[논문]초고층빌딩 통합 화재방재시스템 설계 및 구현에 관한 연구

이정배

doi:10.5762/kais.2020.21.2.39

초고층빌딩 통합 화재방재시스템 설계 및 구현에 관한 연구
A Study on Integrated Fire Protection System for high-rise Building 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.2, 2020년, pp.39 - 47

초록
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현재 초고층 빌딩 화재 방재대응은 스프링클러 및 대피 층 마련과 비상구 및 모니터링 시스템 등에 제한되고 있다. 그러나, 효과적인 방재를 위해서는 시나리오별 행동조치를 제시하는 운영까지 포함하는 통합방재시스템의 개발이 필요하다. 또한 통합방재시스템은 예방을 포함하는 소방 전주기가 통합되어 관리되고 운영되는 모델로 연구개발의 필요성이 있다. 이러한 전주기 통합방재 시스템을 위하여 본 논문에서는 감지 및 대응과 연계된 화재 발생 시 행동조치까지 포함된 통합 화재방호시스템을 설계하고 구현하였다. 방재기술, 통신시스템, 소방 구조자와 피난자가 연계된 시스템을 구현하였기 때문에 방재산업 공급사슬에서 생산, 운용, 소비의 패턴도 분석할 수 있도록 데이터를 수집하여 분석도 가능하다. 논문에서 제시한 통합방재시스템의 성능테스트 결과, 5명 사용자를 대상으로 평균 1/2초 트랜잭션 응답시간과 초당 1.2트랜잭션 수 모두 성능 목표치 이상으로 측정되었다. 본 논문에서 제시한 방재기술 및 통합방재시스템은 다양한 융합기술 기반의 재난안전시장 창출에도 기여할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The fire protection system for high-rise buildings is currently confined to the preparation of sprinklers, emergency stairs, and exit and monitoring systems. On the other hand, an integrated system, including the model with scenario-based actions, is required for effective fire protection. An integrated fire protection system is needed to operate and manage the total cycle of the fire protection. In this study, an integrated fire protection system, which included sensing and consequent processes related to fire emergencies, was designed and implemented. The designed scheme can gather and analyze the data of the production, operation, and consumption patterns as it integrates fire protection systems for fire fighters and evacuating people. The integrated fire protection technology and system, which has target performance with satisfied 1/2 sec transaction response time and 1.2 transactions per second, is expected to contribute to market creation in converged technology-based fire protection fields.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Trend of fire occurrence at high-rise buildings in domestic areas and US
그림 Fig. 2. Delphi questionaire – page 1
그림 Fig. 3. Delphi questionaire – page 2
그림 Fig. 4. Main screen of intelligent integrated fire protection system
그림 Fig. 5. Diagnosis action screen of integrated fire protection system
그림 Fig. 6. Diagnosis results screen of integrated fire protection system
그림 Fig. 7. Facility status screen of integrated fire protection system
그림 Fig. 8. History inquiry screen of integrated fire protection system
그림 Fig. 9. Main screen of the emergency response system
그림 Fig. 10. Screen of the customer mobile system
그림 Fig. 11. Screen of the administrator mobile system
그림 Fig. 12. Architecture of data transactions in the implemented system
표 Table 1. Table title
표 Table 2. Transactions for web pages
표 Table 3. Test results

AI 본문요약
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문제 정의

초고층 건물의 화재방재 능력 개선을 위하여 최근 급격하게 발전하는 지능형 방재설비와 기술을 기존 초고층 빌딩의 통합SI시스템과 통합건물관리시스템과 연동하는 ‘방재통합운영시스템’ 개발을 목표로 한다.
연구개발 절차는 우선 통합방재시스템 기술요소를 분석하여 그에 따른 기본 시스템 개념도를 도출하고, 기본 개념도에 따른 운영프로그램을 개발하는 추진 방향을 설정한다. 화재방재전주기(예방, 대비, 대응, 복구)에 걸친 시스템 점검, 감시, 조정, 피난유도, 구조지원 및 복구활동에 이르기까지 초고층 화재안전관리에 관련된 모든 사항을 지능화할 수 있는 프로그램을 개발하는 것을 목표로 하며, 기존 화재방호설비와 시스템과 연계 또는 보완 할 수 있는 신기술을 활용한다. 초고층 건물의 화재방재 능력 개선을 위하여 최근 급격하게 발전하는 지능형 방재설비와 기술을 기존 초고층 빌딩의 통합SI시스템과 통합건물관리시스템과 연동하는 ‘방재통합운영시스템’ 개발을 목표로 한다.

