AI 영상분석을 통한 건설현장 화재대응 플랫폼 구축
1. 서론
건설현장에서 발생하는 화재는 대형화재로 이어지는 경우가 많다. 지속적으로 정부에서 화재안전 특별대책을 수립하고 정책을 펼침에도 화재로 인한 피해가 계속되고 있다. 더욱이 건설현장 특성상 화재감지기, 스프링클러설비, 피난설비 등의 소방설비가 완비되지 않아 화재 발생 시 인명피해가 확대되는 경우가 많이 발생한다. 또한 건설현장에서 널리 사용되는 스티로폼 단열재 등은 열가소성 수지로 화열이 가해지면 유류와 같은 성상을 갖는다. 빠른 연소속도는 물론 다량의 유독가스를 발생이 뒤따른다. 그 밖에도 다양한 가연성 자재가 많이 사용되고 있다. 특히 대형 건설현장은 건축자재를 지하 주차장 등 내부 공간에 보관하는 경우가 많아 불이 나면 급속한 연소 확대 위험성이 있다. 스티로폼 및 우레탄폼 등과 같은 가연성 자재 사용, 용접·용단으로 화기에 노출되기 쉽다. 터파기 작업부터 유기용제를 이용한 마감 작업까지 각각 공정마다 화재 발생이 쉬운 환경이 조성되어 있으며 때로는 여러 작업이 동시에 일어나 다른 작업장과 달리 화재 위험성이 높은 불안정 상태들이 다수 존재한다.
최근 경기 이천 물류센터 신축공사 현장의 지하 2층 저온 창고에서 화재가 발생하여 작업 중이던 근로자 38명이 사망하고 12명이 부상을 당했다. 현장에서 용접·용단은 화재 발생의 주요 원인으로 꼽힌다. 실험에 따르면 용접·용단 시 발생하는 불티는 10m 멀리까지 비산하여 화재 발생 위험성이 높다. 이뿐만 아니라 불티에 의한 훈소현상으로 발생한 화재는 초기에 쉽게 발견하지 못해 화재를 키우는 경우도 많다. 건설현장 화재 발생을 초기에 인지하고 신속한 대응을 하기 위해서 정부에서는 건설현장 임시 소방시설을 설치하도록 하고 있으나, 소방시설은 화재발생을 전제로 조금이라도 근로자가 신속히 대처하기 위함이다. 더욱이 화재 발생 이후에는 현장에 대한 정보 부재 등으로 인해 소방관이 골든타임 확보하고 신속한 현장 대응을 하는 것은 여전히 어려운 문제이다.
건설현장 화재에서 출동한 소방대원이 골든타임을 확보하기 위해 가장 중요한 것은 화재 발생 지점과 근로자의 위치파악이다. 그러나 현재 소방본부에서 운영 중인 시스템에서는 건설현장과 소방대원과 연결할 수 있는 시스템이 없는 실정이다.
본 연구에서는 소방본부에서 운영하는 시스템에 새로운 기술인 AI1)영상분석 기술을 융합하여 화재 발생 시 골든타임을 확보하여 신속한 인명피해와 재산피해를 경감하기 위한 방안을 제시하고자 한다.
연구 방법으로는 건설현장 화재에 대해 발생 요인을 분석한 후 현재의 소방시설 설치 범위에 AI 영상분석을 통한 화재 사전 인지 기술을 적용하고 이를 긴급구조표준시스템과 연동하여 대형화재를 예방하고자 한다.
2. 현황
근 10년 동안 우리나라에서 연간 4만 건 이상 화재 발생하였다. 2021년은 4만 3천 건의 화재 발생으로 317명 인명피해와 880억 원의 재산 피해를 가져왔다. 그중 건설현장에서 발생한 화재는 대형화재로 이어지는 추세가 급증하고 있다. 2019년 3월 경기 용인시 쇼핑몰 신축 건설장에서 화재로 13명이 부상자가 발생했다. 2018년 3월에는 인천 부평구의 한 주상복합 신축 건설장에서 용접작업 중 발생 된 화재로 2명이 사망하고 5명이 다쳤다. 또한 2020년 4월 29일 발생한 경기도 이천 건설현장 화재에서는 용접 불티가 천장 우레탄폼에 튀어 발화한 것으로 총 50명(사망 38, 중상 4, 경상 8)의 인명피해가 발생했다.
