KR102348358B1 - 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법 - Google Patents

가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 기술에 관한 것으로, 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치는 건물 정보, 요구조자(체험자) 정보를 포함하는 화재 대피 시나리오 작성과 관련되는 데이터를 수집하는 데이터 수집부, 상기 수집된 데이터에 기초하여 화재 및 대피 시나리오를 작성하는 시나리오 작성부, 및 상기 작성된 시나리오에 따라 화재 대피 시뮬레이션을 실행하여 건물에서 화재가 발생하고 요구조자(체험자)가 대피하는 가상현실 영상을 제공하는 화재 대피 시뮬레이션부를 포함한다.

Description

가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법{SIMULATION APPARATUS AND METHOD FOR FIRE EVACUATION BASED ON VIRTUAL REALITY}
본 발명은 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가상현실 공간을 구현하고 화재 및 대피 시나리오에 따라 화재 및 대피 시뮬레이션을 수행하여 화재 발생시 대피 안전성을 높일 수 있는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법에 관한 것이다.
국내는 물론 세계적으로 해마다 다양한 유형의 재난들이 지속적으로 발생하고 있으며 이로 인한 막대한 인명 및 재산 피해가 초래되고 있다. 재난의 원인에 따라 다소 차이는 있으나 일반적으로 재난상황을 조기에 감지하고 대응할 수 있다면 이러한 피해를 최소화할 수 있다.
재난은 크게 태풍, 홍수, 호우, 강풍, 풍랑, 해일, 대설, 낙뢰, 가뭄, 지진 등의 자연현상으로 인하여 발생하는 자연재난과 화재, 붕괴, 폭발, 교통사고, 화생방사고, 환경오염사고 등으로 인하여 발생하는 인적재난으로 구분된다.
화재의 경우는 도시 건축물이 고층화, 조밀화 되어감에 따라 화재의 형태가 복잡 다양해지고 있으며 화재로 인한 인명 및 재산 피해가 증가하고 있다. 화재는 연소시 발생되는 독성가스 및 농연에 의한 구조대원의 시계 불량으로 현장활동에 장애가 발생하고, 초기 진압에 실패할 경우 연소가 확대되어 이후 많은 소방력의 투입이 필요하게 되고 건축물 붕괴 및 구조물 변형 등 2차 재해의 발생 위험성이 높아지기 때문에 초기 화재 감지 및 진압이 매우 중요하다.
화재 현장은 연기에 의한 시계 불량, 소화수에 의한 미끄러짐, 낙하물, 전기 누전 등 여러 가지 장애요소가 발생할 수 있어 진압대원 및 구조대원의 안전사고 위험이 높고, 소방대원들에게 구체적인 화재상황 및 건물정보를 제공하는데 한계가 있어 신속하고 안전한 소방활동이 어렵다. 특히, 화재 현장의 온도, 습도, 가연성 연기의 농도 등을 쉽게 파악할 수 없어 대원들은 주로 감각에 의존하여 작업을 수행한다.
최근에는 ICT(Information and Communication Technology)를 기반으로 화재의 조기 감지, 효과적인 대응이 가능한 다기능 화재대응 시스템이 개발되고 있다. 또한, 각종 환경상태 정보를 실시간으로 취득하여 조기 화재 경보가 가능한 장치 및 서비스에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.
한국등록특허 제10-1018583(2011.02.22)호는 화재발생 지역을 신속하게 확인하여 능동적으로 조난자들을 화재가 발생한 지역이 아닌 안전한 지역으로 신속하게 대피시킬 수 있는 방재 시스템으로서, 바람직하게는 화재발생 정보와 조난자들의 위치 데이터를 분석하여 조난자들이 안전한 지역으로 대피할 수 있도록 하고 또한 특수 환경상황에서 화재 발생시에 조난자들의 실시간 위치 데이터를 분석하여 고립 상황을 판단할 수 있는 지능형 소방 방재 시스템을 제시한다.
한국등록특허 제10-1725774(2017.04.05)호는 스마트 소방 대피 시스템에 관한 것으로, 화재 취약 구역이나 건축물의 내부에 설치된 화재감지용 단말기들과 무선으로 연결되는 감지분석부를 통해 화재 발생 시 화재가 발생한 건축물에 위치한 거주자 단말기의 위치를 파악하여 피난경로를 제공하면서, 거주자의 현재 위치로 구명 장비를 구비한 무인 비행체가 접근하여, 사용자에게 구명 장비를 전달함으로써 화재 피해를 줄일 수 있도록 하는 스마트 소방 대피 시스템을 제시한다.
