1. 서 론

1.1 연구배경

2015년 국내에서 발생한 선박의 화재와 폭발사고는 2011 년 대비 16건 증가하여 100건에 달했고, 이로 인한 인명피해 는 5년간 158명에 달하며 이는 충돌 642명, 전복 412명 다음 으로 높은 것으로 조사되었다(KMST, 2016; NFA, 2016). 이와 같이 선박화재로 인한 인명피해가 큰 이유 중의 하나는 선 박은 육상건물에 비해 일반적으로 선내 이동통로의 높이가 낮고 매우 길고 복잡한 복도 구조를 갖고 있기 때문에 이를 통해 화재 연기가 매우 빠르게 확산되며, 또한 상대적으로 좁은 통로로 인해 다수가 동시에 빠른 시간에 이동하기 어 렵기 때문이다.

인명피해 최소화를 위해서는 선원을 대상으로 한 반복적 인 교육과 훈련이 필수적이다. 이를 위해 해사대학 재학생 이 해기사로 승선하기 위해서는 국제협약(STCW 1978/2010 부속서 제 VI조)과 국내법(선원법 제 116조, 동법시행령 제 43조 및 동법 시행규칙 제 57조)에 따라 선원의 훈련, 자격증 명과 관련된 해상안전교육을 필수로 이수해야만 한다. 이 교육은 선박에서의 소화, 조난 시 비상 탈출 및 해상 생존 방법, 각종 선박 사고 발생 시 응급처지 요령 등을 반복적으 로 실습함으로써, 본인의 안전은 물론 전문사관으로서의 책 임감과 안전 리더의 역량을 키우는 것을 목적으로 한다.

대부분의 세부교육들은 이론적이고 실무적으로 그 교육목 표를 달성했지만, 선박 화재 시 비상탈출교육은 교육환경의 구축, 운영과 유지관리의 어려움으로 전문시설을 갖춘 재교 육기관인 해양수산연수원에서만 실시되어 왔다. 하지만, 이 러한 시설도 육상에 설치되어 실제 선박과 동일한 교육환경 을 구축하는 데는 한계가 있었다. 따라서 실무적 재난대응능 력 배양의 교육목표차원에서 교육방법 개선을 통해 실선에 서 연기충진에 의한 탈출훈련의 필요성이 제기되어 왔다.

1.2 기존문헌 고찰

화재에 대한 피난이동 시 이동속도, 이동경로결정 등 인 간의 피난특성에 영향을 미치는 주요 요소는 화재연기농도 에 의해 제한 받는 실내 가시도( , Visibility), 즉 사람이 현재위치에서 인식 가능한 물체까지의 거리이다. 선박의 경 우 컴퓨터 시뮬레이션만으로 해석이 가능한 화재 및 연기 확산특성에 관한 연구는 일부 수행되었지만, 실험환경구축 등의 어려움으로 인해 선박에서의 화재 혹은 연기 환경에서 사람의 피난 및 이동특성과 관련된 연구 사례는 매우 부족 하다.

국내에서 진행된 대표적인 사례로는, Hwang et al.(2009)은 개인별로 가시도를 100%, 27%, 8 %로 조절할 수 있는 착용 장비를 이용하여 선박에서의 각 이동 속도와 시간을 실험하 였고 이를 화재해석시뮬레이션에 의한 안전피난허용시간 (ASET, Available Safe Egress Time)과 비교하여 생존율을 평가 하였다. 실험결과에 따르면, 가시율이 낮아질수록 통로에 대 한 판단능력이 저하되어 생존율은 낮아지고, 더욱이 익숙한 피난동선이라 하여도 통로차단과 같이 예상할 수 없는 환경 에서는 쉽게 방향감각을 상실하게 되므로 피실험자의 생존 율은 더욱 낮아졌다. Hwang et al.(2016)은 선박 정전조건 이 동특성 실험을 통해 정상조명조건에 비해 정전조건인 경우 의 이동시간이 전구간에서 155.8~247.1% 증가하지만, 정전 조건일지라도 적절한 피난유도기구가 설치된 경우에는 그 렇지 않은 경우에 비해 21.6~24.0% 이동속도가 개선된다고 보고하였다. 또한 Kim(2016)은 설계공간에서의 가시거리별 피난시간 연구에서 가시거리 피난허용한계값인 5 m일 경우 가 3 m, 0 m인 경우보다 피난시간이 최대 약 2.5~2.6배 증가 하지만, 가시거리 3 m와 0 m 조건에서는 유의적인 차이가 없 음을 확인하였다. 한편, 선박 환경 숙련도에 따른 실습생의 이동특성 연구(Hwang and Lee, 2014)는 숙련도가 높을수록 피난능력은 우수하지만, 숙지된 비상훈련 외의 시나리오에 대한 대응능력은 충분하지 않기 때문에 다양한 재난대응훈 련용 시나리오개발과 반복훈련의 필요성을 제시하였다.

