KR20180105510A - 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법 - Google Patents

철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법을 제공하는 것으로, 제동거리에 대한 확률분포를 도출하는 단계와; 상기 도출된 확률분포로부터 제동거리에 대한 데이터를 구축하는 단계와; 화재차량 정차위치, 구난역 위치 및 길이, 열차주행속도, 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전비율, 및 터널중앙부 가중치를 확인하는 단계; 및 상기 화재차량 정차위치, 구난역 위치 및 길이, 열차주행속도, 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전비율, 터널중앙부 가중치, 및 제동거리를 이용하여 터널 내 화재차량 정차확률을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법{Method for estimating probability of stopping a fire railway vehicle in a tunnel for fire danger rate prediction of railway tunnels}
본 발명은 철도터널의 화재위험도의 예측에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법에 관한 것이다.
철도터널에서의 화재사고는 도로터널에 비하여 사고발생률은 낮지만, 일단 터널 내에서 화재사고가 발생하게 되면 밀폐공간인 철도터널 특성상 인명 피해 및 막대한 경제적 손실이 발생하는 대형사고로 발전할 가능성이 상당히 크며, 특히 장대터널은 화재사고 발생시 대피승객의 이동거리가 증가함에 따라 더욱 위험성이 증대된다.
이에, 철도터널에서의 화재 등과 같은 불의의 사고를 예방하고, 사고 발생시 피해를 최소화하기 위하여 국토해양부에서는 2003년 11월에 고속철도 터널방재기준을 제정, 2005년 9월에 개정하여 여객 전용인 복선 고속철도의 터널방재기준을 수립하였다. 이후, 2005년 10월에“철도시설 안전기준에 관한 규칙”이 제정되어 일반철도와 고속철도에 대한 기준이 수립되었으며, 2006년 9월에“철도시설 안전세부기준”이 제정되어 철도시설물에 통합하여 적용하도록 하였다. 이후 방재관련 연구, 문제점 분석 등을 통하여 과도한 터널안전기준 개선 등 보다 합리적이고 객관적인 방재기준인『철도시설 안전기준에 관한 규칙(2011년 6월)』과『철도시설 안전세부기준(2011)』이 마련되었다.
한편, 철도터널은 구난개념 측면에서 짧은 터널, 1,000∼15,000m를 긴 터널, 15,000m이상을 장대터널로 정의하고 있다. 화재차량이 장대터널 내에 정차할 경우 승객이 장대터널 밖으로 탈출할 수 없다면 인명피해가 발생할 수 있다. 이에 20km 이상의 장대터널에는 만약의 비상사고에 대비해 설치하도록 제안된 정거장인 '구난역'에 대한 철도안전 분야 관계자들의 관심이 증대되고 있다.
한국공개특허 10-2007-0078333호(공개일 2007.07.31) 한국등록특허 제10-1020191호(등록일 2011.02.28)
본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법은, 제동거리에 대한 확률분포를 도출하는 단계와; 상기 도출된 확률분포로부터 제동거리에 대한 데이터를 구축하는 단계와; 화재차량 정차위치, 구난역 위치 및 길이, 열차주행속도, 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전비율, 및 터널중앙부 가중치를 확인하는 단계; 및 상기 화재차량 정차위치, 구난역 위치 및 길이, 열차주행속도, 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전비율, 터널중앙부 가중치, 및 제동거리를 이용하여 터널 내 화재차량 정차확률을 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 제동거리에 대한 확률분포를 도출하는 단계는, a) 공주시간(t1) 1(초) 내지 3(초)와 제동감속도(α) 3(㎞/h/s) 내지 5(㎞/h/s) 사이에서 공주시간(t1)과 제동감속도(α)에 대한 난수를 생성하는 단계와; b) 상기 생성된 공주시간(t1)과 제동감속도(α)에 대한 난수를 이용하여 공주거리와 타력운전거리를 산출하는 단계와;
c) a) 단계부터 b) 단계를 n회 반복 수행하여 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)에 대한 평균값을 산출하는 단계와; d) a) 단계부터 c) 단계를 N회 반복 수행하여 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)에 대한 확률분포를 도출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 화재차량의 터널 내 정차확률을 예측하여 구난역의 최적 설치위치와 개수를 파악할 수 있다.
도 1 은 터널연장에 따른 방재시설을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 시뮬레이션 횟수에 따른 확률분포를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 는 터널연장별 누적정차확률 분포를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5 는 터널 내 정차확률 분포를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6 은 구난역 개소에 따른 터널 내 정차확률 분포를 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 터널연장에 따른 방재시설을 설명하기 위한 예시도이다. 제1 터널(111)에 연장형성된 제2 터널(112)에 새로운 제3터널(120)을 시공하는 경우, 제3터널(120)의 입구(121)로부터 일정한 거리마다, 승객들이 대피할 수 있는 200㎡ 규모의 구난역(122)과 유사시 소방대원을 곧바로 투입할 수 있는 수직구(123)와 터널과는 별도로 차가 진입할 수 있는 경사터널(사갱)(124)이 형성될 수 있다.
