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[무인 시스템] 소방대원이 대응할 수 없는 활동을 위한 소방 로봇 시스템

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타무라 요시히로, 미쓰비시중공업주식회사 원자력세그먼트 기계설계부

 

화재 예방 행정의 효과로 최근 화재 발생 건수는 감소 추세에 있으며, 2018년 화재 발생 건수는 3만 7981건으로 10년 전인 2008년 화재 발생 건수의 72.5%였다. 한편, 위험물 시설의 화재 및 유출 사고 건수는 증가 추세에 있으며, 화재가 206건, 유출이 403건의 합계 609건으로 과거 최대이다. 석유 콤비나트 등 특별 방재 구역의 특정 사업소[주1]에서 발생한 사고 건수는 최근 250건 전후 수준에서 줄어들지 않고 있으며, 2018년에는 과거 최다인 314건을 기록했다. 위험물 시설에서 발생한 화재의 대표적인 예가 2011년 동일본대지진으로 발생한 LPG 탱크 붕괴로 인해 누출된 가스의 착화가 원인인 LPG 탱크 화재․폭발 사고(그림 1)로, 약 10년이 지난 지금까지도 일본 국민들의 기억에 선명하게 남아 있다.

 

 

석유 콤비나트 화재는 화염에서 나오는 복사열이 크고, 폭발 위험이 있기 때문에 소방대원(이하 ‘대원’)으로는 대응이 어려운 현장이다. 이러한 대규모․특수 화재에 대응하기 위해 일본 소방청 소방연구센터에서는 2014년도부터 2018년도까지 5년간에 걸쳐 소방 로봇 시스템을 개발했다. 이 소방 로봇 시스템의 개발에는 여러 기업과 대학이 컨소시엄을 구성했으며, 미쓰비시중공업이 이 컨소시엄을 이끌었다.

 

미쓰비시중공업은 방사선 환경 하의 로봇 개발을 통해 극한 환경 하의 여러 가지 요구에 대응하는 로봇 기술을 축적해 왔다. 특히 ‘사람이 접근할 수 없는 극한 환경에 대응할 것’, ‘자유도 높은 커스터마이즈 설계가 가능할 것’, ‘플랜트 메이커로서 종합력이 있을 것’의 세 가지는 미쓰비시중공업 로봇 기술의 강점이다. 이번에 개발한 소방 로봇 시스템은 이러한 세 가지 강점을 축으로 하는 미쓰비시중공업의 로봇 기술을 소방 방재 분야로 전개해 개발한 것이다.

 

이 글에서는 소방대원이 대응할 수 없는 활동을 위한 소방 로봇 시스템의 성능, 구성, 운용 방법에 대해서 설명한다.

 

예상하는 화재와 요구되는 성능

 

이 소방 로봇 시스템이 예상하고 있는 사안 및 활동에 대해서 아마노씨는 다음과 같이 정의하고 있다(문헌 ‘재해 대응을 위한 소방 로봇의 연구 개발, Safety&Tomorrow’ 42페이지에서 인용).

 

(1) 석유탱크의 방유제 내 화재나 가연성 가스 홀더의 방액제 내 화재 발생 시에 인접한 석유탱크 등 주변시설로 연소되는 것을 저지하기 위해 주변설비를 냉각하는 활동.

(2) 대형 부동식 지붕 석유탱크 전면 화재가 발생한 상황에서 화재 연소 중인 석유탱크 측판을 냉각시켜 석유탱크의 붕괴를 방지하는 활동.

(3) 중형 부동식 지붕 석유탱크 전면 화재가 발생한 상황에서 화재를 억제하는(진압까지는 못해도 화염의 확대를 제어할 수 있는) 활동.

(4) 앞에서 말한 (1)~(3)의 활동에 따른 정찰․정보 수집 활동.

 

이러한 활동을 예상해 소방 로봇 시스템에 요구되는 성능은 크게 나눠 다음의 세 가지가 된다.

 

· 내복사열 성능 : 대규모 화재 근접의 고열 영역에서 소방 활동이 가능할 것.

· 자율 성능 : 과혹한 상황에서도 기능하는 화상․공간 인식 기술에 의해 대원으로부터 떨어진 장소에서 반자율적으로 소방 활동이 가능할 것.

· 협조 연계 성능 : 역할이 다른 여러 개의 로봇이 서로 정보를 공유해 효과적인 소방 활동이 가능할 것.

