1.1 연구배경

본 논문에서는 지하 공동구 작업자와 순찰자의 재난 발생 시 구호 및 상시 조명이 일체화된 지능형 LED조명의 성능을 개선하고 밝기에 따른 저조도 카메라의 시인성 분석을 통해 에너지 절감을 위한 적응성 평가를 실시하였다. 지하 공동구에 대한 정의는 국토계획 및 이용에 관한 법률 제2조 제9호 도시계획시설의 하나로서 2가지 이상의 매설물을 공동 수용할 목적으로 건설하는 터널 형태의 지하 시설로서 전기, 통신, 가스, 수도, 하수관과 같은 도로의 지하 매설물을 공동 수용함으로써 미관 및 도로 구조의 보전을 도모하는 시설을 말한다^[1]. 이러한 지하 공동구는 통신, 금융, 주거 등에 영향을 미치는 국가의 중요한 안보 시설인 동시에 도시의 형성이나 시민 생활에 있어서 필수적인 시설로서 입지와 규모에 따라 그 시설이 위치한 지역은 물론 도시 전체의 기능과 발전에 큰 영향을 미치는 시설이기 때문에 미리 입지와 규모에 대한 기준을 정해 두고 도시 관리 계획에 의해 계획적으로 배치할 필요가 있다^[2]. 따라서 이러한 중요시설인 지하 공동구의 영상감시 및 이벤트 상황을 신속하게 감지하기 위한 적절한 조명환경이 필요하다.

1.2 현황 및 문제점

소방시설 설치 및 관리에 관한 법률 시행령 별표2 특정소방대상물 제28호에 지하구는󰡒전력·통신용의 전선이나 가스·냉난방용의 배관 또는 이와 비슷한 것을 집합 수용하기 위하여 설치한 지하 공작물로서 사람이 점검 또는 보수하기 위하여 출입이 가능한 것 중 폭 1.8m 이상이고 높이가 2m 이상이며 길이가 50m 이상 (전력 또는 통신사업용인 것은 500m)인 것󰡓이라고 구체화하고 있다^[3].

지하 공동구는 현대 정보사회의 필수적인 인프라를 구축하는 중요한 기반 시설로서 도시는 물론 아파트와 같은 대형 주거단지를 조성하기 위해 반드시 고려해야 할 중요한 시설 분야이다. 지하 공동구에 설치하는 수용시설물은 국민의 일상생활, 경제 및 산업 활동의 필수적인 시설로, 정보통신, 에너지, 전기, 가스, 상·하수도를 공급하는 기반 시설로서 공공설비물의 수용 공간으로서의 중요한 역할을 담당하고 있다. Fig. 1의 좌측 사진은 지하 공동구 전력구이며 우측은 통신 및 상수구이다.

Fig. 1. Underground common duct

우리나라에 설치된 공동구는 현재 한국전력공사 및 KT에서 관리하는 공동구를 제외하고 한국토지주택공사에서 관리하는 공동구는 2016년 기준 113개소이며 설치 현황은 Table 1과 같다.

지하 공동구의 문제점에 대한 2020년 11월 NIA (National Information Society Agency; 한국지능정보사회진흥원)에서 보도한 내용에 따르면 현재 전국에 산재한 지하 공동구는 급격한 시설 노후화로 다양한 유형의 대형 복합 사고가 빈번히 발생하고 있는 실정이며 30년 이상 노후화 비율은 25%, 20년 이상 노후화 비율은 43%에 달하는 등 지하 공동구의 노후화가 급속히 진행 중이라고 발표하였다^[5].

지하 공동구의 내부 조명은 형광등기구 또는 방전등기구를 대부분 사용하고 있고 낮은 효율과 잦은 고장으로 인한 보수비용이 증가하는 추세이며 이는 Fig. 2와 같이 노후화된 지하 공동구 누수로 인한 내부 습기발생으로 고장율은 점점 더 증가하고 있는 실정이다.

Fig. 2. Water leak and low light environment

또한, 대부분의 공동구에서는 일반 CCTV 카메라 설치로 인하여 낮은 조도 환경에서의 영상 시인성이 낮고, 충분한 밝기 확보가 이루어지지 않을 경우 작업자 및 순찰자의 감시와 안전에도 문제가 발생할 수 있다.