터널연장에 따른 방재시설은, 도 1 에서, A1 구역과 같이 구난역과 수직구와 경사터널(사갱)을 포함할 수 있고, A2 구역과 같이 구난역만을 포함할 수 있고, A3 구역과 같이 수직구와 경사터널(사갱)을 포함할 수 있다. 즉, 터널연장에 따른 방재시설은 철도터널의 화재위험도 예측 시뮬레이션에 따라 또는 화재차량의 터널 내 정차확률 시뮬레이션에 따라 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법은 도 2 에 도시한 바와 같이, 제동거리에 대한 확률분포를 도출하는 단계(S211)와 도출된 확률분포로부터 제동거리에 대한 데이터를 구축하는 단계(S212)와 화재차량 정차위치, 구난역 위치 및 길이, 열차주행속도, 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전비율, 및 터널중앙부 가중치를 확인하는 단계(S213)와 화재차량 정차위치, 구난역 위치 및 길이, 열차주행속도, 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전비율, 터널중앙부 가중치, 및 제동거리를 이용하여 터널 내 화재차량 정차확률을 산출하는 단계(S214)를 포함한다.
제동거리에 대한 확률분포는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 도출할 수 있다. 일례로, 제동거리에 대한 확률분포를 도출하는 단계(S211)는 공주시간(t1) 1(초) 내지 3(초)와 제동감속도(α) 3(㎞/h/s) 내지 5(㎞/h/s) 사이에서 공주시간(t1)과 제동감속도(α)에 대한 난수를 생성하는 단계와, 생성된 공주시간(t1)과 제동감속도(α)에 대한 난수를 이용하여 공주거리와 타력운전거리를 산출하는 단계와, 공주시간(t1)과 제동감속도(α)에 대한 난수를 생성하는 단계와 공주거리와 타력운전거리를 산출하는 단계를 n회 반복 수행하여 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)에 대한 평균값을 산출하는 단계와, 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)에 대한 평균값을 산출하는 단계를 N회 반복 수행하여 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)에 대한 확률분포를 도출하는 단계를 포함하여 구현될 수 있다.
일례로, 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)는, 아래 수학식 1, 2를 통해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, V는 제동초속도(㎞/h), t1은 공주시간(sec).
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, V1은 제동초속도(㎞/h), V2는 제동종속도(㎞/h), α는 제동감속도(㎞/h/s).
다른 예로, 열차의 비상시 타력운전은 시속 80km/h로 15분간 운전할 수 있다. 일반적인 열차의 타력운전에 의한 주행거리는 열차의 주행저항식에 의존한다. 열차의 주행저항식은 필드실험이나 제작사양에서 제공받을 수 있으며, 열차의 속도(V)에 대한 2차 방정식으로 표현되는 Davis equation의 주행저항식으로 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, Rr 은 주행저항(N), A, B, C는 주행저항 상수, V는 차량속도(km/h) 이다.
주행저항 주요 요인으로는, 휠(Wheel)과 레일 표면과의 구름저항, 트랙 위치, 레일 표면, 연결부, 플랜지, 진동, 충격과 같은 레일 저항, 열차표면과 공기 저항이 있다.
도 3a 내지 도 3c는 시뮬레이션 횟수에 따른 확률분포를 설명하기 위한 예시도이다.
비상시 화재열차가 터널내 정차할 확률을 몬테카를로 시뮬레이션에 의해서 구하기 위해서 주요변수에 대한 확률분포는 다음과 같이 정하였다. 일정한 속도로 주행하던 열차가 비상시 제동할 경우, 초기 열차속도에 따른 총제동거리는 공주시간(t1)과 제동감속도(α)에 의존하게 되므로, 두 변수에 대한 확률분포를 고려할 수 있다.
공주시간(t1)은 KTX 및 Metro 열차의 경우, 1∼1.5초 정도로 알려져 있고, 비상시 제동감속도(α)는 KTX-2, KTX-1, Metro 열차의 경우 3.7∼4.5km/h/s로 적용하였다. 따라서 두 변수에 대한 변동범위를 고려하여, t[1,3], α[3,5]에 대하여 난수를 생성한다. 모집단의 샘플수는 10~50회에 대한 평균값을 적용한다. 모집단(n회)의 평균값을 1회 시행횟수로 하여 총 N회 수행에 따른 제동거리(s1)과 타력운전거리(s2)를 산출해서 확률분포를 얻었다. 도 3c와 같이 시행횟수가 10,000회 이상일 경우 정규분포에 가까운 형상을 나타내고 있다.
도 4 는 터널연장별 누적정차확률 분포를 설명하기 위한 예시도이고, 도 5 는 터널 내 정차확률 분포를 설명하기 위한 예시도이고, 도 6 은 구난역 개소에 따른 터널 내 정차확률 분포를 설명하기 위한 예시도이다.
비상시 터널내 정착확률을 분석하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션 분석을 수행하였으며, 구난역의 길이는 열차의 길이를 고려하여 400m로 가정하였다. 비상시 터널내외부에서의 제동운전 및 타력운전 비율은 다음의 표와 같다. 본 과업에 적용한 터널연장은 50.6km 이며, 열차의 주행속도 350km/h에 대한 정차확률을 분석하였다. 기본적으로 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전 비율을 90:10, 10:90으로 가정하였고, 터널내 위치별 정차확률 계산시 터널 중앙부에 대한 가중치를 15%로 고려하였다. 터널연장별 구난역의 설치위치는 0~10.5km 시 미고려, 10.5~21.4km 시 1개소, 21.4~32.6km 시 2개소, 32.6km 초과시 3개소를 고려하였다. 제1 구난역은 10.5km, 제2 구난역은 21.4km, 제3 구난역은 32.6km 위치에 설치한 것으로 가정하였다.
먼저 구난역을 설치하지 않았을 경우에 대한 터널연장별로 터널내 정차확률은 도 4 및 도 5 와 같으며, 터널연장이 타력운전거리 보다 길어지는 약 20km 이상의 터널연장일 경우는 터널내 누적정차확률이 증가하는 것으로 나타나고 있다.
반면 도 6 과 같이 구난역이 없을 경우의 터널내 정차확률은 41.3%(100%), 터널내 구난역이 1개소(#1: 10.5km)가 설치된 경우는 30.0%(72.6%), 구난역이 2개소(#1: 10.5km, #2: 21.4km)가 설치된 경우는 19.5%(47.3%), 구난역이 3개소(#1: 10.5km, #2: 21.4km, #3: 32.6km)가 설치된 경우는 9.5%(23.1%)로 분석되어, 구난역 설치개소가 증가할수록 비상시 터널내 정차확률은 현저히 낮아지는 것으로 분석된다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
111 : 제1 터널
112 : 제2 터널
120 : 제3터널
121 : 터널 입구
122 : 구난역
123 : 수직구
124 : 경사터널(사갱)

