[논문]자율형 초동진압용 소화체계 성능기준에 관한 연구

김남균; 김휘성; 박진욱; 박병직; 김양균; 유용호

doi:10.9711/ktaj.2020.22.6.655

자율형 초동진압용 소화체계 성능기준에 관한 연구
A study on the performance standards of autonomous fire extinguishing system 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.6, 2020년, pp.655 - 667

김남균 (순천제일대학교 산업안전관리과) , 김휘성 (한국건설기술연구원) , 박진욱 (한국건설기술연구원) , 박병직 (한국건설기술연구원) , 김양균 (한국건설기술연구원) , 유용호 (한국건설기술연구원)

초록
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본 연구의 최종 목적은 자율형 초동진압 소화체계의 성능평가 기준(안) 제시에 있다. 본 연구에서는 현재 개발단계에 있는 자율형 초동진압 소화제계의 성능기준 제시를 위해 현재 국내 건축물에 적용되는 소방설비의 법적 성능기준 및 국외 선행연구를 기반으로 유사 제품의 성능기준을 비교분석하였다. 또한 이를 기반으로 자율형 초동진압용 소화체계에 요구되는 최소한의 성능기준을 제시하였다. 본 연구의 결과를 기반으로 자율형 초동진압용 소화체계의 성능평가를 수행 후 현장적용 시 화재에 보다 신속한 대응이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The final purpose of this study is to present the performance evaluation criteria (draft) of the autonomous initial suppression digestion system. In this study, in order to present the performance standards for the autonomous initial suppression fire extinguishing agent system currently in the development stage, the legal performance standards for fire extinguishing equipment currently applied to domestic buildings and the performance standards of similar overseas previous research were compared and analyzed. In addition, based on this, the minimum performance standards required for the digestive system for autonomous initial suppression were presented. When the performance of the digestive system for autonomous initial suppression is evaluated based on the results of this study and applied, it is judged that it is possible to respond more quickly in the situation of fire.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Case of fire accident in underground space
그림 Fig. 2. Operation diagram of autonomous fire extinguishing system
표 Table 1. Input parameters of the analysis performance standards based on overseas previous research and domestic regulations
그림 Fig. 3. Indoor fire hydrant protection range
표 Table 2. Minimum performance standards of autonomous fire extinguishing system

AI 본문요약
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문제 정의

앞서 언급한 기존 소방설비의 문제점들로 인해 자율 초동진압용 소화 체계의 필요성이 부각되고 있으며, 이에 다수의 연구자들이 해당 기술 개발을 위해 연구 중에 있으나(Hu and Li, 2010a; 2010b; Chen and Li, 2015), 해당 설비에 대한 기준이 불분명하여 각 연구 및 제품마다의 성능기준이 상이하다. 따라서 각 연구 및 제품에서 제시하는 성능기준에 대한 검토를 기반으로 자율형 초동진압용 소화체계의 성능기준(안) 제시 시 활용하고자 하였다. Table 1은 사용 노즐의 내경 및 방수압 등에 따라 성능의 편차가 발생할 수 있다는 한계는 존재하나, 선행연구에서 실험을 통해 개발품의 성능을 입증한 연구결과 및 제품의 성능기준을 나타낸다.
본 연구에서는 국외의 자율형 초동진압용 소화체계에 관한 선행연구 결과 및 국내의 소방설비 관련 기준을 분석하여 자율형 초동진압용 소화체계의 성능평가에 요구되는 항목 및 기준에 관한 정립을 수행하고, 성능기준(안)을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 선행 연구자료의 검토를 기반으로 확인된 기존 소화체계에 대한 문제점을 개선하고 보다 효과적인 자율형 초동진압용 소화체계를 제시하고, 이를 보다 효과적으로 활용하기 위해 성능평가를 위한 성능기준을 제시하였으며 결론은 다음과 같다.
이에 본 장에서는 국외 기술동향 및 국내 법규분석을 통한 자율형 초동진압용 소화체계의 성능기준을 제시하고자 한다. 국외 기술동향은 화재의 자동 감지 및 소화 기능이 구현된 시스템 개발 연구의 결과 및 제품을 대상으로 하였다.

