02분반 2조 SSG

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 강우 센서를 활용한 자동 롤업형 차수판

영문 : Development of an automatically operated rolled-up borrowing system based on rain detector

과제 팀명

SSG(Safe Shield Guard)

지도교수

오희경 교수님

개발기간

2025년 03월 ~ 2025년 06월 (총 04개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 김*은 (팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 서*서

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 윤*빈

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 장*예

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 기후 변화로 인해 도시 인프라가 침수 위협에 지속적으로 노출되고 있으며, 특히 국지성 호우의 빈도와 강도는 앞으로 더욱 증가할 것으로 예상된다. 이에 따라 본 설계는 침수 예방을 통해 공공의 안전을 확보하고 재난 대응 능력을 강화하는 것을 목적으로 한다. 이는 도시의 회복탄력성을 높이는 데 기여함으로써 공공의 이익을 증진하는 합리적인 대안이다.
현재 지하철 역사 등 주요 공공시설에는 차수판이 설치되어 있으나, 대부분 수작업으로 설치되어 긴급 상황에서 신속한 대응이 어렵다. 또한 기존 차수판은 여유고가 충분하지 않아 예상 수위를 초과할 경우 기능을 상실할 위험이 있다. 이러한 점은 침수 피해를 예방하는 데 있어 구조적 한계로 작용하고 있다.
본 설계는 지하공간 침수로 인한 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위해, 자동화 기반의 롤업형 침수 방지 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 시스템은 실시간 강우량 및 수위 데이터를 감지하는 센서 기반으로 작동하며, 설정된 임계값을 초과할 경우 차수판이 자동으로 상승하여 침수를 차단한다. 롤업형 구조는 보관 공간을 대폭 줄이는 동시에, 단계적 전개가 가능하여 다양한 수위 변화에 정밀하게 대응할 수 있도록 설계되었다. 아울러 구조체는 이중 수밀 소재를 기반으로 하여 극한 기상 조건에서도 안정적인 차수 성능을 발휘하며, 자동 제어 기술을 통해 역무원의 수동 개입을 최소화함으로써 현장 안전성과 운용 효율성을 동시에 향상시킨다.
본 설계의 주요 적용 대상은 지자체 및 서울교통공사(서울메트로) 등 공공기관이며, 도시 기반시설과의 적합성을 고려한 설계로 인해 지하철 역사뿐만 아니라 도로 저지대, 지하상가, 주차장 등 다양한 도시 인프라로의 확장이 용이하다. 특히 지역 특성과 환경 조건에 따라 유연하게 적용 가능한 모듈형 구조는 지자체별 맞춤형 재난 대응 시스템 구축을 가능하게 하며, 공공 안전 인프라의 전반적인 수준을 높이는 데 기여할 수 있다. 본 설계의 도입은 선제적 재난 대응을 통해 침수 피해를 효과적으로 예방하고, 지역 사회의 회복 탄력성과 시민의 생활 안전을 실질적으로 강화할 수 있을 것으로 기대된다.

개발 과제의 배경

◇ 이상 기후로 인한 폭우 증가와 피해 확산

최근 10년간 시간당 50mm 이상의 극한 호우 발생 횟수가 과거에 비해 2.4배 증가하였으며, 시간당 30mm 이상의 집중호우도 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 이러한 기후 변화는 기존의 강수 패턴을 완전히 바꾸고 있으며, 단시간 내 많은 양의 비가 집중되는 ‘기습 폭우’가 일상화되고 있다. 기습 폭우는 더 이상 예외적인 현상이 아니라, 상시적인 위험 요소로 작용하고 있다. 이는 인명 피해 뿐만 아니라 건물 침수, 농작물 피해, 가축 폐사 등 다양한 형태의 재산 피해로 이어지고 있다. 앞으로의 폭우는 예측보다 빠르고 강력하게 다가올 가능성이 높기 때문에, 대응 체계의 전면적인 재정비가 필요한 상황이다.

◇ 서울 도시 구조의 취약성과 배수 인프라의 한계
서울은 도시 면적의 절반 이상이 불투수면적으로, 빗물이 땅에 스며들지 못하고 저지대로 흘러들어 침수를 유발한다. 특히 강남구와 서초구 등 주요 자치구는 불투수 면적이 넓어 침수 위험이 높다. 그러나 현재 하수도 설계 기준은 대부분 10년~30년 빈도의 강우만을 견디도록 설정되어 있어, 폭우의 강도와 빈도가 급증하는 현실과 큰 괴리가 있다. 정부는 일부 기준 개정을 추진했지만 강제성이 부족하며, 소하천이나 도시 하수도는 여전히 강화 대상에서 제외되어 있어 실효성 있는 방재 대책이 미비한 상태이다.