 

 

소방 로봇 시스템 구성

 

소방 로봇 시스템은 비행형 정찰․감시 로봇, 주행형 정찰․감시 로봇, 방수포 로봇, 호스 연장 로봇 및 지령 시스템으로 구성되어 있다. 지령 시스템은 4대의 로봇을 운반하는 반송차량의 컨테이너 안에 설치되어 있다. 각각의 역할을 표 1, 외관을 그림 2~6에 나타냈다.

 

 

이 글에서는 미쓰비시중공업이 개발한 방수포 로봇 및 호스 연장 로봇에 대해서 상세하게 설명한다. 그 외에 로봇에 대해서는 문헌 ‘석유화학 콤비나트 화재․폭발 대응을 위한 소방 로봇 시스템의 연구 개발’을 참조하기 바란다.

 

 

 

1. 방수포 로봇

방수포 로봇은 비행형 및 주행형 정찰․감시 로봇으로부터 받은 정보를 바탕으로 대원이 지정한 경로를 따라 자율 이동하고, 석유탱크 등의 목표물에 방수 혹은 거품 방사를 하는 로봇이다. 방수포 로봇의 스펙을 표 2에 나타냈다.

 

 

(1) 내복사열기구

방수포 로봇 및 호스 연장 로봇의 내복사열 성능은 일본 국내 최대급 석유탱크의 전면 화재 시의 화염으로부터 받는 복사열을 예상해 20.0kW/m2이다.

 

복사열은 전자파이기 때문에 전자파를 반사하는 소재라면 복사열에 의한 로봇의 온도 상승을 방지할 수 있다. 그래서 복사열 반사재(약 95%의 복사열을 반사)를 로봇의 외장(그림 7)으로 해서 로봇의 수열량을 줄였다.

 

 

LIDAR나 가시․열화상 카메라, 풍향풍속계 등의 각종 센서도 이 반사재로 덮는 것이 좋지만, 그렇게 하면 주위 환경을 계측할 수 없기 때문에 이들 센서에 관해서는 계측 시에만 로봇 외장에서 나오는 회전식 차폐기구(그림 8)을 채용했다. 복사열 반사재로 반사되지 못한 열에너지는 소량의 물을 분무해서 효과적으로 냉각할 수 있는 시스템을 신규로 개발했다.

 

 

2. 호스 연장 로봇

호스 연장 로봇은 방수포 로봇과 수원 사이에 호스를 부설하는 로봇이다. 호스 연장 로봇에는 대량 송수에 이용되는 직경 150mm의 소방 호스(50m×6개. 이하 ‘호스’)가 릴에 감겨진 형태로 탑재되어 있으며, 호스의 부설은 주행 시에 호스를 자동적으로 내보내서 한다. 이 호스의 질량은 1m당 약 2kg으로, 사람에 의한 부설 및 회수 작업은 대원들에게 중작업이 되고 있다. 호스 연장 로봇의 스펙을 표 3에 나타냈다.

 

 

(1) 호스 부설기구

이미 호스가 접속된 방수포 로봇이 300m의 호스를 견인하는 것은 어렵다. 또한, 방수포 로봇에 호스를 탑재하고 호스를 지면에 두면서 이동하는 방법은 합리적이지만, 탑재한 호스가 방수포 로봇 내에 남아 있는 상태로 방수포 로봇이 방수하는 위치(이하 ‘방수부서 위치’)에 도착한 경우, 어떠한 방법으로든 남은 호스를 처리하지 않으면 송수할 수 없다는 문제가 발생한다. 그 취급을 원격이나 자동으로 실시할 수 있는 장치 등의 실현은 난이도가 높다.

 

 

이 문제에 대응하기 위해 방수포 로봇과 호스 연장 로봇이 호스로 접속된 상태에서 주행하는 방식을 채용했다(그림 9). 구체적으로는 방수부서 위치까지 2대가 나란히 줄지어 주행, 도착 후에는 방수포 로봇을 그 자리에 남겨두고 호스 연장 로봇은 호스를 부설하면서 수원을 향한다(그림 10). 방수포 로봇과 호스 연장 로봇은 로봇 사이를 호스로 접속한 상태로 주행하는데, 그 로봇 사이의 거리는 가감속 시나 좌우 선회 시 등 상황에 따라 달라진다.

