초록 ▼

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
최근 개발중인 GTX 대심도 철도 터널의 평균심도 지하 40미터 이상의 장대 터널과 지하 다층 구조로 수용인원이 수만명에 달하는 복합역사 시설물을 건설 중이다. 철도의 대심도화·장대화에 따라 피난경로의 확대 및 소방대의 신속한 접근성이 심각하게 떨어지면서 피난안정성에 대한 사회적 우려가 높아지고 있다. 현재 해외 대심도 철도는 안전성 확보를 위해 단선 병렬로 시공하여 사고 발생시 교차통로를 통해 반대편 터널이나 서비스 터널로 이동하여 대피할 수 있도록 하는 등 대심도 철도 및 터널에 대한 사고대

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
최근 개발중인 GTX 대심도 철도 터널의 평균심도 지하 40미터 이상의 장대 터널과 지하 다층 구조로 수용인원이 수만명에 달하는 복합역사 시설물을 건설 중이다. 철도의 대심도화·장대화에 따라 피난경로의 확대 및 소방대의 신속한 접근성이 심각하게 떨어지면서 피난안정성에 대한 사회적 우려가 높아지고 있다. 현재 해외 대심도 철도는 안전성 확보를 위해 단선 병렬로 시공하여 사고 발생시 교차통로를 통해 반대편 터널이나 서비스 터널로 이동하여 대피할 수 있도록 하는 등 대심도 철도 및 터널에 대한 사고대응 기술을 개발하고 있으나 기존 기술로는 완벽한 사고대응이 어려운 실정이다. 국내 철도 또한 대심도 지화화/복잡화/고밀화/입체화 등이 수반되어 기존 재난 대응체계와 기술로 운영하는데 한계가 있다. 향후, 주행로봇과 관제시스템의 연계로 실시간 화재안전 능동 대처 및 대피 관제를 통해 대심도 사고에 신속한 대응을 할 수 있을 것으로 기대되며, 현장 실감형 훈련을 통해 승객들이 사고에 적절하게 대응 할 수 있도록 하여 대심도 철도 사고의 인명피해를 저감할 수 있을 것으로 기대된다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
1. 대심도 터널 실시간 피난관제 주행로봇 시스템 개발
주행로봇 시스템 개발에 앞서 화재발생 시나리오를 기반으로 시스템 개발사양 분석이 선행되었다. 신속한 사고대응을 위한 실시간 피난관제인 만큼 평시뿐만 아니라 화염과 연기 등 극한 환경속에서도 원활히 운행될 수 있어야 한다. 본 연구에서는 화재 시나리오에 따른 온습도 및 먼지 환경 분석을 통해 주행로봇의 외함을 내열성/내식성을 지닌 소재로 채택하였다. 또한 화재 신속 감지를 위해 10km/h 이상의 구동성능을 갖도록 설계하였으며 주행 중 레일의 안정성을 확보하기 위해 주행레일의 동적 안정성 시뮬레이션 진행하였고 운행 중 동적 안정성을 확보할 수 있는 레일 형상 및 볼팅 간격의 기준을 마련하였다. 마지막으로 관제시스템을 구성하여 주행로봇과의 연계를 통해 실시간 영상송출 및 화재시 비상방송 송출 기능을 탑재하였다.
2. 대심도 철도 사고현장 실감 대응형 훈련 키트 개발
사고현장 실감 대응형 훈련 키트는 화재 현장을 실제 화재 현장과 같이 실시간 증강현실로 구현하는 것이 핵심이다. 이를 위해 특정 지하철 역에 대하여 화재 시나리오를 구축하고 특정 지하철역 모델을 기반으로 화재해석을 수행하였다. 해석 결과 시간에 따른 연기량, 화재 규모 및 종류를 특정하였고, 실시간 화재 현장과 같은 증강현실을 홀로렌즈를 활용하여 구현하기 위한 화재 확산현상 처리 및 가시화 기법을 연구하였다.