제안 방법

(1) 설문조사: 수집된 자료와 선행연구 분석하여 델파이 질문지를 개발하였다. 내부 연구원들을 대상으로 조사 하여 설문지 초안을 제작하였다.
성능 테스트를 위하여 테스트에서 설정한 기능을 대상으로 동시 사용자 수를 일정 비율로 증가시켜 시스템이 목표로 하는 성능을 원활히 수행하기 위하여 각 기능에 대한 응답 속도를 측정한다. 기능별 성능 테스트를 측정하기 위하여 동시접속자(가상 사용자 : Virtual User) 5 명을 기준으로 부하 발생 시 트랜잭션으로 설정한 기능 에 대한 초당 트랜잭션 및 평균 응답시간을 측정한다. 테스트 환경은 Table 1과 같이 설정하였다[1]
(1) 설문조사: 수집된 자료와 선행연구 분석하여 델파이 질문지를 개발하였다. 내부 연구원들을 대상으로 조사 하여 설문지 초안을 제작하였다. 패널들이 추가로 필요하거나 제안할 수 있도록 지면을 마련하여 서술해 줄 것을 요청하였다.
15와 같이 기존 시스템과의 연계를 통하여 통합 데이터를 모니터링 한다. 데이터 연계는 XML의 장점을 이 용하여 기존 시스템과 원활하게 진행 할 수 있도록 개발을 한다. XML은 W3C의 표준으로써 다양한 웹 브라우저를 지원하며, 개방, 공유, 배포, 참여의 WEB2.
각각의 소요기술의 구현은 지능형 CCTV, 위치추적, 소방설비감지기술, 모바일연계기술, 빅데이터 활용으로 구체화된다. 도출된 소요기술과 솔루션은 현 감시체계를 통합방재센터에서 파악이 용이하고 화재 시 골든타임을 확보하고 피난을 신속하게 유도하기 위한 통제기구와 이를 전달할 수 있는 첨단의 지능형 시스템을 요구하고 있어서 이를 기초로 한 시스템 설계 및 구현을 하였다.
간략히 설명하면, 통합방재시스템은 평상시에는 재난관리시스템으로서 CCTV와 탐지센서, 시설물 상태를 실시간으로 수신하여 담당자가 시설을 관리하고 모니터링 할 수 있게 한다. 또한, 재난 발생 시에 상황을 감지하는 경우 알람을 수신하여 CCTV를 제어하여 재난상황을 가시화시켜서 현장 상황을 파악하고 동시에 방재 담당조직에 알려 상황을 통제하게 한다. 이밖에 현장 직원에게 상황을 전파하여 즉각적인 재난 대응에 임하게 한다.
초고층 건물의 화재방재 능력 개선을 위하여 최근 급격하게 발전하는 지능형 방재설비와 기술을 기존 초고층 빌딩의 통합SI시스템과 통합건물관리시스템과 연동하는 ‘방재통합운영시스템’ 개발을 목표로 한다. 목표 달성을 위해서 무엇보다 시범사업 구축이 중요하며, 시뮬레이션을 통해 얻어지는 경험과 데이터를 통해 시스템 성능을 검증하고 실용화를 달성하고자 한다 [10][11].
