KR102375246B1 - intelligent evacuation guidance simulation system for disaster situation - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 재난상황을 대비하여 대피자의 대피 경로를 안내하는 대피 유도 시스템으로서, 상기 대피 유도 시스템에 의해서, 조난지역에 존재하는 대피자 그룹의 수(N)와 각 대피자 그룹에 존재하는 대피자의 수(n)가 파악되는 1단계; 조난지역에 존재하는 탈출구의 수(M)가 파악되는 2단계; 하나의 대피자 그룹에 속하는 대피자 전원은 동일한 탈출구로 탈출한다는 가정하에, N개의 대피자 그룹의 대피자가 M개의 탈출구로 대피하는 모든 대피경로가 산출되는 3단계; 상기 대피경로 각각으로 대피자 전원이 탈출하는데 소요되는 시간이 각각 산출되는 4단계; 및 상기 대피경로 중 탈출에 소요되는 시간이 최소인 대피경로가 최적 대피경로로 선정되는 5단계;를 포함한다.The present invention is an evacuation guidance system that guides the evacuation route of evacuees in preparation for a disaster situation. Step 1 in which the number of evacuees (n) is identified; Step 2 in which the number of escape routes (M) existing in the distress area is identified; Step 3 in which all evacuation routes in which all evacuees belonging to one evacuation group escape by the same escape route are calculated; a fourth step of calculating the time required for all evacuees to escape to each of the evacuation routes; and a fifth step in which an evacuation route having the minimum time required for evacuation is selected as an optimal evacuation route among the evacuation routes.
Description
본 발명은 재난상황을 대비하여 조난자의 대피를 유도하는 대피 시스템 및 그 제공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IoT센서와 위치기반정보를 이용하여 화재 등 재난상황에서 실내 인원수 및 밀집지역을 고려하여 최단 대피경로 및 최적 대피 경로를 파악하여 조난자에게 전달하는 지능형 대피 유도 시스템이며, 재난 대피 훈련에 활용할 수도 있는 시뮬레이션 시스템이다.The present invention relates to an evacuation system for inducing an evacuation of a person in distress in preparation for a disaster and a method for providing the same. It is an intelligent evacuation guidance system that identifies the shortest and optimal evacuation routes and delivers them to the distressed, and it is a simulation system that can also be used for disaster evacuation drills.
실내 공간에서 화재 등 재난상황이 발생했을 때, 재난현장에서의 대피경로를 탐색하여 사용자에게 제공함으로써 사용자에게 안전한 대피를 유도 또는 안내할 수 있는 기술들이 존재하고 있다. 그러나, 기존의 기술의 경우 재난 상황에 대한 동적 여건을 실시간으로 고려하지 않고 이용자 특성 및 이용자 밀집 정보를 분석하지 않아서, 이용자에게 최적화된 대피경로를 표출하지 못하는 한계를 가지고 있었고, 시뮬레이션 훈련으로는 적합하지 않은 문제점이 있었다.When a disaster situation such as a fire occurs in an indoor space, there exist technologies that can induce or guide a safe evacuation to the user by providing the user with an evacuation route at the disaster site. However, in the case of the existing technology, it did not consider the dynamic conditions of the disaster situation in real time and did not analyze user characteristics and user density information, so it had a limitation in not being able to express an evacuation route optimized for users, and it was suitable for simulation training. There was a problem that didn't happen.
이 분야 종래기술로는 공개특허번호 10-2014-0093840에서 재난용 대피유도 시스템이 개시되고 있다.As a prior art in this field, an evacuation guidance system for disasters is disclosed in Patent Publication No. 10-2014-0093840.
본 발명은, 화재발생시 건물내에서 사람들이 대피하는 시뮬레이션 시스템을 설계하고 구현하여 재실자의 사실감 있는 대피 이동 동선의 구현을 목적으로 한다.An object of the present invention is to design and implement a simulation system in which people evacuate from within a building in case of a fire, thereby realizing a realistic evacuation movement line for occupants.
본 발명은 탈출구의 흐름율과 정체 반경을 적용하여 재실자가 탈출구에 밀집하였을 경우 병목현상이 발생하여 대피시간이 지연되는 현상을 방지할 수 있는 시뮬레이션 시스템을 구축하는 것을 목적으로 하며, 또한, 건물내의 전체 인원분포를 고려하여 건물 내 재실자들의 총 대피시간을 최소화할 수 있는 전역적인 실내 보행자 최적 대피모형을 제시하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to construct a simulation system that can prevent the evacuation time from being delayed due to a bottleneck occurring when occupants are crowded at the exit by applying the flow rate and stagnation radius of the exit, and also The purpose of this study is to present an optimal global indoor pedestrian evacuation model that can minimize the total evacuation time of occupants in a building considering the overall distribution of people.
본 발명은, 재난상황을 대비하여 대피자의 대피 경로를 안내하는 대피 유도 시스템으로서,The present invention provides an evacuation guidance system for guiding an evacuation route for evacuees in preparation for a disaster situation,
상기 대피 유도 시스템에 의해서, 조난지역에 존재하는 대피자 그룹의 수(N)와 각 대피자 그룹에 존재하는 대피자의 수(n)가 파악되는 1단계; 조난지역에 존재하는 탈출구의 수(M)가 파악되는 2단계; 하나의 대피자 그룹에 속하는 대피자 전원은 동일한 탈출구로 탈출한다는 가정하에, N개의 대피자 그룹의 대피자가 M개의 탈출구로 대피하는 모든 대피경로가 산출되는 3단계; 상기 대피경로 각각으로 대피자 전원이 탈출하는데 소요되는 시간이 각각 산출되는 4단계; 및 상기 대피경로 중 탈출에 소요되는 시간이 최소인 대피경로가 최적 대피경로로 선정되는 5단계;를 포함하는 지능형 대피 유도 시스템이다.a first step in which the number (N) of evacuation groups existing in the distress area and the number (n) of evacuees existing in each evacuation group are identified by the evacuation guidance system;
상기 3단계에서, 산출된 대피경로의 안전성을 평가한 후, 안전하지 않은 대피경로는 제거되는 3-1단계;를 더 포함한다. After evaluating the safety of the calculated evacuation route in
상기 4단계에서, 상기 대피경로 각각으로 대피자 전원이 탈출하는 대피 시뮬레이션을 진행하고, 대피자 특성에 따른 탈출속도를 고려한 소요시간이 산출되는 4-1단계; 상기 대피 시뮬레이션에서는, 대피하는 대피자끼리 충돌할 수 없도록 설계하여 탈출구에서의 병목 현상을 고려하는 4-2단계;를 더 포함하고, 상기 병목현상은, 시뮬레이션 과정에서 대피자의 어깨너비와 대피경로의 폭을 고려하여 산출되고, 탈출속도는 대피자가 여성인지 남성인지를 고려하고, 대피자의 연령을 고려하여 대피자의 탈출속도가 산출된다. Step 4-1 in which an evacuation simulation is performed in which all evacuees escape to each of the evacuation routes in the
또한, 상기 탈출속도는 대피경로가 수직이동경로인지 수평이동경로인지를 고려한후, 수직이동경로에서의 대피속도는 수평이동경로에서의 대피속도의 0.4배의 값을 적용할 수 있다.In addition, after considering whether the evacuation route is a vertical movement path or a horizontal movement path, the escape speed may apply a value of 0.4 times the evacuation speed in the horizontal movement route for the evacuation speed in the vertical movement route.
