Original Article

Journal of Korean Society of Disaster and Security. 30 June 2022. 13-25
https://doi.org/10.21729/ksds.2022.15.2.13

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 본 론

  •   2.1 메타버스 플랫폼 : Cities: Skyline

  •   2.2 Cities: Skyline의 재난 적용 가능성

  •   2.3 Cities: Skyline의 재난 적용 사례

  •   2.4 도시 침수 분야에서의 활용가능성

  • 3. 결 론

1. 서 론

2019년 11월, 코로나19 바이러스의 확산으로 인해 현대인의 일상은 크게 변화하였고, 메타버스라는 개념이 각광받기 시작하였다. 메타버스(Metaverse)는 초월이라는 뜻의 ‘메타(meta)’와 현실세계를 의미하는 ‘유니버스(universe)’를 합성한 용어로, 가상현실보다 확장된 개념으로 볼 수 있다. 메타버스라는 가상공간 속에서 직접 물건을 만들어 팔고, 가상화폐로 쇼핑도 하며 때로는 유명 연예인의 콘서트를 보는 것과 같은 여가생활을 즐기기도 한다. 메타버스는 무궁무진한 세계를 구축할 수 있기 때문에 다양한 분야에서 관련 사업에 많은 투자가 이루어지고 있다. Lee(2021)은 메타버스 세계와 우리의 미래에 대해 기술한 바 있다. 무궁무진한 세계를 만들 수 있고, 다양한 플랫폼, 다양한 방식으로 공간적 제약을 뛰어넘는 소통이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 아직까지 플랫폼간의 이동이 불가능한 샌드박스형 플랫폼서비스(Lock-In)를 제공함으로써 호환성 및 확장성이 떨어진다는 점에도 불구하고 현실세계에서는 접근성이 어려운 것들을 구현해 낼 수 있다는 점에서 그 활용성에 대한 논의가 지속되고 있다. 이미 다양한 분야 및 산업에서 메타버스 기술에 우위를 점하기 위하여 관련 기술을 개발 및 적용에 있다. 메타버스의 정의와 그 범위는 다양하게 정립될 수 있지만 공간의 초월과 관련된 기술은 과거부터 다양하게 공존해왔다. 그 중 화상회의나 가상사회공간(VSS, Virtual Social Spaces)은 메타버스 기술의 초기라고 할 수 있다. Sun and Gheisari(2021)은 이러한 가상사회공간을 통하여 시공교육용 건설교육의 가능성을 확인하였다. 건축 및 토목의 교육에서는 설계 및 계획, 현장 방문 등이 필수적이라고 할 수 있으나 이는 공간적인 제약과 현장의 위험 등으로 인해 현실적인 제약조건이 많은 실정이다. 그러나 VSS 기술은 이러한 공간적인 제약 및 위험요소로부터 자유롭기 때문에 교육 측면에서의 잠재력은 무궁무진하다는 평가를 받았다. 그러나 아직까지 관련 플랫폼이나 관련 기술이 전공지식을 전달할 만큼의 정교함은 한계점으로 존재한다.

해외에서는 재난과 관련된 교육에 관련기술을 적용한 사례가 있다. 특히, 이러한 기술의 잠재력을 Cities: Skyline과 같은 게임을 통해 지속가능한 도시, 자연재난이 도시에 미치는 영향 등을 분석하였다. Fernández et al.(2021)는 Cities: Skyline이 도시설계, 도시의 인프라 구축, 재정 및 법률 시스템까지 관리가능하며 특히 자연재해 관리 분석에 잠재력이 높다고 제시하였다. 해당 게임은 자연재난과 관련된 다양한 요소를 제공하고 있으며 예측, 예방, 계획, 대응 등을 테스트하는 유용한 도구임을 제시하였다. 그러나 재난의 규모 및 공학적 이론에 근거한 정량화의 어려움을 한계점으로 제시하였다. 메타버스 혹은 가상세계는 시각화에 강점이 있다. 3D로 세계를 구현하기 때문에 기존의 2D로 구현된 자료에 비해 시각화에 의한 전달력이 우수하다. Olszewski et al.(2020)은 축산업 지역의 주민들을 대상으로 Cities: Skyline을 통해 바이오가스 발전기 건설의 타당성을 보여준 바 있다. 위에서 계속 언급한 Cities: Skyline 플랫폼도 메타버스로 확장 이전의 하나의 가상세계 플랫폼으로 볼 수 있으며, 재난뿐만 아니라 인프라의 운영측면에서도 다양한 접근이 가능하다고 판단하였다. 플랫폼 내에서 다양한 인프라의 설계, 건설, 운영, 재난 발생 상황 등이 가능하며, 복잡한 시나리오 대한 영향을 분석할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 가상세계의 결과가 현실세계에 적용되기 위해서는 앞서 언급한 물리적인 이론에 근거한 정량화 등의 한계점이 분명 해결되어야 할 것이다. 따라서, 본 연구는 이러한 Cities: Skyline 내에서 인프라중 댐과 관련된 전반적인 사항을 조사하여보고 해당요소들을 다양한 측면 및 방법으로 재현하여 현실세계 활용 가능성을 검토하고자 한다.

