의 이해관계 등의 문제로 사업추진에 많은 어려움이 발생되어 새로운 교통공간을 창출할 수 있는 강력한 해결책으로 국내외에서는 대심도 지하공간을 이용한 교통망 개발이 활발하게 추진 중(Park et al., 2017)에 있다.
	지하공간 개발에 필수적으로 고려해야 할 점은 무엇인가?	새로운 지하교통망 구축(동부간선도로 지하화, 부산 만덕-센텀 지하도로 등)으로 교통혼잡 등 기존 대비 많은 어려움이 해소될 것이라 예상되나, 장대화 및 폐합된 지하도로는 많은 통행차량으로 인해 터널 이용자에게 화재 안전에 대한 위험성은 증가한다. 특히 터널 내 화재가 발생되면 화원으로 인한 구조물 붕괴 또는 파손을 예방할 수 있는 방재시설과 화재연기로 인한 대피자의 인명피해를 최소화하기 위한 대피 안전시설 역시 필수적으로 계획되어야 한다.

참고문헌 (4)

Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2016), Road tunnel disaster prevention facilities installation and management guidelines, Korea, pp. 17.
Park, J.O., Yoo, Y.H., Kim, H.S., Park, B.J., Kim, Y.G. (2017), "Fire suppression test using the automatic monitor system for double-deck tunnel", Fire Science and Engineering, Vol. 31, No. 6, pp. 40-46.

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Park, J.O., Yoo, Y.H., Kim, Y.K., Park, B.J., Kim, W.S., Park, S.H. (2018), "Development of remote control automatic fire extinguishing system for fire suppression in double-deck tunnel", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 21, No. 1, pp. 167-175.

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Yoo, Y.H., Park, S.H., Han, S.J., Park, J.O. (2016), "The study on application of automatic monitor system for initial fire suppression in double-deck tunnel", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 18, No. 5, pp. 419-429.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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