◇ 기존 차수판 시스템의 한계와 자동화 필요성
현재 지하철 역사 대부분은 수동식 차수판을 사용하고 있으나, 이는 출입구가 여러 개이고 물리적으로 떨어져 있는 구조적 특성상 소수의 인력으로 신속히 설치하기 어려워 긴급 대응에 한계가 있다. 실제로 직원이 대피 유도 등으로 설치하지 못해 침수 피해가 발생한 사례가 있으며, 차수판 보관 장소가 출입구와 멀리 떨어져 있어 제때 설치하지 못하는 경우도 빈번하다. 서울시가 일부 차수판을 출입구 근처로 이전했음에도 불구하고, 여전히 많은 수가 접근성이 떨어지는 등 근본적인 문제는 해결되지 않은 상태이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 급증한 폭우의 강도와 빈도에 대비하여 지하철 내 침수를 예방한다.

◇ 지하철 입구에 자동 차수문을 설치하여 비상 상황 발생시 신속한 대응을 가능하게 한다.

◇ 실시간 강우량 데이터를 기반으로 침수 위험을 감지하는 시스템을 개발한다.

◇ 침수 예측 시 자동으로 차수문이 올라가 침수를 최소화하고 승객의 안전을 확보한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

◇ 국제 홍수 방어벽 시장 현황
홍수 방어벽 시장은 최근 몇 년간 급성장하고 있다. 2024년 시장 규모는 17억 2,000만 달러이며, 연평균 성장률(CAGR) 7.7%로 증가하여 2025년에는 18억 5,000만 달러에 이를 것으로 예상된다. 이러한 성장은 극한 기후 현상의 증가, 도시화 및 인프라 개발, 해수면 상승과 해안 보호, 정부의 홍수 관리 정책, 기후 변화 위험에 대한 인식 증가 등의 요인에 기인한다. 또한, 친환경 재료 사용, 지역사회 복원력 강화, 규제 기준 강화, 전략적 협력 확대, 경제적 손실 완화 등이 미래 시장의 주요 트렌드로 나타날 것으로 전망된다.

홍수 방어벽 시장의 성장에는 홍수 발생 빈도의 증가가 중요한 요인으로 작용하고 있다. 중국 수자원·수력 연구소(China Institute of Water Resources and Hydropower Research)의 자료에 따르면, 2020년 대비 전 세계 홍수 발생 빈도가 23% 증가했으며, 약 20억 명이 홍수 위험에 노출된 것으로 나타났다. 이처럼 홍수 발생의 증가 방어벽 제조업체들은 경쟁력을 유지하기 위해 첨단 제품 개발에 적극 나서고 있다.

전 세계적인 기술현황

◇ 침수 감지기 기술
세계 침수 감지 시장 역시 물 피해 위험에 대한 인식이 높아지고 감지 기술이 발전함에 따라 꾸준히 성장할 것으로 예상되고 있다. 홍수와 같은 극단적인 기상 현상의 증가로 인해 신뢰할 수 있는 물 감지 시스템의 필요성이 강조되면서 침수 감지기에 대한 수요도 급증하였다. 침수 방지 조치에 대한 수요 증가, 센서 설계 기술의 발전, IoT 장치 도입 확대 등으로 시장이 성장하고 있다. 최근에는 인공지능(AI)와 기계 학습(ML)을 침수 감지 시스템에 적용하여 수위를 보다 정확하게 측정하고 실시간으로 모니터링 할 수 있는 기술이 발전하고 있다.
세계 침수 감지기 시장은 다양한 산업 분야에서의 수요를 기반으로 점차 급증할 것으로 예상된다. 특히 APAC(아시아-태평양)에서는 개발도상국의 침수 감지기에 대한 수요 증가로 예측 시간 동안 가장 높은 성장률을 보일 것으로 예상된다.