2. 본 론

2.1 메타버스 플랫폼 : Cities: Skyline

2.1.1 Cities: Skyline 활용 목표

Cities: Skyline은 시티즈 인 모션 시리즈로 유명한 Colossal Order에서 제작한 건설 경영 시뮬레이션 게임장르의 플랫폼이다. 도로, 물의 동적 시뮬레이션 구현, 맵, 지형편집, 객체, 교통 등 도시건설 및 경영과 관련된 기능들이 구현되어 있다. 과거 유사한 플랫폼으로 대표적으로 심시티가 있는 심시티보다 도시의 건축/미적 요소를 강조하고 철저히 현실적 구현을 강조하여 나타낸 플랫폼이라 할 수 있다. 또한 날씨효과, 수로 건설, 경제시스템의 강화 등이 강조됨을 알 수 있다. Cities: Skyline의 시작은 가상세계에 다양한 인프라를 구축하여 전력생산 및 관리, 수자원 운영 및 관리, 재난 상황 대응 등의 상황을 그대로 재현하여 실제로 도시를 직접 운영해 볼 수 있는 플랫폼이다. 본 연구에서는 해당 기능을 검토하여 현실에 적용할 수 있는 활용성을 검토하고자 한다. 본 논문에서 기술한 Cities: Skyline에서는 현실에서 적용해보기 어려운 다양한 시나리오에 대해 재현이 가능하다는 장점이 있다. 예를 들어, Cities: Skyline의 경우 재난이 발생하였을 때 피해와 더불어 도로 인프라 붕괴, 전력 인프라 기능 상실 등의 2차 피해와 1, 2차 피해로 인해 도시경영에 미치는 인문학적인 요소 까지 분석이 가능하다. 재난 대응의 경우 일반적으로는 검증된 수치모의를 활용하여 다양한 시나리오에 대한 검토를 수행하고 이를 토대로 EAP (Emergency Action Plan) 수립 등에 활용한다. 그러나, 물리적인 현상에 대한 재현만 이루어지기 때문에 1차 피해에 초점이 맞추어져있다. 플랫폼에서 제공하는 결과의 정확도의 문제는 충분히 검토되어야 할 문제지만 재난상황의 정량화나 정확도 문제가 해결된다면 인프라 시설의 운영, 전력생산, 재난 상황 대응 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것이다. 본 연구에서는 플랫폼의 적용성 확인을 위해 인프라 중 대표적으로 발전용댐을 대상으로 Cities: Skyline(Version 1.13)를 수행하고자 한다.

발전용댐을 가상세계에 구현하고 댐의 상황에 따라 변화하는 도시를 구축하여 재난상황을 검토하고자 한다. 관련 플랫폼이나 관련 연구는 국·내외로 미비한 상황이기 때문에 본 연구에서는 해당 플랫폼의 검토를 중점적으로 수행하여 적용성을 검토하고자 한다. 플랫폼의 검토, 재현성, 검증 등의 단계를 거쳐 적용가능성을 확인하였다. 가장 먼저, Cities: Skylines의 리뷰를 통해서 발전용댐의 구현방식, 물의 구현, 요소, 경제성 분석, 도시 재현 등의 전반적인 상황을 검토하였다. 해당 리뷰를 통해 Cities: Skyline의 활용정도와 한계점을 도출하였고, 해당 연구에서는 연구 범위를 재난 대응 상황으로 설정하였다. 수자원 및 전력 생산의 경우 좀 더 구체적인 제원 등이 필요로 하기 때문에 재난 대응 상황의 적용성을 우선 검토하였다. 시나리오의 경우 실제로 현실에서 발생하기 힘든 사건을 대상으로 하였다. 현재 국내에서는 댐 별로 EAP를 수립해오고 있다. EAP 상에는 100년, 200년, 500년 빈도와 같은 극한 강우 사상에 대한 홍수범람위험을 검토하고, 극한 상황으로 댐 붕괴 시나리오에 대한 분석을 실시한다. 본 연구에서는 500년 빈도의 강우가 발생하였을 때를 게임 내 수원의 강도 조절을 통해 재현하는 시나리오를 구성하였다. 마지막 단계로 재난 대응에 대한 시뮬레이션을 위해 시범지역을 설정하고 해당 지역의 댐 붕괴상황을 재현하였다. 실제 국내에 있는 발전용댐과 유사하게 구축하여 시범대상으로 설정하고 비상대피소 및 대피경로 등을 확인하였다.