최근 5년간(2017~2021년) 건설현장에서 발생된 화재는 총 4,008건이며 인명피해는 총 319명(사망 57명, 부상 262명)이다.2)
2-1 건설현장 임시소방시설 설치 기준
건설현장은 많은 사람이 함께 작업하는 공간으로 내․외장 건축자재 등 수용된 가연물이 많고, 용접‧용단3)등의 화재위험작업이 이루어지는 특성이 있는 장소이다. 또한, 작업 시 발생하는 소음으로 인해 다른 작업공간에서 발생한 화재를 초기에 인지하지 못할 우려가 있으며, 아직 완성된 건축물이 아니기에 대피에 어려움을 겪거나 고립될 경우 대형 인명피해로 이어질 수도 있다. 이러한 열악한 환경에서 화재를 예방하기 위해 소방청은 건설현장에 건축물이 완공되기 전까지 소화기, 간이소화장치, 비상경보장치, 간이피난 유도선 등 총 7가지의 임시소방시설을 운영하도록 규정되어있다. 표 1.2는 소방청에서 규정하고 있는 건설현장 임시소방시설 기준이다.
2-2 건설현장 화재안전대책
정부는 ‘08년 이천 냉동창고 유사재해 재발 방지 대책과 ’16년 화재 저감 종합 대책, ‘19년 범정부 화재 안전 특별대책을 추진하였다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고 2020년 4월 29일 발생한 경기도 이천 건설현장 화재는 50명(사망 38, 중상 4, 경상 8)의 인명피해를 가져왔다. 2020년 6월 고용노동부, 국토교통부, 국무조정실, 법무부, 소방청 등 관계부처 합동으로 건설현장 화재안전 대책 발표를 추가하였다.
- 발주자 : 건설 전 적정 건설 기간 산정, 무리한 공기 단축 시 형사처벌
- 건축자재 : 샌드위치 패널은 준불연 이상 성능 확보, 우레탄폼 등 내 단열재 및 창호에 대한 화재안전기준 신설, 화재안전 품질인정제도 도입
- 작업 중 안전조치 : 가연성 물질 취급과 화기 작업의 동시 작업 금지, 강제환기장치(예: 제트팬 등) 설치, 안전 전담 감리 확대
- 관리·감독 : 위험작업 실시간 파악 시스템(신고제), 지자체의 지도 근거 마련, 다중인명 피해 범죄에 대한 특례법 제정
2-3 소방출동시스템
건설현장 화재 신고를 접수한 119종합상황실에서는 관할 소방서 및 소방안전센터에 출동명령을 한다. 출동명령을 접수한 소방서 및 센터에서는 즉시 출동한다.
우리나라 모든 재난에 대응하기 위해 소방청과 18개의 시도 소방본부에 119신고를 접수할 수 있는 상황실을 운영하고 있으며 연간 1천만 건 이상의 신고를 접수하고 있다. 본 고에서는 건설현장에서 화재 발생시 119신고 접수를 할 수 있는 긴급구조표준시스템과 영상 문자를 접수 할 수 있는 119다매체 신고시스템에 대하여 현황을 살펴보고자 한다.
2-3-1 긴급구조표준시스템
소방청은 각 시도별 화재, 구조, 구급 출동을 위해 긴급구조표준시스템을 운영하고 있다. 화재의 경우 119 신고와 동시에 화재 발생 위치를 파악하고 가장 인접한 센터 3개소에 출동명령을 자동으로 전달하는 시스템으로 되어 있다. 신고접수 후 출동까지의 흐름은 그림과 같다.
