2.1 재난 대피 취약성

취약성이라는 용어의 개념은 다양한 해석이 가능하지만^{(Few, 2003)}, 기본적인 수준에서 피해에 대한 민감성으로 정의될 수 있다^{(Adger, 2006)}. 취약성은 물리적, 사회경제적, 환경적, 제도적 요소를 포괄하는 개념으로, 환경 및 사회과학을 비롯한 다양한 분야에서 그 목적에 따라 정의되어 활용되었으며, 재난 연구 측면에서 취약성 개념은 “위험 요소의 영향으로부터 예측하고, 대처하고, 저항하고, 회복하는 개인, 그룹 또는 시스템의 특성 및 능력”을 함의한다^{(Wisner et al., 2004)}.

취약성 평가는 피해에 대한 민감성을 평가하고 위험 감소를 통해 안전성을 향상시키는 강력한 도구로 활용될 수 있으며^{(Adger, 2006)}, 특히 재난 취약성(재난 연구 측면에서의 취약성) 평가는 재난의 완화, 대비, 대응 및 복구 차원에서 시스템을 분석하고 취약성이 높은(민감성이 높은) 요소를 식별하여 개선할 수 있는 기술이다^{(Lee, 2017)}. 재난 취약성을 평가하는 프레임워크는 범위와 주제에 따라 다양하며, 재난 대응 및 피해 예방을 위해 도시와 시설물 방재 측면에서 재난 취약성을 평가한 연구가 진행되었다. 인구밀도가 높은 메가시티에 대해 사회 경제적, 인프라, 중요 시설, 적응 능력 및 전반적인 취약성 주제가 지표로 정량화되어 평가되었으며^{(Sherly et al., 2015; Balica et al., 2012)}, 기후변화 시나리오를 적용하여 도시 단위의 재해 취약성이 평가되었다^{(Lissner et al., 2012; Blakely, 2007)}. 또한, 도시 교통 시스템의 재난 취약성이 네트워크 모델을 통해 분석되었으며^{(Khademi et al., 2015)}, 홍수 재해에 대해 도시 지하 공간의 취약성 및 주요 영향 요인이 평가되었다^{(Wu et al., 2018a; Forero-Ortiz et al., 2020)}. 하지만, 이들 연구는 도시 혹은 도시 인프라 차원에서의 재난관리를 위한 취약성 분석에 초점을 두고 있으며, 개별 시설물 및 국지적 공간 분포 차원에서 재난 양상과의 연관성을 바탕으로 한 재난 대피 취약성에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

이에 따라, 본 연구에서는 실제 지하철 역사 대상으로 사례 연구를 진행하여 개별 시설물 및 국지적 공간 분포 차원의 재난 취약성 활용사례를 제시한다. 구체적으로, 지하철 역사에서 공간 분포와 재난 대피 양상의 연관성을 파악하고 대응 체계 수립을 위한 일환으로써, 재난 대피 취약성 개념을 활용한다. 지하철 역사에서 발생하는 재난 시나리오를 가정하고, 역사 공간에 대해 대피 시 예상 밀집도 및 전체 피난 흐름 양상을 분석하여 재난 대피 취약성을 평가한다.

2.2 네트워크 중심성 이론

네트워크 중심성은 네트워크 내 노드의 중요성을 평가하기 위한 척도로 널리 활용된다^{(Coursey and Mihalcea, 2009)}. 이는 의미론적 관점에서 네트워크에서 특정 개념 혹은 객체와 가장 관련성 높은 의미 자원을 찾는 데 활용될 수 있으며, 소셜네트워크, 사회 인프라 네트워크 및 지식 네트워크 등에서 다양하게 적용되었다^{(Čerba et al., 2017; Guéret et al., 2012; Moore et al., 2003)}.