설비모니터링을 통해 화재신고가 접수되면 화재확인을 진행한다. 방재시스템 담당자가 화재알람을 접수하면 CCTV 등을 통해 화재를 확인한다. 화재발생을 확인하면 화재의 크기에 따라 대피를 결정한다.
성능 테스트를 위하여 테스트에서 설정한 기능을 대상으로 동시 사용자 수를 일정 비율로 증가시켜 시스템이 목표로 하는 성능을 원활히 수행하기 위하여 각 기능에 대한 응답 속도를 측정한다. 기능별 성능 테스트를 측정하기 위하여 동시접속자(가상 사용자 : Virtual User) 5 명을 기준으로 부하 발생 시 트랜잭션으로 설정한 기능 에 대한 초당 트랜잭션 및 평균 응답시간을 측정한다.
시스템 구축을 위한 모델의 개발이 필요하고, 초고층 관련 소방활동 전주기는 예방, 대비, 대응, 복구로 구성되며 재난발생을 사전에 예방하고 화재시 신속하고 효율적으로 대응, 복구함으로써 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위해 다음과 같이 각 주기별로 초고층 지능형 통합방재시스템 모델을 도출하였다.
검증을 위한 시스템은 시험케이스 (Test Case)와 전략, 도입장비 점검표의 기준을 가지고 시험되어지며, 여기서 비롯된 시험 결과를 평가하고, 시험결과에 대한 평가가 예상된 신뢰도를 만족하면 시험 단계를 종료한다. 시스템의 구축기간 및 가동에 앞서 프로그램들이 설계서와 요구하는 기능 및 품질을 만족할 수 있도록 단계별 시험 상세절차를 수립하고 테스트한다. 프로젝트 중 개발된 각 웹페이지 기능은 Table 2와 같이 트랜잭션으로 설정하였다.
이와 동시에 재난상황에 대한 경보를 경찰이나 소방서와 같은 대응기관에 상황을 전파하여 주민을 보호하게 하고 소방방재청 등의 상위기관과 긴밀한 협조 체계를 갖추어 각종 재난재해 상황에 대응 할 수 있게 한다. 전체적으로는 재난이 발생하면 이에 대응하기 위해 평소에는 예방, 사태 발생 시에는 대응 및 복구, 특히 대응 시에는 상황에 대한 기관별 전파를 통해 재난 피해를 최소화할 수 있게 설계를 하였다[6].
조사분석, 기존연구보고서 검토를 통해서 도출된 지능 형 소요기술을 지능화 방향성, 이용자요구도, 통합성, 안전성, 경제성을 평가항목으로 하여 적용 소요기술과 솔루션의 우선순위를 산정하였다.
초고층 방재시스템을 개발하기 위하여 소방대원, 건물 방재 근무원, 시스템 개발업체, IT전공자등의 각 분야별 경험자 집단(panel)을 구성하여 설문조사를 실시하였다. 1차 응답은 40명이며, 2차 응답은 10명으로 구성하였다.
1차 응답은 40명이며, 2차 응답은 10명으로 구성하였다. 초고층 화재방호시설, 건물방재 시스템, 건축물 사고 사례, 최근 연구 동향, 기술, 선행연구 등에 대한 자료를 수집하고 연구의 방향을 설정하였다.

