2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A120 장대철도터널배연설비와연동되는피난유도시스템개발연구 A Study on the Development of Guiding Exit Sign System be linked Longitudinal Tunnel of Smoke Exhaust System 김인태 *, 이유림 *, 이다혜 *, 최장원 **, 박윤철 ***, 정남철 *** In-Tea Kim *, You-Lim Lee *, Da-Hye Lee * Jang-Won Choi ** Yoon-Cheol Park ***, Nam-Cheol Jung *** Abstract Currently, it is a trend that the danger in the tunnel is increasing because the tunnel tends to be longer due to the characteristics of mountainous area in Korea. The purpose of this study is to propose a more clear direction to evacuate the passengers safely by designing a control system of an evacuation guide light that works with Smoke Exhaustion Equipment so that the passengers can safely evacuate from a train when fire breaks out in the tunnel. The evacuation guide light shows the left and right direction at the same time due to being on all the time, thus, it may make passengers confused in the evacuation direction. Therefore, after the evacuation guide light is divided into two directions, the control system is configured to be worked with Smoke Exhaustion Equipment so that the only evacuation guide light of the evacuation direction is turned on while that of Smoke Exhaustion Equipment direction is turned off. The control system uses TCP/IP communication method from the remote control panel of Smoke Exhaustion Equipment. If the control logic of the guide light is determined after the guide light acquires operating information of the Smoke Exhaustion Equipment, the decision guides a safe evacuation direction because the order of lights-out with LoRa wireless communication method is transmitted to each guide light. Keywords : Longitudinal rail tunnel, Smoke Exhaust System, Guiding Exit Sign System 초록우리나라는산악지역특성으로인해터널이장대화되는경향이있어터널내에서의위험성이증가하고있는추세이다. 본연구에서는터널내열차화재로부터승객이안전하게대피할수있도록배연설비와연동되는피난유도등제어시스템을설계하여보다명확한피난방향을제시하고자한다. 터널내피난유도등은상시점등상태로좌우방향을동시에표시하고있어피난방향에혼돈을줄수있다. 따라서피난유도등을반으로나누어배연방향의피난유도등을소등하고피난방향의피난유도등만점등되도록배연설비와연동하여제어시스템을구성한다. 제어시스템구성은터널배연설비원격제어반으로부터 TCP/IP 통신방식으로배연설비작동정보를취득하고, 그에따른유도등제어 Logic 이결정되면 LoRa 무선통신방식으로개별유도등에대한소등명령이전송되어안전한피난방향을제시할수있도록한다. 주요어 : 장대철도터널, 배연설비, 피난유도시스템 교신저자 : 한방유비스 (kit4263@kfubis.com) * 한방유비스 ** 코너스톤즈테크놀로지 *** 한국철도시설공단
1. 서론우리나라는도시밀집화로인한지상교통난의해소및산악지형특성으로인해터널건설이증가하는추세에있으며, 선형개량등의이유로장대터널이차지하는비중이높아지고있다. 이러한터널의장대화는밀폐공간이라는특성으로인해대형인명피해우려가있으며, 폭열에의한직접피해는물론교통마비로인한간접손실이발생하게된다 국 내외에서발생한장대터널에서의화재는많은인명피해를수반하는사고로확대되는데, 몽블랑터널화재 (1999년, 사망 41명, 부상 27명 ), 타우에른터널화재 (1999년, 사망 12명, 부상 49 명 ), 오스트리아산악터널화재 (2000년, 사망 155명 ), 고타드터널화재 (2001년, 사망 11명, 부상 80명 ), 대구지하철화재 (2003년, 사망 192명및실종 148명 ) 와홍지문터널화재 (2003년, 부상 48명 ) 등많은사례가있다.. 불특정다수가체류하는장대터널에서의화재특성은다음과같다. 많은인원 ( 약 1,008 명 ) 을수송하게되어인명피해가능성이높다. 수km ( 율현터널약 50.3 km ) 의길이로인해대피동선이길다. 밀폐된공간으로인해연기배출이어렵다. 연기거동예측이어렵다. 가연물의양이많고연료로인해열방출율이높다. 외곽지역에위치하여신속한접근이어렵다. 따라서화재단독사고나지진등으로인한복합재난시에효율적인피난을위해적정한피난유도시스템이반드시필요하다. 특히, 지상건축물과달리피난자들이안전한지역으로대피하기까지의이동거리가길고단일방향으로이동해야하므로연기흐름방향과반대로대피하는것이무엇보다중요하다. 본연구의목적은터널의장대화경향에따라터널내열차화재로부터승객이안전하게대피할수있도록하는데있다. 이를위해배연설비운전모드와피난유도등을연동하여명확한피난방향을안내할수있는부분점등형피난유도등및그제어시스템을개발하고자한다. 2. 장대터널현황 2. 장대터널현황 2.1 철도터널현황가. 율현터널 우리나라에서가장긴터널로, 고속철도수서역과지제역을연결하며수도권고속선에위치한길이 50.3km의철도터널이다. 수도권고속선의 82% 를차지하며, 이중동탄 ~ 수서구간은 GTX와공용하게된다. 터널내에동탄역이위치하고있다.