연결 중심성(Degree Centrality), 근접 중심성(Closeness Centrality), 매개 중심성(Betweenness Centrality), 고유벡터 중심성(Eigenvector Centrality)을 포함하여 노드의 중요성을 평가하는 다양한 중심성 유형이 네트워크 연구에 적용되었으며, 재난 연구 측면에서는 위험 요소에 대한 네트워크의 취약점을 식별하여 개선점을 도출하는 데에 활용되었다. 도로 네트워크에서 재해 시 취약구간 및 주요 교차로를 식별하는 연구가 진행되었고^{(Kim and Song, 2016; Chen et al., 2021)}, 물류 네트워크, 전력 및 물공급망 시스템 등에서 재해성 이벤트(자연재해, 블랙스완, 정전)에 대한 취약노드 평가가 수행되었다^{(Zarghami and Dumrak, 2021; Amani and Jalili, 2021; Mortula et al., 2020)}. 그러나, 이들 연구는 인프라 시스템과 도시 체계 단위에서의 공간 토폴로지를 기반으로 한 취약성 분석에 중점을 두고 있으며, 개별 시설물 단위에서의 공간적 구성, 특히 지하 시설물에 대한 중심성 분석 연구는 극히 드물다.

본 연구에서는 개별 지하 시설물 및 국지적 공간 단위의 재난 취약성 평가 측면에서, 공간 토폴로지 기반 중심성 분석을 수행한다. 지하철 역사 공간의 재난 대피 취약성을 평가하고 취약공간을 식별하기 위한 도구로써 네트워크 중심성 분석이 활용되며, 구체적으로 공간 구문 개념을 적용하여 역사 공간을 네트워크형으로 표현하고 재난 대피 시 공간 활용에 대한 척도로 중심성 지표를 활용한다.

3.1 지하철 역사 공간 모델링

지하철 역사 공간의 재난 대피 취약성 분석을 수행하기 위해, 역사 공간을 공간 구문(Space Syntax) 개념을 적용하여 네트워크형으로 모델링할 수 있다. 공간 구문은 공간 간의 연결성 및 사회적 상호작용을 분석하는 방법론이며^{(Dursun, 2007)}, 이를 통해 역사 공간의 구조를 노드로 구성하고, 공간 간 연결성 및 대피 흐름 특성을 엣지 및 가중치로 표현할 수 있다. 네트워크 중심성 분석을 수행하기 위한 지하철 역사 모델링 방안은 저자들의 선행연구^{(Jeong et al., 2023)}에서 제시된 바 있으며, 자세한 구성은 다음과 같다:

○ 지하 역사 공간의 각 층은 균등한 구역으로 나누어져 노드로 표현된다.

○ 재난 대피 흐름에 주요하게 작용하는 층간 이동 요소(에스컬레이터, 계단 등)은 노드로 표현된다.

○ 직접적으로 이동 가능한 노드 간은 1차 관계의 엣지로 표현된다.

○ 지상 방향으로 제한되는 지하 시설물 재난 대피 흐름을 반영하여, 층간 이동에 관여하는 엣지는 상향의 단일방향으로 설정된다.

본 연구에서는 이러한 방법론을 적용하여 지하철 역사 공간을 모델링하며, 구축한 데이터 스키마는 그래프 구조의 자료저장 및 질의가 가능한 그래프 데이터베이스 Neo4J에 저장한다.

3.2 재난 대피 취약성 분석

재난 대피 취약성을 평가하기 위한 도구로 네트워크 중심성 중 매개 중심성을 사용하였다. 매개 중심성은 노드 A의 중요성을 A가 포함되지 않은 임의 노드쌍 간의 최단 경로 중 A를 포함하는 경로의 비율로 평가하며, 다음과 같이 계산된다^{(Wasserman and Faust, 1994)}.

여기서, $g(v)$는 노드 $v$의 매개 중심성 값을 나타내며, $\sigma_{st}$는 노드 $s$에서 노드 $t$까지의 최단 경로 수를 나타내고, $\sigma_{st}(v)$는 $\sigma_{st}$ 중 노드 $v$가 포함된 경로 수를 나타낸다.

특정 네트워크의 맥락에서, 매개 중심성은 상대적 중요성을 평가하고 정보의 병목(bottleneck) 혹은 취약점을 식별하는 지표로 기능할 수 있다^{(Mizgier et al., 2013; Newman, 2010)}. 네트워크 상에서 높은 매개 중심성을 가진 노드는 네트워크 구조 및 정보(자원 또는 영향력) 흐름을 통제하고 높은 영향력을 지닌다^{(Barthelemy, 2004)}. 이는 공간 네트워크에서 높은 매개 중심성의 공간은 전체 공간 간 연결구조를 중개함을 시사하며, 재난 대피 상황에 있어서는 대피 인원이 집중되고 전체 대피 흐름을 통제하는 공간으로 해석될 수 있다. 따라서, 매개 중심성을 통해 재난 대피 시 병목 지점을 특정할 수 있으며, 이들을 중점적으로 고려하여 대피 경로 다양화, 인원 분산 전략 및 비상 출구 최적화 등의 재난관리가 이루어져야 한다.

