Development and User Evaluation of a Unified Chemical, Biological and Radiological Hazard Detector

준녕 이; 주옥 박; 정호 박; 승만 양; 윤하 주; 상도 신

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.3.165

Abstract

In this study, we developed a unified chemical, biological, radiological, and nuclear (CBRN) threat analyzer and performed user evaluation of the device. The proposed device is composed of sub-systems capable of analyzing common toxic industrial chemical (TIC) gases, gamma rays, and common non-gaseous biological agents. The threats are analyzed and presented in a user-friendly form; the results of gas analysis are presented in the form of acute exposure guideline levels (AEGLs), the results of radiation analysis are presented in the form of maximum exposure time, and the results of biological agents analyses are presented as present or absent. In the user evaluation, the developed device is compared against commercial devices. Due to the extra analyses on the CBRN threats in addition to chemical gas concentration and radiation levels, the subjects were better able to comprehend the degree of danger as compared to the commercial devices. The proposed device was also rated as bulky and less portable as compared to the commercial devies, but was rated higher in terms of ease of use and information display.

Keywords: Disaster, CBRN (Chemiacl, Biological, Radiology, Nueclear), Detection Device, Usability

요지

본 연구에서는 특수재난 대응 통합 위해인자 탐지 장비를 고안하고, 제작하여 그 사용성을 평가하였다. 본 연구에서 개발된 장비는 화학 가스 탐지 및 분석, 방사선 탐지 및 분석, 생물학 위해 인자 탐지로 구성이 되었다. 화학 가스 탐지의 결과를 상황 위험도를 나타내는 acute exposure guideline levels (AEGLs)로 변환하여 제시하고 방사선 탐지의 결과는 노출량과 누적량만이 아니라 10mSv를 기준으로 최대 활동 시간으로 제시한다. 최종 사용성 평가에서 개발된 시제품은 탐지 분석 결과에 대한 추가적인 정보를 제공하여 사용자가 결과 해석을 쉽게 할 수 있도록 한 특징이 잘 나타났다. 시제품은 여러 장비의 통합으로 크기가 크고 운반의 용이성은 떨어졌지만, 전반적 사용성 및 버튼 조작의 편리성, 화면 구성 및 결과 제시 방식에 대한 사용자 만족도는 높은 것으로 나타났다.

1. 서론

전 세계적으로 다양한 특수 재난의 위협이 증가하고 있으며 이런 상황에 대응하기 위한 통합형 위해인자 탐지 및 측정 장비에 대한 요구가 증가하고 있다(Ceruti, 2007; Ceruti et al., 2008; Weerth, 2009). 그러나 실제로 위해 인자별 탐지 기술이 서로 달라 통합 장비를 개발하기 어려운 점이 있었다.

또한 기존에 개발되어 있는 장비의 경우 화학, 방사선, 생물학 각각에 대한 지식이 없는 초보자의 경우 긴급한 상황에서 사용하기 어렵거나, 사용하더라도 그 결과를 이해하기 위해 별도의 학습 기간이 필요한 경우가 많아서 일부 전문가나 훈련받은 구조대원만이 장비를 사용할 수 있었다. 그러나 현장의 위해인자에 대한 정보는 현장의 즉각적인 대응 뿐 아니라 피해자의 현장 중증도 분류 및 처치를 위한 유용한 정보가 될 수 있고, 위해인자에 대한 정보를 비전문가에게 효과적으로 전달하는 방식이 필요하다(Lansdowne, 2015).

이러한 장비를 개발하기 위해서는 기존 장비의 탐지 기술을 응용하여 통합하는 전자 정보 기술 및 소프트웨어의 구현이 필요하며, 동시에 탐지 결과를 해석하여 사용자에게 효과적인 메시지로 전달하기 위한 알고리듬이 필요하다. 이 연구는 첫째, 현재 개발된 위해 인자 탐지의 기술을 응용하여 사용자 중심성을 높인 화학, 방사능, 생물학 통합 위해인자 탐지 장비를 개발하고자 하였고, 둘째, 사용자 편의성에 대한 평가를 위해 상용화된 제품과 직접 비교를 수행하여 제품 개선에 활용하기 위해 수행하였다.