2-3-2 119다매체 신고시스템
기존의 음성 중심의 신고접수 서비스에서 영상, 문자, SNS 등 다양한 매체로 서비스를 하는 시스템으로서 일반 휴대폰에서 음성 119신고 외 영상119신고가 가능하며 일반 센서에서 수집되는 데이터에 의한 119신고도 가능하도록 구축된 시스템이다. 본 고에서는 건설현장에서 영상으로 접수되는 신고를 처리하기 위한 시스템으로 활용된다.
2.4. 건설현장 화재 유형 분석
최근 10년간 건설현장 화재 사망사고는 총 109건으로 사망 182명, 부상 1,730명 (출처:국토교통부 2020년)으로 집계된다. 화재 원인으로는 주로 중·소규모 건설현장에서 마감공사 단계의 유증기 발생 또는 단열작업 중에 용접·용단의 불꽃 또는 전기누전에 의한 것으로 나타났다.
1) 발생 장소별 : 물류/냉동창고 43명(22.5%), 공장 39명 (21.4%), 주거 상가 26명 (14.4%)
2) 작업 공정별 : 마감공사 97명(53.3%), 구조물 공사 34명(18.8%), 토공사 32명(17.6%), 기타 부대공사 19명(10.4%)
3) 작업 종류별 : 용접·용단작업 41명(22.5%), 단열작업 40명(22.0%), 방수작업 15명(8.2%), 절단작업 13명(7.1%)
4) 점화원별 : 용접·용단 불꽃 51명(28.0%), 전기누전 19명(10.4%), 난로 소각 10명(5.5%), 그라인더 8명(4.4%)
5) 기인물4)별 : 유증기 88명(48.4%), 탱크(드럼통) 18명(9.9%), 단열재 17명(9.3%), 인화성 액체로 10명(5.5%)
화재 발생의 주요 요인은 가연성 건축자재인 샌드위치패널, 뿜칠 우레탄 등 대형화재 발생 위험이 있는 자재를 여전히 사용되고 있는 점이다. 또한, 위험작업들이 사전 조정 없이 혼재 또는 동시에 진행되고 있다. 각종 보고서에 따르면 인화성 물질 취급 작업 시 환기장치, 가스경보기 등 안전설비 미설치 및 작업계획서상의 작업시기, 공법 등이 실제 현장과는 일치하지 않은 경우도 많은 것으로 나타났다. 안전관리자, 화재감시자 등 현장 안전담당자들의 역할 부족 등으로 인해 화재 발생 시 대피로 확보, 비상훈련 등 화재 대응체계 역시 미흡하다. 더욱이 수시로 변경되는 건설현장의 작업공정은 위험작업에 대한 실시간 파악이 어렵게 만들고 적시에 점검 및 감독에 한계를 가져온다.
3. 건설현장 화재 발생 시 대응 한계
3.1 현장 상황파악 미흡
화재 발생 시 119 종합상황실에서는 화재 현장의 상황을 신속하게 파악하기 위해 신고접수 시 자동 혹은 수동으로 재난 현장 상황을 파악한다. 파악하는 내용은 일반화재의 경우 건축물용도, 상주 인원, 유동인구, 인접 건물 연소 확대 가능성 등을 파악하고 출동 후에는 주변 환경정보, 건축물 세부 정보, 현장 영상정보, 상황 정보 공유 등을 통해 상황을 관제한다. 현장대응 시에는 작전도 및 건축물도면 제공, 현장대원 작전지시 정보를 119상황실에서 현장으로 제공하게 된다.
그러나 건설현장 화재의 경우 신속한 인명구조가 우선이나 119 신고 시 화재 발생 위치 및 건설현장 상황, 건설 중인 인력 수 등 가장 중요한 정보를 실시간 파악이 수동으로 되어 골든타임을 확보하는 데 어려운 점이 있다.