본 연구에서는 재난 대피 취약성 평가 범위를 공간 분포와 재난 대피 양상의 연관성으로 정의하고, 매개 중심성을 재난 대피 상황에서 재난 대피 양상 및 공간의 병목 현상 가능성을 평가하기 위한 지표로 활용하였다. 3.1절을 통해 구축된 데이터 스키마에서, Neo4j Betweenness Centrality APOC 프로시저 함수를 통해 매개 중심성을 계산하였다. 또한, 보다 사실적인 측면에서 재난 대피 취약성을 평가하고 제안한 방법론의 적용성을 검토하기 위해, 재난 상황에 따른 공간적 연결성의 변화를 반영하여 분석을 수행하였다. 구체적으로, 화재, 지진, 테러 등 재해성 이벤트에 의해 특정 구역의 공간 연결성이 단절되면, 그 특정 구역과 1차 관계된 엣지가 제거되고 시나리오에 대한 매개 중심성 계산이 수행되었다. 이러한 매개 중심성 분석 결과를 바탕으로 지하철 역사의 재난 대피 측면에서의 공간 분포 특성을 분석하고, 취약점 식별 및 개선 방안에 대해 검토하였다.

4.1 광교중앙역 모델링

본 연구에서 제안한 방안을 적용할 대상 지하철 역사 공간은 서울 신분당선 광교중앙역으로 선정하였다. 광교중앙역은 공간 구성이 단순한 전형적인 지하철 역사 구조물로, 재난 대피 취약성 분석 결과를 검증하고, 공간 분포와 대피 양상 간 관계를 직관적으로 파악하기에 용이하다.

Fig. 1. Visualization of Data Schema of Gwanggyo Jungang Station

광교중앙역은 지하 3층으로 구성된다. 3.1절에서 제안한 방식에 따라 각 층은 8개의 균등한 영역으로 구분되며, 계단 및 에스컬레이터와 함께 노드로 고려된다. 지하의 층수를 (B), 구역 위치(S, L/R)을 기준으로 노드를 레이블링하며, 직접적으로 이동 가능한 영역들은 “연결되어 있음”을 의미하는 “is_connected_with” 엣지로 관계된다. 또한, 층간 이동 요소는 각각 ES(에스컬레이터), S(계단)로 레이블링된다. 자세한 데이터 스키마를 Table 1에 나타내었으며, 이를 시각화하여 Fig. 1에 나타내었다.

4.2 광교중앙역 기본 모델 재난 대피 취약성 분석 결과

구축된 광교중앙역 데이터 스키마를 Neo4j에 저장하고, Neo4j 프로시저 함수 Betweenness Centrality APOC을 통해 매개 중심성을 계산하였다. 상위 7개 및 하위 7개의 계산 값을 Table 2와 Table 3에 나타내었으며, 광교중앙역의 매개 중심성 분포를 시각화하여 Fig. 2에 나타내었다.

광교중앙역의 최소 및 최대 매개 중심성은 각각 0.0, 168.91이며, 평균값은 60.61로 계산되었다. Fig. 2에서 원의 색이 진하고 크기가 클수록, 매개 중심성이 높은 노드임을 의미한다. Fig. 2를 통해, 광교중앙역의 매개 중심성 분포 양상은 대칭적인 공간 구조에 따라 대칭성을 띄며, 지하 1층 및 지하 2층의 중앙구역에 매개 중심성이 집중되어 있음을 확인할 수 있다. 이들 구역은 평균값에 비해 약 220 % 이상 높은 값을 보이며, 이는 재난 상황 시 대피 흐름이 교차되며 병목 현상의 발생 가능성이 높음을 시사한다. 또한, Table 2에서 매개 중심성 지수가 서로 대각선 방향의 반대 공간 노드(점대칭 관계)끼리 동일함을 확인할 수 있다. 이는 지하 3층의 층간 이동 요소가 점대칭 구조 관계를 가짐으로서, 전체 대피 흐름 또한 L/R을 기준으로 역대칭적 양상을 뜀을 시사한다.

