[논문]Fuzzy-FMEA를 활용한 지반함몰 위험도 평가

김대천; 정영민; 신동일

doi:10.15683/kosdi.2023.6.30.313

Fuzzy-FMEA를 활용한 지반함몰 위험도 평가
Risk Assesment of Subsidence which utilized Fuzzy-FMEA 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.19 no.2, 2023년, pp.313 - 325

김대천 (Department of Disaster and Safety, Myongji University) , 정영민 (Department of Disaster and Safety, Myongji University) , 신동일 (Department of Disaster and Safety, Myongji University)

초록
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연구목적: 지반사고 발생통계에 따르면 최근 도심지를 중심으로 침하발생 및 지반함몰 빈도가 매년 증가하고 있어 사회적으로 문제로 대두되고 있다. 이 연구는 지반침하에 영향을 미치는 세부요인들의 위험도를 규명하고자 하였다. 연구방법: 연구를 위해 지하안전정보시스템의 2016년도부터 2022년 9월 6일까지의 사고사례 분석을 통해 나타난 자료와 선행연구, 연구보고서 그리고 굴착 전문가의 자문을 받아 28개의 지반침하 세부위험요인을 도출 주요하였고, 산·학·연 지반침하 전문가 12명을 대상으로 설문을 실시하여 Fuzzy-FMEA기법을 적용하여 위험도를 산정하였다. 연구결과:하수관로의 손상이 전체 위험도의 24.99%로 그 다음으로 굴착공사 17.34%, 상수관로 14.84%, 다짐(되메우기) 불량이 13.93% 순으로 나타났으며, 매설물 손상(상수관로, 하수관로, 기타매설물)위 위험도가 높게 나타났으며, 다음으로 공사부실(굴착공사, 상하수관 손상, 기타매설물공사), 그리고 다짐(되메우기)불량 순으로 위험도가 높게 나타났다. 결론:이는 전문가 입장에서 판단하는 지반침하 요인에 대한 위험도가 지하안전정보 시스템의 지반침하사례와 비슷한 결과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: According to the recent occurrence statistics of ground accidents, ground subsidence and subsidence have become social problems as the frequency has increased centering around the downtown areas. This study tried to clarify risk of detailed factors which have an effect on subsidence. Method: For the study, detailed risk factors of 28 foundations were mainly drawn through the materials, precedent studies, and research reports shown by analyzing JIS' accident cases from 2016 to September 6, 2022 and by taking advice from an excavation expert. And risk was assessed by conducting a survey on 12 subsidence experts from the universities, research institutes, and industries and applying Fuzzy-FMEA to it. Result: It has found that damage of sewer pipes is 24.99% of overall risk, followed by excavation work (17.34%), water pipes (14.84%), and poor compaction (refill) (13.93%). And it has found that risk of damaging utilities (water pipes, sewer pipes, and other utilities) is highest, followed by poor construction works (excavation work, damage of sewer and water pipes, and other utility work) and poor compaction (refill). Conclusion: This shows that risk of subsidence factors judged by experts is similar with JIS' cases of ground subsidence.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Detailed causes of subsidence
그림 Fig. 1. Risk assesment system
표 Table 1. Detailed causes of subsidence(Continue)
그림 Fig. 2. Risk assesment model of subsidence
표 Table 2. Results of the survey of triangular membership functions of occurrence, severity, and effects of input variables
그림 Fig. 3. Triangular membership functions for fuzzifying input variables
표 Table 3. Fuzzified input variables(Fuzzy Inputs)
표 Table 4. Results of the survey for membership functions of output variables(Risk)
그림 Fig. 4. Triangular membership functions for fuzzifying input variables
표 Table 5. Inference results based on the fuzzy rule(Fuzzy Output)
표 Table 6. Comparison of risk ranking of subsidence factors