3.2 건설현장과 정보전달 체계 부재
그동안 수차례에 걸쳐 건설현장의 화재 피해를 줄이기 위해 소방관련 법령을 개정해다. 소화기, 간이소화장치, 비상경보장치, 간이 피난유도선, 가스누설경보기, 방화포, 비상조명등을 설치하도록 하고, 소방안전관리자의 세부업무를 마련했으나 정작 화재 가 발생하면 소화 및 구조구급 활동을 위해 소방대원에게 필요한 정보는 부재에 가깝다. 건설현장에 대한 상세정보를 119상황실에서 파악하지 못하고 단순 전화 신고에 의존하여 화재 발생 사실만 알고 출동하는 문제점이 있다. 화재가 발생하면 무엇보다 우선으로 빠른 인명구조가 이뤄져야 하며 이에 가장 필요한 정보는 화재 발생 위치, 주변 환경, 위험물 파악 등이나, 이러한 정보는 알지 못하고 단순히 현장 관리사무소 직원의 119신고 내용만으로 출동함으로써 대형인명 피해를 줄이지 못하는 어려움을 안고 있다.
4. 추진방안
앞에서 살펴본 바와 같이 건설현장은 다양한 가연성 자재와 유류와 비슷한 성상의 스티로폼 및 우레탄폼 등은 물론 인화성을 띠는 유기용제가 곳곳에 있다. 또 한 직접적인 발화원이 되는 용접작업과 다른 작업 동시에 진행되기도 한다. 다른 작업환경과 달리 화재발생 위험성이 높은 불안정 상태들이 다수 존재하기 때문에 사전에 화재를 예방하는 것은 매우 중요하다. 항상 화재가 쉽게 발생할 수 있다는 것을 전제로 주의를 기울여야 한다. 화재가 발생한 경우 즉시 소방출동시스템과 필요정보가 공유되어 골든타임을 확보하는 것이 매우 중요하다. 따라서 이러한 부분을 해결하기 위해서는 화재나 그 밖의 안전사고가 발생될 경우 실시간으로 관리사무소와 관할 소방본부로 즉시 상황을 전송하는 시스템이 필요하다. 현재까지 이러한 부분을 해결하기 위해 소방시스템을 꾸준히 보강하였으나 아직 큰 효과를 거두지 못하고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 위험성 예측을 통한 안전관리와 실시간 현장상황을 감시할 수 있는 AI 영상분석으로 건설현장 화재예방 방안을 제시하고자 한다. AI 영상분석을 통한 건설현장 화재예방 시스템은 인프라 구축과 시스템 개발 및 시스템 연계 등을 필요로 한다.
1) 빅데이터 기반 건설현장의 화재 원인 및 특성 분석
2) 건설현장 GIS DB 구축
3) 화재 예방 및 대응 플랫폼
4) 딥러닝5)
기반 화재 예방 대응을 위한 영상분석
4-1. 빅데이터 기반 건설현장의 화재원인 및 특성 분석
화재가 발생한 건설현장의 데이터 분석 결과를 보면 ① 마감공사 단계 ② 유증기 발생 또는 단열작업 ③ 용접·용단의 불꽃 또는 전기 누전으로 화재가 발생한 것을 알 수 있다. 현장에서 공정별 화재 발생 요인을 찾아내고 기존의 데이터와 결합하여 새로운 모델링을 하는 것이 필요하다. 이러한 작업을 위해서는 소방청에서 보유한 국가화재정보시스템6) 내 공사장 화재 데이터 수집을 기본으로 한다. 화재발생요인에 대한 수집된 데이터를 바탕으로 데이터를 조합하고 조합된 데이터의 딥러닝을 통해 공사장 화재 요인별 모델링을 구축한다.
4.2. 건설현장 GIS DB 구축
AI 영상분석을 통한 건설현장 화재 예방 시스템 구축은 건설현장에서 일어나는 화재를 관리사무소와 소방본부 상황실에서 실시간 감시하는 시스템이다. 화재가 발생할 경우 발화위치 파악을 위해서 3차원의 좌표 값을 갖는 실내 공간정보가 필요하다. 3차원 실내 공간정보7) 를 바탕으로 건설현장 화면에서 센서 및 건설현장 등을 중첩하여 공간정보 데이터를 얻고 내·외부 공간정보를 연계하여 시설물 상태정보를 모니터링 가능하도록 한다. 실시간 모니터링으로 연기 발생 및 화재 여부는 물론 최초 발화지점에 대한 위치 정보 더 나아가 구조물 붕괴 및 붕괴 지점에 대한 정확한 위치를 파악한다.