Ⅳ. 연구개발결과의 활용계획
본 연구는 대심도 철도 사고대응 피난관제 핵심기술 개발로 대심도 터널 실시간 피난관제 주행 로봇 시스템 개발과 대심도 철도 사고현장 실감 대응형 훈련키트 개발로 이루어져 있다. 주행로봇 시스템은 시제품을 제작하는 것이 목표로 향후에 대심도 철도 시스템 뿐만 아니라 지하 공동구 등 극한 환경속에서 실시간 관제를 요하는 분야에 활용될 예정이다. 훈련키트의 경우 획기적인 안전교육으로 활용되어 보다 적극적인 안전교육 참여를 이끌어낼 수 있으며, 간접경험을 통해 화재의 심각성을 일깨우고 비상시에는 증강현실 훈련을 통해 교육된 신속하고 적절한 사고대응을 통해 사고 피해를 저감할 수 있을 것이다.

(출처 : 요약문 8p)

Abstract ▼

Ⅱ. Purpose and Needs
Recently, a long tunnel with depth of more than 40 meters underground and a multi-story underground structure like GTX is being constructed. Social concerns about evacuation stability are increasing as the evacuation route is expanded and the quick access of fire brigade is s

Ⅱ. Purpose and Needs
Recently, a long tunnel with depth of more than 40 meters underground and a multi-story underground structure like GTX is being constructed. Social concerns about evacuation stability are increasing as the evacuation route is expanded and the quick access of fire brigade is severely reduced due to the increase in depth and length of the railroad. Currently, accident response technologies for large-depth railways and tunnels, such as constructing single-line parallel are developed to ensure safety and allowing evacuation by moving to the opposite tunnel or service tunnel through an intersection in case of an accident but it is difficult to respond perfectly to accidents with technology. Domestic railways also have limitations in operating with existing disaster response systems and technologies as they are accompanied by deep localization/complexity /densification/three-dimensionality. In the future, it is expected that it will be possible to quickly respond to serious accidents through real-time fire safety active response and evacuation control by linking the driving robot and the control system. Also, It is expected that it will be possible to reduce the casualties of serious railway accidents by enabling passengers to respond appropriately to accidents through on-site realistic training.

Ⅲ. Contents and Results
1. Development of real-time evacuation control driving robot system for very deep railway
Prior to the development of the driving robot system, the system development specification analysis is preceded based on the fire scenario. For rapid accident response, it must be able to operate smoothly not only during normal times but also in extreme environments such as flames and smoke. In this study, the housing of the driving robot was selected as a material with heat resistance/corrosion resistance through analysis of temperature, humidity and dust environment according to fire scenarios. The robot is designed to be able to drive at velocity of more than 10km/h. The robot is also designed so that it can respond to any emergency situation by suppling dual power mode through PLC(Power Line Communication) and operating with a battery in emergency.
2. Development of practical training kit for the accident site of very deep railway
The core of the accident site realistic response training kit is to implement a fire scene in real-time augmented reality like a real fire scene. A fire scenario was built for a specific subway station and fire analysis was performed based on a specific subway station model. As a result of the analysis, the amount of smoke, the size and type of fire according to time are specified, and a fire diffusion phenomenon treatment and visualization technique were studied to realize augmented reality such as a real-time fire scene using HoloLens.

Ⅳ. Expected Contribution
this study is the deveopment of a deep tunnel real-time evacuation control driving robot system as a core technology for evacuation control in response to a deep railway accident and the development of a training kit for realistic response to a deep railway accident site. The driving robot system aims to produce prototypes and is expected to be used not only in deep railway systems but also in fields requiring real-time control in extreme environments such as underground tunnels. The training kit can be used as an innovative safety education, leading to more active participation in safety education. awakening the seriousness of fire through indirect experience. It can be utilized to awaken the seriousness of the fire through indirect experience and reduce accident damage through rapid and appropriate accident response educated through augmented reality training in emergency.

