행동과 인지 기반 보행자 대피 시뮬레이션

초록

본 논문은 VISSIM 기반 보행자 동역학 시뮬레이터에 고해상도 시간·공간 모델을 결합하고, CFD 화재·가스 모델, 시각적 표지판 가시성, 그리고 심리·인지 모델을 통합한 대피 시뮬레이션 프레임워크를 제시한다. 연기·화재 인지, 스트레스 수준, 의사결정 과정을 정량화하여 급박한 상황에서 보행자의 행동을 보다 현실적으로 재현한다. 터널 화재와 독성 가스 사고 사례를 통해 모델의 적용 가능성을 검증하였다.

상세 분석

이 연구는 기존의 미시적 보행자 흐름 모델에 물리적 위험(연기, 화재, 독성 가스)과 인간의 인지·심리적 반응을 동시에 포함시키려는 시도로서, 여러 학문 분야를 융합한 복합 모델을 구축하였다. 핵심은 VISSIM의 Social Force Model을 최신 버전으로 확장하여 다층 건물, 차량·보행자 충돌, 대기열 등 다양한 상황을 지원하도록 한 점이다. 특히, 시각적 표지판 가시성 계산은 점유자의 위치, 자세, 신체 높이, 주변 장애물(정적 트럭) 및 연기 농도를 라인‑오브‑사이트 상에서 정량화한다. 움직이는 객체에 의한 가림은 제외했지만, 이는 계산 효율성을 높이는 동시에 향후 개선 과제로 남는다.

인지·심리 모델은 ‘잠재적 반응(potential for reaction)’이라는 개념을 도입해 내부 요인(개인 성향, 두려움, 기존 행동 루틴, 지식)과 외부 요인(위험 강도, 사회적 영향) 모두를 가중치로 결합한다. 이 가중치는 각 보행자가 언제 대피를 시작할지, 어떤 경로를 선택할지, 표지판을 인식할 확률을 결정한다. 모델은 즉각적인 충동적 반응과 숙고에 기반한 반응을 구분하고, 두 경우에 따라 보행 속도와 경로 선택이 달라진다. 예를 들어, 연기 가시성이 낮아지면 보행 속도가 감소하고, 동시에 인지된 위험이 상승하면 대피 시작 시간이 앞당겨진다.

위험 평가 단계에서는 Fractional Effective Dose(FED) 모델을 적용해 각 보행자에게 가해지는 화재·가스 피폭량을 계산한다. 이를 통해 사망·의식 상실 등 피해 정도를 정량화하고, 시뮬레이션 결과를 실제 위험 분석에 바로 활용할 수 있다.

실험 시나리오로는 1.2 km 길이의 터널에 3 % 경사와 상승·하강 구간을 포함한 두 종류의 터널을 모델링하고, 화재(연료·탱크)와 염소 가스 누출을 각각 시뮬레이션했다. 화재 시 연기 전파 속도는 약 7 m/s로 설정했으며, 60 초 후에 전체 경보가 발생한다고 가정했다. 결과는 연기와 불꽃을 직접 목격한 보행자가 즉시 대피를 시작하고, 이들의 행동이 주변 차량 승객에게 전파되는 ‘군중 효과’를 보여준다. 반면, 염소 가스 시나리오는 시각적 가시성이 크게 저하되지 않아 초기 인지는 제한적이었으며, 가스 흡입에 따른 신체적 피해가 더 심각하게 나타났다. 두 경우 모두 시뮬레이션은 피해자 수와 대피 지연 시간을 정량적으로 예측하였다.

이 모델의 강점은 고해상도 시간·공간 데이터를 기반으로 물리·심리·행동을 일관되게 통합함으로써, 기존의 단순 위험-피해 모델보다 현실적인 대피 상황을 재현한다는 점이다. 다만, 움직이는 객체에 의한 가시성 차단 미포함, 연기·가스 확산 모델의 단순화, 인간 행동에 대한 가정(예: 모든 사람이 경보 후 대피) 등 한계점도 명시된다. 향후 연구에서는 동적 가시성 차단, 다중 감각(청각·촉각) 통합, 그리고 다양한 인구통계학적 특성을 반영한 개별화 모델링이 필요하다.