한국등록특허 제10-1018583(2011.02.22)호 한국등록특허 제10-1725774(2017.04.05)호
본 발명의 일 실시예는 가상현실 공간을 구현하고 화재 및 대피 시나리오에 따라 화재 및 대피 시뮬레이션을 수행하여 화재 발생시 대피 안전성을 높일 수 있는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 5G 가디언즈(Guardian) 앱을 통해 화재 대응 교육훈련에 대한 가상현실 체험의 현실감 및 몰입감을 증대할 수 있는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 요구조자(체험자) 중심의 화재 교육 및 대피 훈련 시뮬레이션 모델링을 통해 실제 화재 상황과 유사하게 묘사하여 반복 교육 및 훈련에 활용하여 화재 발생 및 확산 유형에 따라 생존자 수의 최대화 및 피해자의 중증도를 최소화하면서 화재확산 허용 한계시간보다 대피시간을 적게 할 수 있는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치는 건물 정보, 요구조자(체험자) 정보를 포함하는 화재 대피 시나리오 작성과 관련되는 데이터를 수집하는 데이터 수집부, 상기 수집된 데이터에 기초하여 화재 및 대피 시나리오를 작성하는 시나리오 작성부, 및 상기 작성된 시나리오에 따라 화재 대피 시뮬레이션을 실행하여 건물에서 화재가 발생하고 요구조자(체험자)가 대피하는 가상현실 영상을 제공하는 화재 대피 시뮬레이션부를 포함한다.
상기 데이터 수집부는 체험자 접수나 체험 전후의 설문조사를 통해 성별, 연령, 키와 몸무게를 포함하는 신체특징, 교육수준, 직업을 포함하는 상기 요구조자(체험자)의 정보를 수집하고 상기 화재 대피 시뮬레이션의 체험 과정에서 상기 요구조자(체험자)의 행동을 실시간으로 수집할 수 있다.
상기 시나리오 작성부는 건물 특성, 탈출 대피 계획 및 단계, 요구조자 특성, 탈출 전 요구조자 행동양식 및 행동, 요구조자들이 이동하고 재배치되는 동안 행동양식 및 행동, 화재의 환경에 노출된 요구조자의 특성 및 요소를 고려하여 화재 대피 시나리오를 작성할 수 있다.
상기 시나리오 작성부는 화재의 발생부터 화재 징후의 인지, 화재의 확인, 대피 행동의 준비, 대피 개시까지의 시간의 흐름에 따른 행동 순서에 따라 화재 대피 시나리오를 작성할 수 있다.
상기 화재 대피 시뮬레이션부는 실증 건물의 BIM(Building Information Modeling)을 FDS(Fire Dynamic Simulation)에 적용하여 화재의 확산을 모델링하고, 상기 실증 건물의 BIM을 Pathfinder에 적용하여 상기 요구조자를 배치한 후 상기 화재의 확산 모델링을 적용하여 상기 요구조자의 탈출과 사망을 시뮬레이션할 수 있다.
상기 화재 대피 시뮬레이션부는 MAS(Multi Agent System) 기반의 artisco을 통해 상기 요구조자에게 화재의 확산에 따라 화재 구역에 상응하는 위험도에 따른 우회 대피를 유도할 수 있는 가이던스를 제공할 수 있다.
실시예들 중에서, 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치는 상기 화재 대피 시뮬레이션 결과를 분석하여 상기 시나리오의 재구성에 반영하는 시뮬레이션 결과 분석부를 더 포함할 수 있다.
