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재난약자 대피 도움장치 활용을 위한
화재 피난 시뮬레이션 분석 연구

(본 원고는 재난정보학회지에 게제된 논문을 편집하여 작성되었음)
요 약
연 구 목 적
화재 발생 시 요양병원은 재실자 특성, 건물의 취약요소 등으로 인해 피난하는데 상당한 제약이 따르며, 요양병원 내 환자를 대피시킬 수 있는 제품 개발을 하여 피난의 효율을 높이고자 한다. 인공지능 기반 자율주행형 재난약자 대피 도움장치를 개발하였고, 효율적으로 사용하기 위해 화재 및 피난 시뮬레이션에 활용하였으며, 환자 대피를 돕는 조력자에 대한 분석을 연구하고자 한다.
연 구 방 법
화재시뮬레이션을 통해 시간 별 연기 성상 분석을 하였으며, 최종적으로 주간 야간에 따른 조력자수를 입력하고, 피난시뮬레이션을 활용하여 피난 완료 시간을 비교 분석하였다.
연 구 결 과
재난약자 대피 도움장치를 활용하였을 경우 대피 시간은 20%이상 단축이 되는 것을 알 수 있었으며, 주간 대비 야간의 화재 발생 시 대피 시간은 70% 가까이 늦어짐을 알 수 있었다.
결 론
수평·수직 대피 도움장치를 실제 화재 상황에서 효율적으로 활용할 경우 상황에 맞는 전략이 필요할 것으로 판단된다. 추후 화재 상황별 시나리오에 따른 대피 매뉴얼을 개발함으로써, 수평 대피 도움장치 및 수직 대피 도움장치 활용에 대한 내용을 바탕으로 피난의 효율성이 증대될 것으로 기대된다.
핵 심 용 어
재난약자 대피 도움장치, 수평 대피, 수직 대피, 화재 시뮬레이션, 피난 시뮬레이션, 비교분석

서 론

화재 발생 시 요양병원은 재실자 특성, 건물의 취약요소 등으로 인해 피난하는데 상당한 제약이 따른다. 일반적인 피난은 거실에서 복도를 통해 계단으로 피난하게 되어 있다. 재실자 특성상 대부분은 고령의 환자이며 자력으로 계단을 통한 피난이 어려울 수 있다. 특히 거동을 못하는 와상환자인 경우 피난을 도울 수 있는 조력자가 필히 있어야 하며, 피난을 할 때 조력자 최소 2명 이상이 매트리스를 끌어 이동을 하게 된다.
요양병원에서 피난을 하기 위하여 미끄럼대, 외부 경사로를 활용할 수 있다. 김포 요양병원 화재 사례를 분석해 보면 옥외 주차장과 연결된 경사로를 통해 피난을 하게 되어 큰 인명 피해를 줄일 수 있었다. 그러나 국내 요양병원에서 외부에 경사로를 설치하는 경우는 드물다.
국내에서 피난에 대해 스프링클러, 피난시설 등과 같은 설비의 제도적 개선이 지속적으로 이루어지고 있으며, 아울러 요양병원 내 환자를 대피시킬 수 있는 제품을 개발하여 피난의 효율을 높이고자 한다.
재실자 특성 및 건물의 취약요소 등으로 인한 문제를 대비하여 요양병원 내 환자를 대피시키기 위해 수평 및 수직 대피가 가능한 인공지능 기반 자율주행형 재난약자 대피 도움장치를 개발하였으며, 사용적인 측면에서 효율성을 고려하기 위한 연구가 필요하다 판단하였다.
따라서 본 논문에서는 재난약자 대피 도움장치를 효율적으로 사용하기 위해 화재 및 피난 시뮬레이션을 활용하여 환자 대피를 돕는 조력자로서의 효과를 분석하고자 하였다.

재난약자 대피 도움장치 개발

재난약자 대피 도움장치의 구성

재난약자 대피 도움장치는 수평 및 수직 피난을 충족시키도록 환자를 이송할 수 있는 침대형태의 수평 대피 도움장치와 건축물 외벽에 설치되는 탑승기인 수직 대피 도움장치로 구성되어 있다. 화재 발생 시 거동을 못하는 환자를 수평 대피 도움장치를 통해 수직 대피 도움장치로 이동하게 되며, 수직 대피 도움장치로 피난층 혹은 지면으로 닿을 수 있도록 하였다.

수평 대피 도움장치의 개요

자율주행기술
Fig 1과 같이 수평 대피 도움장치는 침대 구조의 자율주행기술을 기반으로 하고 있다. 수평 피난을 충족시킬 수 있도록 입원실의 침대가 병원 내 Map을 생성하여 자율주행 알고리즘을 통해 출발 위치와 목표 위치 경로를 파악하여 주행하게 된다. 아울러 레이저 센서, IMU(Inertia Measurement Unit) 센서 등을 통하여 장애요인을 감지하고 회피하는 시스템을 개발하였으며, 비상 시 수동으로 조작할 수 있도록 하였다.

관제시스템
수평 대피 도움장치를 설치하였을 때 통합적으로 관리하는 시스템이 필요하다. 또한 화재구역을 설정할 수 있어 화재 발생 시 수평 대피 도움장치가 화재 위치를 피해 이동할 수 있도록 설정할 수 있다. 아울러 Fig 2에 따라 실시간 위치 관제, 장애물, MAP, 경로 Traffic 관리를 한다.

수직 대피 도움장치의 개요
건물 외벽에 설치하여 수평 대피 도움장치의 환자를 수직 대피 도움장치에 인계하게 되며, Fig 3에 따라 평상시 접이식으로 있다가 화재 발생 시 펼쳐져서 탑승기 구조체가 된다.