2.1.2 Cities: Skyline 기능

1) 물의 물리적인 구현

Cities: Skylines에서의 물의 흐름은 매우 사실적인 수준으로 구현이 되어있다(Fig. 1). Cities: Skyline은 시스템 내에 물리방정식이 적용된다. 유체 흐름의 폭에 따라 유속이 달라지는 것과 유체의 합류, 상쇄 등과 같은 물리적인 거동 법칙이 구현되어있다. 또한 도시 내의 배수 능력을 초과하는 양의 비가 오면 저지대는 침수가 되고 하천의 물의 유속이 지형 고도에 맞추어 달라지는 등 고도에 따른 물의 흐름 역시 구현이 되어있다. 물의 흐름은 수원지의 배치를 이용하여 직접 상ㆍ하류를 구축할 수 있다.

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Fig. 1.

Water Behavior in Cities: Skylines

2) 지형 구축

Cities: Skylines는 다양한 맵을 만들어 낼 수 있고 더 나아가 실제 지형을 플랫폼 상에 구현을 할 수 있다. 원하는 지형의 Height Map을 불러온 후 맵에 적용시키는 작업을 거치게 되면 해당 지형이 게임 내에 구현 가능하며 이 맵을 이용하여 자유롭게 도시를 건설할 수 있게 된다. 또한 Cities: Skylines에서 추가적으로 지원하는 다양한 모드를 이용하여 하천을 만들거나 산을 만드는 등 세세한 지형편집 역시 사용자가 원하는대로 편집하고 꾸미는 것이 가능하다.

3) 시설물 구축

Cities: Skylines는 다양한 종류의 전력 생산시설을 지원하고 있으며 특히 물에서 전력을 생산하는 발전소는 댐과 해상풍력 발전기가 있다. 그 중 댐은 현실의 댐과 마찬가지로 댐의 폭, 너비, 높이와 같이 규모가 클수록 생산능력이 높아지고 같은 규모의 댐이더라도 낙차가 커질수록 전력 생산량이 높아진다. 또한 댐의 규모가 커질수록 댐의 설치비와 유지비 역시 늘어나게 된다. 댐과 같은 구조물 외에도 추가적인 모드를 사용하면 건물의 규모에 따라 해당 건물 내의 일자리 수와 생산량 및 소비량이 늘어나는 등의 경제적인 측면도 고려할 수 있다.

4) 경제성 분석

플랫폼에서 도시의 수입은 크게 주거, 상업, 산업 및 사무로 나누어지게 된다. 각각의 수입은 기본적으로 세금을 거두어 얻는 방식인데 세율을 따로 따로 정하여서 거두어지는 세금을 조절할 수 있다. 그 외에도 다양한 대중교통이나 관광, 도로 수입 수출을 통하여 수익을 얻어내는 방법이 있다. Cities: Skylines에서의 지출은 대부분 공공부분 지출인데 이들 역시 지출하는 정도를 조절 할 수 있어 더욱 세분화가 가능하다.

2.2 Cities: Skyline의 재난 적용 가능성

2.2.1 도시침수 시나리오 구축

Cities: Skylines에서 구현한 하천에서 수위 및 수량에 따른 하천 내 수리학적 특성을 검토하기 위해 하천에 포물선 형태의 단면을 갖는 수로를 구축하였다. 하천의 단면은 포물선 형태(Parabolic)로만 구현 가능하나 DEM자료를 활용하면 원하는 형태의 지형구축이 가능하다. 또한 하천 길이, 폭, 경사 등은 비교적 자유롭게 구축할 수 있다. Fig. 2와 같이 하천의 단면은 폭 400 m, 깊이 30 m로 설정하였다. 또한, 구조물의 유ㆍ무에 따른 수리학적 거동, 댐 운영 등을 검증하기 위해 앞 절에서 구축한 하천에 전력생산 기능을 보유한 횡단구조물을 설치하였다. 시설물 설치 후 하천경사, 하천 수심에 따른 변화도 함께 확인하였다. 플랫폼 내 구조물 설치비용은 게임 내 통화로 120,000로 나타났으며, 구조물의 높이가 변하여도 비용은 동일하게 나타났다. 전력생산 시스템의 설비용량의 경우 전력생산량은 16 MW 단위로 증가하는 것을 확인하였다. 하천 경사를 0.0002~0.005, 하천단면 높이를 35~60 m로 변화시켜가며 전력 생산량과 구조물의 안정성을 확인하였다.

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Fig. 2.