실시예들 중에서, 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 방법은 건물 정보, 요구조자(체험자) 정보를 포함하는 화재 대피 시나리오 작성과 관련되는 데이터를 수집하는 단계, 상기 수집된 데이터에 기초하여 화재 및 대피 시나리오를 작성하는 단계, 상기 작성된 시나리오에 따라 화재 대피 시뮬레이션을 실행하여 건물에서 화재가 발생하고 요구조자(체험자)가 대피하는 가상현실 영상을 제공하는 단계, 및 상기 화재 대피 시뮬레이션 결과를 분석하여 상기 시나리오의 재구성에 반영하는 단계를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법은 가상현실 공간을 구현하고 화재 및 대피 시나리오에 따라 화재 및 대피 시뮬레이션을 수행하여 화재 발생시 대피 안전성을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법은 5G 가디언즈(Guardian) 앱을 통해 화재 대응 교육훈련에 대한 가상현실 체험의 현실감 및 몰입감을 증대할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법은 요구조자(체험자) 중심의 화재 교육 및 대피 훈련 시뮬레이션 모델링을 통해 실제 화재 상황과 유사하게 묘사하여 반복 교육 및 훈련에 활용함으로써, 화재 발생 및 확산 유형에 따라 생존자 수의 최대화 및 피해자의 중증도를 최소화하면서 화재확산 허용 한계시간보다 대피시간을 적게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 화재 대피 시뮬레이션 장치의 물리적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 도 1에 있는 EDR 장치의 기능적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4는 화재 발생 후 시간의 흐름에 따른 행동 순서를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3에 있는 화재 대피 시뮬레이션 장치에서 수행되는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 과정을 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 이미지를 나타내는 예시도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명에 따른 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 시스템(100)은 체험자 단말 장치(110), 화재 대피 시뮬레이션 장치(130) 및 데이터베이스(150)를 포함할 수 있다.
체험자 단말 장치(110)는 가상현실(VR)의 화재 발생을 체험하고 대피 훈련을 수행할 수 있는 HMD(Head-mounted display) 등의 디스플레이 장치에 해당할 수 있다. HMD는 머리에 착용하는 디스플레이 장치로, 주로 가상현실 또는 증강현실의 구현을 위한 디스플레이 장치로서 사용된다. 3D 디스플레이 기술과도 접목되기도 하고, 모바일로 지원되기도 한다. 체험자 단말 장치(110)는 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)와 네트워크를 통해 연결될 수 있고, 복수의 체험자 단말 장치(110)들은 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)와 동시에 연결될 수 있다.
화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 화재 시나리오에 따라 가상현실(VR)의 화재 발생을 시뮬레이션할 수 있고 화재 시뮬레이션 결과를 토대로 체험자의 정보와 연계 분석하여 화재 대피 시뮬레이션을 모델링할 수 있다. 일 실시예에서, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 모델링한 화재 대피 시뮬레이션을 체험자의 화재 대피 교육 및 훈련에 활용할 수 있다. 여기에서, 화재 대피 시뮬레이션 모델링은 화재 시 요구조자가 화재의 상황을 이해하고 올바로 판단하여 구조자에 의해 화재 진압과 구조가 이루어지기 전에 스스로 탈출 및 대피할 수 있는 교육 및 훈련 프로그램에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 화재 시나리오 및 대피 시나리오를 작성할 수 있다. 여기에서, 화재 시나리오 및 대피 시나리오는 건물의 특성, 탈출과 대피 계획 및 단계, 요구조자 특성, 탈출 전 요구조자 행동양식/행동(Behavior/Actions), 요구조자들이 이동하고 재배치(Movement/Relocation)되는 동안 행동양식/행동(Behavior/Actions), 화재의 환경에 노출된 요구조자 등이 요소를 고려하여 작성될 수 있다.
화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 화재 대피 시뮬레이션 도구로 FDS(Fire Dynamic Simulation), Pathfinder, Simulax, A* 알고리즘, artisoc 등을 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 화재가 발생할 위험이 있는 건물에 대해 사전에 건물의 정보 즉, BIM를 기반으로 다양한 화재 상황에 대응해 다층 퍼셉트론-비지도 학습으로 요구조자별 다양한 시뮬레이션 탈출로 생성하여 이를 빅데이터로 구축할 수 있다. 여기에서, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 실제 화재를 전제로 한 훈련 시 훈련 참가자들의 상황에 따라 미리 구축된 빅데이터를 기반으로 가장 적합한 최적의 탈출로를 제시받아 탈출을 시도하는 교육 및 훈련을 위한 시뮬레이션 모델링을 수행할 수 있다. 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 해석 공간 내 여러 위치에서 다양한 원인으로 발생하며, 건물 내 다양한 상황(예: 스프링클러, 유리창, 배기시설 등)의 화재를 시뮬레이션할 수 있다.
또한, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 프로세서, 메모리, 사용자 입출력부 및 네트워크 입출력부를 포함하여 구현될 수 있으며, 이에 대해서는 도 2에서 보다 자세히 설명한다.