상기 최적 대피경로를 대피자에게 제공하는 6단계;를 포함하되, 상기 6단계에서 상기 최적 대피경로를 시각적인 영상이나 청각적인 수단을 이용하여 대피자에게 제공하고, 상기 최적 대피경로는 대피자의 스마트폰을 통해 제공될 수 있다.Including, a sixth step of providing the optimal evacuation route to the evacuee, wherein in the sixth step, the optimal evacuation route is provided to the evacuee using a visual image or an auditory means, and the optimal evacuation route is the evacuation route of the evacuee It may be provided through a smartphone.
본 발명은 또한, 건물 내부에서 재난상황을 대비하여 대피 경로를 산출하고 안내하는 대피 유도 시뮬레이션 시스템으로서,The present invention also provides an evacuation guidance simulation system for calculating and guiding an evacuation route in preparation for a disaster situation inside a building,
상기 대피 유도 시뮬레이션 시스템에 의해서, 조난지역에 존재하는 대피자 그룹의 수(N)와 각 대피자 그룹에 존재하는 대피자의 수(n)가 파악되는 1단계; 조난지역에 존재하는 탈출구의 수(M)가 파악되는 2단계; 하나의 대피자 그룹에 속하는 대피자 전원은 동일한 탈출구로 탈출한다는 가정하에, N개의 대피자 그룹의 대피자가 M개의 탈출구로 대피하는 모든 대피경로가 산출되는 3단계; 상기 대피경로 각각으로 대피자 전원이 탈출하는데 소요되는 시간이 각각 산출되는 4단계; 상기 대피경로 중 탈출에 소요되는 시간이 최소인 대피경로가 최적 대피경로로 선정되는 5단계; 및 상기 최적 대피경로를 대피자에게 제공하는 6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 대피 유도 시뮬레이션 시스템을 제공한다.a first step in which the number (N) of evacuation groups existing in the distress area and the number (n) of evacuees existing in each evacuation group are identified by the evacuation guidance simulation system;
상기 6단계에서, 상기 최적 대피경로는 대피자의 스마트폰을 통해 제공될 수 있다.In
본 발명은 상기 구성에 의해서, 화재 등 재난 상황시 탈출구로 탈출하는 인원 흐름율과 정체의 반경을 고려하고 탈출자의 대피경로상 병목현상을 고려하면서 다양한 대피 경로를 산정한 후 총 대피시간이 최소화되는 시스템 구축이 가능한 유리한 효과가 발생한다.According to the above configuration, the total evacuation time is minimized after calculating various evacuation routes while considering the flow rate of people escaping to the escape route and the radius of congestion and the bottleneck on the evacuation route of escapees by the above configuration. An advantageous effect that the system construction is possible occurs.
또한, 본 발명에 따른 지능형 대피 유도 시스템을 활용하여 재난 상황을 대비한 대피 유도 시뮬레이션이 가능한 시뮬레이션 시스템을 제공하는 효과도 발생한다.In addition, there is an effect of providing a simulation system capable of evacuation guidance simulation in preparation for a disaster situation by utilizing the intelligent evacuation guidance system according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 지능형 대피 유도 시뮬레이션 시스템의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 대피 유도 시스템을 위한 바닥, 실내 및 지붕 모델링 개념도
도 3은 대피 시뮬레이션을 최단 경로를 이용했을 경우의 결과이며,
도 4는 대피 시뮬레이션을 최적 경로를 이용했을 경우의 결과이며,
도 5는 대피 시뮬레이션에서 2개의 탈출구와 3개 대피자 그룹을 가정한 경우의 예시이며,
도 6 내지 도 13은 위 도 5의 경우 최단 대피 경로의 모든 경우의 수인 8개의 경우의 수를 보여주며,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 대피경로 시뮬레이션을 통해 계산된 각 대피경로에 따른 대피시간-대피인원 그래프이다.1 is a block diagram of an intelligent evacuation guidance simulation system according to the present invention;
2 is a conceptual diagram of floor, indoor and roof modeling for an evacuation guidance system according to the present invention
Figure 3 is the result of using the shortest route in the evacuation simulation,
4 is a result of using the optimal route for the evacuation simulation,
5 is an example of assuming two escape routes and three evacuation groups in the evacuation simulation;
6 to 13 show the number of eight cases, which is the number of all cases of the shortest evacuation route in the case of FIG. 5 above,
14 is an evacuation time-evacuation number graph according to each evacuation route calculated through an optimal evacuation route simulation according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이며 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. In addition, the terms used are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 지능형 대피 유도 시뮬레이션 시스템에 대해 설명하도록 하며, 먼저 관련 개념들에 대한 설명을 하도록 한다.Hereinafter, the intelligent evacuation guidance simulation system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, and related concepts will be first described.