2. 통합 위해인자 탐지 장비 시제품 개발

재난대응 위해인자 탐지 시스템은 중앙 통제 및 처리 부분, 화학 가스 위해인자 센서 부분, 방사선 위해인자 센서 부분, 생물학 위해인자 센서 부분으로 총 4가지 부분으로 구성되어 있다. 중앙 통제 및 처리 부분에서는 전체 시스템에서 필요한 전력을 공급하고 센서 위해인자 부분들의 데이터를 수집하여 각각의 위험 수치와 그에 따른 적절한 대피 시간을 분석하여 표시하는 기능을 하고 있다. 이 네 부분을 포함한 전체 시스템은 모든 필요한 기능들을 포함하면서 사용자의 편의를 고려하여 설계하였고, 8시간 구동이 가능하도록 제작했다. 제품의 외양과 내부 구성은 Figs. 1과 2와 같다.

Fig. 1

The Prototype of CBRN Detector

Fig. 2

Constituency Diagram of the Detector

2.1 제어 시스템

재난 상황 발생시 구조/구급대원들이 집중하지 않아도 쉽게 볼 수 있도록 큰 LCD로 디스플레이를 구현하였다. LCD에는 방사선 위해인자의 피폭량과 장비가 탐지할 수 있는 가장 위해한 화학 가스의 농도와 위험도가 한눈에 볼 수 있도록 표기된다(Fig. 3).

Fig. 3

The LCD Display Example

Fig. 4

Flow Diagram of the IMASS Auto Analysis Algorithm

2.1.1 중앙처리장치

중앙처리장치는 STM32F106 Chip을 이용하여 구현하였다. 중앙처리장치를 통해서 1초마다 모든 화학 가스 센서 및 방사선 위해인자 센서의 데이터 수집 및 위험도 변환이 가능하게 제작하였다.

2.1.2 전압조절장치

통합 장비에는 많은 센서들과 전자 부품들을 통해서 구동되기 때문에 각 부품에 적합한 전압들이 공급되어야 한다. 따라서 본 장비의 배터리는 14.4 V를 출력하지만 이 전압은 12 V, 5 V, 4.25 V, 3.3 V, 2.1 V로 조절되어 각 부품들에 필요한 출력전압을 공급하게 하였다. 각 부품에 따라 필요한 공급 전류도 다르기 때문에 이를 고려하여 PYB30-Q24- T512 (CUI Inc.) DC-DC 컨버터와 switching regulator 및 voltage divider를 회로로 각각 구현하였다.

2.1.3 알람 기능

이 장비에는 방사선 위해인자 누적량이 10 mSv 이상, 한 화학 가스의 AEGL level이 3 이상, 또는 생물학 위해인자가 발견이 되면 알람이 켜지는 기능을 적용하였다. 알람은 80 dB의 부저로 울리면서 디스플레이에서 해당되는 위해인자의 정보가 빨간색으로 표시되도록 제작하였다.

2.1.4 저장 기능

본 장비에는 재난 후 상황 분석을 위하여 데이터 저장 기능이 있다. 중앙처리장치에서 시간과 화학 가스 농도, 방사선 위해인자 노출량 및 누적량, 그리고 생물학 위해인자 탐지에 대한 정보가 기록된다.

2.2 화학가스 위해인자 탐지

화학 가스 센서는 전기화학적 방식의 가스 센서를 사용한다(Albert et al., 2000). 본 장비에서는 유해화학물질 관리법에서 사고발생의 가능성이 높은 화학 가스 중 10개인 CO (0-1700PPM), H2S (0-100PPM), SO2 (0-30PPM), NH3 (0-2700PPM), HCN (0-30PPM), HCl (0-100PPM), COCl2 (0-1PPM), HF (0-10PPM), 휘발성 유기화학 가스 (0-2000 CO PPM), 폭발성 가스 (0-100 CH4 %LEL)를 선정해서 각 가스마다 센서 1대가 적용되었다. 화학 가스 센서는 어느 정도의 유량이 제공되어야 동작하기 때문에 유량을 제공할 수 있는 다이어프램 압력 펌프가 1 L/min의 유속을 가지는 유량을 공급하게 하였다.