데이터베이스(150)는 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)의 동작 과정에서 필요한 다양한 정보들을 저장하는 저장장치에 해당할 수 있다. 데이터베이스(150)는 체험자 정보, 건물 정보, 시나리오 정보 및 시나리오 시뮬레이션 결과를 저장할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 가상현실(VR) 기반의 화재 대피 시뮬레이션 과정에서 다양한 형태로 수집 또는 가공된 정보들을 저장할 수 있다.
일 실시예에서, 데이터베이스(150)는 독립적으로 구현될 수 있고 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)의 내부에 포함하여 구현될 수도 있다.
도 2는 도 1에 있는 화재 대피 시뮬레이션 장치의 물리적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 프로세서(210), 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)를 포함하여 구현될 수 있다.
프로세서(210)는 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)의 각 동작을 처리하는 프로시저를 실행할 수 있고, 그 과정 전반에서 읽혀지거나 작성되는 메모리(230)를 관리할 수 있으며, 메모리(230)에 있는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리 간의 동기화 시간을 스케줄할 수 있다. 프로세서(210)는 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)의 동작 전반을 제어할 수 있고, 메모리(230), 사용자 입출력부(250) 및 네트워크 입출력부(270)와 전기적으로 연결되어 이들 간의 데이터 흐름을 제어할 수 있다. 프로세서(210)는 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)의 CPU(Central Processing Unit)로 구현될 수 있다.
메모리(230)는 SSD(Solid State Drive) 또는 HDD(Hard Disk Drive)와 같은 비휘발성 메모리로 구현되어 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)에 필요한 데이터 전반을 저장하는데 사용되는 보조기억장치를 포함할 수 있고, RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리로 구현된 주기억장치를 포함할 수 있다.
사용자 입출력부(250)는 사용자 입력을 수신하기 위한 환경 및 사용자에게 특정 정보를 출력하기 위한 환경을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자 입출력부(250)는 터치 패드, 터치 스크린, 화상 키보드 또는 포인팅 장치와 같은 어댑터를 포함하는 입력장치 및 모니터 또는 터치스크린과 같은 어댑터를 포함하는 출력장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 사용자 입출력부(250)는 원격 접속을 통해 접속되는 컴퓨팅 장치에 해당할 수 있고, 그러한 경우, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 서버로서 수행될 수 있다.
네트워크 입출력부(270)은 네트워크를 통해 외부 장치 또는 시스템과 연결하기 위한 환경을 포함하고, 예를 들어, LAN(Local Area Network), MAN(Metropolitan Area Network), WAN(Wide Area Network) 및 VAN(Value Added Network) 등의 통신을 위한 어댑터를 포함할 수 있다.
도 3은 도 1에 있는 화재 대피 시뮬레이션 장치의 기능적 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 데이터 수집부(310), 시나리오 작성부(330), 화재 대피 시뮬레이션부(350), 시뮬레이션 결과 분석부(370) 및 제어부(390)를 포함할 수 있다.
데이터 수집부(310)는 적어도 화재 대피 시뮬레이션 체험자 즉, 요구조자 정보를 포함하는 시나리오 작성에 필요한 데이터를 수집할 수 있다. 일 실시예에서, 데이터 수집부(310)는 체험자 접수나 체험 전후의 설문조사 등을 통해 요구조자(체험자) 정보를 수집할 수 있다. 여기에서, 요구조자 정보는 성별, 연령, 키와 몸무게를 포함하는 신체특징, 교육 수준, 직업 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 데이터 수집부(310)는 대형 판매 및 영업시설, 병원, 요양기관, 숙박시설, 지하공간 등의 용도에 따른 건물 정보를 수집할 수 있다. 여기에서, 건물 정보는 디지털 방식으로 건물의 하나 또는 그 이상의 정확한 가상 모델을 생성하는 BMI(Building Information Models)에 사용될 수 있다.
데이터 수집부(310)는 IoT 센서, 카메라 등을 통해 가상현실(VR)에 기반하는 화재 대피 시뮬레이션 체험자의 행동을 실시간으로 수집할 수 있다. 여기에서, 체험자 행동 수집을 위한 IoT 센서는 체험자 단말 장치(110)에 설치될 수 있고 카메라는 체험 공간에 설치될 수 있다.
시나리오 작성부(330)는 수집된 데이터를 토대로 화재 대피 시뮬레이션을 위한 시나리오를 작성할 수 있다. 일 실시예에서, 시나리오 작성부(330)는 건물의 특성, 탈출·대피 계획 및 단계, 요구조자 특성, 탈출 전 요구조자 행동양식/행동(Behavior/Actions), 요구조자들이 이동하고 재배치(Movement/Relocation)되는 동안 행동양식/행동, 화재의 환경에 노출된 요구조자의 특성 및 요소를 고려한 요구조자 지침을 전제로 시나리오를 작성할 수 있다.