재난약자 대피 도움장치의 활용 연구

실제 화재 발생 시 거동을 하지 못하는 환자를 대피하기 위해 조력자가 필수적이다. 요양병원에서 재난약자 도움장치를 활용하는데 앞서 조력자 역할의 중요성을 확인하고자 했다. 지하1층, 지상 3층 , 연면적 5000m² 규모의 요양병원을 대상으로 하여 Fig 4와 같이 지상 2층을 기준으로 화재 및 피난시뮬레이션을 수행하였다. 화재시뮬레이션을 통해 시간별 연기 성상 분석을 하였으며, 최종적으로 조력자의 변수를 입력하고, 피난시뮬레이션을 활용하여 피난 완료 시간을 비교 분석하였다.

연구 방법

화재시뮬레이션 입력조건
양병원 2층 환자실의 매트리스에서 화재가 발생하여 발화층 전체로 연기가 전파되는 시나리오를 구성하였으며, 격자 0.2m×0.2m×0.2m 크기에 Table 1과 같이 화재 설정을 하였다.

Table 1. Selection of fire
Table 1. Selection of fire
시나리오요양병원 2층 환자실 화재
화원매트리스 (1,000 KW)
화재연소특성Polyurethan-GM23
시뮬레이션시간600초
격자크기0.2 m × 0.2 m × 0.2 m
해석 공간 X : 61.0 m, Y : 27.0 m, Z : 4.4 m

피난시뮬레이션 입력조건
수용 인원
Table 2와 같이 요양병원의 조력자 수는 주간과 야간 기준으로 달라진다. 노인복지법 시행규칙 및 의료법 시행규칙과 선행연구를 바탕으로 조력자 수를 주간에 37명, 야간에 7명을 배치하였다. 환자 수는 요양병원 침대 수를 고려하여 60인을 설정하였으며, 전체 환자 60명 중 환자 50%(30명)를 침대에 누워있는 와상환자로 가정하였고, 기존 들것으로 피난하는 방법과, 와상환자 중 40%(11명)를 수평 대피 도움장치를 통해 수직 대피 도움장치로 피난하는 상황으로 비교분석하였다.

Table 2. Selection of occupant
Table 2. Selection of occupant
Case주/야간조력자 수와상환자휠체어 환자자력 대피 환자수직 대피 도움장치 사용
수평 대피 도움장치들것
1주간37명11명19명18명12명사용
2-30명미사용
3야간7명11명19명사용
4-30명미사용

수평 대피 도움장치 및 들것에 대한 적용 속도
국내 요양병원 환자 중 자력 대피가 가능한 환자는 남성인 경우 0.60m/s, 여성인 경우 0.56m/s를 적용 하였으며, 거동이 불편한 환자에 대하여 Table 3과 같이 들것과, 휠체어, 수평 대피 도움장치의 피난 속도를 설정하였다.

Table 3. Selection of Speed
Table 3. Selection of Speed
구분수평속도
(m/s)
계단감속
(m/s)
계단가속
(m/s)
착지속도
(m/s)
초기지연(준비)
(s)
들것(남성 의료인 4명)1.09±0.080.63-0.58±0.0467.6
들것(여성 의료인 4명)0.99---67.6
피난 휠체어 (남성 의료인 1명)1.55---35.9
피난 휠체어 (여성 의료인 1명)1.39±0.030.82-0.74±0.0235.9
의료인(남녀)1.385±0.05850.885±0.1250.655±0.0150.734±0.0290
수평 대피 도움장치1.0---0

조력자 및 피난 개시 시간
요양병원에서 조력자는 화재 발생 시 거동이 불편한 환자를 옮기게 된다. 건물의 안전관리자, 간호사, 간병인 등이 될 수 있다. 요양병원에서 주간과 야간에 따라 비율이 달라지며, 수평 대피 도움장치 및 수직 대피 도움장치를 활용하여 기존 일반적인 피난 방법과 비교하고자 하였다. Fig 5에 따라 거동이 불편한 환자, 휠체어를 통해 대피하는 환자, 자력대피 환자를 모델링하였다.
화재시뮬레이션 감지기 작동 시간은 81초이며 따라서 화재실 피난 개시 시간은 81초, 비화재실 피난 개시 시간은 141초를 적용하였다.

결 과

Case1과 Case2, Case3와 Case4를 비교하였을 때 재난약자 대피 도움장치를 활용하였을 경우 대피 시간은 20%이상 단축되는 것을 알 수 있었으며, Case1,2와 Case3,4를 비교하였을 때 주간 대비 야간의 화재 발생 시 대피 시간은 70% 가까이 늦어짐을 알 수 있었다.

결 론

본 연구에서는 재난약자 대피 도움장치를 화재 및 피난시뮬레이션에 적용하여 분석 연구를 수행하였다. 도움장치를 활용하였을 경우 기존 대피 방식보다 단축되었다는 것을 알 수 있었다.
재실자의 특성과 현재 요양병원의 문제점 등으로 인해 재난약자 대피 도움장치는 화재 발생 시 효율적으로 대피가 가능할 것으로 판단된다.
주간·야간에 따른 조력자 수를 비교하였을 때 피난 완료 시간의 상당한 차이가 났으며, 이는 재난약자 대피 도움장치를 활용하였을 때 조력자의 역할의 중요성을 알 수 있었다.
따라서 수평·수직 대피 도움장치를 실제 화재 상황에서 효율적으로 활용할 경우 상황에 맞는 전략이 필요할 것으로 판단된다.
추후 화재 상황별 시나리오에 따른 대피 매뉴얼을 개발함으로써, 수평 대피 도움장치 및 수직 대피 도움장치의 활용에 대한 내용을 바탕으로 피난의 효율성이 증대될 것으로 기대된다.

글. 재난과학박사 최두찬|한방유비스(주) 대표이사

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