Claims (3)

  1. 제동거리에 대한 확률분포를 도출하는 단계;
    상기 도출된 확률분포로부터 제동거리에 대한 데이터를 구축하는 단계;
    화재차량 정차위치, 구난역 위치 및 길이, 열차주행속도, 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전비율, 및 터널중앙부 가중치를 확인하는 단계; 및
    상기 화재차량 정차위치, 구난역 위치 및 길이, 열차주행속도, 터널내외부에서의 제동운전과 타력운전비율, 터널중앙부 가중치, 및 제동거리를 이용하여 터널 내 화재차량 정차확률을 산출하는 단계;
    를 포함하는 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 제동거리에 대한 확률분포를 도출하는 단계는,
    a) 공주시간(t1) 1(초) 내지 3(초)와 제동감속도(α) 3(㎞/h/s) 내지 5(㎞/h/s) 사이에서 공주시간(t1)과 제동감속도(α)에 대한 난수를 생성하는 단계와;
    b) 상기 생성된 공주시간(t1)과 제동감속도(α)에 대한 난수를 이용하여 공주거리와 타력운전거리를 산출하는 단계;
    c) a) 단계부터 b) 단계를 n회 반복 수행하여 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)에 대한 평균값을 산출하는 단계;
    d) a) 단계부터 c) 단계를 N회 반복 수행하여 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)에 대한 확률분포를 도출하는 단계;
    를 포함하는 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법.
  3. 청구항 2 에 있어서,
    상기 공주거리(S1)와 타력운전거리(S2)는, 아래 수학식 1, 2를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00004

    여기서, V는 제동초속도(㎞/h), t1은 공주시간(sec).
    [수학식 2]
    Figure pat00005

    여기서, V1은 제동초속도(㎞/h), V2는 제동종속도(㎞/h),
    α는 제동감속도(㎞/h/s).
KR1020170032648A 2017-03-15 2017-03-15 철도터널의 화재위험도 예측을 위한 화재차량의 터널 내 정차확률 예측방법 KR20180105510A (ko)

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