시나리오 작성부(330)는 화재 발생 후 시간의 흐름에 따른 요구조자의 행동 순서에 따라 화재 대피 시나리오를 작성할 수 있다. 화재 발생 후 시간의 흐름에 따른 행동 순서는 도 4에 도시한 바와 같다.
도 4는 화재 발생 후 시간의 흐름에 따른 행동 순서를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 건물 화재 후 탈출·대피를 시도하기 전 단계는 '화재 인지 ⇒ 경보 ⇒ 탈출 결정 ⇒ 움직이기 시작'로 이루어지며 탈출·대피 단계로 이어질 수 있다. 즉, 화재가 발생한 후 피난을 개시하기까지는 화재의 발생, 화재 징후의 인지, 화재의 확인, 피난 행동의 준비 등의 과정을 거쳐 피난을 개시하게 된다. 피난 개시 시간은 화재의 발생에서 화재를 인지하기까지 시간과 화재 인지 후 피난행동을 준비하기까지 시간으로 규정할 수 있다. 따라서, 화재의 발생에서 피난 개시까지 과정에서 시간손실을 줄이는 것이 인명안전을 위해서 무엇보다 중요하다고 할 수 있다.
다시, 도 3으로 돌아가서, 시나리오 작성부(330)는 화재발생후 시간의 흐름에 따른 행동 순서를 정한 후 피난시간을 산정할 수 있다. 이때, 피난시간은 다음의 수학식을 통해 산정될 수 있다.
[수학식]
Et = Dt + Nt + Pt + (FSⅹSt)
여기에서, Et는 피난시간을, Dt는 화재감지기 작동시간을, Nt는 화재인지시간을, Pt는 피난개시시각을, FS는 피난안전율을, 그리고 St는 피난 시뮬레이션 시간을 각각 의미한다.
시나리오 작성부(330)는 건물의 용도 및 규모, 재실자의 특성 및 상태, 화재의 징후 및 확대 등의 화재시 변수를 고려하여 화재발생에서 피난을 개시하기까지의 경과시간을 피난개시시각으로 정할 수 있다. 일 실시예에서, 시나리오 작성부(330)는 화재발생에서 피난 개시까지의 경과시간에 실제 화재사례를 반영할 수 있다. 시나리오 작성부(330)는 소방의 골든 타임에 따른 요구조자의 골든 타임을 정의할 수 있다. 예컨대, 시나리오 작성부(330)는 소방 골든 타임에 따른 요구조자의 골든 타임을 다음 표1과 같이 정의할 수 있다.
시간(분) 소방 골든타임 의미 요구조자 골든타임 의미
0-2 신고-지령시간 상황 파악
4-6 소방차 출동-화재현장 도착 탈출-대피
8-12 화재 진압 대피-자체 생존
시나리오 작성부(330)는 화재 발생후 시간의 흐름에 따른 행동 순서 및 요구조자의 골든 타임 의미에 대응하는 화재 대피 시뮬레이션을 위한 시나리오를 작성할 수 있다.
화재 대피 시뮬레이션부(350)는 작성된 화재 대피 시나리오에 따라 화재 및 대피 상황을 시뮬레이션하여 건물에서 화재가 발생하는 가상현실 영상을 체험자 단말장치(110)를 통해 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 FDS(Fire Dynamic Simulation), Pathfinder, Simulax, A* 알고리즘, artisoc 등이 시뮬레이션 프로그램을 통해 시뮬레이션을 실행할 수 있다.
FDS(Fire Dynamic Simulation)은 화재가 일어난 공간을 많은 작은 격자로 나누고, 작은 격자 사이의 열과 유체의 유동을 지배 방정식에 의하여 계산하는 필드모델(FieldModel)이다.
Pathfinder는 에이전트 기반 대피 시뮬레이터로, 기본적인 보행 시뮬레이션뿐만 아니라 공간 데이터 저작 및 편집, 3차원 결과 분석 등 시뮬레이션에 필요한 여러 기능등을 포함한다.