대상 데이터

초고층 방재시스템을 개발하기 위하여 소방대원, 건물 방재 근무원, 시스템 개발업체, IT전공자등의 각 분야별 경험자 집단(panel)을 구성하여 설문조사를 실시하였다. 1차 응답은 40명이며, 2차 응답은 10명으로 구성하였다. 초고층 화재방호시설, 건물방재 시스템, 건축물 사고 사례, 최근 연구 동향, 기술, 선행연구 등에 대한 자료를 수집하고 연구의 방향을 설정하였다.
관리대상은 Fig. 7과 같이 경보설비, 소화설비, 피난설비, 소화활동설비, 소방용수 공급시스템에 포함된 항목으로서 상태정보를 수집하여 오류, 경보, 오작동 등 대상의 상태 이력 정보를 Fig. 8과 같이 표시하고 있다.
점검 항목은 소방시설, 가연물 및 화기취급관리대상, 피난 및 방화시설, 기타시설물을 대상으로 진행하며, 현장에서 모바일 장비를 통해서 Fig. 6과 같이 점검한다.

성능/효과

(2) 델파이 조사 결과의 타당도 분석: 델파이 조사 결과의 타당도를 분석하기 위한 방법으로 내용타당도 비율 (CVR Content Va1idity Ratio)을 검증하는 방법을 적용하여, 도출된 내용이 타당하다고 응답한 경우가 전체 응답 패널의 50% 이상일 때 그 문항은 내용타당도를 어느 정도 가지고 있는 것으로 본다. 타당하다고 응답한 패널의 수가 100% 일 때 CVR은 1.
(3) 델파이 조사결과: 1차 델파이 조사를 통해 종합방재시스템에서 중요시 될 요소들이 도출되었다. 2차 설문을 위하여 중요도가 높은 요소들을 추출하여 축소하였다.
많은 사용자들을 대상으로 시험을 위한 성능을 개선하기 위해서는 하드웨어 및 네트워크 장비 성능 개선이 요구된다. 그리고 모든 통합방재시스템 응용 기능들은 설계에 의해 요구되는 모든 기능들이 정상적으로 동작됨을 확인하였다[1].
전문가집단의 경우 평균점수의 분포가 모두 4점 이상을 나타내고, 편차가 0에 가까운 상태에서 최빈값이 5로 나타나 있어 높은 적합성을 보이고 있다. 또한 모든 항목들의 합의도가 0.75 이상을 나타내고 합의점이 형성된 것으로 보이며 CVR를 통하여 타당성 기준에 다다른 것으로 보인다. 합의도가 0.
본 논문에서 제시한 첨단 IoT 기반의 방재기술, 통신 시스템, 소방 구조자와 피난자가 연계된 융합 시스템 개발은 초고층빌딩을 위한 통합방재시스템으로서 그 기능이 잘 운영됨을 확인하였다. 또한 시스템 성능 테스트를 통하여 통합방재시스템 성능의 우수함을 확인하였다. 또한 통합방재시스템의 개발로 방재산업 공급사슬에서 생산, 운용, 소비의 패턴을 통합할 수 있는 효과도 기대할 수 있게 되었다.
또한 시스템 성능 테스트를 통하여 통합방재시스템 성능의 우수함을 확인하였다. 또한 통합방재시스템의 개발로 방재산업 공급사슬에서 생산, 운용, 소비의 패턴을 통합할 수 있는 효과도 기대할 수 있게 되었다.
본 논문에서 제시한 첨단 IoT 기반의 방재기술, 통신 시스템, 소방 구조자와 피난자가 연계된 융합 시스템 개발은 초고층빌딩을 위한 통합방재시스템으로서 그 기능이 잘 운영됨을 확인하였다. 또한 시스템 성능 테스트를 통하여 통합방재시스템 성능의 우수함을 확인하였다.
성능테스트 결과에서 보듯이 소규모의 테스트 결과이지만, 5명 사용자를 대상으로 평균 트랜잭션 응답시간이 0.5초로 우수하였으며 초당 트랜잭션 수도 2TPS로 평가 되어 성능은 목표치 이상으로 측정되었다. 많은 사용자들을 대상으로 시험을 위한 성능을 개선하기 위해서는 하드웨어 및 네트워크 장비 성능 개선이 요구된다.
(2) 델파이 조사 결과의 타당도 분석: 델파이 조사 결과의 타당도를 분석하기 위한 방법으로 내용타당도 비율 (CVR Content Va1idity Ratio)을 검증하는 방법을 적용하여, 도출된 내용이 타당하다고 응답한 경우가 전체 응답 패널의 50% 이상일 때 그 문항은 내용타당도를 어느 정도 가지고 있는 것으로 본다. 타당하다고 응답한 패널의 수가 100% 일 때 CVR은 1.00, 50% 일 때 CVR은 0, 50% 보다 적을 때 CVR은 음수를 띈다. 즉 타당하다 고 응답한 패널의 수가 50 ~ 100% 일 때의 CVR 값은 0 ~ 1.
국내 초고층건물 화재발생장소는 주로 주방, 침실, 발코니 및 거실, 계단 등의 순으로 나타나고 있다. 특히 주 방지역이 약 25%, 그리고 침실지역이 약 13%를 차지하여 두 지역에서 발생되는 화재가 고층건물 발화 장소에 서 발생되는 화재의 38%를 차지하는 것으로 나타났다.