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 지반침하를 유발하는 위험요소 규명 및 분류, 위험도에 대한 평가 등을 통해 발생 가능한 지반함몰을 예측 및 평가할 수 있는 기법을 도출하고자 한다. 그리고 이를 통해 위험요소를 고려한 위험경로의 집중관리, 위험등급에 따른 유지관리에 대한 준수사항 및 지반 안정화 대응 방안을 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 지반침하를 유발하는 위험요소 규명 및 분류, 위험도에 대한 평가 등을 통해 발생 가능한 지반함몰을 예측 및 평가할 수 있는 기법을 도출하고자 한다. 그리고 이를 통해 위험요소를 고려한 위험경로의 집중관리, 위험등급에 따른 유지관리에 대한 준수사항 및 지반 안정화 대응 방안을 제시하고자 한다.
이를 바탕으로 지반굴착 공사의 설계 및 시공 중 발생될 수 있는 위험요소와 위험경로를 분석하여 계획 및 설계의 적정성과 신뢰성을 검토할 필요가 있으며, 지반함몰의 위험도를 평가하여 평가결과로부터 집중적인 관리방안과 방지대책에 대한 계획 수립이 필요하다. 본 연구는 지반침하에 영향을 주는 요인들을 파악하고 이러한 요인들은 전문가의 의견을 통해 세부요인들에 대한 지반침하 위험도를 산정하여 발생 가능한 지반함몰을 사전에 예측 및 평가하여 지반함몰 위험을 배제할 수 있는 지반 안정화 확보를 위한 방법론을 제시를 하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서 도출한 지반침하 위험요인의 평가를 위한 설문조사를 하였다. 설문조사는 이메일 및 방문조사를 통해 실시하였으며, 건설사 12명의 지반침하 전문가를 대상으로 조사를 하였다.
본 연구에서는 각 언어변수인(Remote, Low, Moderate, High, Very High) 5가지의 삼각 퍼지수를 구하기 위해 5명의 전문가를 대상으로 입력변수에 대한 설문을 실시하였다. 전문가는 근속년수 20년 이상, 지반공사 수행 경험이 20건 이상의 전문가들로, 지반침하에 대한 이해와 전문성이 높다고 판단하였기 때문에 삼각 퍼지수 결정을 위한 대상자로 선정하였다.
설문조사는 이메일 및 방문조사를 통해 실시하였으며, 건설사 12명의 지반침하 전문가를 대상으로 조사를 하였다. 본 연구에서는 각 위험도 평가항목으로 발생빈도, 심각도, 영향도의 값을 곱으로 RPN값을 산출하였다. 일반적으로 FMEA 기법은 매우 낮은(1점), 낮음(2~3점), 보통(4~6점), 높음(7~8점), 매우 높음(9~10점)의 척도를 사용한다.
본 연구의 범위 및 방법으로는 지하안전정보시스템의 2016년도부터 2022년 9월 6일까지의 자료를 토대 조사된 사고사례 분석을 통해 나타난 지반침하의 주요 위험요인을 분석하면 하수관 손상이 466건으로 가장 많았고, 기타(가스, 전기, 난방)가 248건, 다짐(되메우기)불량이 143건, 상수관 손상이 64건, 굴착공사 부실이 38건, 상하수관 공사부실이 25건, 기타매설공사 부실이 22건으로 나타났다. 지반함몰 사고사례를 결과를 근거로 선행연구와 연구보고서 그리고 굴착 전문가의 자문을 받아 28개의 지반침하 세부위험요인들을 도출하였고, 도출된 세부위험요인의 위험도를 평가하기 위해 국내 전문가들을 대상으로 설문조사를 실시하였다. 설문조사는 산·학·연 지반침하 전문가 12명을 대상으로 실시하여 Fuzzy-FMEA 기법을 적용하여 위험도를 산정하였으며 연구방법은 다음과 같다.

대상 데이터

설문조사는 산·학·연 지반침하 전문가 12명을 대상으로 실시하여 Fuzzy-FMEA 기법을 적용하여 위험도를 산정하였으며 연구방법은 다음과 같다.
본 연구에서 도출한 지반침하 위험요인의 평가를 위한 설문조사를 하였다. 설문조사는 이메일 및 방문조사를 통해 실시하였으며, 건설사 12명의 지반침하 전문가를 대상으로 조사를 하였다. 본 연구에서는 각 위험도 평가항목으로 발생빈도, 심각도, 영향도의 값을 곱으로 RPN값을 산출하였다.
본 연구에서는 각 언어변수인(Remote, Low, Moderate, High, Very High) 5가지의 삼각 퍼지수를 구하기 위해 5명의 전문가를 대상으로 입력변수에 대한 설문을 실시하였다. 전문가는 근속년수 20년 이상, 지반공사 수행 경험이 20건 이상의 전문가들로, 지반침하에 대한 이해와 전문성이 높다고 판단하였기 때문에 삼각 퍼지수 결정을 위한 대상자로 선정하였다. 설문에 앞서 퍼지추론에 대한 이해가 부족하였기 때문에 해당 전문가들은 퍼지논리에 대한 설명과 삼각 소속 함수에 대한 설명을 진행한 후에 설문을 진행하였다.
퍼지추론의 마지막단계인 비퍼지화는 앞에서 도출된 퍼지 추론의 결과를 실제 상황에 맞게 적용할 수 있도록 실수 값으로 바꿔주는 과정을 의미한다. 출력변수를 위한 위험도를 Almost Unnecessary(AU), Minor(M), Very Low(VL), Low(L), Moderate(M), High(H), Moderately High(MH), Very High(VH), Necessary(N), Absolute Necessary(AN) 10개의 언어변수로 차용하여 이에 대응하는 비퍼지화를 위한 소속 함수의 도출방법은 3.1.1에서 설명한 퍼지화를 위한 소속 함수도출 방법과 동일하다. 5명의 전문가를 대상으로 비퍼지화를 위한 삼각 퍼지수(a, b, c)에 대응하는 삼각 소속함수 10가지는 입력변수의 5개 삼각 소속함수 도출방법과 동일한 방법으로 진행하였다.