본 논문에서는 평상시 색온도 5,000K에서의 지능형 LED 조명 등기구 교체를 통한 조도 환경 개선에 대한 내용을 서술하였다

3.1 지하 공동구 측정 환경

지하 공동구(청주) 측정 공간 환경은 Fig. 5와 같으며 1련(통신 및 상수구)의 높이는 2,100mm, 최대폭은 3,800mm이며 3련(전력구)의 높이는 2,100mm, 최대 폭은 1,800mm으로 되어 있다.

1련(통신 및 상수구) 조명시설은 18 W 2등용 형광등기구가 약 5m 간격으로 중앙 천정형으로 배치되어 있으며 3련(전력구) 조명시설은 18 W 1등용 또는 2등용 형광등기구가 약 5m 간격으로 중앙 천정형으로 배치되어 있다. 그리고 측정 대상 지하 공동구(청주)는 2련(도시가스구)이 없기 때문에 제외하였다.

Fig. 5. Sectional view of the interior of the underground common duct

3.2 지하 공동구 조도 평가 방법

현장의 조도 측정은 KS C 7612에 따라 지하 공동구 바닥 면을 기준으로 아래 Table 2와 같이 9점법을 적용하여 평가하였다. 여기서 Ei는 모퉁이점 조도, Eg는 내점 조도, Em 은 변점 조도이다^[11].

Table 2. Illuminance measuring equipment ^[11]

측정법	측정점	평균조도 계산식
9점법		$$ E_o=\frac{1}{16}\left(\sum E_i+2 \sum E_m+4 \sum E_g\right) $$

또한, Fig. 6과 같이 빔 각도별 렌즈(6종 이상) 및 기구설계와 모듈별 설치 각도 적용 배광 측정을 통하여 최적의 조건을 분석하였다.

Fig. 6. Various analyzes according to lens, lighting fixture design and installation angle

Fig. 7의 왼쪽 그림은 개발된 지하 공동구 적용 지능형 LED조명 등기구(30 W)이며, 오른쪽 그림은 시뮬레이션을 위한 배광 측정을 통해 도출된 배광곡선이다.

Fig. 7. LED lighting fixtures and light distribution curves applied to underground common duct

배광 측정을 통해 생성된 지능형 LED조명 등기구 IES File을 시뮬레이션 프로그램에 적용하여 분석하였으며 지하 공동구 1련(통신 + 상수구), 3련(전력구) 조건의 가상공간을 설정하고 평균조도를 평가하여 현장 측정값과 비교 분석을 진행하였다.

3.3 저조도 카메라 시인성 평가 방법

지하 공동구에 적용 예정인 상용제품 저조도 카메라의 규격은 Table 3과 같으며 시인성 평가를 위해 무반사 암실에서 지능형 LED조명 등기구 시제품의 디밍 기능을 활용한 밝기 조정 및 거리에 따른 영상을 분석하였다.

Table 3. Specifications of a low-light camera

장비 사진	장비 규격
	Model : XNO-6080R
	촬상소자 : 1/2.8형 2메가픽셀, 1945×1109
	전원 : 24V AC, 12V DC, PoE, 최대 15 W
	인증 : IP67, IP66, IK10, NEMA 4X

지능형 LED 조명 등기구와 시인성 카메라의 위치는 현장 설치 시의 천정 취부와 동일하게 빛의 간섭이 이루어지지 않도록 같은 방향을 바라보게 하여 Fig. 8과 같이 설치하여 평가하였다.

Fig. 8. Installation of the LED lighting fixture and the low-light camera

3.4 현장 조도측정과 조도시뮬레이션, 시인성 분석 결과

3.4.1 측정 장비

현장(청주) 조도를 측정하기 위해 사용한 조도계의 장비 규격은 아래 Table 4와 같다. 배광 측정을 통해 생성된 IES File을 적용한 조도 시뮬레이션은 RELUX를 사용하였다.

Table 4. Specifications of illuminance meter

장비 사진	장비 규격
	모델명 : CL-200A
	측정범위 : 0.1 ～ 99,990lx
	정밀도 : ±2 % 이내

3.4.2 현장 조도 분석

지하 공동구 현장 측정 조도 분포는 아래 Table 5와 같으며 평균조도는 KS C 7612에 따라 측정값의 영역별 가중치를 고려하여 계산하였다^[11].

● Eo = 1/16[모퉁이점 조도의 합+(2×변점조도의 합)+(4×내점조도)]

1련(통신 + 상수구)의 평균조도는 다음과 같다.