제안 방법

2. 자율형 초동진압용 소화체계의 사용 확대를 위해서는 성능기준 마련이 선행되어야 하며, 이를 위해 선행연구 및 현행 법규 분석을 수행하여 성능요소를 도출하고 성능기준에 대한 의견을 제시하였다.
Chen and Li (2015)는 비디오 기반 자동 제트소화장치를 개발하였다. Left-up neighborhood algorithm을 기반으로 한 화재감지 및 위치결정 방법을 제안하였으며, 속도와 정밀도 확보를 위해 장치 회전에 보상제어방법을 적용하였고, 42 × 20 × 30 m 시험장에서 실제 화재진압 실험을 진행하였다. 실험 시 수평각은 밝히고 있지 않으며, 수직각은 0~90°까지, 방수압은 0.
국외 기술동향은 화재의 자동 감지 및 소화 기능이 구현된 시스템 개발 연구의 결과 및 제품을 대상으로 하였다. 국내 법규 분석에서는 소화설비의 소화수 분사 형태에 따라 성능기준이 상이하기 때문에 자율형 초동진압용 소화체계와 소화수 분사 형태가 유사한 소화설비를 중심으로 성능기준의 비교분석을 수행하였다. 자율형 초동진압용 소화체계는 소화모니터를 기반으로 소화수를 분사함으로써 화재를 진압하는 소화체계로, 적은 양의 소화수를 화재 지점에 집중 분사하여 소화를 진압한다.
김남균은 연구 개념 설계 및 원고를 작성하였으며, 김휘성은 국내 법규 조사 및 분석, 박진욱, 박병직은 국외 연구자료 조사 및 분석, 김양균은 국외 법규 및 기준 조사에 기여하였으며, 유용호는 본 연구의 총괄 책임을 맡아 연구 설계, 결과 분석 및 논문을 작성하였다.
따라서 국내 법규에서 명시하고 있는 소화설비 중 이와 유사한 소화수 분사 형태를 가지는 「도로터널의 화재안전기준(NFSC 603)」의 제 5조 옥내소화전설비 및 「옥내소화전설비 화재안전기준(NFSC 102)」의 성능기준을 중심으로 비교분석을 수행하였다. 더불어 자율형 초동진압용 소화체계를 현장적용 시 추가적인 소화수용 배관을 설치하는 것은 경제적인 부분에서 어려움이 존재하므로, 옥내소화전설비에 연결하여 사용하는 것이 유용할 것으로 판단됨에 따라 각 기준의 옥내소화전 기준을 기반으로 분석을 수행하였다.
자율형 초동진압용 소화체계는 소화모니터를 기반으로 소화수를 분사함으로써 화재를 진압하는 소화체계로, 적은 양의 소화수를 화재 지점에 집중 분사하여 소화를 진압한다. 따라서 국내 법규에서 명시하고 있는 소화설비 중 이와 유사한 소화수 분사 형태를 가지는 「도로터널의 화재안전기준(NFSC 603)」의 제 5조 옥내소화전설비 및 「옥내소화전설비 화재안전기준(NFSC 102)」의 성능기준을 중심으로 비교분석을 수행하였다. 더불어 자율형 초동진압용 소화체계를 현장적용 시 추가적인 소화수용 배관을 설치하는 것은 경제적인 부분에서 어려움이 존재하므로, 옥내소화전설비에 연결하여 사용하는 것이 유용할 것으로 판단됨에 따라 각 기준의 옥내소화전 기준을 기반으로 분석을 수행하였다.
국내 소방시설 설치기준은 「화재예방, 소방시설 설치 ‧ 유지 및 안전관리에 관한 법률」 시행령의 「별표5 특정소방대상물의 관계인이 특정소방대상물의 규모 ‧ 용도 및 수용인원 등을 고려하여 갖추어야 하는 소방시설의 종류」 및 「옥내소화전설비의 화재안전기준(NFSC 102)」에서 장소별 적용 소방시설의 종류 및 설치기준, 성능에 대해 명시하고 있다. 또한 「도로터널의 화재안전기준(NFSC 603)」에서 도로 및 터널에 적용되는 소화설비의 성능기준을 따로 명시하고 있으며, 두 가지 성능기준이 서로 상이하기 때문에 자율형 초동진압용 소화체계의 최소한의 성능기준 도출을 위해 해당 성능기준들을 비교 분석하였다. 또한 해당 기준들에는 각 설비에 따른 성능기준이 명시되어 있기에 자율형 초동진압용 소화체계와 소화형태가 유사한 옥내소화전의 기준을 기반으로 6.
또한 「도로터널의 화재안전기준(NFSC 603)」에서 도로 및 터널에 적용되는 소화설비의 성능기준을 따로 명시하고 있으며, 두 가지 성능기준이 서로 상이하기 때문에 자율형 초동진압용 소화체계의 최소한의 성능기준 도출을 위해 해당 성능기준들을 비교 분석하였다. 또한 해당 기준들에는 각 설비에 따른 성능기준이 명시되어 있기에 자율형 초동진압용 소화체계와 소화형태가 유사한 옥내소화전의 기준을 기반으로 6.1에서 도출된 성능요소를 위주로 내용들을 검토하였으며, 검토결과를 Table 1에 추가 명시하였다.
Hu and Li (2010b)는 싱글칩 마이크로 컴퓨터 및 스텝 모터를 활용하여 지능형 소화시스템을 구축하였으며, 개방공간에서 5 m 높이에 설비를 설치 후 약 5 m 떨어진 화재를 진압하는 실험을 수행하였다. 실험 시 수평각은 360°, 수직각은 90° 작동을 기준으로 하였으며, 보호반경은 15 m를 기준으로 하였고, 감지 시간은 30초 이내, 유량은 300 L/min을 기준으로 하였다.
하지만 자율형 초동진압용 소화체계는 현재 개발단계에 있어 해당 기준에는 명시되어있지 않으며, 따라서 성능기준 또한 부재한 실정이다. 이에 본 연구에서는 자율형 초동진압용 소화체계의 현장적용의 사전 단계로써 해당 소방설비의 기준 마련을 위하여 첫째, 국내 지하공간의 활용 및 화재 위험성을 검토하였고, 둘째, 지하공간에서의 기존 소방설비 적용 시 문제점을 제기하였고, 셋째, 국외 기술동향과 현행 소방설비에 관한 법규 및 기준에 대한 검토를 수행하였으며, 넷째 이를 반영하여 자율형 초동진압용 소화체계의 성능요소를 구성하였고, 다섯째, 각 성능요소에 대한 최소한의 성능평가 기준(안)을 제시하였다.