그러나, 실제로 실습생이 익숙한 선박의 내부에 화재연 기 피난이동교육이 가능한 환경을 만들고, 실습생들이 연기 가 없는 상태와 화재를 가상한 연기 충진 상태에서 비교 훈 련하고 이를 비교분석한 사례는 찾아보기 어렵다.

1.3 연구목적과 범위

선상안전교육 중 실습생에게 화재연기의 위험성을 분명 히 인식시키고 또한 안전한 피난이동이라는 교육목표를 달 성하기 위해, 국내 운항실습선을 연구대상으로 선내 공간에 단순이동경로(복도)와 복잡이동경로(교육목적에 맞게 설계 된 미로 공간)를 구축하고, 이 공간에서 연기충진 여부에 따 른 실습생의 피난이동교육을 실시하였다. 이 연구는 좁은 관점에서는 향후 교육자료로 활용되고, 넓은 관점에서는 선 상재난대용용 인명안전설계를 위한 기초설계자료로 활용되 기를 기대하며, 교육훈련과정 중 취득한 실습생의 상황별 이동특성을 측정분석한 것이다.

단지, 선박 내부의 다양한 구역 중 거주구역으로 교육공 간을 한정하였다. 이는 거주구역이 일반적으로 재실자의 왕 래가 가장 많고, 내부구조가 복도와 선실로 단순하며, 구조 상 교육목적의 연기충전이 용이하기 때문이다. 또한 이 연 구는 환경변화에 따른 교육참여자의 수치적 행동능력변화 만을 분석대상으로 하며, 사고능력변화, 대응방안 등은 고려 하지 않았다.

2. 연구의 범위와 방법

2.1 교육 수행 대상선박 개요

이 교육은 해기사 전문인력양성을 목적으로 2005년 12월 에 건조된 한국해양대학교 실습선 한바다호에서 수행되었 다. 승선정원 246명인 실습선 한바다호는 최하부인 Second deck에서 시작하여, Main deck, Upper deck, Shelter deck, Boat deck 그리고 최상부인 Navigation & Bridge deck에 이르는 총 6개 deck로 구성되었다. 한바다호의 외관은 Fig. 1, 제원은 Table 1과 같다.

2.2 교육환경과 교육시나리오

전술한 바와 같이 이번 교육은 교육장소를 거주구역으로 한정하고, Fig. 2와 같이 한바다호의 거주구역인 Upper deck 점선 영역 내에 교육환경을 구축하였다. 특히 이 점선영역 내부는 선박 외부와 연결된 6개의 문을 통하여 교육 후 실 내에 가득 찬 연기를 쉽게 배기할 수 있고, 점선 내부 오른 쪽의 넓은 강의실 공간 내에 가설구조물을 이용하여 교육목 적에 맞는 피난통로를 만들 수 있다.

교육시나리오는 다음과 같이 3가지로 설계되었으며 이를 정리하면 Table 2와 같다.

이 시나리오가 추구하는 교육목적을 달성하기 위하여 Fig. 2의 점선 내부공간에 가설물을 이용하여 Fig. 3, Fig. 4와 같이 변경하였다. 단순이동경로인 P01에서 P02까지는 24.5 m 거리이고, 복합이동경로로 개발된 P02로부터 Exit(CE)까지 혹은 Exit(LE)까지의 최단경로거리는 각 경로중앙선기준으로 30.7 m로 동일하다. Fig. 3과 Fig. 4의 차이는 가설벽의 위치를 변경하여 P02에서 Exit(CE) 혹은 Exit(LE)까지의 최단경로를 다르게 한 것이다.