[대피성능][Escape performance]
건물에서 화재 등 재난 상황이 발생하면 재실자들은 최단경로를 이용하여 최대한 빠른 속도로 가장 안전한 공간으로 대피하여야 하는데, 이에 필요한 대피안전시간을 확인하는 것이 필요하다. 대피안전시간은 재실자들이 안전하게 대피하는데 소요되는 대피최소시간(RSET, Required Safe Egress Time)이 화재로 인해 위험에 도달하게 되는 허용가능대피시간(ASET, Available Safe Egress Time)의 이하가 되는지 여부로 확인 가능하다. 따라서, 대피성능은 대피최소시간(RSET)과 허용가능대피시간(ASET)에 의해 결정되고, 이는 대피시간을 증가 및 감소시키는 결정요인에 의해 좌우됨. 이들 결정요인에 의해 결정된 RSET과 ASET을 활용한 지수화를 통해 최적화된 대피경로 제시가 가능하다. RSET을 기반한 RSET 안전성 검증은 대피성능을 평가하는 대표적인 검증 방법으로 미국방화협회(NFPA)130code 등 세계 각국의 법령으로 정하고 있다.When a disaster such as a fire occurs in a building, the occupants should evacuate to the safest space as quickly as possible using the shortest route. The safe evacuation time is checked by checking whether the minimum evacuation time (RSET (Required Safe Egress Time) required for occupants to safely evacuate) is less than the allowable safe evacuation time (ASET (Available Safe Egress Time)) possible. Therefore, evacuation performance is determined by the minimum evacuation time (RSET) and the allowable evacuation time (ASET), which depend on the determinants that increase and decrease the evacuation time. It is possible to suggest an optimized evacuation route through indexing using RSET and ASET determined by these determinants. RSET safety verification based on RSET is a representative verification method for evaluating evacuation performance, and it is prescribed by laws and regulations of countries around the world, such as the National Fire Protection Association (NFPA) 130 code.
[대피최소시간(RSET)][Minimum Evacuation Time (RSET)]
대피최소시간은 건물에서 화재가 발생했을 때 대피안전구역까지 최단거리를 가장 빠른 속도로 이동하였을 때 소요되는 대피시간으로, 이는 대피반응시간과 대피이동시간이 합산된 시간으로 계산된다. 대피반응시간은 재난경보에 대한 대피자들의 반응시간으로 화재가 감지되는데 걸리는 시간, 화재가 감지되어서부터 거주자들이 인지하는데 걸리는 시간, 화재발생을 인지했을 때부터 거주자들이 행동을 취할 때까지 걸리는 시간으로 구성된다. 이때 대피자의 대피시간에 영향을 주는 요소에는 재실자 별 개인특성에 의해 결정되는 1차적 요소와 공간특성 및 대피상황과 같은 2차적 요소로 나눌 수 있다. The minimum evacuation time is the evacuation time required for moving the shortest distance to the evacuation safety zone at the fastest speed when a fire occurs in the building. Evacuation reaction time is the reaction time of evacuees to a disaster warning, the time it takes for the fire to be detected, the time it takes for residents to recognize the fire, and the time from when the residents recognize the fire to take action. is composed At this time, the factors affecting the evacuation time of evacuees can be divided into primary factors determined by the individual characteristics of each occupant and secondary factors such as spatial characteristics and evacuation conditions.
재실자 별 개인특성에 해당하는 1차적 요소는 대피자의 성별, 연령, 시야, 장애여부 등의 요인이 있으며, 건물 공간의 특성 및 대피상황에 따른 2차적 요소에는 수평 및 수직이동, 대피개시 위치, 대피계단까지의 거리, 출입구의 폭, 출입구 혼잡도, 거주자 밀도 등의 요인이 있으며, 대피최소시간은 대피반응시간과 수평거리 및 수직거리의 대피간시간의 합으로 정의될 수 있다.The primary factors corresponding to the individual characteristics of each occupant include factors such as the evacuee's gender, age, field of view, and disability. There are factors such as the distance to the evacuation stairs, the width of the entrance, the entrance and exit congestion, and the density of residents. The minimum evacuation time can be defined as the sum of the evacuation reaction time and the evacuation time of the horizontal and vertical distances.
[허용가능대피시간(ASET)][Allowable Evacuation Time (ASET)]
허용가능대피시간(ASET)은 대피에 영향을 미치는 조건, 즉 타당한 화재 시나리오에 의해 산출된 플래시오버 시간이나, 특정한 높이까지의 연기 층 하강시간 등을 의미하며, 설계자는 예상되는 화재가 발생하여 확대되는 시간동안 대상공간의 재실자가 대피에 지장을 받는 위험한 상황에 도달하는 가를 통하여 대피 안전성을 평가하는 것이며, 화재시의 재실자의 거주가능시간으로 화재전파속도, 플래시오버도달시간, 연기층하강시간 등을 화재모델링 또는 수계산 공식을 통해 허용한계기준에 도달하는 시간을 측정한다.Allowable Evacuation Time (ASET) refers to the conditions affecting evacuation, i.e., the flashover time calculated by a reasonable fire scenario, or the smoke floor descent time to a specific height. Evacuation safety is evaluated by whether or not the occupants of the target space reach a dangerous situation that interferes with evacuation during the time required for evacuation. Measure the time to reach the tolerance limit through fire modeling or water calculation formulas.
[대피속도 영향지표] 대피 속도에 영향을 주는 지표는 아래와 같이 고려함.[Indices affecting the evacuation speed] Indices affecting the evacuation speed are considered as follows.
대피자 기본정보: 대부분의 대피성능과 관련된 선행연구 및 대피시뮬레이션 프로그램, 해외 대피성능 기준에 의하면, 대피속도에 가장 기본적인 영향인자로 대피자의 성별, 연령, 장애여부 등을 언급하고 있음 Evacuation Basic Information: According to the previous research and evacuation simulation programs related to most evacuation performance, and overseas evacuation performance standards, the most basic influencing factors on evacuation speed are gender, age, disability, etc. of evacuees.
성별 : 건강한 성인의 시야가 확보된 평지에서의 대피속도는 여성이 남성에 비해 0.93배 느림 Gender: The evacuation speed of healthy adults on flat ground with a secure field of vision is 0.93 times slower for women than for men.