Fig.1 Yulhyeon Tunnel status -1 Fig. 2 Yulhyeon Tunnel status -2 나. 대관령터널 원주 ~ 강릉선에위치하고진부역과남강릉역사이에있으며길이 21.7 km의철도터널이다. 터널내에신호장인대관령역이존재한다. Fig. 3 Daegwanryung Tunnel status 다. 금정터널 경부고속선에위치하고울산역과부산역사이에있으며노포역인근에서터널이시작되어부산진역인근에서터널이끝난다. 길이 20.3km의철도터널이다.
라. 솔안터널 기존심포리역 ~ 흥전역 ~ 나한정역구간을대신할루프식터널로써백두대간을관통하는길 이 16.7 km의철도터널이다. 터널내에무인신호장인솔안역이존재한다 3. 제어시스템구성 3.1 TCP/IP 기반장대터널배연설비작동정보수집 Fig.4 의수도권고속철도율현터널구간과같이최근에는터널내부온도를자동감지하여외부온도와비정상적인차이가날경우배연송풍기가자동으로가동되고, 이때제연송풍기는외부공기를터널내부로불어넣어원활한배연을지원하는자동화된화재감지및배연설비가도입되는추세이다. 즉, 율현터널내부에서화재가발생할경우터널내부온도상승이감지되고, 그에따라자동으로송풍기가작동되며이를감지한관제소에서기관사에게연락을취하여승객들에대한대피안내가이루어지도록한다. 이러한화재감지및배연설비작동상황은원격제어시스템을통해모니터링되고필요에따라수동으로배연설비를작동시킬수도있다. 2017 년개통예정인대관령터널의경우평상시세개의경사갱을기준으로중앙급기및양단배기방식으로운전하며, 화재시에화재발생위치에따라급기운전및배연운전모드가자동으로제어되거나, 중앙제어실에서개별송풍기에대한급기운전또는배연운전여부를결정하여작동시키게된다. 본연구에서는화재에따른대피안내개시시점에배연설비의작동상황정보를 TCP/IP 통신을통해습득하여, 현재작동중인배연설비의위치및작동방향정보에기반하여유도등점등방향에대한제어 Logic 을결정하게된다. TCP/IP 통신으로수집되는정보는 {FAN_id, MODE_pull(0)_push(1)} 의형태로구성되며, 개별송풍기의고유식별자와현재작동방향정보를의미한다. Fig. 4 Gathering Smoke Exhaust System Data via TCP/IP Communication
3.2 피난유도등제어 Logic 에따른 LoRa 통신기반무선제어신호전송 승객의대피방향은 배연방향의반대방향 이어야하며, 터널내화재가발생할경우화재발생위치를기준으로좌측및우측수직갱의송풍기운전모드가결정될것이므로, 두수직갱사이에서대피해야하는승객들은가까운수직갱방향이아닌배연방향의반대방향에있는수직갱쪽으로대피안내를받을수있어야한다. 일반적인상황에서화재발생위치가좌측수직갱부근이라면좌측수직갱은배기모드, 우측수직갱은급기모드로작동하고, 대피방향은우측수직갱방향이어야한다. 반대로화재발생위치가우측수직갱부근이라면좌측수직갱은급기모드, 우측수직갱은배기모드로작동하고, 대피방향은좌측수직갱방향이될것이다. 화재로인한연기의배기를우선시할것인지, 승객의대피동선을우선시할것인지에따라송풍기작동모드가달라질수는있겠으나, 어떠한경우이던승객의대피방향은배연방향과반대쪽방향이어야한다는사실은변하지않음을전제로한다. 피난유도등제어시스템은두개의수직갱을연결하는구간단위로피난유도등제어를실행하게되며, 배연설비원격제어시스템으로부터수집된 {FAN_1, MODE_0}, {FAN_2, MODE_1} 과같은형식의데이터로부터피난유도등제어필요구간및제어방향을결정하게된다. 수직갱간구간단위의피난유도등점등제어 Logic 은다음과같다. Receive_FAN_INFO {FAN_n, MODE_value}, {FAN_n+1, MODE_value}, {FAN_n+2, MODE_value} Contral_Area = {FAN_n, FAN_n+1}, {FAN_n+1, FAN_n+2} Smoke_Flow {FAN_n, FAN_n+1} == LEFT IF (MODE_value(n) MODE_value(n+1)) = -1 Smoke_Flow {FAN_n, FAN_n+1} == RIGHT IF (MODE_value(n) MODE_value(n+1)) = 1 Evacuation_Direction {FAN_n, FAN_n+1} == Reverse_Smoke_Flow {FAN_n, FAN_n+1} Smoke_Flow {FAN_n+1, FAN_n+2} == LEFT IF (MODE_value(n+1) MODE_value(n+2)) = -1 Smoke_Flow {FAN_n+1, FAN_n+2} == RIGHT IF (MODE_value(n+1) MODE_value(n+2)) = 1 Evacuation_Direction {FAN_n+1, FAN_n+2} == Reverse_Smoke_Flow {FAN_n+1, FAN_n+2} 이상과같이구간단위로피난유도등이안내해야할대피방향이결정되면, 다음단계로해당구간에일정간격으로설치되어있는상시점등상태의거리표시유도등들에게대피방향과반대되는방향의조명을소등하라는제어신호를전송해야한다. 