4.3. 화재 예방 및 대응 플랫폼
모형 생성·관리·분석·표출 기술과 이에 대한 건설현장 환경 분석 및 관련 저작도구 개발이 우선되어야 한다. 그 후 건설현장에 일차적인 화재상황 판단을 할 수 있는 AI 엣지 컴퓨팅을 설치 운영한다. 건설현장 화재 예측·관리 요소기술 개발을 통해 정보수집·통합·분석하는 건설현장 통합 상황 관제 시스템 개발이 이뤄져야 한다. 119신고접수와 동시에 건설현장 3차원 공간정보 및 각종 센서 위치 값 등을 119긴급구조시스템으로 실시간 연결하여 운영하는 통합플랫폼 구축이 되어야 한다.
4.4 딥러닝 기반 화재예방 대응을 위한 영상분석
건설현장에 있는 CCTV 영상데이터, 열화상정보 유증기농도 데이터, 복합 화재감시 센서 데이터 등을 수집하고 딥러닝 기반 데이터 분석 및 영상분석을 할 수 있는 시스템을 구축한다. 이러한 각종 센서에 대한 정보를 실시간 파악하고 의사결정을 할 수 있는 실시간 모니터링 시스템을 마련해야 한다. 영상분석을 통해 위험 사고 예방 작업자의 안전모 미착용 및 동시간대 위험작업 체크와 인명사고 발생 낙상사고 등 작업자의 사고 발생 여부 체크, 미 구조자 발생작업자와 구조대원 등 출입인원에 대한 체크로 잔류 인원수 확인을 하고 실시간 모니터링을 통해 상황인지, 의사결정 지원정보 및 이상상황 위험도 추론 기술개발이 필요하다. 이러한 영상분석 내용은 사고와 동시에 소방본부 119다매체 시스템으로 연결되고 정보가 실시간 전송되는 시스템으로 구성되어야 한다.
4.5. 종합적 의견
AI영상분석화재대응 플랫폼 세부 구축내용으로는 건설현장의 현황을 정확히 파악하기 위해 사용자 및 시스템 요구사항 분석 및 설계와 영상 분석 등을 기반으로 건설현장 화재 예방 및 대응 시스템 설계가 필요하다.
분석이 완료되면 기본 검증 수행을 통한 화재 파악을 위한 영상 분석 학습 구조 및 무선 센서 네트워크 개발을 추진하여 건설현장 화재 예방 및 대응 시나리오 개발을 하여야 한다. 또한 건설현장 실시간 모니터링을 위해서는 건설현장에 대한 빅데이터 기반 화재 원인 및 특성 분석을 추진하고 건설현장에 대한 지형도면 및 구조물 CAD 도면 기반의 건설현장 GIS DB 구축을 하여야 한다. 이러한 작업이 완료되면 영상 분석 등으로 건설현장 화재 예방 및 대응 시스템 개발과 건설현장 영상 통합관리 시스템 구축을 추진하고 소방본부 119다매체 신고시스템과 연결하여 건설현장을 실시간 관리한다.
최종적으로 건설 현장 화재 예방 및 대응 시나리오 기반 표준운영절차(SOP) 매뉴얼 개발하여 현장에 적용시키면 AI 기반 건설현장 화재대응 플랫폼 구축이 완료된다.