Stream and Structure in Cities: Skyline

2.2.2 수리학적 특성 분석

경사도 및 하천 단면 높이에 따라 전력생산량과 구조물의 안전성을 검토하였다. 전력생산은 Cities: Skyline 내에서 생산되는 양을 직접 확인하였고, 안정성 검토 기준은 구조물의 월류 유ㆍ무로 하였다.

검토 결과 경사도 0.000261부터 경사도가 커질수록 비교적 꾸준히 전력량이 커진다. 하지만 경사도 0.003174 이상부터는 월류가 발생하여 전력을 생산할 수 없다. 구조물의 높이가 높을수록 유효 낙차에 의하여 많은 양의 전류가 생산되는 결과를 확인하였다. 높이가 45 m일 때는 월류가 발생하여 전력을 생산 할 수 없다. 이를 통해 기본적인 물리법칙은 따르고 있다는 것을 확인하였다(Table 1). 물의 흐름과 관련하여서는 수원을 지정하면 해당 지점에서 일정량의 물을 생산한다. 수원의 경우 수원의 높이와 수원의 강도(0~1)를 통해 물의 양을 조절할 수 있다. 기본적으로 수리학적인 특성 분석을 위해서는 수량을 알아야 한다. 그러나 플랫폼 상에서 수원에서 흘러나오는 물의 양을 정량적으로 판단하기에는 어려움이 있었다. 본 절에서는 수원의 높이와 강도에 따라 발생하는 수량을 산출하기 위해 몇 가지 실험을 수행하였다. 앞서 구축한 포물선 단면의 수로에 수원의 강도와 높이를 변화시켜가며 유속과 단면수심을 측정하였다. Fig. 3은 플랫폼 내에서 유속을 측정하는 방법론을 나타낸 것이며, Table 2는 수원의 강도(Parameter)에 따른 유속과 유량을 산정한 결과를 나타내었다. 수원의 강도는 플랫폼 상에서 구현할 수 있는 값으로 0~1까지의 범위를 나타낸다. 수원의 강도를 감소시킴에 따라 유속이 감소하며 그에 따라 유량도 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 수원의 강도에 따른 하천 유량조건을 정량화하였다.

Table 1.

Power generation with slope

Slope Height
(m)
Location of Structure
(m)
Power Generation
(MW)
Overflow
0.000261 30 3,880 32 O.K
0.000485 32 O.K
0.001021 48 O.K
0.001148 48 O.K
0.003174 0~16 N.G
0.005156 0 N.G
0.002414 35 4374 48 O.K
40 4374 80 O.K
45 4374 0 N.G

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Fig. 3.

Measurement of Flow Velocity in Cities: Skyline

Table 2.

Hydraulic Characteristics by parameter of water source

Parameter Depth
(m)
Area
(m2)
Time
(s)
Velocity
(m/s)
Flow rate
(cms)
1 20 689 184 4.39 3024.71
0.8 20 689 225.4 3.68 2535.52
0.6 20 689 227.7 3.55 2445.95
0.4 20 689 230.0 3.51 2418.39
0.2 20 689 232.3 3.48 2397.72
0.1 20 689 236.9 3.41 2349.49

2.2.3 시설물 특성 분석

기구축한 횡단구조물의 전력시스템은 일반적인 발전용댐과 유사하게 구성하였다. 전력생산량은 발전기에 사용되는 수량, 유효낙차, 발전기효율에 기인한다. Cities: Skyline에서는 발전용댐의 전력생산량만을 확인할 수 있어 구체적인 수량과 유효낙차는 확인할 수 없다. 전력생산량에 사용되는 수량 및 유효낙차를 정량화하기 위해 댐의 높이에 따른 전력생산량의 변화를 확인하였다. 유효낙차를 조정하기 위해 댐의 높이조건을 변화시키는 이유는 플랫폼 내에서 구조물에 의해 형성된 수위는 댐 높이의 일정비율로 유지되는 것을 확인하였다. 일반적으로 댐 운영은 구조물로 형성된 저수지의 높이를 인간의 운영을 통해 조정되지만 현재 해당 기능은 구현하기가 힘든 것으로 확인되었다. 그러나 전력생산량은 흐르는 물의 양을 감소시키거나 증가시켰을 때 변화하는 것이 확인되었고 이는 수량에 의해 전력생산량이 조절될 수 있음을 의미한다. 한편, Cities: Skyline에서는 댐 건설 전에 해당 발전용댐의 예상생산량을 확인할 수 있다. 예상 생산량은 실제 전력생산량과 비례함을 확인하였으며, 유효낙차의 영향을 고려할 수 있는지를 확인하기 위하여 구조물 높이와 전력생산량의 관계를 Table 3에 나타냈다. 동일한 수량에 구조물의 높이를 증가시킴에 따라 전력생산량이 증가함을 확인하였다.

Table 3.