나이 : 이동에 별다른 제약이 없는 대피자의 연령대별 최대, 최소속도를 실험을 통해 도출가능하며, 본 발명에서는 최소-최대 속도 구간의 평균속도를 구하고, 17-55세 평균속도인 1.368값을 기준 속도계수로 정한 뒤, 각 연령대별 속도계수를 산출하였음.Age: The maximum and minimum speeds for each age group of evacuees who do not have any particular restrictions on movement can be derived through experiments. After setting the speed coefficient, the speed coefficient for each age group was calculated.
어깨너비 : 지식경제부의「제6차 한국인 인체치수 직접측정 조사사업 보고서(2010.11)」에 의한 한국인 남녀 평균 어깨가쪽사이길이를 어깨너비로 정의하고, 어깨너비 평균을 정리하였음.Shoulder width: The average shoulder width of Korean men and women according to the Ministry of Knowledge Economy's "The 6th Korean Human Body Dimensions Direct Measurement Survey Report (November 2010)" was defined as the shoulder width, and the average shoulder width was summarized.
수직 · 수평이동 : 성인남성의 시야. 신체장애 등의 제한이 없을 때 대피자의 이동속도는 수직 및 수평이동 여부에 따라 차이가 있음. 계단과 같은 수직이동시 대피자의 이동속도는 복도나 실에서의 수평이동 속도에 비해 0.35-0.45배 느리며, 본 발명에서는 이들의 평균값인 0.4배 값을 적용하여 속도계수를 산출함. Vertical/horizontal movement: the field of view of an adult male. When there are no restrictions such as physical disabilities, the movement speed of evacuees differs depending on whether they move vertically or horizontally. When moving vertically, such as stairs, the moving speed of the evacuee is 0.35-0.45 times slower than the horizontal moving speed in the hallway or room, and in the present invention, the average value of 0.4 is applied to calculate the speed coefficient.
출입구 주변 혼잡도 : Congestion around the entrance:
유동계수 : 거주자의 밀도와 대피속도에 영향을 받는 유동계수Flow coefficient: Flow coefficient affected by occupant density and evacuation speed
상수 : 유동계수에 영향을 미치는 상수값으로 복도, 통로, 램프, 문간, 계단 등.Constant: A constant value that affects the flow coefficient, such as corridors, passages, ramps, doors, stairs, etc.
[대피성능 지수화] [Evacuation Performance Index]
대피성능의 지수화는 대피최소시간(RSET)이 허용가능대피시간(ASET) 이하가 되는지 여부를 확인하는 (RSET<ASET) 과정을 통해 대피성능 지수 산출이 가능하며, 먼저, RSET과 ASET에 영향을 주는 요인들에 대한 정리를 바탕으로 각 시간 산출공식을 도출하고, 이에 따른 지수를 산출하여 가장 안전하게 대피할 수 있는 최적의 경로제시가 가능하다. The index of evacuation performance can be calculated through the process of checking whether the minimum evacuation time (RSET) is less than or equal to the allowable evacuation time (ASET) (RSET<ASET). It is possible to present the optimal route for the safest evacuation by deriving a formula for calculating each time based on the theorem of factors and calculating an index accordingly.
대피최소시간(RSET)을 허용가능대피시간(ASET)으로 나누어 위와 같은 부등식을 산출하고, 이 값을 대피성능 지수(R)이라 지칭하였을 때, R<1이면 ‘안전’, R≥1이면 ‘위험’으로 도출하였다. 이를 보다 세분화하면 R값이 1에 가까워질수록 위험하므로 0 ≤ R < 0.25(매우안전), 0.25 ≤ R < 0.5(대체로 안전), 0.5 ≤ R < 0.75(보통안전), 0.75 ≤ R < 1(대체로 위험) 세 단계로 분류할 수 있다.The inequality above is calculated by dividing the minimum evacuation time (RSET) by the allowable evacuation time (ASET). risk'. If this is further subdivided, the closer the R value is to 1, the more dangerous, so 0 ≤ R < 0.25 (very safe), 0.25 ≤ R < 0.5 (moderately safe), 0.5 ≤ R < 0.75 (moderately safe), 0.75 ≤ R < 1 ( risk) can be classified into three stages.
이하, 본 발명의 대피유도 시뮬레이션 시스템에 대해 설명한다.Hereinafter, an evacuation guidance simulation system of the present invention will be described.
[대피 시스템 구성도(ISP) 개발][Development of evacuation system configuration diagram (ISP)]
본 발명은 디지털 트윈 기반의 대피경로 선정 기술 개발을 위한 전체 대피 시스템 구성도 구축하고, 도 1에서 보는 것과 같이 재난감지 센서부, 이용자인지 센서부, 중앙제어부, 대피경로 탐색부, 출력부(시각화 모듈, 출력 모듈)로 이루어진 전체 대피 시스템의 구성도를 개발하였다. 그리고, 대피경로 선정 기술 개발의 전체적인 정보 흐름과 시스템 개발 상황을 시각적으로 표현하였으며 각 파트별 연계를 통한 최종 대피경로 도출 프로세스를 구성도 형태로 나타내었다(도 1 참고).The present invention also establishes an overall evacuation system configuration for the development of digital twin-based evacuation route selection technology, and as shown in FIG. 1, a disaster detection sensor unit, user recognition sensor unit, central control unit, evacuation route search unit, output unit (visualization A configuration diagram of the entire evacuation system consisting of modules and output modules) was developed. In addition, the overall information flow and system development status of the evacuation route selection technology development were visually expressed, and the final evacuation route derivation process through the connection of each part was shown in the form of a configuration diagram (refer to FIG. 1).