데이터처리

1) 국내 지반침하 관련 사고사례와 연구고찰 및 전문가 의견을 통해 위험 요인을 파악하고 선정된 위험요인을 바탕으로 결과를 분석한다.
또한 사례연구를 통해 최종 도출된 위험도 평가결과를 토대로 본 연구에서 제안하는 Fuzzy-FMEA방법과 기존 FMEA를 비교·분석 하였다.

이론/모형

하지만 이러한 요인들은 각 평가항목에 대한 RPN점수가 다르므로 RPN 값이 같다고 동일한 위험도로 판단하기 어렵다. 따라서 FMEA 분석방법의 한계점을 보완하기 위해 FMEA기법에 퍼지이론을 적용한 Fuzzy-FMEA 방법을 사용하였다. 이를 통해 여러 가지 지반침하 유형에 내재되어 있는 위험 요인을 우선순위에 따라 개선대책을 마련한다면 지반침하에 대한 위험 감소가 가능 할 것으로 기대된다.
퍼지추론 모델은 프로세스와 구성요소에 대하여 어떠한 퍼지추론 방법을 선택하느냐에 따라서 결정된다. 본 연구에서는 추론속도가 빠른 직접법 중 Mamdani 추론법을 선택하였다. Mamdani 추론법은 퍼지추론 방법 중 가장 먼저 제안된 방법이며 구조도 간단해 일반적으로 널리 쓰이고 있다.