빠른 연기 충진과 보충을 위해 2대의 연기발생기(Fog generator, FG)를 사용하였고 이를 Fig. 3과 Fig. 4에 표시하였 다. 이 교육을 수행하고 데이터 측정을 위해 활용된 주요 장 비의 제원을 Table 3에 정리하였다.

2.3 교육방법

본 교육은 정규교과내용으로 포함시킬지 여부의 타당성을 검증하기 위한 프로토타입 성격의 교육이었기 때문에 실습 생의 자발적인 참여신청을 받았고 지원자 중 원활한 교육을 위해 총 60명의 학생만을 선발하였다. 동일한 교육이 2017년 9월 6일과 7일에 진행되었으며, 하루에 30명씩 참가하였다. 지원한 모든 실습생은 해상안전교육의 고급단계인 상급안전 교육(64시간)을 사전에 이수한 해사대학 3학년 학생들이며, 지원자들의 개요를 Table 4에 정리하였다. 실습생들의 체형 은 우리나라 20~24세 남녀의 평균체형(KATS, 2011)을 만족하 는 수치이다.

실습생들에게는 피난이동 교육에 임하기 전 Fig. 3의 도면 을 제공하여, Fig. 5의 설문결과와 같이 경로에 대해 충분히 숙지하도록 하였다. 또한 화재, 연기의 위험성, EEBD의 기 능, 그리고 Fig. 6과 같이 EEBD 사용법에 대해서도 교육이 되었다.

교육은 시나리오에 따라 SN1 → SN2 → SN3의 순서로 진 행되었다. SN1과 SN2 사이에는 Fig. 3에서 Fig. 4로 구조 변 경이 이루어졌고, SN2와 SN3 사이에는 연기발생기를 이용하 여 실내를 연기로 충진하였다.

또한 교육과정 중 실습생의 이동특성을 파악하기 위해, Fig. 3과 Fig. 4에 제시한 경로 상의 각 분기점에 A4용지 크기 의 알파벳을 무광( )으로 인쇄하여 부착하였고, 실습생의 안전모에 액션캠을 장착하여 개인별 이동과정을 녹화하였다.

3. 피난이동 안전교육 결과 및 분석

3.1 교육결과 개요

이 교육은 화재연기의 위험성을 인식시키기 위해 시나리 오에 따라 개인별로 P01을 출발하여 동일한 거리에 있는 Exit(CE) 혹은 Exit(LE)에 도착하는 시간을 비교하였다. 이에 개 인별로 취득된 데이터 중, ASET(안전피난허용시간, Available Safe Egress Time) 개념을 고려하여, Exit(CE 혹은 LE)에 도착 한 모든 실습생의 구간별 이동시간을 분석 대상으로 하였다. 3개의 시나리오를 수행하면서 연인원180명 중 96.1%가 목적 지에 도착했고, 9월 6일 SN3에서 5명, 9월 7일 SN1, SN2에서 각각 1명씩의 피난이동 중도포기자가 발생하였다. 또한 목표 지점에 도착한 173명의 실습생 중 60.6%(105명)는 Exit(LE)에, 30.4%(68명)는 Exit(CE)에 각각 도착하였다(Table 5).

2대의 연기발생기를 사용했음에도 불구하고 출발, 도착 시의 문의 개방, 실습생의 이동, 시간경과 등에 의해 연기농 도를 일정하게 유지하는 것은 현실적으로 어려운 일이다. 그러나 연기농도는 가시도에 직접적으로 영향을 미치기 때 문에 개인별로 녹화된 영상물 상의 구간별 가시거리와 이동 정보를 하나하나 목측 기록하여 실습생의 이동특성을 분석 하였다. 연기충진조건에서 수행된 SN3의 기록영상을 분석한 결과, 유효한 데이터 취득 및 분석이 가능한 것은 9월 6일에 12명, 9월 7일에 22명 등 총34명분의 영상물이었다. 또한 그 중 Table 6에 정리한 것과 같이 이동경로 전반의 목측가시거 리가 1 m 이내인 경우가 21명, 다른 구간의 목측가시거리는 1 m 이내이지만 P01-P02 구간에서의 목측가시거리만 4 m 이 상인 경우가 6명, 이동경로 전반의 가시거리가 2~4 m인 경우 가 7명으로 관측되었다.