(source : Summary 10p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 5
• 보고서 요약서 ... 7
• 요 약 문 ... 8
• SUMMARY ... 10
• Contents ... 13
• 목차 ... 14
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 19
• 제1절 연구개발 배경 및 필요성 ... 21
• 제2절 연구개발 목표 및 내용 ... 24
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 25
• 제1절 주행형 사고대응 로봇 기술 ... 27
• 제2절 통합 피난 관제 기술 ... 28
• 제3절 피난/제어기술 ... 33
• 제4절 가상/증강현실(VR/AR) 기술 ... 34
• 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 35
• 제1절 대심도 터널 실시간 피난관제 주행로봇 시스템 개발 ... 37
• 제2절 대심도 철도 사고현장 실감 대응형 훈련 키트 개발 ... 108
• 참고문헌 ... 124
• 표목차 ... 15
• 표 2-2-1 핵심기술 및 발전방향 ... 32
• 표 2-3-1 터널내 방재시설 ... 33
• 표 3-1-1 신형 전동차 HRR 그래프 ... 37
• 표 3-1-2 2000년~2002년에 측정된 서울시의 PM-10과 TSP의 농도 수준 ... 39
• 표 3-1-3 국내 도시철도의 역사 및 터널의 PM-10 농도 ... 40
• 표 3-1-4 로봇 운용환경 분석 결과 ... 44
• 표 3-1-5 주행로봇 디자인시 고려사항 ... 45
• 표 3-1-6 주행로봇 디자인 선호도 조사결과 ... 47
• 표 3-1-7 주행로봇 사이즈 검토 ... 48
• 표 3-1-8 주행로봇 설계 요구사항 ... 51
• 표 3-1-9 주행로봇 3D 설계도면 목록 ... 58
• 표 3-1-10 운영화면에서의 기능 및 비기능 요구사항 ... 67
• 표 3-1-11 피난제어 상황에서의 기능 및 비기능 요구사항 ... 67
• 표 3-1-12 UI요구사항 분석 결과표 ... 68
• 표 3-1-13 UI요구사항 분석 및 검증 스토리보드 ... 69
• 표 3-1-14 연계시스템 기능구현 규약 조건 ... 72
• 표 3-1-15 카메라 및 영상스트리밍 정보 제공 ... 73
• 표 3-1-16 영상요청 파라미터 ... 74
• 표 3-1-17 로봇제어 파라미터 ... 75
• 표 3-1-18 로봇제어명령 ... 76
• 표 3-1-19 로봇상태정보 및 대기환경정보 ... 77
• 표 3-1-20 환경정보 수신 데이터 포맷 ... 78
• 표 3-1-21 로봇상태 및 환경정보 수신 JSON 형식 ... 78
• 표 3-1-22 KAFKA 메시지 형식 ... 79
• 표 3-1-23 Database 관리체계 분류 ... 80
• 표 3-1-24 주행로봇 피난제어 영상관제시스템 데이터테이블 구조 ... 82
• 표 3-1-25 화면 레이아웃 구성(평시 터널관제)-1안, 2안, 3안 ... 92
• 표 3-1-26 유한요소 모델링 정보 ... 102
• 표 3-2-1 프로그램 입력조건 ... 109
• 표 3-2-2 호흡 온도분포 및 연기거동 – 승강장 ... 111
• 표 3-2-3 호흡 온도분포 및 연기거동 – 대합실 ... 112
• 그림목차 ... 16
• 그림 1-1-1 동탄역 지하 환승체계도(좌) 및 영동대로 지하복합환승센터 계획도(우) ... 21
• 그림 1-1-2 영불해저터널 병렬터널 단면도 ... 21