2.2.1 화학 가스 농도-AEGL 변환

화학 가스의 농도 정보는 Acute Exposure Guideline Levels (AEGL) (National Research Council et al., 2001)로 변환하여 상황의 위험도를 알려준다. 전문 지식이 부족한 구조대원에게 가스의 농도를 제공하는 것보다 AEGL 수치를 제공하는 것이 더 효과적으로 정보를 전달할 수 있을 것으로 보여 이러한 기능이 추가되었다.

2.3 방사선 위해인자 탐지

방사선 위해인자 센서는 PIN 다이오드 센서로 구성된다(Knoll, 2010). 본 센서는 0.1 uSv/hr에서 100 mSv/hr까지 측정이 가능하다. 방사선 센서에서 측정된 방사선량으로 방사선 누적량을 계산하여 활동 가능 시간을 제시한다.

2.4 생물학 위해인자 탐지

생물학 위해인자 탐지는 Lateral-flow Immunoassay 기법을 사용하는 IMASS (BBI detection, 영국) 상용 장비를 적용하고 탐지 결과를 자동으로 인식하는 시스템을 개발하여 적용하였다. IMASS는 탄저균, 리신, 보툴린, 야토병균, 페스트균, 브루셀라, 비저균, 포도구균 등 8가지 생물학 위해 인자를 탐지할 수 있다.

샘플을 채취한 IMASS를 통합장비의 고정 정치에 삽입하면 15분 후에 자동 분석이 된다. 자동 분석 시스템은 2개의 카메라와 거울을 이용해 IMASS의 360도 사진을 찍고 그 사진에 이미지 프로세싱 알고리즘을 적용하여 진행이 된다. 먼저 사진에서 Region of Interest (ROI)를 추출하고, ROI에서 위해인자의 이름 및 음양성을 인식하게 되어 있다. 각 생물학 위해인자에 대해서 빨간 선의 개수로 음성, 양성, 불확실을 판단하고 광학문자인식 방법을 이용하여 위해인자의 이름을 분석하게 하였다.

3. 개발된 탐지장비에 대한 사용성 평가

3.1 장비 사용성 평가 방법

시제품의 사용성을 평가하기 위해 2017년 2월에서 2017년 3월까지 총 25명의 현직 소방 구조대원 및 구급대원, 병원 근무 응급구조사를 대상으로 사용성 평가를 진행하였다. 모든 피험자에게 평가 전 사용성 평가 과정 및 진행에 대한 동의를 구하였고, 서면 동의를 획득하였다. 제품의 사용성을 상용 제품과 비교하기 위하여 화학 탐지 장비인 MultiRAE (RAE Systems, San Jose, CA)와 방사능 탐지 장비인 DoseRAE (RAE systems, San Jose CA)를 비교 장비로 선정하였다. 사용성 평가에서 한 명의 피험자는 시제품을 이용한 화학/방사능/생물학 탐지 시뮬레이션과, MultiRAE를 이용한 화학 탐지 및 DoseRAE를 이용한 방사능 탐지의 총 다섯 가지 simulation을 수행하였다. 사용성 평가 과정에 장비 사용의 학습 효과가 영향을 미칠 수 있으므로, 평가자마다 다섯 가지 과업의 순서는 무작위로 진행하였다.

위해물질 탐지 시뮬레이션은 평가자의 안전을 고려하여 실제 위험물질의 노출 없이 진행되었으며, 피험자에게 유형별 상황을 설명해 주고 탐지 장비를 이용하여 원인 물질을 탐지하도록 하였다. 시제품의 경우 시뮬레이션에 따라 해당하는 결과가 화면에 자동으로 나오도록 미리 설정해두었고, 상용제품의 경우 적절한 동작이 수행되고 나면 탐지 결과가 나타난 디스플레이 사진을 평가자가 피험자에게 보여주고 결과를 해석하게 하였다.

