▲ 사물인터넷(IoT) 기술의 진화 (출처: 한국특허전략개발원. 미래유망제품서비스보고서)     © 특허뉴스

IoT(Internet of Things)는 1980년대부터 센서와 지능을 사물에 추가한다는 개념으로 1980년대부터 논의되어 왔다. 이후 RFID기술과 Arduino와 같은 Embedded module 분야 요소기술의 발달로 개념은 실제로 구현돼 왔다. 이제는 가정과 사무실의 모든 사람들이 IoT환경에 노출되고 있는 상황이다. 2017년 Gartner 보고서에 따르면 IoT장비의 수는 83억대로 세계인구의 수를 넘어섰으며, 2020년에는 이보다 2배가 넘는 200억대가 될 것으로 전망했다. <편집자>
 
다양한 IoT 활용과 재난안전시스템 수요

2015년 McKinsey가 발표한 보고서에 따르면 전세계 IoT시장은 2025년에 약 11,780조원으로 예상하고 있다. 그 중에서도 건물에서의 IoT, BIoT(Building Internet of Things)시장은 2020년 기준으로 약 86조원의 규모로 예상된다. 활용 분야는 가전제품, 사무기기 등의 IoT적용이나 재난 안전을 위한 시스템 진화를 위한 개발 등이 포함된다.

▲ 세계 IoT 시장 부문별 비중 (출처: Machina Research, STRACORP)     © 특허뉴스

한편, 정부가 발표한 ‘중소중견기업 기술로드맵 2017-2019’은 재실자의 안전 확보와 직결되는 지능형 재난 안전시스템과 관련한 시장은 연평균 10.8%의성장을 보이며, 2020년 기준으로 약 5조 2천억원이 예상된다고 분석했다. 또 지능형 화재안전 대응 시스템의 핵심기술에는 화재감지기에서 발생되는 정보를 유무선 통신망을 이용해 센서 네트워크를 형성하는 기술이 포함된다. 이는 IoT 기술을 반영한 시스템 개발의 사회적 필요성을 설명해준다.
특히 사회구조의 변화와 건설기술의 발달로 인해 초고층 초대형 건축물의 수가 증가하고 있다. 때문에 점차 규모나 공간 구조의 복잡도가 높아진 단일 건물 내부에 수많은 사람들이 위기상황에서 안전하게 대피할 수 있도록 제반 환경을 구축하는 것은 아무리 강조해도 지나치지 않다.

주목받는 지능형 재난안전시스템 

모든 건축물은 소화설비, 경보설비, 피난설비 등을 포함한 소방시설물을 관련 규정에 근거해 의무적으로 설치하여 위기상황에 대응할 수 있도록 한다. 그 중에서도 위기의 화재상황에서 대피자들이 대피 경로를 파악하기 위하여 직접적으로 의존하게 되는 유도등 시설은 골든 타임(golden time) 내로 안전한 위치로 대피해 인명을 구조할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 한다.
하지만 대피 방향에 대한 정보를 제공하는 기존의 유도등은 위치를 예측할 수 없는 화재 상황에 대해 유동적으로 대응하지 못한다. 통로 유도등의 경우 최단의 대피 방향 정보를 제공할 수 있도록 미리 정의된 안내 방향이 있지만, 해당 경로에 화재가 발생하게 될 경우 자칫 대피자들을 위험지역으로 안내하는 매우 위험한 상황을 초래할 수 있다. 실제로 네덜란드 암스테르담 자유대학교의 한 연구에 의하면, 대피자들은 일반적인 상황일 때(56.3%)보다 위급상황에 처했을 때 유도등 방향 안내에 따라 대피 경로를 결정하는 의존도(81.8%)가 크게 높아지는 경향이 있다.
이에 따라 ICT 및 센싱 기술을 바탕으로 주로 대형 및 초고층화 된 건물에서 발생하는 화재를 조기에 발견하고 신속하게 대응함으로써 피해를 최소화한다는 개념의 ‘지능형 재난 안전 시스템’ 관련 기술에 대한 관심과 개발 노력이 지속되고 있다. 특히 한국은 지능형 방재시스템 관련 글로벌 특허의 35.3%를 차지하는 선도적 위치에 있다.
네트워크 제어 관점에서 살펴보면, 중앙제어의 기능을 갖는 모듈을 포함한 다양한 유사 기술들이 존재한다. 기본적으로 유도등 네트워크 그룹이 개별 센싱 데이터를 중앙제어 시스템으로 전송해 안내 방향을 일괄적으로 제어 하는 방식의 기술이 존재한다. 또한 단위 유도등 모듈의 기능을 확대한 기술방식으로서, 각 유도등 네트워크 모듈별로 센싱 데이터에 기반해 이웃한 유도등 간의 저장된 거리 값들을 업데이트하고, 이를 중앙제어시스템이 전송받아 최종 경로 및 방향을 결정하는 하이브리드 방식의 기술도 나왔다. 특정 화재 상황에 따라 안내방향을 결정 짓는 과정에 대한 관점에서의 선행기술을 살펴보면, 화재 발생 위치에 따라 미리 준비된 결과데이터를 DB로부터 취득하는 방식인 롤기반의 기술도 존재한다.
이처럼 화재를 감지하고, IoT가 반영된 모듈간 네트워크를 통해 상황에 따른 최적의 대피 방안을 새롭게 계산해 유동적인 대피 안내를 돕는 IoT 기반의 지능형 재난안전시스템 기술은 실현 가능성을 기반으로 기존의 사회 문제를 해결하는데 크게 기여할 것으로 예상된다.