대상 데이터

화재감지센서는 고온체의 적외선 강도를 기반으로 화염을 탐지하는 IR 센서와 화염의 색을 기반으로 화염영역을 구분하는 색상기반 센서로 구성된 복합센서를 사용한다. 분석 및 제어장치에는 학습모델로써 학습 이미지 3,496개(화재 이미지 1,246개, 비 화재 이미지 2,249개)와 수치 실험 이미지 953개(화재 이미지 360개, 비 화재 이미지 593개)를 기반으로 수치 실험 정확도가 97.17%로 확인된 DenseNet을 컨볼루션신경망(convolutional neural network , CNN)의 네트워크모델로 선정하였고, 삼각법을 활용한 3차원 위치 추정모델을 적용하여 화원의 위치를 확인한다. 소화모니터는 자동 및 수동조작이 가능하고 회전각도 분해능이 우수한 엔코더를 선정하여 정밀도를 향상시켰으며, 이외에도 스프레이 패턴 제어, 노즐 유량 on/off, 수평 수직 각도 변환 기능 등을 포함하고 있다.

성능/효과

1. 기존의 소화체계는 소화성능의 한계가 있으며, 이를 보완한 자율형 초동진압용 소화체계의 보급이 요구된다.
국외 기술동향에서 실험을 기반으로 명시하고 있는 주요 성능요소는, 보호반경, 화재감지시간, 감시각도 범위(수평, 수직), 방수압, 방수량으로 확인되었다.
따라서 「감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준」을 참고하여 선행 연구 및 제품에 적용되었던 불꽃감지기(자외선 및 적외선 감지기)의 기준을 검토한 결과, 공칭감시거리를 명시하도록 하고 있으며, 이에 대한 명시 간격 단위만이 기재되어 있을 뿐 성능기준은 부재하였다. 다만, 명시된 공칭감시거리를 기반으로 성능검증을 수행하는 시험방법이 기록되어 있음을 확인하였다. 이에 따르면 옥내에 설치되는 불꽃감지기는 유효감지거리의 1.
Left-up neighborhood algorithm을 기반으로 한 화재감지 및 위치결정 방법을 제안하였으며, 속도와 정밀도 확보를 위해 장치 회전에 보상제어방법을 적용하였고, 42 × 20 × 30 m 시험장에서 실제 화재진압 실험을 진행하였다. 실험 시 수평각은 밝히고 있지 않으며, 수직각은 0~90°까지, 방수압은 0.8 MPa, 방수량은 300 L/min으로 확인되었다.
7 MPa을 초과할 경우에는 호스접결구의 인입 측에 감압장치를 설치하도록 명시하고 있다(National Fire Agency, 2017b). 즉, 지하터널의 방수압 최소값이 지하 소방대상물 보다 더 높으며, 최대값은 동일함을 확인할 수 있다. 따라서 최소한의 성능기준은 지하소방대상물의 기준에 따라 0.
화재감지시간은 「도로터널의 화재안전기준(NFSC 603)」의 및 「옥내소화전설비의 화재안전기준(NFSC 102)」모두에서 명확하게 명시하고 있지 않음을 확인하였다. 따라서 「감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준」을 참고하여 선행 연구 및 제품에 적용되었던 불꽃감지기(자외선 및 적외선 감지기)의 기준을 검토한 결과, 공칭감시거리를 명시하도록 하고 있으며, 이에 대한 명시 간격 단위만이 기재되어 있을 뿐 성능기준은 부재하였다.