◇ 국내 차수판 시장상황에 대한 분석
현재 국지적, 기습적 폭우의 증가로 빗물이 넘치면서 차수문을 설치하는 곳이 늘어나고 있다. 주로 설치되는 차수문의 형태를 보면 단일 패널이 지상에 매립되었다가 승강하는 구조이거나, 벽체 등에 매립되었다가 좌우 슬라이딩 방식으로 작동하는 방식이거나, 상부에 설치되어 슬라이딩 되거나 승강하는 구조로 이루어져 있다. 이러한 방식은 차수문을 설치하기 위한 충분한 공간을 반드시 확보해야 한다는 문제점이 있다. 즉 차수문을 설치하기 위한 충분한 공간을 확보하기 위해 추가적인 작업이 필요해 수익성이 악화되는 등 많은 어려움이 발생한다.
과거의 차수장치는 고정부가 건물 출입구 양측벽에 반영구적으로 고정 설치되기 때문에 침수 피해가 예상되는 기간 이외에도 그대로 방치할 수밖에 없다. 이처럼 평상시에도 고정되어 있는 차수문은 심미적으로 좋지 않을 뿐만 아니라 설치된 건물의 침수피해 가능성을 시사한다는 문제점이 있다.
따라서 최근에는 고정식이 아닌 압착방식에 의해 간편하고 안정적으로 설치할 수 있도록 개선된 형태의 차수장치가 개발되었다. 그러나 이 장치의 경우, 필요시 작업자가 일일이 설치해야 하는 임시 시설물에 불과하여 운용에 따른 번거로움이 크다는 문제점이 있었다. 실제로 2022년 발생한 폭우 당시 10개의 출입구가 있는 역사에 역무원 2명이 근무 중이었던 것으로 확인되었다. 이는 단기간에 집중적으로 비가 쏟아지면서 역사 측 인력만으로는 침수 차단에 한계가 있는 것을 보여준 사례이다. 이에 따라 자동적으로 침수를 인지하고 차수시스템을 작동시키는 기술이 연구되고 있다.

특허조사 및 특허 전략 분석

특허 전략 기존 특허 조사

◇ 디자인 특허: 차수막 모듈을 여러 개 연결해 말아서 보관하는 방식으로, 공간 절약성이 뛰어남.

◇ 소재 특허: 유연성과 강도를 동시에 확보한 이중 복합소재 구조를 통해 차수성과 수납성을 개선함.

◇ 롤업 작동 방식 특허: 말린 차수막이 자동으로 펴지며 위로 상승하는 작동 방식으로, 기존에 없던 전개형 차수 구조를 구현함.

◇ 공간 효율성 특허: 매설 없이 지면 위에 설치 가능하며, 설치 위치에 따라 수납 길이를 조정할 수 있는 구조로 공간 활용을 극대화함.

기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 강우량 및 수위 정보를 기반으로 차수판이 자동 작동하여 신속하고 정확한 침수 대응이 가능하다.

◇ 알루미늄 및 폴리우레탄 소재를 활용하여 구조물의 경량성과 수밀성, 내구성을 동시에 확보한다.

◇ 센서 기반 실시간 모니터링과 제어 로직 도입으로 기존의 수동 차수판 대비 인력 의존도를 줄이고, 긴급 상황에서의 설치 누락 문제를 해소할 수 있다.

◇ 모니터링 및 침수 감지 시스템을 통해 차수막의 상시 점검 및 유지관리 효율성을 향상시킬 수 있다.

◇ 중앙 제어 시스템과 연동하여 원격 작동 및 상태 모니터링이 가능, 재난 대응 체계와 통합 운용 가능성 확보할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 실시간 예측 기반 자동 차수 시스템을 통해 지하철 이용객의 안전 확보 및 대규모 인명 사고 예방이 가능하다.

◇ 침수 피해로 인한 지하철 운영 마비, 상가 침수, 교통 혼란 등 사회적 손실을 최소화할 수 있다.

◇ 경제성 확보와 설치 유연성을 바탕으로, 민간 건물이나 소규모 상가 등 다양한 환경에서도 폭넓게 보급·확산이 가능하다.