[디지털 트윈 모델링의 개요][Overview of Digital Twin Modeling]
본 발명에서 디지털 트윈 기반의 대피경로 선정 기술 개발을 위한 예시적인 형태로 특정 지역의 3차원 객체 모델 구축을 진행하고, 3차원 객체 모델은 건축물 정보, 토지 관련 정보, 지역지구 정보 등의 속성 정보와 3차원 지형정보, 건물 위성 사진, 지도 이미지, GIS/BIM 정보, 지적도(CAD)정보 등의 형상 정보를 기반으로 구축하였다. 여기서 사용된 디지털 트윈 모델링은 시설물의 실외, 실내 정보를 3차원 객체화 할 수 있으며 객체별로 정보를 표현할 수 있으므로 단순한 3차원 모델링이 아닌 데이터 분석/시각화 플랫폼의 기능을 수행할 수 있다.In the present invention, a three-dimensional object model of a specific area is built in an exemplary form for the development of a digital twin-based evacuation route selection technology, and the three-dimensional object model includes property information such as building information, land-related information, and local district information and It was constructed based on shape information such as 3D topographic information, satellite photos of buildings, map images, GIS/BIM information, and cadastral map (CAD) information. The digital twin modeling used here can make the outdoor and indoor information of a facility into a three-dimensional object, and because it can express information for each object, it can perform the function of a data analysis/visualization platform rather than simple three-dimensional modeling.
그리고, 도 2에서 도시된 바와 같이, 재난 대피 건물의 사진 자료와 도면 자료를 참고하여 벽체 및 바닥, 내무 구조의 세부적인 모델링을 진행하고, 해당 시설물의 내부 공간을 실제 크기, 비율대로 모델링하였으며 창문, 계단도 표현하고, 지붕 모델링을 추가하여 모델링 구축을 완료하였다.And, as shown in FIG. 2, detailed modeling of walls, floors, and interior structures was carried out with reference to photographic data and drawing data of the disaster evacuation building, and the internal space of the facility was modeled according to the actual size and proportions, and the window , the stairs are also expressed, and the modeling construction is completed by adding roof modeling.
[재난 대상 디지털 트윈 기반 대피경로 선정 알고리즘][Digital twin-based evacuation route selection algorithm for disaster targets]
본 발명은 재난 대상 대피경로를 시각화하는 방안을 도출하였다. 즉, 대피경로 선정 알고리즘 도출 조건을 기본으로 시각화 방안을 제시하고 디지털 트윈에 적용 가능한 알고리즘을 도출한다. The present invention has derived a method for visualizing an evacuation route for a disaster target. In other words, based on the evacuation route selection algorithm derivation conditions, a visualization method is presented and an algorithm applicable to the digital twin is derived.
[최적 대피경로 선정을 위한 A*알고리즘][A* Algorithm for Optimal Evacuation Route Selection]
A*알고리즘은 초기 노드에서 목표 노드까지의 경로를 찾는 그래프 탐색 알고리즘으로 목표 노드까지의 가장 좋은 경로를 추정(estimate of the best route)하기 위해 각 노드에 랭킹을 부여하는 "heuristic estimate"를 사용하고 그 순서대로 노드를 방문한다. 따라서 A*알고리즘은 그래프에서 최단경로를 찾는 것을 보장하며 최소의 계산(minimum computation)으로 수행한다. The A* algorithm is a graph search algorithm that finds the path from the initial node to the target node, and uses a "heuristic estimate" that assigns a ranking to each node to estimate the best route to the target node. Visit the nodes in that order. Therefore, the A* algorithm guarantees to find the shortest path in the graph and performs it with minimum computation.
또한, A*알고리즘은 휴리스틱 방법(의사결정을 할 때 해당 문제에 대한 정보를 이용하는 것)과 형식적 방법(formal method : 문제와 관련된 정보를 사용하지 않지만 formally analyzed 될 수 있는 것)을 결합하기 위해 기존에 개발된 기법이며, 대략의 구조는 그래프 탐색 알고리즘을 설정하고 있고, 다른 그래프 탐색 알고리즘과 다른 점은 목표에 얼마나 근접한 것인지를 평가하는데 휴리스틱 함수를 사용하며, 휴리스틱에 의해 먼저 가장 바람직한 방향을 탐색하여. 그 방향이 실패하면 다른 경로를 찾는 구조로 되어 있다.In addition, the A* algorithm is a conventional method to combine heuristic methods (which use information about the problem when making decisions) and formal methods (which do not use information related to the problem but can be analyzed formally). It is a technique developed in , and the approximate structure of the graph search algorithm is set, and the difference from other graph search algorithms is that a heuristic function is used to evaluate how close to the goal is, and the most desirable direction is first searched by the heuristic. . If that direction fails, it has a structure to find another path.
[A* 알고리즘의 최적화 방안] [Optimization of A* Algorithm]
재난 상황의 특성상 대피경로를 산출하는데 드는 시간을 최소화할 필요가 있으며, A*알고리즘을 이용해 최단경로를 찾는 그래프는 기존에 제작된 3D 건물 모델로부터 추출하며, 해당 추출 알고리즘을 필수적인 노드로만 구성된 최소 크기를 갖는 그래프를 추출할 수 있도록 개선하여 시스템의 성능을 높일 수 있다.Due to the nature of the disaster situation, it is necessary to minimize the time required to calculate the evacuation route, and the graph that finds the shortest route using the A* algorithm is extracted from the existing 3D building model, and the extraction algorithm is the minimum size consisting of only essential nodes. The system performance can be improved by improving the graph to be extracted.
[최단 경로 산출 모듈] [Shortest path calculation module]
A* 알고리즘 기반의 최단 경로 산출 모듈은, 그래프와 출발점과 목표점이 주어질 때 그 사이의 최단 경로를 산출하는 알고리즘으로, 그래프의 모든 꼭지점에 대해 해당 꼭지점을 통과하는 최단 경로를 추정하는 휴리스틱 함수 h(x)를 활용한다.The shortest path calculation module based on the A* algorithm is an algorithm that calculates the shortest path between a graph and a starting point and a target point when given. For every vertex of the graph, the heuristic function h( x) is used.
[EEG(Efficient Evacuation Graph)][EEG (Efficient Evacuation Graph)]
건물을 격자(grid)화 했을 때, 최단 경로로 지날 때 항상 지나야 하는 셀(cell)을 추출하여 EEG를 구성하며, 격자 내 모든 셀이 아니라 추출한 일부 셀만을 이용해서 효율적으로 적용이 가능하다.When a building is made into a grid, EEG is constructed by extracting the cells that must always be passed when passing through the shortest path, and it can be efficiently applied using only some extracted cells, not all cells in the grid.
