임종민
(Jong-Min Lim)
1iD
유성식
(Seong-Sik Yoo)
2iD
신진수
(Jin-Soo Shin)
3iD
신상욱
(Sang-Wuk Shin)
†iD
-
(General Manager, Digital Convergence Research Headquarters, KIEL Institute, Korea)
-
(Senior Research Engineer, Digital Convergence Research Headquarters, KIEL Institute,
Korea)
-
(Research Engineer, Digital Convergence Research Headquarters, KIEL Institute, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Disaster and safety, Energy saving, dimming, Underground common duct, Visibility
1. 서 론
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 지하구는전력·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 것이라고 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.
Table 1. Installation status of underground common duct [4]
구분
|
시설수 (개)
|
전국
|
소계
|
113
|
서울시
|
소계
|
28
|
중구
|
1
|
노원구
|
2
|
은평구
|
3
|
양천구
|
11
|
강서구
|
2
|
영등포구
|
1
|
강남구
|
3
|
송파구
|
5
|
부산광역시
|
소계
|
46
|
부산광역시
|
46
|
인천광역시
|
소계
|
4
|
연수구
|
2
|
남동구
|
2
|
광주광역시
|
소계
|
6
|
광주광역시
|
6
|
대전광역시
|
소계
|
4
|
서구
|
4
|
경기도
|
소계
|
12
|
수원시
|
1
|
성남시
|
1
|
안양시
|
4
|
군포시
|
1
|
파주시
|
5
|
충청북도
|
소계
|
3
|
청원군
|
3
|
충청남도
|
소계
|
3
|
공주시
|
1
|
홍성군
|
1
|
예산군
|
1
|
전라남도
|
소계
|
5
|
장흥군
|
4
|
해남군
|
1
|
경상북도
|
소계
|
1
|
구미시
|
1
|
경상남도
|
소계
|
1
|
창원시
|
1
|
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
2. 관련 이론
국토교통부 훈령 제1608호 “공동구 설치 및 관리지침” 제15조(조명설비)에 따르면 “공동구 내에서 원활하게 작업하기 위해 조명설비를 갖추어야 하며,
이 경우 일정 기준 이상의 조도를 확보하여야 한다.”, “조명기구의 광원으로 발열이 낮고 효율이 높으며 조도기준을 충족하는 것을 사용하여야 하며,
조명기구는 방수형, 방폭형 및 내부식성 기구를 사용하여야 한다.”고 규정하고 있다. 또한, 제22조(공동구의 유지관리)에 따라 재난 및 안전관리,
사고예방 기능 강화를 위한 다양한 영상 및 정보통신 기술을 활용하도록 규정되어 있다[6].
또한, 국토교통부 표준시방서 “공동구 전기설비공사[7]”내용 중 “옥내조명설비[8]”는 KS “조도기준[9]”을 따르도록 되어 있어, KS에 따라 조도 범위를 선정하고, 조도기준은 시(視) 대상 작업면에서 수평면조도를 측정하되 조도기준은 시작업 면의 높이가
정해지지 않은 경우는 바닥 위 0.85m를 기준으로 하고 바닥에 앉아서 하는 일인 경우는 바닥 위 0.4m, 복도 또는 옥외의 경우는 바닥 면을 기준으로
측정한다[10].
건축전기설비 설계기준에서 정하는 공동구 전기설비의 설계기준에 따르면 조명설비는 공동구 내의 작업면 및 대피에 필요한 조명을 확보하는 데 목적이 있으며
최소조도 확보 기준은 다음과 같다.
전기실, 발전기실(공동구 내부 설치 시) : 100∼200lx
환기구, 교차구 및 분기구 등 주요부분 : 100lx
공동구 일반 부분 : 15lx
출입구 계단 : 40lx
KS의 평균조도 산출법에 따르면 측정범위의 평균조도는 단위 구역마다 평균조도를 구하고 단위 구역마다 평균조도 E는 원칙적으로 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 4점법에 모퉁이 4점의 조도 Ei를 측정하여 아래의 계산식으로 평균조도 E를 구한다[11].
$E=\dfrac{1}{4}\left(E_{1}+E_{2}+E_{3}+E_{4}\right)=\dfrac{1}{4}\sum E_{i}$
Fig. 3. Average illuminance calculation method according to the 4-point method [11]
단위 구역이 다수 연속하는 경우는 Fig. 4와 같이 평균조도 E를 산출한다[11].