화학 탐지 시뮬레이션에서는 물질 인지 여부, 농도 인지 여부, 위험 수준 인지 여부, 위험 수준 평가를 위한 추가 자료원의 필요성, 결과 제시부터 인지까지 소요 시간 및 전체 과업 수행에 대한 장비 만족도를 조사하였다. 방사능 탐지시뮬레이션에서는 방사능 누출 인지 여부, 농도 인지 여부, 위험 수준 인지 여부 및 위험 수준 평가를 위한 추가 자료원의 필요성, 결과제시부터 인지까지 소요 시간 및 전체 과업에 대한 장비 만족도를 조사하였다. 생물학 탐지 시뮬레이션에서는 물질 인지 여부, 결과 제시부터 인지까지 소요 시간 및 전체 과업 수행에 대한 장비 만족도를 조사하였다. 전체 과업에 대한 장비 만족도는 5점 척도로(1점=아주 어려움, 5점=아주 쉬움) 조사하였으며, 4점 및 5점에 해당되는 경우 장비에 대해 만족한 것으로 판단하였다.

시뮬레이션 종료 후 만족도 설문조사를 시행하였다. 설문조사를 통하여 피험자 기본정보(나이, 성별, 현재 업무, 특수재난 탐지장비 사용 경험), 시제품 및 상용제품 대상 System Usability Scale (SUS) 기반 사용성 평가 및 시제품 및 상용 장비 대상 제품 세부 항목 만족도 평가(크기, 모양 및 디자인, 전원 조작의 편리성, 버튼 조작의 편리성, 화면 구성의 편리성, 탐지 결과 해석의 편리성, 운반의 편리성, 전반적 만족도 대상) 정보를 수집하였다. SUS를 이용하여 사용성과 관련된 10개 항목에 대하여 5점 척도로 만족도를 조사한 후, 각 항목의 평가를 합하여 1개의 만족도 점수를 산출할 수 있었다. 이러한 만족도 점수는 0점에서 100점 범위이며, 숫자가 클수록 사용성이 크다고 판단할 수 있다(Brooke, 1996). 세부 항목 만족도 평가는 5점 척도로(1점=매우 불편하다, 5점=매우 적당하다) 조사하였으며, 4점 및 5점에 해당되는 경우 해당 사항에 만족한 경우로 판단하였다.

평가 결과의 비교를 위해 통계적 분석 방법(Fisher test, Mann-Whitney Test)이 적절하게 활용되었으며, 유의수준 0.05를 기준으로 분석하였고, 다중비교는 보정되지 않았다.

3.2 사용성 평가 결과 및 분석

총 25명의 피험자 중 119 특수구조대가 4명(16%), 화재진압대가 1명(4%), 구급대원이 10명(40%), 구조대원이 1명(4%)이었고, 병원종사 응급구조사가 9명(36%)이었다. 피험자들의 평균나이는 34세(표준편차 7세)였으며, 남성이 16명(64%)이었다. 전체 피험자 중 14명(56%)가 위해인자 탐지 장비 경험이 있었고, 이 중 화학 탐지 장비는 8명(32%), 방사능 탐지장비는 12명(48%), 생물학 탐지 장비는 8명(32%)에서 사용 경험이 있었다. 상용제품인 MultiRAE를 사용한 피험자는 2명(8%)였고, DoseRAE를 사용한 피험자는 3명(12%) 이었으며, IMASS를 사용해본 피험자는 1명(4%)였다.