◇ 침수 위험이 높은 도시 저지대의 재난 취약계층 보호 및 지역사회 회복탄력성 강화를 기대할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

2025.03~2025.06 (총 4개월)

구성원 및 추진체계

◇ 전원 분담 - 주제 선정 및 선정된 주제 관련 자료 조사, 특허 조사, 보고서 작성 및 PPT 제작, 최종 시연물 제작

◇ 김예은 - 팀장/예산 관리, 경쟁력분석 발표, CAD 설계, 특허 도면 설계

◇ 서명서 - 과제 제안서 발표, 최종 발표, 최종보고서 작성

◇ 윤가빈 - 상세 설계 발표, 특허출원서 작성, 최종보고서 작성, 포스터 제작

◇ 장미예 - 개념 설계/ 포스터 발표, CAD 보조(일부 부품 설계), 회로 설계, 아두이노 SW 구성

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

가. 어려웠던 내용들

설계치수의 구체화 과정에서 초기 구상은 비교적 간단했으나, 실제 부품 선정 및 구조 설계 단계로 넘어가면서 세부 치수를 정밀하게 조정하는 데 많은 시간이 소요되었다. 특히, 제한된 설치 공간 내에서 작동 효율과 강도를 동시에 확보해야 했기 때문에 반복적인 수정과 검토를 진행했다.
또한, 아두이노 기반의 모터 제어 구현에서도 난점이 많았다. 시뮬레이션에서는 원활하게 동작했던 제어 로직이 실제 하드웨어에서는 오차나 지연이 발생하는 등, 이론과 실제 간의 갭을 실감하게 되었다. 특히, 소형 모터의 경우 내구성이 낮고 쉽게 과열되거나 손상되는 문제가 자주 발생했으며, 반복 구동에 따른 신뢰성 확보가 어려웠다. 이에 따라 모터 선택과 회로 보호 설계에 많은 고민이 필요했다.
더불어, 실제 경쟁사 제품의 도면이나 예산 정보 등 참고할 수 있는 공개자료 확보가 매우 어려웠다. 대부분의 기술자료가 특허나 내부 문서로 제한되어 있어, 유사 사례를 조사하고 비교 분석하는 데 한계가 있었다. 이로 인해 일부 설계 결정은 실험적 접근으로 진행할 수밖에 없었다.
마지막으로, 피해 통계에 대한 자료가 충분히 제공되지 않아 경제성 분석이나 필요성 입증에 어려움이 따랐다. 특히, 특정 장소의 침수 빈도나 피해 규모에 대한 공식적인 데이터가 부족해, 정량적 근거를 기반으로 한 설득력 있는 분석을 진행하는 데 제약이 있었다. 이러한 한계는 정책 제안이나 사업 타당성 평가 시에도 영향을 미쳤다.

나. 차후 구현할 내용

향후 구현 단계에서는 보다 통합적이고 실효성 있는 시스템 개발을 목표로 하고 있다. 먼저, 지하철역의 침수를 차단할 경우 유입되지 못한 빗물이 주변 지역으로 유출되어 2차 피해를 초래할 수 있는 문제에 주목하였다. 이를 해결하기 위해, 차수판에 막힌 물을 자연스럽게 배수할 수 있도록 기존의 우수관로(빗물 배수 시스템)와 연결하는 방안을 고려하고 있다. 이를 통해 침수 방지와 함께 물 흐름의 자연스러운 처리를 동시에 달성할 수 있다.
또한, 센서 기능을 활용한 시스템 고도화도 함께 추진 중이다. 특히 사용 예정인 센서는 강우량 외에도 기온, 습도, 기압 등 여러 기상 요소를 동시에 측정할 수 있어, 다양한 기후 조건을 반영한 정밀한 제어 체계 구축을 추구하고 있다. 이러한 데이터를 도시 유출 모형 (SWMM 등)과 연계하여 실시간 예측 및 분석 기반의 작동 로직으로 발전시키는 방식을 통해, 단순한 반응형 제어를 넘어 예측 기반의 지능형 자동 제어 시스템으로의 고도화를 도모하고자 한다.
이와 같은 기능들을 안정적으로 운영하기 위해서는 차수판, 센서, 제어 소프트웨어를 통합 관리할 수 있는 중앙 제어 시스템의 구축이 필수적이다. 침수 위험이 감지되면 자동으로 차수판이 작동하고, 관리자에게는 경보와 함께 수동 제어 옵션이 제공되어 유연한 현장 대응이 가능하도록 한다.
마지막으로, 본 시스템은 지하철역뿐만 아니라 지하주차장, 건물 출입구, 저지대 도로 등 다양한 도시 인프라로 확장이 가능하도록 설계하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 모듈화된 구조와 표준화된 설치 방식을 바탕으로, 다양한 설치 환경에 유연하게 적용될 수 있는 범용성을 확보하고자 한다.