[최적화 시뮬레이션 모듈][Optimization simulation module]
A* 알고리즘으로부터 산출된 최단 경로는 대피 도중에 발생하는 병목 현상을 고려하지 않으므로, 가상 대피 시뮬레이션을 통해 병목 현상을 최소화하는 최적 경로를 계산할 필요가 있다. 본 발명에서는 최적화 시뮬레이션을 위한 변수로서 아래와 같은 요소를 고려하였다.Since the shortest path calculated from the A* algorithm does not take into account bottlenecks occurring during evacuation, it is necessary to calculate the optimal path that minimizes the bottleneck through virtual evacuation simulation. In the present invention, the following factors are considered as variables for optimization simulation.
대피자 어깨 너비는 평균적으로 40cm로 산정하고, 대피자의 대피 속도는 4.0km/h로 산정하고, 대피 공간은 40cm2의 셀(cell) 격자로 나누었다. 그리고, 인원 감지 센서로 추정한 대피자를 각 구역에 배치하도록 한다. 인원감지 센서는 특정구역에 위치하고 있는 인원의 숫자를 감지할 수 있는 센서이며, 건물 내부에 적절한 곳에 미리 구비된다. 이때 같은 구역에 배치된 대피자는 그룹을 형성하여 같은 대피 경로를 사용하는 것으로 가정하여, 각 대피자 그룹은 모든 가능한 대피로에 대해 시뮬레이션 하며, 대피자 그룹마다 대피 시간 대비 현재 인원을 시뮬레이션하여 그래프로 표현할 수 있게 된다.The average shoulder width of the evacuee was calculated as 40 cm, the evacuation speed of the evacuee was calculated as 4.0 km/h, and the evacuation space was divided into a cell grid of 40 cm 2 . And, evacuation estimated by the person detection sensor is to be placed in each area. The person detection sensor is a sensor that can detect the number of persons located in a specific area, and is provided in advance in an appropriate place inside the building. At this time, it is assumed that the evacuees placed in the same area form a group and use the same evacuation route, and each evacuation group simulates all possible evacuation routes. be able to express
도 3과 도 4는 최단 거리 대피경로와 최적 대피경로 산출 결과의 예시적인 모습을 보여준다.3 and 4 show exemplary views of the results of calculating the shortest distance evacuation route and the optimal evacuation route.
도 3는 A* 알고리즘을 활용하여 최단 경로를 이용했을 경우의 상황을 보여주는데, 30명과 20명이 두개의 공간에 위치하는 두 개의 대피자 그룹을 형성한 경우이다. 그리고, 두 개의 대피자 그룹이 재난 상황에서 최단 거리를 이용하여 대피한 결과 대피 출구는 동일한 출구로 대피하는 모습이다. 그 결과는 총 대피 경로 길이 약 18.0m, 대피 시간은 9.0초의 결과를 보여준다. 이때, 탈출구 부근에서 병목 현상 발생하였다. 3 shows the situation when the shortest path is used by using the A* algorithm, in the case of forming two evacuation groups with 30 and 20 people located in two spaces. And, as a result of two evacuation groups evacuating using the shortest distance in a disaster situation, the evacuation exit is the same exit. The result shows that the total evacuation route length is about 18.0 m and the evacuation time is 9.0 seconds. At this time, a bottleneck occurred near the exit.
도 4는 본 발명에 따른 최적 경로를 이용했을 경우 결과를 보여준다. 도 3의 경우와 동일하게 30명과 20명이 두개의 공간에 위치하여 두 개의 대피자 그룹을 형성한 경우이며, 차이점은 두 개의 대피자 그룹이 최적 경로를 이용하여 대피한 결과 대피 출구는 서로 다른 출구로 대피하는 모습이다. 그 결과, 총 대피 경로 길이는 약 20.3m이고, 대피 시간은 7.6초이었고, 병목 현상은 방지하여 대피시간이 최소화되는 것이다. 본 발명에서는 최적 대피경로를 산출하는 기법을 이용하며, 대피 시간은 건물내의 인원수를 감지하는 센서를 이용해 감지된 건물 내의 모든 인원이 대피하는데 소요되는 시간을 의미한다. 4 shows the results when the optimal path according to the present invention is used. As in the case of FIG. 3, 30 and 20 people are located in two spaces to form two evacuation groups, and the difference is that the two evacuation groups evacuated using the optimal route. As a result, the evacuation exits are different. evacuating with As a result, the total evacuation route length was about 20.3 m, the evacuation time was 7.6 seconds, and the evacuation time was minimized by preventing the bottleneck. In the present invention, a technique for calculating an optimal evacuation route is used, and the evacuation time refers to the time it takes to evacuate all the people in the building sensed using a sensor that detects the number of people in the building.
최단 경로란, 특정 위치에서부터 주어진 탈출구까지 이동 가능하고 안전하면서 가장 짧은 경로로써 A* 알고리즘을 이용해 산출되는 경로이다. 그리고, 최적 대피경로란, 모든 인원이 대피하는데 걸리는 시간이 가장 짧은 경로이며, 특정 탈출구에 인원이 몰리는 경우 발생하는 병목 현상에 의해 대피가 지연되는 경우를 최소화하는 경로를 의미하며, 이용 가능한 탈출구를 바탕으로 모든 최단 경로에 대해 시뮬레이션을 통해 병목 현상을 감지하고 대피 시간을 계산하여 가장 최적의 대피경로를 산출하게 된다.The shortest path is a path calculated by using the A* algorithm as the safest and shortest path that can move from a specific location to a given exit. And, the optimal evacuation route is the route that takes the shortest time for all personnel to evacuate, and it means a route that minimizes the case of delays in evacuation due to a bottleneck that occurs when people are crowded at a specific exit. Based on this, the most optimal evacuation route is calculated by detecting bottlenecks through simulation for all shortest routes and calculating the evacuation time.