화학 물질 탐지 시뮬레이션 및 방사능 물질 탐지 시뮬레이션 수행 결과는 Table 2와 같다. 각 유형별 시뮬레이션에서 모두에서 물질인지, 농도 인지 및, 농도 해석 비율은 시제품 및 상용제품 사이에 유의미한 차이는 없었다. 하지만 위험도 평가를 위한 추가적인 자료원의 필요성은 시제품이 상용제품보다 유의미하게 낮았다. 이는 시제품에서 화학물질의 경우 AEGL 값을 추가로 표시하고, 방사능물질일 경우 활동가능 시간을 추가로 표시하여 결과 해석에 도움을 주었기 때문으로 생각된다. 화학 물질 탐지 시뮬레이션에서 결과제시부터 결과 인지까지 걸리는 시간은 시제품이 상용제품에 비해 유의하게 길었는데, 이는 시제품에서 화학 물질 탐지 결과를 두 가지 화면에 나누어 제시하여 사용자가 버튼을 통해 두 가지 화면을 모두 확인하게 하였기 때문인 것으로 판단된다.

Table 1

Detected Results (in ppm) to Acute Exposure Guideline Levels (AEGL)

Gas type		CO	H2S	SO2	NH3	HCN	HCL	HF	Phosgene
AEGL1 (ppm)	10 min	-	0.75	0.2	30	2.5	1.8	1	-
	30 min	-	0.6	0.2	30	2.5	1.8	1	-
	60 min	-	0.51	0.2	30	2	1.8	1	-
	4 hr	-	0.36	0.2	30	1.3	1.8	1	-
	8 hr	-	0.33	0.2	30	1	1.8	1	-
AEGL2 (ppm)	10 min	420	41	0.75	220	17	100	95	0.6
	30 min	150	32	0.75	220	10	43	34	0.6
	60 min	83	27	0.75	160	7.1	22	24	0.3
	4 hr	33	20	0.75	110	3.5	11	12	0.08
	8 hr	27	17	0.75	110	2.5	11	12	0.04
AEGL3 (ppm)	10 min	1700	76	30	2700	27	620	170	3.6
	30 min	600	59	30	1600	21	210	62	1.5
	60 min	330	50	30	1100	15	100	44	0.75
	4 hr	150	37	19	550	8.6	26	22	0.2
	8 hr	130	31	9.6	390	6.6	26	22	0.09

Table 2

Chemical and Radiological Simulation Results

Type of hazard	Chemical			Radiological			Biological
Type of hazard	Prototype	MultiRAE	p	Prototype	DoseRAE	p	Prototype
Material detection	96%	100%	1	100%	100%	1	96%
Concentration detection	96%	100%	1	100%	92%	0.49	-
Concentration interpretation	80%	84%	1	96%	92%	1	-
Need for additional source	52%	84%	0.03	16%	84%	<0.01	-
Satisfaction for task	72%	80%	0.74	88%	60%	0.05	56%
Recognition time, Median (IQR), [sec],	21 (13-28)	13 (0-19)	0.02	17 (7-30)	20 (17-36)	0.10	62 (28-100)

생물학 물질 탐지 시뮬레이션에서는 물질 인지 성공 비율이 96% 였으며, 시제품 만족도가 56%이었다. 결과 제시부터 결과 인지까지 걸리는 시간은 중위값 62초(사분위범위 28-100초)이었다(Table 2).

SUS기반 사용성 평가 결과 시제품은 평균 76점(표준편차 15점) 이었으며, MultiRAE는 평균 62점(표준편차 15점), DoseRAE는 평균 62점(표준편차 15점)으로 시제품의 사용성이 MultiRAE 및 DoseRAE보다 좋은 것으로 나타났다.

시제품 및 사용 제품 대상 세부 항목 만족도 결과는 Table 3과 같다. 시제품의 경우 크기(Size) 및 운반의 용이성 (Portability)가 MultiRAE 및 DoseRAE 에 비해 월등히 떨어졌으나, 버튼 조작의 편리성 및 화면 구성, 결과 인지 및 전반적 만족도는 사용제품에 비해 더 높은 것으로 나타났다.