• 그림 1-1-3 비상시 피난 및 안전작업 관제용 무인이동체 개념도 ... 22
• 그림 1-1-4 증강현실(AR) 기반의 현장 맞춤형 피난/구난 시뮬레이션 키드 활용 개념도 ... 23
• 그림 2-1-1 탱크테크 주행형 소화 시스템 (출처: 소방안전 119 기술개발사업 최종 보고서) ... 27
• 그림 2-1-2 개발된 레일형 감시 로봇(출처: KBS 뉴스, 아이뉴스24, 로봇신문) ... 27
• 그림 2-4-1 가상현실(VR) 기반의 피난 기술 체험 사례(출처:한국소방안전원 웹진 소방안전플러스) ... 34
• 그림 3-1-1 터널화재의 거리에 따른 온도 분포 ... 38
• 그림 3-1-2 서울 지하철 3개 역사에서 TSP, PM-10, PM-2.5의 분포 ... 39
• 그림 3-1-3 대심도 터널의 시간에 따른 미세먼지 농도 변화 양상 ... 41
• 그림 3-1-4 율현터널 수직탈출로 단면도 ... 42
• 그림 3-1-5 다양한 레일로봇 설치 현장 방문 ... 43
• 그림 3-1-6 오송 철도기술연구원 시험센터 ... 44
• 그림 3-1-7 도출된 디자인 컨셉 (01 ~ 05) ... 46
• 그림 3-1-8 도출된 디자인 컨셉 (06 ~ 10) ... 46
• 그림 3-1-9 선호도 조사결과 선정된 3개의 디자인 컨셉 ... 47
• 그림 3-1-10 주행로봇 사이즈(본체) ... 48
• 그림 3-1-11 주행로봇 사이즈(레일 거치 상태) ... 48
• 그림 3-1-12 최종 선호 디자인 렌더링 (사이즈 포함) ... 49
• 그림 3-1-13 Type02 디자인(레일에 거치) ... 49
• 그림 3-1-14 Type02 디자인(로봇 구동바퀴 표시) ... 49
• 그림 3-1-15 Type02 디자인(Bottom view) ... 50
• 그림 3-1-16 Type02 디자인(Top view) ... 50
• 그림 3-1-17 Type02 디자인(상단 구성부품 표시) ... 50
• 그림 3-1-18 Type02 디자인(하단 구성부품 표시) ... 50
• 그림 3-1-19 가이드 롤러 설계 ... 53
• 그림 3-1-20 구동부 좌우측 3D 설계 결과물 (좌측 vs 우측) ... 53
• 그림 3-1-21 본체 내부의 구성 ... 55
• 그림 3-1-22 본체 하부(좌) 및 상부(우) 3D 설계 결과물 ... 55
• 그림 3-1-23 본체와 구동부간 연결방식 ... 56
• 그림 3-1-24 전원제어기 회로 구성 ... 57
• 그림 3-1-25 주행로봇 부품 구성도 ... 59
• 그림 3-1-26 주행로봇 전력공급 장치도 ... 59
• 그림 3-1-27 주행로봇 통신 구성도 ... 60
• 그림 3-1-28 주행로봇 영상관제 구성도 ... 60
• 그림 3-1-29 주행로봇 BLDC 모터 드라이버 회로도 ... 61
• 그림 3-1-30 주행로봇 본체 및 주행부(좌측) 3D 설계도면 ... 61
• 그림 3-1-31 주행로봇 본체 및 주행부(우측) 3D 설계도면 ... 62
• 그림 3-1-32 주행로봇 본체 상부 3D 설계도면 ... 62
• 그림 3-1-33 주행로봇 본체 하부 3D 설계도면 ... 63
• 그림 3-1-34 주행로봇 본체 프레임 3D 설계도면 ... 63
• 그림 3-1-35 주행로봇 정면(전방) 3D 설계도면 ... 64
• 그림 3-1-36 주행로봇 정면(후방) 3D 설계도면 ... 65
• 그림 3-1-37 주행로봇 3D 프린팅 목업 ... 66
• 그림 3-1-38 로봇 게이트웨이 시스템 S/W 구성도 ... 70