이 연구에서는 기본적으로 SN3 시나리오에서 목측가시거 리 1 m 이내였던 21명 각각이 이전에 수행했던 SN1과 SN2의 데이터를 선별 정리하여 분석하였다. 또한 이동경로 중 직 선인 단순이동경로(P01 P02)와 곡선과 분기점이 있는 복잡 이동경로(P02 Exit)가 연결되어있기 때문에 이 연구에서는 상당속도(Equivalent velocity, v e )를 다음 식(1)과 같이 정의하 고 이를 활용해 취득 데이터를 비교분석하였다.

단, l s 는 두 지점 간 최단경로의 거리(경로의 중앙선 기 준)이며, t m 는 두 지점 간 이동 소요시간이다.

3.2 시나리오별 피난이동 상당속도

21명의 데이터를 종합하여 분석한 결과를 시나리오와 이 동구간별로 구분하여 Table 7에 정리하였다. 우선 시나리오 의 관점에서 보면, 익숙한 이동경로로 이동하는 SN1과 익숙 한 이동경로에 장애가 발생하여 다른 경로로 이동해야만 했 던 SN2의 결과에 큰 차이가 발생하지 않음을 알 수 있다. 이 는 실습생들이 전체 경로를 충분히 숙지하였기 때문에 이동 중 장애가 발생했음을 인식한 후 빠르게 다른 회피경로를 찾아 이동하여 목적지에 도착하였기 때문으로 판단된다. 그 러나 실내에 연기가 충진된 SN3과 그렇지 않았던 SN2를 비 교해 보면, 전체구간에서 연기에 의한 이동능력 저하로 평 균 상당속도가 0.8 m/s 에서 0.3 m/s 으로 62.5% 감속되었다.

한편, 이동경로의 특성 관점에서 보면, 시나리오에 관계없 이, 단순이동경로(P01 P02)의 평균 상당속도가 복잡이동경 로(P02 Exit)에 비해 느리고 표준편차도 크다는 것을 보여 준다. 또한 단순이동경로(24.5 m)와 복잡이동경로(30.7 m)의 길이 차이는 약 6.2 m에 불과하지만 전체이동경로(P01 Exit) 확률분포는 상대적으로 복합이동경로와 매우 유사함을 알 수 있다. 이는 단순이동경로와 복합이동경로가 섞여있는 일 반적인 피난이동경로에 대한 설계와 해석에서는 복합이동 경로에 더 많은 관심이 필요하다는 의미이다.

3.3 피난경로특성과 개인별 상당속도

Fig. 7은 SN3에서 목측가시거리가 1 m 이내였던 21명 각각 의 시나리오별 피난경로별 상당속도를 비교한 결과를 보여 준다.

특히 3.1절의 분석에 따라 전체이동경로(P01 Exit)의 상 대속도에 대한 복합이동경로(P02 Exit)의 상대속도 비율 (Comparative velocity ratio)을 보면 SN1과 SN2가 0.75~0.77 수 준에서 개인간 변동폭이 작지만, SN3의 경우에는 평균비율 이 0.97로 커지지만 개인간 변동폭은 매우 크게 나타났다. 이는 일반적으로 연기충진조건에서 전체이동경로의 상대속 도는 복합이동경로의 상대속도의 영향을 크게 받지만, 개인 적인 경로선택 의사결정과 신체적 운동능력의 차이에 따라 평균을 벗어나는 사례가 적지 않음을 의미한다.

3.4 가시거리에 따른 피난이동 상당속도

아래 3가지 경우의 데이터를 활용하여 가시거리에 따른 피 난이동 평균상당속도를 파악하여 Fig. 8에 결과를 도시하였다.