도 5 내지 도 13에서는 본 발명에 따른 최적 대피경로를 도출하는 과정의 예시적인 모습이며, 최단 대피 경로의 모든 경우의 수가 8개인 경우를 보여준다. 5 to 13 are exemplary views of a process for deriving an optimal evacuation route according to the present invention, and shows a case where the number of all cases of the shortest evacuation route is eight.
도 5에서는 2개의 탈출구와 3개 대피자 그룹이 건물 내에 존재하는 상황에서의 시뮬레이션 과정에 대한 예시이며, 각 대피자 그룹을 30명으로 구성하여 총 90명이 탈출하는 경우를 가정하고 있다.5 is an example of a simulation process in a situation where two escape routes and three evacuation groups exist in a building, and it is assumed that each evacuation group consists of 30 people and a total of 90 people escape.
도 6 내지 도 13는 3개 대피자 그룹이 대피하는 경로 중 최단 대피 경로의 모든 경우의 수인 8개의 경우의 수를 각각 보여준다. 각 대피자 그룹의 위치로부터 모든 탈출구로의 최단 대피 경로를 산출하고, 이때 같은 그룹의 대피자들은 같은 대피 경로를 공유한다고 가정하면, 3개의 그룹으로부터 2개 탈출구로의 경로를 산출하므로 총 2^3 = 8개의 최단 경로를 생성된다. 이때 탐색한 최단 경로 중 안전하지 않은 경로는 제외 된다. 생성한 8개의 대피 경로는 도 6 내지 도 13과 같으며 도 6 내지 도 13의 대피경로를 각각 경로 1 내지 경로 8이라고 한다.6 to 13 each show the number of 8 cases, which is the number of all cases of the shortest evacuation path among the paths where the 3 evacuation groups are evacuated. Calculate the shortest evacuation route from the location of each evacuation group to all exits, and assuming that the evacuees in the same group share the same evacuation route, the route from 3 groups to 2 exits is calculated, so a total of 2^ 3 = 8 shortest paths are generated. In this case, the unsafe path among the shortest paths searched is excluded. The generated eight evacuation routes are shown in FIGS. 6 to 13 , and the evacuation routes in FIGS. 6 to 13 are referred to as
그 후, 생성된 8개의 경로를 기준으로 대피 시뮬레이션을 진행하여 각 대피자 특성에 따라 지정된 속도를 바탕으로 가상 모의 대피를 하며, 이때, 대피자끼리 충돌할 수 없도록 설계하여 병목 현상을 재현할 수 있다. 이 시뮬레이션을 통해 각 경로에 해당하는 대피 시간을 얻을 수 있으며, 그 결과는 아래와 같다.After that, an evacuation simulation is performed based on the eight created routes, and virtual simulated evacuation is performed based on the speed specified according to the characteristics of each evacuator. there is. Through this simulation, the evacuation time corresponding to each route can be obtained, and the result is as follows.
그리고, 시뮬레이션 대피경로와 대피시간-대피인원 그래프는 도 14에서 도시하고 있다. 시뮬레이션을 통해 계산된 대피 시간을 보면, 경로 4의 대피 시간이 19.60초로 가장 짧기 때문에 최적의 대피 경로임을 확인할 수 있다.And, the simulation evacuation route and evacuation time-evacuation number graph are shown in FIG. 14 . Looking at the evacuation time calculated through simulation, it can be confirmed that the evacuation time of
[최적 대피경로 제시][Propose the best evacuation route]
본 발명은, 위 시뮬레이션에 의해 도출된 최적 대피경로를 조난자에게 제시하는 과정을 포함한다. 그 하나의 예로서 실내에서의 대피경로를 붉은 선을 이용하여 시각화하여 제공할 수 있다. 시각화한 대피경로 제시 수단은 사용자들의 스마트폰 화면이 될 수도 있고, 기타 음성이나 빛의 표출을 통해 시각화한 이미지를 디스플레이 화면에 도출되도록 할 수도 있다. 그외 시각화한 대피 경로는 실내에 배치된 비상등을 이용하거나 대피 경로 표시를 위해 실내 바닥 등에 구비한 비상등 등 적절한 표시 수단을 활용할 수도 있을 것이다.The present invention includes the process of presenting the optimal evacuation route derived by the above simulation to the distressed. As an example, an evacuation route indoors may be visualized and provided using a red line. The visualized evacuation route presentation means may be the user's smartphone screen, or other visualized images may be derived on the display screen through the expression of voice or light. In addition, the visualized evacuation route may use an emergency light disposed indoors or an appropriate display means such as an emergency light provided on an indoor floor to indicate an evacuation route.
즉, 본 발명은 건물 내부에서 재난상황을 대비하여 대피 경로를 산출하고 안내하는 대피 유도 시스템이며, 활용상황에 따라서는 재난대비 훈련용 시뮬레이션 시스템으로 활용할 수도 있다. 즉, 학교나 특정 건물 내부에서 재난대비 훈련용으로 활용할 수도 있으며, 위에서 산출한 최적의 대피경로는 대피자의 스마트폰으로 전송하여 대피자가 휴대폰에서 제공되는 경로 안내를 받으면서 대피할 수 있다. 이때 스마트폰으로 제공되는 대피경로는 미리 입력된 조난지역(건물 내부)의 3차원적 영상에 대피자의 이동경로를 안내하는 영상이 나타날 수도 있고 스마트폰의 스피커를 통해서 안내할 수도 있을 것이다.That is, the present invention is an evacuation guidance system that calculates and guides an evacuation route in preparation for a disaster situation inside a building, and may be used as a simulation system for disaster preparedness training depending on the application situation. That is, it can be used for disaster preparedness training inside a school or a specific building, and the optimal evacuation route calculated above can be transmitted to the evacuee's smartphone and evacuated while receiving the route guidance provided by the mobile phone. At this time, the evacuation route provided by the smartphone may appear on the three-dimensional image of the distress area (inside the building) input in advance, or an image guiding the movement route of the evacuee may be displayed through the speaker of the smartphone.