• 그림 3-1-39 Database 관계도 ... 81
• 그림 3-1-40 데이터 흐름 관계도 ... 83
• 그림 3-1-41 법무부 범죄예방시스템 ... 84
• 그림 3-1-42 신재생발전설비 통합모니터링 시스템 ... 85
• 그림 3-1-43 한국도로공사 교통정보센터 ... 86
• 그림 3-1-44 지정 폰트 사용 예시 ... 88
• 그림 3-1-45 메뉴 배치 예시 (상단배치) ... 89
• 그림 3-1-46 메뉴 배치 예시 (좌측 배치) ... 89
• 그림 3-1-47 메뉴 네비게이션 ... 90
• 그림 3-1-48 기본화면 및 레이어 단계별 배치 구성 ... 91
• 그림 3-1-49 평시 터널관제 화면 예시 화면 ... 93
• 그림 3-1-50 화면 레이아웃 구성(긴급상황시 로봇제어)-1안 ... 94
• 그림 3-1-51 화면 레이아웃 구성(긴급상황시 로봇제어)-2안 ... 94
• 그림 3-1-52 긴급상황시 로봇제어 예시 화면 ... 94
• 그림 3-1-53 화면 레이아웃 구성(로봇 관리) ... 95
• 그림 3-1-54 로봇관리 예시 화면 ... 96
• 그림 3-1-55 화면 레이아웃 구성(영상 관리) ... 96
• 그림 3-1-56 영상관리 예시 화면 ... 97
• 그림 3-1-57 화면 레이아웃 구성(이벤트 관리) ... 97
• 그림 3-1-58 이벤트 관리 예시 화면 ... 98
• 그림 3-1-59 화면 레이아웃 구성(시스템 관리) ... 98
• 그림 3-1-60 시스템관리 예시 화면 ... 99
• 그림 3-1-61 주행레일 절곡 제작을 위한 설계도면 ... 100
• 그림 3-1-62 실험실내 구축된 주행레일에 거치된 주행로봇(3D 프린팅 목업) ... 101
• 그림 3-1-63 주행레일에 거치된 주행로봇(3D 프린팅 목업) ... 101
• 그림 3-1-64 주행로봇 모델링 ... 102
• 그림 3-1-65 주행로봇 동적 응력 해석을 위한 메쉬 ... 103
• 그림 3-1-66 주행레일의 응력 분포 ... 103
• 그림 3-1-67 시간에 따른 최대 스트레스 변화 ... 103
• 그림 3-1-68 레일의 볼팅 간격 ... 104
• 그림 3-1-69 볼팅 간격에 따른 모드 형상 ... 105
• 그림 3-1-70 대피 안내 모델의 고유값 분석 ... 107
• 그림 3-2-1 화재 시나리오 순서도 ... 108
• 그림 3-2-2 화재해석 모델 기본 형상 변경 ... 109
• 그림 3-2-3 화재해석 격자형상 ... 109
• 그림 3-2-4 대피스크린 내부설치시 급기풍량 ... 110
• 그림 3-2-5 ASET 측정위치 및 시각 ... 110
• 그림 3-2-6 ASET 분석 결과 ... 113
• 그림 3-2-7 센서 시나리오 ... 113
• 그림 3-2-8 MRTK 주요기능 ... 116
• 그림 3-2-9 Effect Particle System 예시 ... 117
• 그림 3-2-10 System Architecture ... 117
• 그림 3-2-11 다양한 화재 현상 예시 ... 118
• 그림 3-2-12 모바일 디바이스를 통한 3D 공간 복원 예시 ... 120
• 그림 3-2-13 Point Cloud 형태의 맵 시각화 예 ... 120
• 그림 3-2-14 Point Cloud 형태의 데이터 수집 예 ... 121
• 그림 3-2-15 ORB-SLAM 동작화면 예 ... 122
• 그림 3-2-16 ORB-SLAM 기반 맵 시각화 예 ... 122
• 그림 3-2-17 3D 위치 매핑 자체 테스트 예 ... 123
• 끝페이지 ... 125