Fig. 8로부터 가시도(d v i s )와 상당속도(v e q ) 사이에는 다음 과 같은 관계가 존재하며, A 와 B 는 이동경로특성에 따라 다르다는 것을 알 수 있다.

기존 문헌자료(SFPE, 2005)는 감광계수와 가시도의 관계, 감광계수(Extinction coefficient)와 이동속도의 상관관계를 분 리하여 설명하고 있기 때문에 이를 활용하면 일부 범위의 가시도와 이동속도의 관계를 추측할 수 있다. 이러한 방법 으로 산정된 비독성 연기의 가시도에 따른 이동속도 추측값 은 Fig. 8의 분포범위에 근접하였다.

3.5 실습생의 긴장감에 따른 피난이동시간 변화

9월 6일과 9월 7일의 교육방법은 동일하였으나, 실습생의 긴장감은 달랐고 이것이 이동속도에 영향을 미친 것으로 파 악되었다. 9월 6일의 경우 실습생은 이번 교육이 단순 집합 교육의 일환으로 인식하였으나 SN3에서 교육 중도포기자 5 명 발생하는 등 연기충진 시 이동의 어려움을 인식하게 되 었고, 이 상황은 9월 7일 교육에 참여하는 실습생들에게 직 간접적으로 전달되었다. 즉, 9월 7일 교육은 9월 6일 교육에 비해 높은 긴장감 속에서 진행되었으며, 이로 인해 실습생 은 사전에 제공되는 정보를 모두 숙지하려고 노력했고, 이 동에 필요한 의사결정도 빨랐던 것으로 조사되었다. 이러한 긴장감의 증가에 따라 Fig. 9에 보이는 것과 모든 경로에서 6일에 비해 7일의 상대속도가 빨라져, 전체 경로(P0 Exit)에 서의 평균상대속도는 34.2% 향상되었다.

3.6 연기충진 교육효과

화재 연기에 의한 인명피해는 독성과 연기농도에 의해 발 생한다. 독성은 인명피해의 직접적 원인이며, 연기농도는 가 시거리 불량에 따른 이동속도 저하로 이어지면서 인명피해 가 발생하는 간접적 원인이다.

연기의 독성과 관련해서, 이 교육에서 실습생들은 EEBD 를 착용하는 시나리오 교육을 이수했기 때문에 간접적으로 화재시 발생하는 독성 연기에 대한 대응방법을 습득했다고 판단된다.

또한 교육이수 후 연기충진 상태에서 피난이동 시 가장 큰 장애요인은 무엇이었는가라는 설문에 대해, Table 8에 요약한 것과 같이, 47명의 학생이 “연기충진에 따른 시야 미확보”라 고 응답하였다. 이는 연기농도의 위험성과 이동의 어려움을 실습생들이 직접 체험 후 응답한 것으로, 이 교육의 중요성을 간접적으로 나타내는 의미있는 결과로 해석할 수 있다.

4. 결 론

이 연구는 화재연기의 위험성을 인식시키고 그에 대한 대 응능력 향상을 목적으로 수행된 해양안전훈련과정에서 취 득한 실습생의 상황별 이동특성을 측정분석한 것이다. 화재 연기의 위험성을 실습생에게 효과적으로 전달하기 위한 교 육환경을 실습선 내부에 구축하고 교육시나리오를 개발하 여 운영하였다. 교육 수행 중 취득한 데이터를 분석한 결과 를 정리하면 다음과 같다.

연기가 충진된 상황에서의 피난성공 가능성은 운동능력 과 사고능력(예, 경로선택 의사결정능력, 재난피해경험 여 부, 재난대응교육이수 여부 등)에 의해 결정된다. 본 논문은 실습생의 가상 화재연기 유무에 따른 선내환경에서의 운동 능력을 수치적으로 분석한 것이지만, 본 교육 중에는 본 건 과 별개로 개인별 사고능력을 분석하기 위해 피난경로 선택 과 진행과정 등에 대해서도 관찰, 기록하였다. 향후 이에 대 한 추가적인 연구를 통해 피난이동 시 행동능력과 사고능력 상호간의 영향력을 비교분석하고 또한 선박재난 시 인명피 해최소화를 위한 인명안전설계용 데이터베이스를 구축하고 자 한다.