● 1/16[140.6+422+84.8] = 40.5lx

3련(전력구)의 평균조도는 다음과 같다.

● 1/16[213+276.4+37.2] = 32.9lx

Table 5. Illuminance measurement locations and the result

1련(통신 + 상수구)	3련(전력구)

Fig. 9는 지하 공동구 현장 조도 측정 사진으로 바닥에 측정 지점을 표시하고 수광부에 그림자가 생기지 않도록 하여 측정하였다. 표시된 측정 지점에 동일한 조도계를 사용하여 측정하였기 때문에 장비 정밀도 오차보다 적은 측정자 간 오차는 무시하였다.

Fig. 9. On-site illuminance measurement for underground common duct

3.4.3 지능형 LED조명 등기구 시뮬레이션 분석

지하 공동구 적용 지능형 LED조명 등기구는 고효율에너지기자재 인증 기준에 부합되는 효율 특성과 적용현장 조도기준을 만족하도록 개발되었으며 기존 5m 설치 간격보다 멀어진 10m 간격 설치 상태로 조도 기준을 만족할 수 있도록 10 W급 3개의 모듈 형태로 설계하였다. 또한, 확산형 렌즈와 모듈별 최대 45도 각도 조절이 가능하도록 제작하여 협소한 지하 공동구 내부 조건에 따른 조도를 확보하였다.

참고로 기구 광 효율 분석 결과, 소비전력 30.4 W, 광속 4,541.6lm으로 에너지관리공단 고효율에너지기자재 광 효율 기준값(115lm/W 이상)보다 높은 134.0lm/W의 특성을 나타내었다.

Fig. 10과 같이 배광시험기를 활용, 생성된 지능형 LED조명 등기구 IES File을 사용하여 지하 공동구 현장 공간 1련(통신 + 상수구), 3련(전력구)의 동일한 가상공간을 설정하고 시뮬레이션 분석(시멘트 회색 적용반사율 50%, 보수율 0.8 적용)을 통한 조도 값을 평가하여 지하 공동구 현장 측정 조도 값과 비교 분석하였다.

Fig. 10. Light distribution measurement

1련(통신 + 상수구)의 경우 평균 조도는 74lx로 현장 측정 평균조도 값 40.5lx보다 약 82.7% 높게 나타났으며, 균제도 또한 KS C 7658(LED 가로등 및 보안등 기구)의 LED 보안등 균제도 기준인 0.15를 넘는 것으로 분석되었다. 시뮬레이션 결과는 아래 Table 6과 같다.

Table 6. Simulation results for a communication and waterworks duct tunnel

3련(전력구)의 경우 시뮬레이션한 평균조도가 123lx로 현장 측정 평균조도 값 32.9lx보다 약 273.8% 높게 나타났으며, 균제도 또한 KS C 7658(LED 가로등 및 보안등 기구)의 LED 보안등 균제도 기준인 0.15를 넘는 것으로 분석되었다. 시뮬레이션 결과는 아래 Table 7과 같다.

Table 7. Simulation results for a power duct tunnel

3.4.4 저조도 카메라 시인성 분석

저조도 카메라의 시인성 분석은 동일 거리에서 조도 변경을 통한 공간 밝기 조정 상태에서의 피사체(사람) 영상을 확인하는 것과, 저조도(2lx) 고정상태에서 거리별 피사체(사람)의 영상 확인하는 것 두 가지로 진행하였다.

먼저 피사체(사람) 위치 고정상태에서 디밍을 통한 광량 가변 후 영상을 분석한 결과, Table 8과 같이 조도가 낮아지더라도 저조도 카메라 영상의 시인성은 큰 차이가 없는 것을 확인하였다.

Table 8. Low-light camera images according to the illuminance changes

다음은 지능형 LED 조명 등기구 디밍 기능을 적용하여 각각의 거리에서 2lx의 저조도 환경을 설정하고 거리별 피사체(사람) 영상을 분석하였으며 저조도 카메라의 위치에 따라 영상이 다르게 보일 경우를 감안하여 정면 설치 영상과 측면 설치 영상을 확인하였다.

거리 이격 후 영상을 분석한 결과, Table 9와 같이 저조도 카메라 영상의 시인성에는 큰 차이가 없는 것을 확인하였다.

Table 9. Low-light camera images according to the distance changes