Power Generation by height of structure

Height
(m)
Length
(m)
Cost of construction Prediction of Power generation
(MW)
Power Generation
(MW)
30 432 110,000 16 32
40 48 80
50 96 176
60 160 240
70 192 240
80 256 464
90 304 704
100 336 848
120 544 912
140 704 1088
160 992 1136
180 1312 2208
200 1552 2304

2.2.4 경제성 분석

구조물 경제성 평가는 일반적으로 건설비용(C, Cost)과 건설된 구조물로 인해 발생하는 편익(B, Benefit)을 비교하여 산정한다. 비용과 편익의 비교를 위해서는 댐 건설시 발생하는 건설비용을 계산하여야한다. Cities: Skyline 내에서 발생하는 댐 건설비용을 분석하였다. 일반적으로 현실세계에서 개략적인 댐 건설 비용을 산정하기 위해 댐의 길이, 높이 등을 이용한다. 플랫폼 내에서 제공하는 건설비용의 절대적 값은 현실세계 크게 의미가 없겠지만 일반적으로 현실세계의 상식에 벗어나지 않는 형태로 운영이 되고 있는지 확인하였다. 플랫폼내에서 건설되는 구조물의 길이와 높이에 따른 비용의 차이를 확인하였다. 구축한 구조물은 아치형 형태로 길이, 아치의 곡률 변화를 구조물의 생성 비용과 비교하였다. 길이나 높이에 따라 아치의 곡률의 변화도 추가적으로 확인하였다. Table 4h는 댐의 곡률에 의해 형성되는 호와 현의 직선거리이다. Fig. 4는 앞서 분석한 내용들을 회귀식 형태로 나타낸 결과이다. Fig. 4(a)에 의하면 수원의 강도에 의해 유량의 변화를 확인할 수 있었다. 일정한 관계를 갖고 있지 않지만 해당 회귀식을 통하여 1개의 수원에서 발생하는 유량에 대한 식을 도출하였다. Fig. 4(b)는 구조물의 규모에 따른 전력생산량의 변화를 나타내었다. 일반적인 전력생산 수식을 따르고 있는 것으로 나타났다. Fig. 4(c)~(d)는 플랫폼 상 경제성 분석결과를 나타낸 것으로 구조물 규모에 따라 증가하는 비용을 확인할 수 있다.

Table 4.

Construction Cost by Width of structure

Width
(m)
h
(m)
h
(m-1)
Cost
(C)
Cost by width
(C/m)
440.08 49.42 0.112 116,000 264
544.25 62.53 0.115 140,000 257
672.27 76.41 0.114 176,000 262
744.09 84.88 0.114 198,000 266
887.71 101.41 0.114 232,000 261
943.88 102.3 0.108 242,000 256
1080.24 122.64 0.114 286,000 265

/media/sites/ksds/2022-015-02/N0240150202/images/ksds_15_02_02_F4.jpg
Fig. 4.

Empirical relationship of parameters in Cities: Skyline

2.3 Cities: Skyline의 재난 적용 사례

2.3.1 도시침수 시나리오 구축

금회 연구의 연구 대상지는 발전용댐이 건설되어 있는 OO시를 대상으로 하였다. 해당 도시는 상류에 발전용댐과 다목적댐이 모두 위치하여 각가에서 방류되는 물이 합류되는 곳에 위치하여 있다. 해당 지역을 플랫폼 내에서 제공하는 Map Generator를 통해 실제지역의 DEM 자료를 플랫폼에 구현하였다. 위ㆍ경도 좌표를 MOBAC이라는 내부의 프로그램을 통해 입력할 수 있다. 최종적으로 완벽하지는 않지만 댐, 구조물, 주요 도로 등의 인프라, 건축물 등을 재현하여 도시의 기능을 개략적으로 갖추었다. Fig. 5(a)는 도시를 재현하기 전 지형자료만 구축된 모습이고 Fig. 5(b)는 해당 지형에 도로, 건물, 논, 밭 등 도시의 형태로 재현한 모습이다. Fig. 5(c)는 실제 도시의 위성사진인데 게임으로 재현한 모습과 매우 유사함을 확인할 수 있다.

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Fig. 5.