5. 결론
AI영상분석화재대응 플랫폼을 활용하면 화재시 현장 정보를 실시간으로 알 수 있는 것은 물론 상시 현장의 안전관리가 가능하다. 더 나아가 AI영상분석화재대응 플랫폼 개발은 부실공사를 근절하는데 기여 할 것으로 기대되며 그동안 근본적 문제 해결보다 작업자의 안전의식에 의존했던 많은 안전사고의 발생을 줄이고 피해 규모를 감소시킬 것으로 기대된다. AI영상분석화재대응 플랫폼을 기반으로 소화활동과 긴급구조, 긴급구조지원 등 소방력이 향상될 것이다. 기존 사후대응 중심에서 사전 예측이 보강되며 건축물의 전주기 안전관리체계 구축 및 관련 생태계의 조성을 통해 재난 피해 저감 및 핵심 원천기술을 확보하게 되리라 기대된다.
향후 화재 확산예측, 화재 전조 감지 및 능동 대처 기술을 통한 사회적, 경제적, 환경적 피해의 최소화 및 복구비용의 절감 도모 등 AI 영상분석에 따른 기대효과 만큼 후속 연구가 절실하다.
1) artificial intelligence의 약자.지능적으로 인간 행동을 모방하는 능력과 알고리즘
2) 최근 5년간 건설현장 화재 4천8건…현장 특성 고려 화재안전기준 개선(2022. 8. 10, 소방청 보도자료)
3) 가스절단 혹은 아크절단처럼 금속을 용융하거나 금속을 산화시키고 그 산화물을 용융시켜서 자르는 방법의 총칭.
4) 기인물이란 직접적으로 재해를 유발하거나 영향을 끼친 에너지원(운동, 위치, 열, 전기 등)을 지닌 기계ㆍ장치, 구조물, 물체ㆍ물질, 사람 또는 환경 등을
말한다(한국산업안전보건공단, 2016, “산업재해 기록·분류에 관한 지침”)
5) 컴퓨터가 스스로 외부 데이터를 조합, 분석하여 학습하는 기술을 뜻함
6) 소방청에서 운영하는 화재정보 및 화재 관련 지식을 공유함으로써 궁극적으로 국민의 생명과 재산을 화재로부터 안전하게 보호함에 그 목적을 둔 범 국가적
안전관리 네트워크 시스템.
7) 지상 · 지하 · 수상 · 수중 등 공간상에 존재하는 자연적 또는 인공적인 객체에 대한 위치정보 및 이와 관련된 공간적 인지 및 의사결정에 필요한 정보이다
(「국가공간정보기본법」 제2조 제1항)
참고문헌
1) 박현건, 2018, “건설현장 안전감시단의 효율적 운영에 관한 실증적 연구”,명지대학교 대학원 박사학위논문
2) 배덕곤, 2022, “건설공사 현장의 화재안전관리 체계화 방안에 관한 연구“ 서울시립대학교 대학원 박사학위논문
3) 이연주, 2009, “건설현장 화재예방에 관한 연구”, 서울산업대학교 석사학위논문
4) 이희찬, 2017, “건설현장 화재사고 원인 및 안전대책에 관한 연구” 한국교통대학교 석사학위논문
5) 김준수, 2015, “빅데이터 분석 방법을 활용한 건설현장 안전사고 요인분석”, 영남대학교 대학원 석사논문
6) 박은석, 2020, “화재발생 특성분석을 통한 화재예측플랫폼 개발에 관한 연구”, 가천대학교 일반대학원 석사논문
7) 류성렬, 2019, “건설공사의 IoT 기술을 활용한 스마트 안전관리시스템 최적화에 대한 연구”, 경기대학교 공학대학원 석사학위논문
8) 강윤진, 2010, “건축공사 중 화재사고의 원인분석과 예방대책에 관한 연구”, 명지대학교 대학원 박사학위논문
9) 조천묵, 2015, “건축공사현장 화재안전대책 개선에 관한 연구”, 경기대학교 건설ㆍ산업대학원 석사학위문문
10) 광주광역시 소방안전본부, 2020, “광주신축 하정아이파크 붕괴사고 백서”
11) “건설현장 화재 발생 요인 분석에 따른 예방우선순위 연구”, 한국건설안전학회지 Vol.2 No2(2019), 김희수, 장상철, 주진규
글. 최갑용(공학박사, 광주소방학교 학교장)
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