 

 

이때에 접속된 호스가 서로의 주행에 방해가 되지 않도록 호스를 로봇 사이의 거리에 따라 감거나 혹은 풀거나 하는 제어를 도입하고 있다. 또한, 2대의 로봇이 호스로 접속된 상태에서 서로의 위치 관계를 유지하면서 방수부서 위치까지 두 로봇을 원격 조종하는 것은 어렵기 때문에 뒤따르는 호스 연장 로봇은 앞서가는 방수포 로봇을 화상 처리에 의해 인식, 일정한 거리를 유지하면서 자동 추종하는 제어도 도입했다.

 

 

소방 로봇 시스템 운용

 

이 소방 로봇 시스템에서 예상하는 모든 활동을 로봇이 자율적으로 실시할 수 있다면, 소방대원의 부담이 늘어나지 않기 때문에 이상적이다. 그러나 현 시점의 기술 수준으로는 그 정도까지 자율화 시스템을 실현하는 것은 어렵다. 그래서 이 소방 로봇 시스템은 자율화가 어려운 부분을 대원의 조종으로 보완하는 반자율화 시스템을 개발해 운용하고 있다. 자율 이동의 목적지나 거기까지의 이동 경로, 방수 목표는 소방대원이 결정한다.

 

반자율화 시스템은 대원의 작업 부하 경감이나 필요 인원 경감(소방에서는 대원 5명 정도로 구성되는 소대를 기본으로 하는 교대 근무)이라는 관점에서도 소방 활동에서 효과적이다. 소방 로봇 시스템의 운용을 이하에 설명한다.

 

 

1. 준비작업

반송차량으로 화재 현장에 도착한 후, 안전한 장소에서 반송차량의 컨테이너를 지면에 내리고(그림 11), 각 로봇을 반출한다. 반출입시의 각 로봇은 간이 조종 장치(그림 12)로 조종한다. 그 후 컨테이너 내에 있는 지령 시스템을 가동한다. 이후, 이 지령 시스템에서 각 로봇에 지령한다.

 

 

2. 정찰 활동

비행형 및 주행형 정찰․감시 로봇의 셋업 후에 자율 이동에 의해 정찰 활동을 한다. 비행형 정찰․감시 로봇이 먼저 정찰 활동을 개시해 재해의 전체 모습에 관한 정보를 수집한다. 그 후 주행형 정찰․감시 로봇이 재해에 관한 상세한 정보를 수집한다. 차륜형 로봇인 방수포 로봇 및 호스 연장 로봇이 주행할 수 있는 루트 정보의 수집이 그 일례이다. 지령 시스템을 통해 비행형 및 주행형 정찰․감시 로봇에 대한 지령과 수집된 정보를 확인할 수 있기 때문에 대원은 안전하게 정찰 활동을 할 수 있다.

 

3. 방수 활동

비행형 및 주행형 정찰․감시 로봇으로부터 받은 정보를 바탕으로 방수포 로봇 및 호스 연장 로봇이 연결된 상태로 화재 현장 인근의 방수 위치까지 자율 이동한다. 방수포 로봇이 방수부서 위치에 도착하고 호스 연장 로봇에 의한 호스 부설 완료 후, 소방대원이 호스를 수원에 접속해 방수를 시작한다(그림 13). 방수 활동을 하는 동안, 비행형 및 주행형 정찰․감시 로봇은 방수 상황을 감시한다.

 

 

맺음말

 

이 글에서는 소방대원이 대응할 수 없는 활동을 위한 소방 로봇 시스템의 성능, 구성, 운용 방법에 대해서 설명했다. 이하에 요약해 정리했다.

 

· 화원 근처의 소방 활동은 모두 로봇으로 대응할 수 있도록 새로운 내복사열 구조 및 호스 부설기구를 개발했다.

· 작업 부하가 작고, 또한 필요 인원도 적은 반자율화 시스템을 개발했다.

 

이 소방 로봇 시스템은 일본 전국의 대규모 재해 대응 등에도 대응할 수 있도록 긴급소방원조대로서 2019년에 치바현 이치하라시 소방국에 실증 배치됐다.

 

앞으로도 소방대원이 대응할 수 없는 활동이나 대원의 작업 부하 경감 등에 공헌할 수 있는 자동화․자율화 기술 개발에 노력해 갈 것이다.

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