Construction of Topography and Urban in OO city

재난 시나리오는 몇 가지 비상상황에 대한 가정을 통해 사례 적용을 수행하였다. 범람 시나리오는 500년 빈도 홍수량 발생 시 상황으로 구성하였다. 국내는 빈도별 홍수위험지도와 댐 EAP 수립 시 극한 홍수와 같은 비상상황에 대한 시나리오를 구축하여 대비하고 있다. 현재단계에서는 플랫폼 내에서 500년 빈도 홍수량을 정량화하여 구현하기 힘들기 때문에 500년 빈도 홍수 위험지도를 재현하는 수량을 발생시켜 시나리오 상황을 재현하였다. 정량화된 홍수량을 재현한 것이 아니라 홍수위험지도와 유사한 형태로 침수되는 수원의 강도를 댐 위치에 재현시켜 시나리오를 구성하였다. Fig. 6(a)는 2012년에 환경부에서 제작한 500년 빈도 홍수위험지도이며 Fig. 6(b)는 Cities: Skyline에서 홍수상황을 재현한 것이다. 홍수량을 동일하게 상류 댐 구조물로부터 수량을 증가시키고 동일한 지형을 확인한 결과 일부차이가 있을 수는 있으나 환경부에서 제공한 홍수위험지도의 침수양상처럼 도시 서쪽부분도 잠기는 상황을 재현할 수 있었다.

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Fig. 6.

Flood Scenario

추가로, 1차 재난 이후의 상황을 모의하기 위하여 500년 빈도에 대한 비상대책계획의 주민 대피 시나리오를 구성하였다. 총 4개의 비상대피소를 결정하였고 동일한 범람 시나리오에 대해 비상대피소의 위치에 따라 인구 피해와 재산 피해 등을 메타버스 플랫폼을 활용하여 분석하였다. 일반적으로 홍수발생시 주민 대피소는 범람 예측지역과 떨어져 있고, 이동이 편리하여 도달하기 편리한 곳에 대피소로 지정한다. 홍수위험지도를 구축한 후에 그 결과에 따라 대피소를 지정한다. 본 연구에서는 비상대피소에 따른 결과의 차이를 확인하기 위해 침수지역과 침수지역이 아닌 곳을 비상대피소로 지정하였고 그 결과의 차이를 확인하였다. Fig. 7에는 시나리오별 OO시의 비상대피소 위치를 나타내었다.

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Fig. 7.

Location and Scenario of emergency shelter

2.3.2 도시침수 사례 적용 결과

500년 빈도정도의 극한 홍수량이 발생하였을 때 비상대피소 위치에 따른 피해를 분석하였다. 가상세계에서의 발전용댐 방류량 혹은 댐의 붕괴와 같은 극한 홍수량을 유발하는 재난이 발생하였다고 가정하였다. 즉, OO댐으로 인해 발생한 극한홍수사상이 하류에 위치한 OO시 영향을 미쳐 발생하는 인명 및 재산피해를 가상세계 속에서 확인하였다. Cities: Skyline에서는 비상대피소 설정 기능이 있으며, 비상대피소에 위치에 따라 도시의 인명 및 재산피해를 다르게 설정가능하다. 사회인문학적 요소를 검토하기 위하여 재난이 발생한 이후 시나리오별 인구의 변화와 도시시스템에서 발생하는 세금 등의 결과를 확인 및 검토하였다.

시나리오별 재난 및 인명피해를 분석한 결과, 건물 피해는 대피소에 크게 영향을 받지 않는 것으로 확인되었다. 침수면적을 동일하기 때문에 Table 5에 나타난 것처럼 시나리오별 붕괴건물은 크게 차이가 나타나지 않는다. 동일한 수원의 강도로 홍수를 발생시켰음에도 불구하고 대피소의 위치에 따른 차이가 있는 것으로 보아 추가적으로 검토가 필요하다. 인명피해는 대피소가 없는 경우와 있는 경우의 사망자의 수가 크게 차이를 보였다. 대피소의 유ㆍ무에 따라 차이가 발생한다는 것은 비상대책계획의 효과를 Cities: Skyline에서 반영 가능한 것으로 판단된다.

대피소의 위치에 따라 결과가 다른 원인으로는 두 가지로 요약할 수 있다. 먼저 상류로부터 침수가 발생하여 대피소에 도달시간이 다르기 때문에 차이가 발생한다. Scenario D는 가장 먼저 침수가 되는 지역이기 때문에 D 대피소는 대피하기 전에 침수가 발생하는 경우이다. Table 5의 사망자 추세를 보면 Scenario D의 사망자가 다른 지역에 대피소를 설정하는 경우보다 사망자가 많은 것을 확인할 수 있다. 두 번째로는 침수지역과의 거리로 볼 수 있다. Scenario B가 가장 하천으로부터 거리가 멀리 떨어져 있기 때문에 사망자수가 적은 것으로 보인다. 인구감소율도 Scenario B가 가장 낮은 것으로 나타났다.

Table 5.