후속연구

(3) 대응: 화재로 인한 재난발생 시 신속하고 효율적인 상황전파 및 신고체계 확립을 위해 비상연락체계를 구축, 운영해야 한다. 화재로 인한 재난발생 시 화재현장의 원활한 비상대응을 위해 지휘통제 체계를 수립하고 업무를 수행해야 한다.
최근 급속히 초고층빌딩 수요가 증가하면서 잠재적 위험성 또한 상존하는 바, 과학기술을 통한 실용적 소방현장 전주기적 지원의 필요성이 요구된다. 따라서 초고층 건물 방재시스템과 급속하게 발전하는 IoT 기술과의 연계를 통하여 센서를 이용한 정보수집, 상황판단, 상황전파를 통해 보다 안전하고 효과적인 인명구조와 대피가 가능할 것이다[1].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 통합 방재시스템은 위험신호를 감지한 뒤 어떠한 과정을 걸쳐 시스템이 돌아가는가?	일반적인 통합 방재시스템의 경우 자연재해, 화재, 유해물질 누출 사고가 발생하거나 보안 문제가 생기면 이에 대한 신호를 감지하여 정보 내용을 시스템에 전달한다. 시스템은 설비 점검 및 관리, 재난상황 예측과 같은 예방과 사고접수, 통합지휘, 상황전파와 같은 대응, 그리 고 복구상황 지휘와 리포팅과 같은 복구 단계에 걸쳐 시스템을 작동하게 한다. 이와 동시에 재난상황에 대한 경보를 경찰이나 소방서와 같은 대응기관에 상황을 전파하여 주민을 보호하게 하고 소방방재청 등의 상위기관과 긴밀한 협조 체계를 갖추어 각종 재난재해 상황에 대응 할 수 있게 한다. 전체적으로는 재난이 발생하면 이에 대응하기 위해 평소에는 예방, 사태 발생 시에는 대응 및 복구, 특히 대응 시에는 상황에 대한 기관별 전파를 통해 재난 피해를 최소화할 수 있게 설계를 하였다[6].
	초고층빌딩 수요가 증가함에 따라 어떤 필요성이 요구되는가?	초고층빌딩 화재 및 지진발생 등 대피상황 발생 시 기존 소방대응능력으로 대응하기 곤란한 복잡한 재난이 속출하고 있다. 최근 급속히 초고층빌딩 수요가 증가하면서 잠재적 위험성 또한 상존하는 바, 과학기술을 통한 실용적 소방현장 전주기적 지원의 필요성이 요구된다. 따라서 초고층 건물 방재시스템과 급속하게 발전하는 IoT 기술과의 연계를 통하여 센서를 이용한 정보수집, 상황판단, 상황전파를 통해 보다 안전하고 효과적인 인명구조와 대피가 가능할 것이다[1].
	기존 모니터링 위주의 방재시스템은 어떤 취약점이 존재하는가?	효율적 초고층건물 재난 대응을 위해서는 기존 관련 연구들의 평가 및 연계성 모색이 필요하다. 기존 모니터링 위주의 방재시스템은 실질적인 대처기능이 미약하며, 초고층 빌딩의 경우 복합재난으로 화재발생시 일파만파의 다양한 변수들이 돌출될 가능성이 상존한다. 따라서 효과적인 방재를 위해서는 시나리오별 행동조치를 제시하는 운영까지 포함하는 통합방재시스템의 개발이 필요하다.

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Report of Samsung Construction Engineering Co., "A Study on Case Analysis and Protection Technologies of Skyscraper Fire Accidents", pp.20-30, 2012.

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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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