후속연구

3. 선행연구의 실험방법 및 현행 법규의 성능인증 시험법을 기반으로 자율형 초동진압용 소화체계의 성능인증 기준에 대한 적합여부 판정을 위해 요구되는 성능인증 시험법에 대한 추가연구가 필요할 것으로 사료된다.
4. 자율형 초동진압용 소화체계를 옥내소화전에 설치하여 사용하게 될 경우 법정 소화수용 배관 및 펌프시설 등을 공유할 수 있는 관계법령 및 기준의 일부 개정이 요구될 것으로 판단된다.
따라서 향후 선행연구의 성능검증 실험방법 및 국내 소화설비 성능시험법에 기반하여 각 성능요소의 평가가 가능한 성능평가 시험법에 대한 추가연구가 필요할 것으로 사료된다. 더불어 경제성을 고려하여 자율형 초동진압용 소화체계를 옥내소화전에 설치하여 사용하게 될 경우 법정 소화수용 배관 및 펌프시설 등을 공유할 수 있는 관계법령 및 기준의 일부 개정이 요구될 것으로 판단된다.
앞서 제시한 성능기준을 기반으로 제품의 성능평가를 수행하기 위해서는 각 성능요소에 대한 타당한 성능평가 시험법이 요구된다. 따라서 향후 선행연구의 성능검증 실험방법 및 국내 소화설비 성능시험법에 기반하여 각 성능요소의 평가가 가능한 성능평가 시험법에 대한 추가연구가 필요할 것으로 사료된다. 더불어 경제성을 고려하여 자율형 초동진압용 소화체계를 옥내소화전에 설치하여 사용하게 될 경우 법정 소화수용 배관 및 펌프시설 등을 공유할 수 있는 관계법령 및 기준의 일부 개정이 요구될 것으로 판단된다.
본 연구에서 제안한 자율형 초동진압용 소화체계의 성능기준 및 시험법을 이용하여 이를 현장적용할 경우 화재피해를 저감하는데 직접적인 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
앞서 제시한 성능기준을 기반으로 제품의 성능평가를 수행하기 위해서는 각 성능요소에 대한 타당한 성능평가 시험법이 요구된다. 따라서 향후 선행연구의 성능검증 실험방법 및 국내 소화설비 성능시험법에 기반하여 각 성능요소의 평가가 가능한 성능평가 시험법에 대한 추가연구가 필요할 것으로 사료된다.
터널의 경우 2020년 32중 추돌사고 및 화재로 사망 5명, 부상 37명의 피해가 발생한 사매2터널 화재사고를 포함하여 최근 5년(2015~2019)간의 화재 현황은 총 130건(연간 평균 26건)의 사고가 발생하여 부상 14명, 재산피해 124억원이 발생하였다. 주차장의 지하화 및 지하터널의 확대 등을 고려할 때, 이에 대한 적극적인 대책마련이 요구될 것으로 판단된다.
이러한 자율형 기술 개발은 사회적 요구와 밀접한 관련이 있으며, 현대사회에서의 요구와 수요가 증가하고 있는 안전분야로의 확대는 필수불가결하다. 특히, 빈도는 낮으나 중대성이 매우 높아 발생 시 다수의 인적 ‧ 물적 피해를 야기하는 화재사고의 경우 초동조치가 피해 저감에 있어 매우 중요한 요인이므로, 화재를 자율적으로 감지하고 초동진압하는 소화시스템의 개발은 지하공간에서의 국가적인 재난을 사전에 예방하는데 크게 기여할 것으로 예상되는 바이다.

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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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