Simulax는 CAD 기반 대피 시뮬레이션 모델로, CAD 도면을 이용하여 공간 데이터를 구축할 수 있으며 정의된 공간에 출구를 설정하고 다수의 보행자를 배치하여 대피 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
A* 알고리즘은 Simulax, Pathfinder, Building Exodus 등의 대피 시뮬레이터에서 최단 경로를 찾아내기 위해 사용되는 알고리즘으로, 재실자의 위치에서 가장 근접한 피난구를 향해 이동하면서 대피 시간 계산을 수행할 수 있다. A* 알고리즘은 건물 안에서 비상구까지의 최단 경로를 모르는 비인지자가 존재하기 때문에 실제 재난상황의 발생에서는 출구를 향해 즉시 대피하는 것이 불가능하고, 피난을 위해 이전에 한번도 사용해 본적 없는 출구통로 보다는 잘 알고 있는 출구통로를 이용할 가능성이 상대적으로 높아 결과적으로 해당 건물을 빠져나가기 위해 이용하도록 되어 있는 경로는 실제 피난상황에서 무시될 수 있는 문제점이 있다.
Artisoc는 다중 에이전트 시뮬레이션(MAS: Multi Agent System) 플랫폼으로, BAISC과 LOGO를 편성 발전시킨 에이전트 모델링 언어를 사용하며 알기 쉬운 2차원, 3차원 공간 표현이 가능하고 재난상황에서의 정보전달에 의한 인공지능적인 피난대책을 검토할 수 있다.
일 실시예에서, 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 화재 대피 시뮬레이션에 요구조자의 행동을 반영할 수 있다. 여기에서, 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 귀소본능, 지광본능, 추종본능, 퇴피본능, 좌회본등 등 인간의 화재시 요구조자가 갖는 본능들을 화재 대피 시뮬레이션에 반영할 수 있다. 특히, 위험한 장소에서 멀리 벗어나려고 하는 퇴피 본능은 생사를 결정하기 대문에 대피 결과를 산출하는 데 있어서 가장 중요한 요소일 수 있다. 이런 특성은 안전 정보와 위험 정보의 전달 유무에 따라 결정되며 화재 대피 시뮬레이션에서 군집 유도책의 검토를 가능하게 한다.
화재 대피 시뮬레이션부(350)는 화재 대피 시뮬레이션에서 최단거리 이동 알고리즘과 더불어 정보 전파에 의해 경로 변경이 가능한 인공지능적인 알고리즘을 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 최단거리 이동 알고리즘으로 A* 알고리즘을 사용할 수 있고 인공지능적인 알고리즘으로 MAS 기반의 artisoc을 사용할 수 있다. MAS 기반의 화재 대피 시뮬레이션은 ASPF(Agent Simulation of Pedestrian Flow)의 알고리즘 설정이 가능하기 때문에 정보 전달의 문제를 해결할 수 있다.
화재 대피 시뮬레이션부(350)는 인지능력을 가진 에이전트들을 시뮬레이션하여 어떤 특정 상황에 대하여 다양한 변수를 반영할 수 있는 결과들을 도출할 수 있다. 예컨대, 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 대피 상황 발생 시 재난구역을 통과하는 최단거리가 존재하는 경우에도 안전한 방향의 경로로 우회하여 대피하는 것이 가능한다.
일 실시예에서, 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 실증 건물의 BIM(Building Information Modeling)을 FDS(Fire Dynamic Simulation)에 적용하여 화재의 확산을 모델링할 수 있고 실증 건물의 BIM을 Pathfinder에 적용하여 요구조자를 배치한 후 화재의 확산 모델링을 적용하여 요구조자의 탈출과 사망을 시뮬레이션할 수 있다. 여기에서, 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 MAS(Multi Agent System) 기반의 artisco을 통해 요구조자에게 화재의 확산에 따라 화재 구역에 상응하는 위험도에 따른 우회 대피를 유도할 수 있는 가이던스를 제공할 수 있다. 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 화재 대피 시뮬레이션을 통해 화재 대피 상황에 대한 가상현실의 영상을 제공시 5G 가이던스에 의한 정보 제공을 통해 유도 대피할 수 있다. 일 실시예에서, 화재 대피 시뮬레이션부(350)는 화재 대피 시뮬레이션에 5G 가이던스를 반영하여 분산 대피를 유도할 수 있고 병목 현상과 재난구역 통과의 문제를 해결하여 대피 결과의 신뢰성을 높일 수 있다.