‘IoT 기반의 지능형 비상구 유도등 시스템’ 특허 기술

지능형 재난안전시스템이 주목받는 가운데 연세대학교 건축공학과 이강 교수팀이 최근 개발한 ‘IoT 기반의 지능형 비상구 유도등 시스템’ 특허 기술은 단위 유도등 모듈 개별로 센싱 데이터와 이웃한 유도등 간의 네트워크 정보만으로 최적의 대피방향 독립적으로 판단할 수 있다. 앞서 언급한 하이브리드 방식과 같이 이웃 노드와의 거리값을 공유하는 기능도 갖췄다. 또한 중앙제어 장치로부터의 완벽한 독립적 판단을 위해 개별 유도등 모듈의 배치 위치에 따라 최종 탈출 목적지를 자동으로 인식 할 수 있다. 이로 인해 네트워크 재구성에 따른 대피 시나리오 전체를 개별 유도등 모듈이 독립적으로 판단할 수 있는 환경을 제공한다.

▲ 연세공대 이강 교수팀이 개발한 IoT 기반의 지능형 유도등 안전 시뮬레이션(Safety Simulation)     ©특허뉴스

IoT 기반의 지능형 비상구 유도등 모듈은 어떠한 화재상황에서도 최적의 대피 안내가 가능하다. 얼핏 화재 위치에 따라 일부 유도등 방향을 전환하는 작업이 크게 어렵지 않게 느껴질 수도 있겠지만, 현실적으로는 상당한 한계가 존재한다. 세계적인 초고층 건물로 알려진 두바이의 버즈 칼리파 (Burj Khalifa)의 경우, 그 연면적이 33만 4000㎡으로 최소 15m 마다 유도등을 배치해야 하는 관련 규정을 적용했을 때, 약 1500개의 유도등을 건물 내에 설치해야 한다. 이 같은 네트워크 규모를 고려하였을 때, 1분 1초가 중요한 재난상황에서 개별 유도등에 대한 올바른 방향 안내 여부를 일일이 판단한다는 것은 현실적으로 불가능하다.
IoT 기반의 지능형 유도등 모듈은 유효한 범위 내에서의 화재를 감지하게 되고, 이웃한 유도등과 네트워크를 통해 화재 상황의 정보를 공유하게 된다. 이후에는 개별적으로 내장된 연산 모듈에 의해 새로운 대피 안내의 필요성을 판단하게 되고, 그 결과를 대피자들에게 방향 안내로 표현하게 된다. 이러한 과정은 동일하게 반복되면서 화재의 확산이나 진화 과정을 실시간으로 수용해 현 상황을 지속적으로 반영한 정보를 제공할 수 있다.