Damage Analysis by Flood Scenario

Scenario Tax Population Damage of Disaster
Amount Decrease after
disaster
Max. Min. Decrease after
disaster
Number of
Deaths
Collapsed
Building
Scenario O 30066 35247 36930 29433 7497 143 23
Scenario A 33632 31680 36816 29941 6875 2 19
Scenario B 16534 48778 37080 32340 4740 2 19
Scenario C 30573 34740 36855 31442 5413 3 20
Scenario D 32653 32660 36739 29779 6960 7 20

Fig. 8은 홍수 재난 이후의 인구변화와 세금 변화를 나타낸 그래프이다. Cities: Skyline은 시나리오별로 재난 발생 이후의 도시의 회복에 대한 평가도 가능하다. Fig. 8에 나타난 세금은 인구와 그 지역의 산업 등과 관련된 지표로 침수로 인해 사회기반시설이 파괴되고 인구가 감소하였을 때 세금이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 세금의 화폐단위는 게임상의 단위를 쓰기 때문에 현실에 반영하는 것은 어려움이 있을 수 있으나 비상대책계획이나 재난 조치 계획을 수립 시 결과의 동향을 토대로 복구 방향이나 방안을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

/media/sites/ksds/2022-015-02/N0240150202/images/ksds_15_02_02_F8.jpg
Fig. 8.

Damage Analysis by Scenario

2.4 도시 침수 분야에서의 활용가능성

2.4.1 물리적 현상을 기반으로 한 도시 재현

Cities: Skyline의 구성요소 및 메커니즘을 확인하기 위해 수리학적 특성, 전력생산, 경제성(비용)의 변화를 검토하였다. 일반적으로 하천에서 유량을 확인하기 위하여 현장조사를 기반으로 수위-유량곡선을 사용한다. 정량화된 것이 정확한지 여부는 추후 연구를 진행해야하지만 현재 Cities: Skyline 내에서는 수원의 강도를 이용하여 유량이 조절이 가능하다는 것을 확인하였다. 수원의 강도-유량 곡선을 게임 내에서 직접 관측실험을 통하여 산출해내었다. 또한 발전용댐의 주기능인 전력생산과 관련해서는 유효낙차의 변화에 따라 전력생산량이 변화하는 것을 확인하였다. 댐의 제원에 따른 건설비용의 관계를 확인한 결과도 함께 도출하였다. 건설비용은 댐 길이에 따라 증가하는 것을 확인하였으나, 댐 높이와는 무관함을 보였다. 건설비용은 댐 길이에 따라 결정된다는 것을 의미한다.

메타버스의 플랫폼의 가장 큰 한계점으로 나타나는 것이 물리적 현상을 기반으로 상황이 재현되는지의 여부이다. 단순히 가시적인 부분을 떠나서 플랫폼 내에서 구성되는 가상세계가 현실과 같이 재현되기 위해서는 물리적 현상 및 환경을 기반으로 모든 것이 이루어져야한다. 본 연구의 분석에서는 정밀하지는 않지만 기본적인 물리적인 특성이 반영된 채로 물의 흐름, 전력생산과 같은 구조물의 기능, 인구 변화 및 세금 변화와 같은 도시의 기능 등이 구현되어 있음을 간략하게 살펴보았다. 향후에 정량화한 값의 정확도나 검증과정이 수반된다면 플랫폼 내에서 발생한 결과를 현실화하는 방법도 충분이 제시가 가능함을 확인하였다.

2.4.2 가시화 효과

메타버스 및 가상세계의 장점은 시나리오별 침수전ㆍ후의 모습을 현실과 같이 가시화할 수 있다는 것이다. Fig. 9는 금회 구축한 도시의 침수 전ㆍ후의 모습을 나타낸 것이다. 도시의 상황에 따라 시간대별로 침수의 상황을 확인할 수 있다. 비상상황 예측 시 주민들에게 대피 안내를 하거나 현장상황을 파악할 때 직관적으로 표현되기 때문에 기존의 침수예상도나 홍수피해위험지도보다 현장 파악이 용이하다. 이처럼 메타버스의 현실성이 보장된다면 향후 메타버스를 활용한 도시침수 해석 결과는 매우 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

/media/sites/ksds/2022-015-02/N0240150202/images/ksds_15_02_02_F9.jpg
Fig. 9.