Table 3

Satisfacton Rate for Prototype and Commercialized Device

Character	Prototype	MultiRAE	DoseRAE
Size	8%	52%	76%
Shape and design	32%	48%	72%
Power button use	84%	40%	48%
Control button use	84%	36%	44%
Screen composition	92%	36%	N/A
Result recognition	80%	24%	12%
Portability	12%	64%	84%
Overall satisfaction	76%	36%	32%

전반적으로 개발된 시제품은 탐지 분석 결과에 대한 추가적인 정보를 제공하여 사용자가 결과 해석을 쉽게 할 수 있도록 한 특징이 잘 나타났으며, 여러 장비의 통합으로 크기가 크고 운반의 용이성은 떨어졌지만 전반적 사용성 및 버튼 조작의 편리성, 화면 구성 및 결과 제시 방식에 대한 사용자 만족도는 높은 것으로 나타났다.

4. 결론

본 연구에서는 사용성 개선을 목표로 한 화학, 생물학, 방사능 통합 위해인자 탐지 장비를 개발하였으며, 사용성 평가를 통해 실제 시제품의 사용성 및 만족도를 평가하였다. 개발된 시제품의 특징을 정리하면 아래와 같다.

탐지 장비 시스템은 화학 가스 위해인자 센서 부분, 방사능 위해인자 센서 부분, 생물학 위해인자 센서 부분, 중앙 통제 및 처리 부분으로 구성되어 제작하였다. 각 센서 부분들은 화학 가스 및 방사선, 생물학 물질을 탐지하여 농도를 측정하는 부분이고 중앙 통제 및 처리 부분은 각 물질들의 농도에 대한 위험도 및 적절한 대피 시간을 분석하고 이를 사용자에게 알람하는 기능을 하면서 각 센서 및 부품들이 구동되도록 전력을 공급하는 부분이다.

이 연구의 제한점 중 하나는 이 장비의 경우 탐지 센서에 대한 개발 또는 개량이 아닌 기존의 센서를 활용한 통합에 중심을 두었다는 것이다. 그러나 여러 센서를 통합하는 과정에서 각 센서의 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있고, 이는 탐지 장비의 기본적인 기능과 관련이 있다. 개발된 장비는 국내에서 탐지장비의 성능을 평가 및 인증해 주는 공식 기관에서 시험을 거친 상태이며 정확성을 개선하기 위한 연구는 별도로 진행하고 있다. 이번 연구는 정확성과 상관없이 장비의 사용성에 주안점을 두고 수행하였다. 이후 실제로 위해인자가 있는 상황에서 사용하는 실험을 통해 사용성과 정확성을 모두 평가할 필요가 있겠다.

이러한 시제품은 탐지 분석 결과에 대한 추가적인 정보를 제공하여 사용자가 결과 해석을 쉽게 할 수 있도록 한 특징이 잘 나타났으며, 여러 장비의 통합으로 크기가 크고 운반의 용이성은 떨어졌지만 전반적 사용성 및 버튼 조작의 편리성, 화면 구성 및 결과 제시 방식에 대한 사용자 만족도는 높은 것으로 나타났다.

이번 연구에서 평가자들이 지적한 사항을 제품 개발에 적용하기 위해 다음의 사항을 고려해야 한다. 첫째, 탐지 장비 시스템은 센서의 크기 및 전력에 따른 배터리 규격에 따라서 무게 및 크기가 크게 좌우된다. 그러므로 추후 센서의 크기가 작아지거나 전자부품 및 센서의 전력 소모가 작아진다면 휴대성이 더욱 간편해질 것이다. 둘째, 각 센서는 제한된 사용기간이 있기 때문에 장치 시스템에 센서들의 탈착이 용이하도록 설계하여야 한다. 셋째, 알람 및 디스플레이 부분에 있어서 더욱 사용자의 편의에 맞게 구현이 된다면 사용자 편의 면에서 더욱 향상될 것이다. 다섯째, 각 위해인자 센서들의 시스템을 나누어 기호나 상황에 따라서 간편하게 구동될 수 있는 시스템을 제작한다면 휴대성 및 편의성이 향상될 것이다.