▲ IoT기반 대피시스템 구성도     © 특허뉴스

하지만 소방용품은 국민의 생명과 재산을 화재로부터 보호해 주는 중요한 기기로 개별 제품의 품질 확보가 매우 중요하다. 그래서 『소방시설 설치ㆍ유지 및 안전관리에 관한 법률』 시행령 제37조에 따라 한국소방산업기술원으로부터 형식승인을 득하고 제품검사를 받아야만 시장에 출시할 수 있다. 
제품 승인 측면에서 ‘IoT 기반 지능형 유도등 모듈’이 기존 유도등과 다른 것은 Arduino와 같은 연산기능의 임베디드 모듈과 RFID 등을 통한 네크워크 통신 모듈 등 추가적인 전자기기가 포함된다는 점이다. 때문에 비상전원에 관한 규정 중 20분 이상 유효하게 작동 할 수 있고, 특수한 용도나 규모일 때 60분 이상 유효하게 작동시킬 수 있는 용량으로 설치해야 한다는 규정에 따라 기존보다 더욱 큰 용량을 확보할 경우 승인에 문제가 되지 않는다.
또한 IoT기반 대피시스템은 어떤 상황에서도 대피 안내 기능을 잃지 않는다는 장점을 갖는다. 대부분의 대형건축물은 재난통재실을 운영해 위기상황에 대한 모니터링 및 대처하는 중점적 역할을 수행한다. 하지만 이 같은 서버-클라이언트 형태의 네트워크는 전체 시스템을 총괄하는 서버의 고장이나 오류 등의 상황이 발생할 경우 전체 시스템이 아무런 역할도 수행할 수 없는 문제(single point of failure)가 존재한다. 그러나 IoT기반 대피시스템은 모듈 유도등이 독립적으로 감지, 연산, 통신 기능과 상황 판단 로직을 모두 포함하기 때문에 이 같은 문제로부터 자유롭다. 때문에 본 시스템은 재난통재실이 존재하는 대형 건축물의 설치는 물론, 이미 지어진 건축물에 추가적으로 설치하는 것도 가능하다. 

4차 산업혁명과 IoT 가상물리시스템(Cyber-physical system)

IoT 기반의 지능형 유도등 기술은 재난안전 시스템 본연의 기능 이외에도 건물 안에서 필요한 수 많은 시스템을 통합할 수 있는 기반을 제공한다. 비상구 유도등 설치와 관련 규정 자체가 건물의 어느 위치에서도 확인이 가능하도록, 특히 통로 공간에서는 최대 15m를 초과할 수 없도록 규정하고 있기 때문이다. 이는 현재 RFID(Radio-Frequency IDentifier) 통신 기술 수준을 고려할 때 매우 안정적인 네트워크 환경을 건축물 공간 전역에 구축할 수 있도록 해준다.

▲ 4차산업혁명의 핵심 요소인 가상물리시스템 (Cyber-physical system)     © 특허뉴스

일반적으로 특정 제품이나 솔루션에 추가적으로 탑재되어 부가적인 작업을 수행하는 솔루션을 임베디드 시스템이라고 하며, 건물 안에는 수없이 많은 임베디드 시스템들이 존재한다. 예를 들어 스마트 냉장고의 경우, 음식 보관의 본 기능 이외에 사용자의 스마트폰과 연동해 보관 음식의 관리 정보를 공유할 수 있도록 내장되는 시스템을 임베디드 시스템으로 볼 수 있다. 개별 임베디드 시스템들은 필요에 의한 서로 다른 기반의 제품이거나 제한적으로 일부 제품을 공유하는 형태를 가질 수 있다.
이처럼 IoT 기반의 지능형 유도등 시스템은 건축물에 전혀 새로운 요소를 추가하는 것이 아니라, 기존의 구성요소의 기능을 확장하는 개념으로 볼 수 있다. 이는 예술로서 디자인을 매우 중요시하는 건축물의 미관적인 저해 요소로서 시스템이 개입하지 않을 수 있다는 장점으로 작용한다. 기존 유도등 모듈의 구성요소인 케이싱이나 비상용 베터리 등 기본 설치 단가에서 상대적 절감효과도 거둘 수 있다.
하지만 시설관리시스템(Facility Management system)이나 건물 보안시스템(Security system)의 경우에는 건축물 전역에 해당 정보를 생성 혹은 감지해 메인시스템과 연결성을 확보할 수 있는 기본 인프라 구축이 매우 중요하다. 실제로 시설관리시스템 업계에서도 IoT적용을 통한 사람의 개입을 최소화 하고, 고장 상황에 실시간으로 대응해 운영 오버헤드를 줄이기 위해 IoT기반 시스템으로의 혁신을 추진하고 있다.
가상공간과 물리 세계와의 융합이 4차산업혁명의 핵심 요소인 가상물리시스템(Cyber-physical system)의 개념이다. 건물내에서 대부분의 시스템을 통합할 수 있는 최우선적인 기반이 되는 환경을 구축하는 것은 가상물리시스템을 구현하는 핵심으로 매우 중요한 부분이다. IoT기반 대피시스템은 기본적으로 건물 전역에 설치되는 구성요소를 기반으로 네트워크를 구성하기 때문에 관련 시장이 무한대로 확대될 수 있다.