도 5 이하를 이용하여 위에서 예로 든 상황은, 3개의 그룹으로부터 2개 탈출구로의 경로를 산출하므로 총 2^3 = 8개의 최단 경로를 생성되는 예시적인 상황이었다. 이를 좀 더 일반화하면 아래와 같이 될 수 있다. 조난지역에 존재하는 대피자 그룹의 수를 N이라 하고, 각 대피자 그룹에 존재하는 대피자의 수를 n이라고 하면, 총 대피인원은 N*n이 된다. 그리고, 조난지역에 존재하는 탈출구의 수를 M이라고 할 때, 하나의 대피자 그룹에 속하는 대피자 전원은 동일한 탈출구로 탈출한다는 가정하에, N개의 대피자 그룹의 대피자가 M개의 탈출구로 대피하는 모든 대피경로가 산출될 수 있다. 그리고, 산출된 모든 대피경로 각각에 대해서 대피자 전원이 탈출하는데 소요되는 시간이 각각 산출된다. 상기 대피경로 중 탈출에 소요되는 시간이 최소인 대피경로가 최적 대피경로로 선정된다. 그리고, 선정된 최적 대피경로를 대피자에게 제공하는 것이며, 최적 대피경로는 대피자의 스마트폰을 통해 제공될 수 있게 된다.The situation exemplified above using less than or equal to FIG. 5 was an exemplary situation in which a total of 2^3 = 8 shortest paths were generated since paths from 3 groups to 2 exits were calculated. This can be further generalized as follows. If the number of evacuation groups existing in the distress area is N and the number of evacuees in each evacuation group is n, the total number of evacuees is N*n. And, assuming that the number of exits in the distress area is M, all evacuees belonging to one evacuation group escape through the same exit, and all evacuees in N evacuation groups evacuate through M exits. Evacuation routes can be calculated. Then, for each of the calculated evacuation routes, the time required for all evacuees to escape is calculated. Among the evacuation routes, an evacuation route with the minimum time required for evacuation is selected as the optimal evacuation route. In addition, the selected optimal evacuation route is provided to the evacuee, and the optimal evacuation route can be provided through the evacuator's smartphone.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the
Claims (12)
조난지역에 존재하는 대피자 그룹의 수(N)와 각 대피자 그룹에 존재하는 대피자의 수(n)가 파악되는 1단계; 조난지역에 존재하는 탈출구의 수(M)가 파악되는 2단계; 하나의 대피자 그룹에 속하는 대피자 전원은 동일한 탈출구로 탈출한다는 가정하에, N개의 대피자 그룹의 대피자가 M개의 탈출구로 대피하는 모든 대피경로가 산출되는 3단계; 상기 대피경로 각각으로 대피자 전원이 탈출하는데 소요되는 시간이 각각 산출되는 4단계; 상기 대피경로 중 탈출에 소요되는 시간이 최소인 대피경로가 최적 대피경로로 선정되는 5단계; 및 상기 최적 대피경로를 대피자에게 제공하는 6단계;를 포함하고,
상기 4단계에서, 상기 대피경로 각각으로 대피자 전원이 탈출하는 대피 시뮬레이션을 진행하고, 대피자 특성에 따른 탈출속도를 고려한 소요시간이 산출되는 4-1단계;와, 상기 대피 시뮬레이션에서는, 탈출구에서의 병목 현상을 고려하여 대피하는 대피자끼리 충돌할 수 없도록 설계하는 4-2단계;를 포함하고,
상기 병목현상은, 상기 시뮬레이션 과정에서 대피자의 어깨너비와 대피경로의 폭을 고려하여 산출되고,
상기 탈출속도는, 대피자가 여성인지 남성인지를 고려하고, 대피자의 연령을 고려하여 대피자의 탈출속도가 산출되고,
상기 6단계에서, 상기 최적 대피경로는 대피자의 스마트폰을 통해 시각적인 영상이나 청각적인 수단을 이용하여 대피자에게 제공되는 것을 특징으로 하는 지능형 대피 유도 시스템.An evacuation guidance system that guides the evacuation route of evacuees in preparation for a disaster situation, by the evacuation guidance system,
Step 1 in which the number of evacuation groups existing in the distress area (N) and the number of evacuees existing in each evacuation group (n) are identified; Step 2 in which the number (M) of escape routes existing in the distress area is identified; Step 3 in which all evacuation routes in which all evacuees belonging to one evacuation group are evacuated through the same escape route are calculated; a fourth step of calculating the time required for all evacuees to escape to each of the evacuation routes; a fifth step of selecting an evacuation route with the minimum time required for evacuation among the evacuation routes as an optimal evacuation route; and step 6 of providing the optimal evacuation route to evacuees.
In step 4, an evacuation simulation is performed in which all evacuees escape to each of the evacuation routes, and a required time is calculated in consideration of the escape speed according to the characteristics of the evacuee; and, in the evacuation simulation, at the exit Step 4-2 of designing so that evacuated evacuees cannot collide with each other in consideration of the bottleneck of
The bottleneck is calculated in consideration of the shoulder width of the evacuee and the width of the evacuation path in the simulation process,
The escape speed is calculated in consideration of whether the evacuator is a female or a male, and the escape speed of the evacuee is calculated in consideration of the evacuator's age,
In the 6th step, the intelligent evacuation guidance system, characterized in that the optimal evacuation route is provided to the evacuee using a visual image or an auditory means through the evacuator's smartphone.
산출된 대피경로의 안전성을 평가한 후, 안전하지 않은 대피경로는 제거되는 3-1단계;를 더 포함하는 지능형 대피 유도 시스템.The method of claim 1, wherein in step 3,
After evaluating the safety of the calculated evacuation route, step 3-1 in which the unsafe evacuation route is removed; Intelligent evacuation guidance system further comprising a.
대피경로가 수직이동경로인지 수평이동경로인지를 고려한후, 수직이동경로에서의 대피속도는 수평이동경로에서의 대피속도의 0.4배의 값을 적용하는 것을 특징으로 하는, 지능형 대피 유도 시스템.The method of claim 1, wherein the escape velocity is
After considering whether the evacuation route is a vertical or horizontal movement route, the evacuation speed in the vertical movement route is an intelligent evacuation guidance system, characterized in that 0.4 times the value of the evacuation speed in the horizontal movement route is applied.
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