Fig. 4. Calculation method of average illuminance when multiple unit areas are consecutive
[11]
3. 지하 공동구 환경 및 분석 결과
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
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
4. 결 론
본 논문은 지하 공동구에 적용되는 형광등을 대체하기 위한 조명 색온도 가변(3,000K, 5,000K)이 가능하도록 개발한 지능형 LED조명 등기구에
대한 광학적 성능을 분석하였으며, 이벤트 발생이 없을 때 에너지를 절약하는 저조도 환경에서 충분한 시인성을 가지는지 실험하였다.
기구 및 배광 설계를 통한 곡선 빔 각도와 효율 향상으로 설치 간격이 현행 5m에서 10m로 증가했으며 조명 등기구의 수량 감소와 함께 기존 에너지
사용량보다 많은 에너지 절감이 가능하도록 하였다. 개발된 지능형 LED조명 등기구(30 W)의 배광시험으로 생성된 IES File을 이용하여 시뮬레이션을
실시한 결과, 기존 형광등기구 대비 평균 조도가 1련(통신 + 상수구)의 경우 약 82.7%, 3련(전력구)의 경우 약 273.8% 향상되었음을 확인하였다.
지능형 LED조명 등기구 디밍 기능을 적용하여 조도를 변화시키고 이격 거리를 조절한 상태에서 저조도 카메라 영상을 분석한 결과, 충분한 시인성을 확보할
수 있음을 확인하였다.
또한, 교체 적용 목적으로 개발 중인 지능형 LED조명 등기구는 비상시 연무 투시를 위한 광색 가변(3,000K, 5,000K)은 물론 8종의 환경
감지 융합 센서와 침입자 감시, 작업자와 순찰자 감지 그리고 최단거리 출구를 반영한 탈출유도 알고리즘 연계 비주얼시그널이 포함되어 있다. 본 논문에서는
지하 공동구 내의 색온도 5,000K에서의 조도 환경 개선에 대한 내용만 언급하였으나 향후 과제 진행에 따른 추가 연구내용도 지속적으로 게재할 예정이다.
Acknowledgement
본 논문은 2023년도 정부(과학기술정보통신부, 산업통상자원부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2020-0-00061,
디지털트윈 기반의 지하 공동구 화재·재난 지원 통합플랫폼 기술개발).
References
Ministry of Land, IIlnfrastructure and Transport, “Article 2 of the national land
planning and utilization act,” 2023.
J. M. Lim, et al., “Visual signal luminance analysis and light source color application
study for escape guidance in Underground common duct,” Journal of the Society of Disaster
Information, vol. 18, no. 4, pp. 806-816, 2022.
National Fire Agency, “Order for enforcement of law concerning installation and management
of fire-fighting facilities,” 2023.
Ministry of Public Safety and Security, “Development of risk monitoring and ventilation
control system for the disaster prevention in urban underground utility tunnel,” 2016.
National Information Society Agency, “Press release from the National Information
Society Agency,” 2020.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, “Common duct installation and management
guidelines,” 2023.
Ministry of Land, IIlnfrastructure and Transport, Korean Construction Specification
“Common duct electric facility work(KCS 31 85 20),” 2019.
Ministry of Land, IIlnfrastructure and Transport, Korean Construction Specification
“Indoor lighting equipment (KCS 31 70 10),” 2019.
Korean Agency for Technology and Standards, “Recommended levels of illumination(KS
A 3011),” 2018.
Ministry of Land, IIlnfrastructure and Transport, “Common duct electrical facility
work,” 2019.
National Standard, “Illuminance measurements for lighting installations(KS C 7612),”
2022.
Biography
He has received degree in electrical engineering from Hoseo University, Korea for
B.S. (1994), M.S.(1996) degree in electrical engineering from Kwangwoon University,
korea and Ph.D. degree in lighting system from Hoseo University, Korea in 2011. His
research interests are lighting system, light pollution, and digital twin. He is currently
working as a general manager at KIEL Institute.
He received the M.S.(2014) degree in the Electrical & Electronics Engineering and
Ph.D.(2021) degree in BIT Medical Convergence, from Kangwon National University. His
research interests are road and tunnel lighting, light pollution. He is currently
working as a senior research engineer at KIEL Institute.
He has received degree in Mechatronics Engineering from Inha Technical College,
Korea for Associate’s Degree in 2018. His research interests are light environment
and light pollution. He is currently working as a research engineer at KIEL Institute.
He has received degree in electrical engineering and lighting system from Hoseo
University, Korea for B.S.(1996), M.S.(1998) and Ph.D.(2011). His research interests
are smart lighting, traffic safety. He is currently working as a principal research
engineer at KIEL Institute.