시뮬레이션 결과 분석부(370)는 화재 대피 시뮬레이션의 결과를 분석하여 화재 대피 시나리오를 재구성함으로써 위험, 취약성 및 위험의 맥락을 이해하고 향후 일어날 재난에 보다 나은 대처방법을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 시뮬레이션 결과 분석부(370)는 시나리오별 화재 대피 시뮬레이션 실행 결과를 토대로 허용시간과 피난시간, 대피층을 이용한 허용시간과 피난시간, 안전율을 고려한 피난시간을 분석할 수 있다. 시뮬레이션 결과 분석부(370)는 시뮬레이션 분석 결과를 토대로 요구조자별 최적의 대비, 피난 가이던스를 제공할 수 있는 모델을 도출할 수 있다.
제어부(390)는 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)의 전체적인 동작을 제어하고, 데이터 수집부(310), 시나리오 작성부(330), 화재 대피 시뮬레이션부(350) 및 시뮬레이션 결과 분석부(370) 간의 제어 흐름 또는 데이터 흐름을 관리할 수 있다.
도 5는 도 3에 있는 화재 대피 시뮬레이션 장치에서 수행되는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 과정을 설명하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 데이터 수집부(310)를 통해 건물 정보, 요구조자(체험자) 정보를 포함하는 화재 대피 시나리오 작성과 관련되는 데이터를 수집할 수 있다(단계 S510).
화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 시나리오 작성부(330)를 통해 수집된 데이터에 기초하여 화재 및 대피 시나리오를 작성할 수 있다(단계 S530).
화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 화재 대피 시뮬레이션부(350)를 통해 시나리오에 따른 화재 대피 시뮬레이션을 실행할 수 있다(단계 S550).
화재 대피 시뮬레이션 장치(130)는 시뮬레이션 결과 분석부(370)를 통해 시뮬레이션 결과를 분석하여 화재 확산에 관련되는 데이터를 얻고 5G 가이던스의 제공 유무에 따른 피난 효율성을 검증하고 이를 시나리오 재구성에 적용할 수 있다(단계 S570).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 이미지를 나타내는 예시도이다.
도 6을 보면, 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 시스템(100)은 화재 대피 시뮬레이션 장치(120)를 통해 화재 대피 시나리오에 따라 시뮬레이션을 실행하여 체험자 단말 장치(110)에 화재 발생의 가상현실 영상을 출력할 수 있다. 이때, 체험자는 화재 발생의 가상현실 속에서 요구조자로서 시나리오에 따라 화재 발생을 체험하고 피난 훈련을 수행할 수 있다.
화재 대피 시뮬레이션 장치(120)는 먼저 화재 대피 시뮬레이션을 시작하기 전에 화면에 안내 팝업을 띄운 후 체험자로 하여금 '시작' 버튼을 눌러 체험을 시작할 수 있도록 한다. 그런 다음, 실제 가상현실 체험 전 5G 가디언즈 앱 소개 영상을 재생하고, 이때 체험자는 영상을 다 시청하거나 건너뛰기 버튼을 눌러 다음 단계로 진행을 이동할 수 있다. 영상을 모두 보거나 건너뛰기 버튼을 누르면 체험자의 성별과 나이, 키를 입력하는 팝업이 등장하고 체험자의 정보가 입력되면 화재 체험이 시작된다.
화재 대피 시뮬레이션 장치(120)는 체험자인 요구조자의 정보를 반영하여 화재 대피 시뮬레이션을 실행하여 화재 체험을 시작한다. 화면을 암전한 뒤 폭발음과 함께 화면이 다시 밝아지면서 화면에는 특정 건물(예: 백화점) 내부에 불이 나있고 전체적인 조명이 어둡게 처리되어 사용자의 시야를 제한한다. 이때, 요구조자의 왼손 컨트롤러는 가상현실 영상에서 스마트폰으로 변경되고 스마트폰에는 긴급 재난 문자가 노출된 후 5G 가디언즈 앱이 실행되고 5G 가디언즈 앱의 메인 화면에 대피로 안내 버튼을 클릭하라는 나레이션이 재생된다. 요구조자가 오른손 컨트롤러를 통해 대피로 안내 버튼을 클릭하면 BIM(Building Information Modeling)을 기반으로 대피로가 스마트폰 화면에 표시된다. 대피 전 손수건으로 호흡기를 보호하라는 나레이션이 재생되고 요구조자는 오른손 컨트롤러에 있는 손수건을 입에 가져다 대어 호흡기를 보호하는 행동을 취할 수 있다. 요구조자는 오른손 컨트롤러를 통해 순간이동 방식으로 탈출을 위해 밖으로 이동한 후 대피로를 확인하면서 건물 복도를 따라 대피한다. 복도 끝에 있는 비상구까지 이동 후 비상구를 컨트롤러로 클릭하여 비상구 문을 열고 비상구 내부로 진입한다. 비상구에 요구조자가 진입하면 소방관이 계단을 올라오면서 요구조자를 만난 뒤 화면이 암전된다. 5G 가디언즈 앱을 통해 무사히 탈출하였다는 메시지와 함께 화재 대피 체험이 종료된다.