재난 상황에 따른 실질적인 대피 양상을 분석하기 위해, 재난 시나리오를 가정하고 공간적 연결성 변화에 따른 매개 중심성 분포를 파악하였다. 구체적으로, 앞서 서술된 바와 같이 광교중앙역의 재난 대피 시 주요하게 작용하는 지하 1층 및 지하 2층의 중앙구역이 어떤 재난에 의해 피해를 받아 다른 공간과의 연결성이 단절된 경우의 매개 중심성 분포를 파악한다. 또한, 상향으로 제한되는 지하철 역사 대피 흐름에서 주요하게 작용하는 층간 이동 요소 및 출입구의 공간적 연결성 단절에 대해서도 매개 중심성 분석이 수행된다. 이들 각 요소의 피해에 대한 5개의 시나리오를 Table 4에 정리하였으며, Table 4의 ‘Disconnected node’는 피해 받은 구역 요소 내에, 공간적 연결성이 단절된 특정 노드를 의미한다.

모든 재난 시나리오에서 공통적으로, 이벤트가 발생한 노드와 인접하는 노드의 매개 중심성이 가장 크게 변동했으며, 이벤트 발생 지점이 지상에 가까울수록 변동성이 큰 것으로 나타났다. 이는 지상 방향으로 한정되는 지하 시설물 대피 흐름의 특성으로, 공간 연결성이 단절되는 지점이 지상 혹은 출입구와 가까울수록 전체 재난 대피 흐름의 변동성이 큼을 의미한다. Fig. 2와 Fig. 3에서 이벤트 발생 지점과 상관없이 지하 1층 및 지하 2층 중앙구역에 매개 중심성이 집중되어 있음을 확인할 수 있다. 이는 광교중앙역에서의 재난 대피 흐름이 중앙구역에 편중되어 있으며, 이 구역이 피해를 받을 경우, 인접하는 중앙구역으로 대피 흐름이 쏠림으로써 병목 현상 발생 가능성이 가중될 수 있음을 시사한다.

Fig. 2. Visualization of Betweenness Centrality

Fig. 3. Visualization of Betweenness Centrality of Disaster Scenarios: (a) Scenario #1, (b) Scenario #2, (c) Scenario #3, (d) Scenario #4, (e) Scenario #5

Fig. 4. Visualization of Betweenness Centrality of Improvement Method

4.3 재난 대피 시 병목 현상 개선 방안 검토

광교중앙역의 재난 대피 취약성을 개선하기 위해서, 우선적으로 중앙구역에 집중되는 재난 대피 흐름을 분산시킬 필요가 있다. 이를 위해 가장자리 구역의 재난 대피로로써의 활용성을 증대시킬 방안을 검토한다.

광교중앙역의 양 측면에는 계단 대피로가 존재한다. 에스컬레이터와 병행하여 재난 대피 흐름을 분산시키는 역할을 하지만, 출입구까지의 연속적 이동이 아닌 단층 간 이동만 가능하다는 한계가 있다. 따라서, 계단끼리의 연속적인 공간적 연결을 통해 재난 대피로로써의 활용성을 증대시킬 수 있다. 즉, 계단을 연속적으로 사용하여 연속적 층간이동이 가능하도록 하는 구조적 개선의 시나리오를 대안으로 검토할 수 있다. 이 개선 방안의 효용성을 검토하기 위해, S1-S3-S5와 S2-S4-S6을 연결하는 엣지를 추가하고 (‘대피통로 추가 시나리오 1’) 매개 중심성 분석을 수행하였다.

개선 방안에 대한 매개 중심성 최소 및 최대 값은 각각 0.0, 158.8이며 평균값은 56.48로 계산되었다. 기존 매개 중심성 분포의 분산이 2454.71이고 표준편차가 49.55인데 반해, 개선 방안을 적용했을 때의 분산은 1825.04로 약 26 % 감소했으며, 표준편차는 42.72로 약 14 % 감소했다. 이 상대적 지표를 통해, 제안된 대피통로 추가가 광교중앙역의 대피 흐름 분산에 효과적으로 기여할 수 있음을 확인하였다.