본연구에서는피난유도등으로소등제어신호를전송하는방식에있어, 유선통신망대비시스템구축시간및비용을절감할수있으며최근사물인터넷분야저전력광역 (LPWA: Low Power Wide Area) 무선통신기술로활용되고있는 917~923.5MHz 대역 LoRa(Long Range) 무선통신을적용하여, Fig. 5 와같이터널구간인근역사에설치된유도등제어시스템과연결되어있는 LoRa 송신기로부터개별피난유도등으로소등제어신호를전송한다. Fig. 5 LPWA LoRA Wireless Communication for Remote Exit Light Control
3.3 LoRa 수신모듈연결형피난유도등동작제어 Fig. 6 의좌측그림과같이기존터널내거리표시피난유도등의경우좌우방향모두에대한비상구까지의거리를상시점등상태로표출하고있으며, 내부 LED 도광판의구성방식도일반적으로상, 하 2 개로이루어져있어좌, 우분할점등기능을제공하지못한다. 본연구에서는 Fig. 6 의우측그림과같이좌, 우분할점등시에도명확한표시내용이유지될수있고, LoRa 수신모듈과쉽게연결될수있는외함방식의제어함체로구성된좌, 우분할점등식피난유도등을사용하여, 대피상황에서명확한대피방향안내가가능토록하였다. Fig. 6 Legacy Exit Signage vs. LoRa-based Controllable Exit Signage 4. 결론 장대터널철도화재시밀집, 폐쇄된공간의특성으로인해한번사고가발생하면손을쓰기가어렵고대형참사를초래할개연성이높다는특징을지니고있으므로 [2] 피난방향이명확해야한다. 현재터널에설치되어있는피난유도표지는양쪽의거리만표시되어있어피난자에게혼돈을줄수있는가능성이높다. 본연구에서는피난자의신속하고정확한대피를위하여배연설비와연동하는피난유도시스템을연구하였다. 피난유도등을반으로나누어배연방향의피난유도등을소등하고피난방향의피난유도등만점등되도록배연설비와연동하여 Logic 을구성하였다. 제어시스템구성은터널배연설비원격제어반으로부터 TCP/IP 통신방식으로배연설비작동정보를취득하여유도등제어 Logic 이결정되면 LoRa 무선통신방식으로개별유도등에대한소등명령이전송되어안전한피난방향을제시하도록구성하였다. 본연구를통해기대하고있는효과는명확한피난방향을제시함으로써피난자의혼란을줄여신속하게피난및대형참사의가능성을줄여주는것이다. 향후연구에는설계한 Logic 을확인하기위하여시제품제작및연동검증하고이에따른결과로방재시스템 ( 배연설비 ) 연동피난유도시스템설계기준및시설방안재정립이진행되어야할것이다. 참고문헌 [1] 강승구, 김세종, 김동준, 권영진 (2009), 장대터널의성능적화재안전설계를위한국내외터널화재사례분석, 한국화재소방학회학술대회논문집, pp.342-345 [2] 유웅석 (2003), [ 논단 ] 장대터널에서의안전문제, 지반환경, 4(4), pp.4-5 [3] 차준혁 (2015), 대심도본선및지하역사에적합한방재기준개선방안에관한연구 - 수도권광역급행철도를중심으로 -, 석사학위, 한국교통대학교 [4] 유재룡 (2008), 둔내터널일방향도로터널에서환기에대한거동분석, 석사학위, 강원대학교
[1] Seung Goo Kang, Se Jong Kim, Dong Joon Kim, Young Jin Kwon (2009), An Investigation on the Tunnel fire accident Performance Based Fire Safety Design in Korea and foreign Countries, KOREAN INSTITUTE OF FIRE SCIENCE & ENGINEERING, pp.342-345 [2] You Yoong- Suk(2003), Safety issues in Long tunnels, Korean Geo-Environmental Society, 4(4),pp.4-5 [3] Cha Jun-hyeok(2015), A Study on the Improvement of Fire Prevention Standards for Deep Tunnel and Underground Railway Station - Focused on Seoul Metropolitan Train Express -, master, KOREA NATIONAL UNIVERSITY OF TRANSPORTATION [4] You Jae-Ryong(2008), Dunnae tunnel in one direction Road Tunnel Behavior Analysis on ventilation, master, KANGWON NATIONAL UNIVERSITY