일 실시예에 따른 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치 및 방법은 화재 대피 시뮬레이션을 통해 실제 화재 상황과 유사하게 묘사된 가상현실 속에서 화재 시 화재의 상황을 이해하고 올바로 판단하여 구조자에 의한 화재 진압과 구조가 이루어지기 전에 스스로 탈출·대피할 수 있는 교육·훈련을 시행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 시스템
110: 체험자 단말 장치(HMD) 130: 화재 대피 시뮬레이션 장치
150: 데이터베이스
310: 데이터 수집부 330: 시나리오 작성부
350: 화재 대피 시뮬레이션부 370: 시뮬레이션 결과 분석부
390: 제어부

Claims (8)

  1. 건물 정보, 요구조자(체험자) 정보를 포함하는 화재 대피 시나리오 작성과 관련되는 데이터를 수집하는 데이터 수집부;
    상기 수집된 데이터에 기초하여 화재 및 대피 시나리오를 작성하는 시나리오 작성부;
    상기 작성된 시나리오에 따라 화재 대피 시뮬레이션을 실행하여 건물에서 화재가 발생하고 요구조자(체험자)가 대피하는 가상현실 영상을 제공하는 화재 대피 시뮬레이션부; 및
    시나리오별 화재 대피 시뮬레이션 실행 결과를 토대로 허용시간과 피난시간, 대피층을 이용한 허용시간과 피난시간, 안전율을 고려한 피난시간을 분석하여 요구조자별 최적의 대비, 피난 가이던스를 제공할 수 있는 모델을 도출하여 상기 시나리오의 재구성에 반영하는 시뮬레이션 결과 분석부를 포함하되,
    상기 시나리오 작성부는
    화재의 발생부터 화재 징후의 인지, 화재의 확인, 대피 행동의 준비, 대피 개시까지의 시간의 흐름에 따른 행동 순서를 정하고 하기 수학식을 통해 피난시간을 산정하여 화재 대피 시나리오를 작성하고,
    [수학식]
    Et = Dt + Nt + Pt + (Fs × St)
    (여기서, Et는 피난시간을, Dt는 화재감지기 작동시간을, Nt는 화재인지시각을, Pt는 피난개시시각을, Fs는 피난안전율을, St는 피난 시뮬레이션 시간을 각각 의미함)
    상기 화재 대피 시뮬레이션부는
    실증 건물의 BIM(Building Information Modeling)을 FDS(Fire Dynamic Simulation)에 적용하여 화재의 확산을 모델링하고, 상기 실증 건물의 BIM을 Pathfinder에 적용하여 상기 요구조자를 배치한 후 상기 화재의 확산 모델링을 적용하여 상기 요구조자의 탈출과 사망을 시뮬레이션하고,
    MAS(Multi Agent System) 기반의 artisco을 통해 상기 요구조자에게 화재의 확산에 따라 화재 구역에 상응하는 위험도에 따른 우회 대피 및 분산 대피를 유도할 수 있는 가이던스(Guardian)를 상기 가상현실의 영상에 제공하는 것을 특징으로 하는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 데이터 수집부는
    체험자 접수나 체험 전후의 설문조사를 통해 성별, 연령, 키와 몸무게를 포함하는 신체특징, 교육수준, 직업을 포함하는 상기 요구조자(체험자)의 정보를 수집하고 상기 화재 대피 시뮬레이션의 체험 과정에서 상기 요구조자(체험자)의 행동을 실시간으로 수집하는 것을 특징으로 하는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시나리오 작성부는
    건물 특성, 탈출 대피 계획 및 단계, 요구조자 특성, 탈출 전 요구조자 행동양식 및 행동, 요구조자들이 이동하고 재배치되는 동안 행동양식 및 행동, 화재의 환경에 노출된 요구조자의 특성 및 요소를 고려하여 화재 대피 시나리오를 작성하는 것을 특징으로 하는 가상현실 기반의 화재 대피 시뮬레이션 장치.
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