Visualization according to disaster occurrence

2.4.3 자연재난과 사회재난의 연계 모델 구현

최근 재난관리는 예방의 관점보다는 재난 발생 이후 대응관점을 더욱 강조하고 있다. 또한 재난 발생시 뿐만 아니라 재난 발생 이후의 도시의 기능 회복 등에도 관심이 집중되고 있다. 기후변화로 인한 극한 재난의 발생과 불확실성으로 인해 완전한 예측도 완전한 방어도 힘들다는 것을 수년간의 경험을 통해 인정하고 있다. 이에 일부 재난에 대한 피해는 수용하고 이후 원래의 기능으로 빠르게 회복하기 위한 관점에서 재난을 대응하고 대책을 수립해야 한다. 집중호우 혹은 태풍으로 인한 도시침수 발생은 도시의 기능을 마비시킬 뿐만 아니라 인명피해와 기능상실로 인한 사회재난까지 유발할 수 있다. 그러나 사회재난은 복잡한 특성을 지니고 있는 시스템을 대상으로 하고 있기 때문에 이를 해석하고 모의하는 것은 현실적으로 불가능하다. 과거 많은 연구에서 자연재난으로 인한 사회재난의 변화 등을 확인하기 위한 노력들이 수행되었지만 아직까지 이에 대한 명확한 해답을 제시하고 있지 못하고 있다. 본 연구에서 제시한 플랫폼 내에서 자연재난과 사회재난, 재난 이후의 도시 기능의 복구 등의 과정을 인구수와 세금 변화와 같은 간단한 지표로 확인하였다. 물론 매우 복잡한 사회 시스템의 변화를 정확하게 예측하기는 어렵겠지만 메타버스 상에서 사회시스템의 변화를 일부 반영한 재난 발생 및 대응에 대한 해석을 수행할 수 있다는 가능성을 확인하였다. 이러한 자연재난과 사회재난의 연계는 현실성만 전제된다면 더 현실적인 대응 전략 등을 수립하는데 활용할 수 있을 것이다.

3. 결 론

본 연구에서는 메타버스의 가상세계를 활용하여 도시침수의 대응에 적용가능성을 검토하고자 하였다. 기존의 재난 관련 모의 해석 프로그램들은 물리적인 데이터를 기반으로 재난 피해를 도출한다. 해당 피해규모나 피해예측은 사회시스템의 변화를 고려하지 않은 정적인 피해라고 볼 수 있다. 실제로 재난피해-사회피해-복구와 같은 복잡한 사회시스템을 하나의 종합적인 프로그램으로 분석하는 것은 현실적으로 불가능하다. 이 때문에 재난피해와 재난대응을 위한 정책은 사후 변경되는 경우가 많다. 따라서, 본 연구에서는 Cities: Skyline이라는 메타버스 플랫폼을 활용하여 가상세계에 지형과 도시를 현실과 동일하게 구축하고 발생가능한 극한재난시나리오를 재현하여 재난대응 측면에서의 메타버스 플랫폼 활용가능성을 검토하였다. 재난 이후의 인구변화, 복구 비용, 도시시스템의 기능 복구 등과 같은 사회적 데이터도 함께 분석하여 자연재난과 사회재난과의 연계 가능성도 확인하였다. 또한 단순히 예상 침수면적에 의한 대피소 설정이 아닌 재난이 발생하였을 때 인구나 교통의 혼잡도를 고려한 대피 경로 등을 메타버스 상에서 재현하였다. 실제 500년 빈도와 유사한 홍수상황을 만들었고, 대피소 위치별 피해변화를 관찰하였다.

본 연구결과를 통해 총 3가지의 메타버스 활용가능성을 확인하였다. 먼저, 가장 중요한 부분으로 물리적 현상을 기반으로 한 가상세계의 현실재현을 확인하였다. Cities: Skyline에서는 물리적 데이터를 수치화하여 정확한 물리적인 수치데이터를 얻는 것이 어렵다. 하지만 Cities: Skyline에서 실제 지형과 도시를 손쉽게 재현이 가능하고 침수와 관련된 수리학적인 특성도 이해 가능한 수준에서 결과를 도출하는 것을 확인하였다. 두 번째로, 자료의 뛰어난 가시화 효과의 활용성이다. 앞서 언급한 물리적 현상 기반의 정확성을 확보한 결과제시가 가능하다면 다른 시각화 자료보다 가시화 기능이 뛰어나다. 특히 실제로 발생하기 어려운 재난을 가상세계 속에서 현실과 같은 모습으로 구현하여 제시한다면 재난 상황에 대한 직관적인 결과제시가 가능하다. 마지막으로 자연재난과 사회재난의 연계 가능성이다. 메타버스라는 가상세계에서 구성되는 하나의 사회시스템을 통해 좀 더 현실적인 재난 대책 수립 및 활용 가능성을 확인하였다. 아직까지 메타버스의 명확한 개념정립이 수행되지 않은 상황에서 재난분야에서 메타버스를 활용하는 것은 시기상조일 수 있으나, 한계점으로 지적된 사항들을 하나하나 보완되어간다면 향후에는 도시침수와 같은 재난 대응에 중요한 의사결정지원 도구가 될 수 있을 것이라 기대된다.

Acknowledgements

본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 기후위기대응 홍수방어능력 기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다(2022003470001).

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Korean References Translated from the English

5
이병권 (2021). 메타버스 (Metaverse) 세계와 우리의 미래. 한국콘텐츠학회지. 19(1): 13-17.
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