성능/효과

Remote(R)~Very High(VH)를 이용하여 입력변수 5개의 언어변수에 대한 평가가 이루어지며 이를 종합하여 출력 변수에 대한 위험도는 Almost Unnecessary(AU)~Absolute Necessary(AN)의 10개의 언어변수로 표현된다. 두 번째로 위험도 평가 추론을 위한 퍼지추론 방법이 있다.
재난 사고에는 고려해야할 요인이나 관리되어야 할 요인들은 객관적인 자료도 부족하고 확률적 판단도 불가능한 경우가 많아 이러한 기법들을 적용하기에는 한계점이 있다고 판단된다. 따라서 위험을 분석할 시 전문가의 주관적인 판단이 개입될 수밖에 없는데, FMEA기법은 현장 엔지니어들의 직접적인 경험을 체계적으로 반영할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 발생확률, 영향도만을 고려하는 위험 평가항목과는 다르게 요인의 위험을 발생도, 심각도, 검출도로 세분화하여 정량적으로 평가하는 것이 가능하다. 본 연구에 사용되는 발생도(Occurrence)는 잠재된 위험요인이 발생되는 정도이며, 심각도(Severity)는실패가 발생했을 경우 결과의 영향도이며, 영향도(Influence)는 위험요인이 검출될 수 있는 정도를 나타낸다.
본 사례연구 결과를 통해 제안하는 방법론이 기존 FMEA 방법에서 각 평가 항목의 조합이 다름에도 동일한 RPN을 갖기 때문에 구별할 수 없었던 위험도와 다른 RPN을 가지기 때문에 구별이 되었던 위험도까지도 구별 할 수 있음을 알 수 있었다. 이는 기존의 위험도 평가기법보다 정밀함을 의미하며, 제안된 Fuzzy-FMEA방법이 지반침하의 위험도를 효과적으로 다룰 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구의 범위 및 방법으로는 지하안전정보시스템의 2016년도부터 2022년 9월 6일까지의 자료를 토대 조사된 사고사례 분석을 통해 나타난 지반침하의 주요 위험요인을 분석하면 하수관 손상이 466건으로 가장 많았고, 기타(가스, 전기, 난방)가 248건, 다짐(되메우기)불량이 143건, 상수관 손상이 64건, 굴착공사 부실이 38건, 상하수관 공사부실이 25건, 기타매설공사 부실이 22건으로 나타났다. 지반함몰 사고사례를 결과를 근거로 선행연구와 연구보고서 그리고 굴착 전문가의 자문을 받아 28개의 지반침하 세부위험요인들을 도출하였고, 도출된 세부위험요인의 위험도를 평가하기 위해 국내 전문가들을 대상으로 설문조사를 실시하였다.
34%로 흙막이 벽체의 부실에 따른 piping 현상 발생의 위험도가 높게 나타났다. 상수관로의 위험도는 전체 위험도 중 14.84%, 다짐(되메우기)불량은 13.93%, 기타매설공사 10.11%, 기타매설물 9.53% 상하수관 손상이 9.26%로 나타났다. 이는 전문가 입장에서 판단하는 지반침하 요인에 대한 위험도가 지하안전정보 시스템의 지반침하사례 비율과 비슷한 결과를 확인하였다.
본 사례연구 결과를 통해 제안하는 방법론이 기존 FMEA 방법에서 각 평가 항목의 조합이 다름에도 동일한 RPN을 갖기 때문에 구별할 수 없었던 위험도와 다른 RPN을 가지기 때문에 구별이 되었던 위험도까지도 구별 할 수 있음을 알 수 있었다. 이는 기존의 위험도 평가기법보다 정밀함을 의미하며, 제안된 Fuzzy-FMEA방법이 지반침하의 위험도를 효과적으로 다룰 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
지반침하 세부 요인별퍼지 출력값이 상위인 항목으로는 하수관로의 손상이 전체 위험도의 24.99%로 다음으로 굴착공사 17.34%, 상수관로 14.84%, 다짐(되메우기) 불량이 13.93% 순으로 나타났으며, 매설물 손상(상수관로, 하수관로, 기타매설물)위 위험도가 높게 나타났으며, 다음으로 공사부실(굴착공사, 상하수관 손상, 기타매설물공사), 그리고 다짐(되메우기)불량 순으로 위험도가 높게 나타났다. 이는 전문가 입장에서 판단하는 지반침하 요인에 대한 위험도가 지하안전정보시스템의 지반침하사례와 비슷한 결과를 확인하였다.

후속연구

이를 바탕으로 지반굴착 공사의 설계 및 시공 중 발생될 수 있는 위험요소와 위험경로를 분석하여 계획 및 설계의 적정성과 신뢰성을 검토할 필요가 있으며, 지반함몰의 위험도를 평가하여 평가결과로부터 집중적인 관리방안과 방지대책에 대한 계획 수립이 필요하다. 본 연구는 지반침하에 영향을 주는 요인들을 파악하고 이러한 요인들은 전문가의 의견을 통해 세부요인들에 대한 지반침하 위험도를 산정하여 발생 가능한 지반함몰을 사전에 예측 및 평가하여 지반함몰 위험을 배제할 수 있는 지반 안정화 확보를 위한 방법론을 제시를 하고자 한다.
따라서 FMEA 분석방법의 한계점을 보완하기 위해 FMEA기법에 퍼지이론을 적용한 Fuzzy-FMEA 방법을 사용하였다. 이를 통해 여러 가지 지반침하 유형에 내재되어 있는 위험 요인을 우선순위에 따라 개선대책을 마련한다면 지반침하에 대한 위험 감소가 가능 할 것으로 기대된다.
도심지 지반함몰 위험성 예측 및 평가와 관련된 요소 기술의 개발 뿐 만 아니라 해당 기술이 적절히 활용되고 국민의 안정이 확보되기 위해서는 관련 기준의 법제화가 반드시 동시에 수반되어야 하며 따라서 정책기반의 기술의 적용, 이행 및 관리 방안 설정에 대한 연구가 필요한 실정이다. 이에 따라 도심지 지반굴착으로 인한 지반함몰 피해 저감을 위하여 지반함몰 위험성을 예측 및 평가를 위한 요소 기술의 개발과 이의 실행을 위한 연구가 필요한 실정이다.

참고문헌 (14)

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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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