자연현상이나 도시에서 발생하는 현상은 복잡한 네트워크를 형성하고 있으며 개체 간에는 유기적 관계가 형성돼있다. Newman (2003)은 현실 세계에서 나타나는 네트워크는 다수의 객체가 서로 적은 연결을 지니지만 소수의 특정 노드는 다수와 많은 연결을 가지는 복잡계(Complex system) 형태를 띠며 이러한 복잡계는 인간에 의해 만들어진 시스템에서도 발견된다고 주장하였다. 이러한 네트워크는 도로와 사회기반시설 간 구조에서도 나타나는데, 제방, 교량과 같은 교통망에 해당하는 사회기반시설이 파괴되었을 때 지역 서비스 성능이 저하되고 자연재해 피해가 빠른 속도로 지역에 파생된다는 연구결과(Ruth and Coelho, 2007; Haasnoot et al., 2011)가 있다. 따라서, 도로 네트워크 안에서 높은 연결성을 가지는 도로를 파악하고 복구 우선순위를 세우는 것은 재난 피해의 영향을 줄이기 위해 중요하다.

이러한 도로의 네트워크 기능을 평가하기 위해 네트워크 중심성 지수가 활용되고 있다. 네트워크 중심성은 개체 간 유기적인 연결성을 파악하기 위해 고안된 기술로 사회연결망 분석(Network anlaysis)에서 사용된다. Freeman (1979)는 네트워크 중심성을 측정하는 방법으로 연결정도 중심성(Degree centrality), 매개 중심성(Betweenness Centrality), 근접 중심성(Closeness Centrality)을 제시하였다. 이 중 근접 중심성과 매개 중심성은 광역 네트워크 관점에서 노드의 기능을 측정하는 지수로 활용된다. 매개 중심성은 서로 다른 지역 간 최근접 경로들이 특정 지역을 거쳐가는 정도를 측정하며, 근접 중심성은 적은 수의 도로를 활용하여 다른 모든 지역으로 이동하기 용이한 정도를 나타낸다. Kwon et al. (2021)은 매개 중심성을 바탕으로 도로의 유실로 인한 전체 네트워크의 교통피해를 예측하였다. Noh and Do (2014)는 근접중심성을 활용하여 긴급대피교통로를 선정하였다. 매개 중심성은 재난 발생 후 피해 인원의 신속한 대피와 재난 피해 경감을 위한 물자 및 인력 수송이 활발하게 일어나는 도로를 평가할 수 있어 단기적 재난 대응 관점에서 신속하게 복구해야 할 도로를 평가할 수 있다. 반면, 근접 중심성은 모든 지역과 가장 가까운 지역을 나타내며 이는 재난 대응 거점과 그 거점과 연결된 도로를 나타내어 장기적 재난 대응 관점에서 복구 및 기능 유지가 필요한 도로를 평가할 수 있다.

복구 우선순위 지수는 재난회복력의 관점에서 지역이 가진 잠재 자원이 도로 네트워크를 통해 도시 기능의 회복을 위해서 사용될 수 있도록 중요 도로를 선정하는 것을 목적으로 개발되었다. 이러한 관점에서, 본 연구는 다양한 중심성 지수 중 도시 전체의 관점에서 재난 상황에서 활용될 수 있는 근접 중심성과 매개 중심성 지수를 활용하여 도로의 네트워크 기능을 평가한다.

본 연구는 2017년 규모 5.5 지진이 발생한 포항 지역을 대상으로 진행되었으며, 포항 지역의 재난회복력과 네트워크 중심성을 평가하기 위해 도로 네트워크 데이터(Networks data)와 지역 특성 변수 데이터를 수집하였다. 수집된 데이터와 출처는 Table 1과 같다.

국가교통DB 센터에서 배포하는 노드⋅링크 데이터를 활용하여 포항시의 4차선 이상 도로와 그 사이 노드를 교통 네트워크 데이터로 수집하였다. 수집된 도로 네트워크 데이터는 네트워크 중심성 지수와 재난회복력 지수 산정을 위한 지역 특성 변수를 산출하는 데 활용된다. 재난회복력을 평가하기 위해 사회기반시설 접근성(Social infrastructure accessibility), 경제 규모(Economic Scale), 인구 특성(Population characteristics), 물리적 취약성(Physical vulnerability)을 큰 범주로 하여 지역 특성 변수를 선정하였다. 각 변수는 재난회복력의 4가지 구성요소(4 R’s)인 Robustness, Redundancy, Resourcefulness, Rapidity를 바탕으로 선정되었다. 세부 지역 특성 변수와 재난회복력의 4가지 구성요소와의 연관성은 Table 2와 같다.

사회기반시설 접근성은 의료시설 접근성, 경찰시설 접근성, 소방시설 접근성, 행정시설 접근성, 상업시설 접근성으로 구성되었으며, 접근성은 ArcGIS Networks analyst 프로그램을 활용하여 산출되었다. 접근성 A_i의 산출식은 Eq. (1)과 같다.

d_i 는 각 노드에서 가장 가까운 시설(Closest facilities measure)과의 거리를 의미한다. 경제 규모는 연간 도소매업 매출액, 서비스업 매출액, 숙박 및 음식점업 매출액, 의료업 매출액 변수로 구성된다. 본 연구는 2020년도 1월~9월의 하나카드 매출액 데이터를 바탕으로 업종별 매출액 변수를 수집했다. 인구 특성은 유동인구, 거주인구, 비취약연령비율 변수로 구성되었는데, 본 연구는 통계청 주민등록 인구 통계 데이터를 활용하여 거주인구와 지역 내 비취약연령비율 변수를 수집했다. 비취약연령비율은 10세 이상 60세 미만 인구를 기준으로 산출되었다. 유동인구는 SK 통신 빅데이터를 기반으로 수집되었다. 마지막으로 물리적 취약성은 도로 차선 수, 건축물 노후도, 교량 및 터널의 유무, 인근 도로와의 네트워크 연결성으로 구성되어있다. 교량 및 터널과 연결된 노드의 경우 재난 발생 시 붕괴 위험이 있어 재난회복력에 부정적 영향을 미친다. 따라서 교량 및 터널과 연결된 노드는 0의 값을, 연결되지 않은 노드에 대해서는 1의 값을 부여하였다. 건축물 노후도 데이터는 국토교통부 건축물 토지대장을 통해 공개된 자료를 활용했다. 도로 근처의 노후된 건축물은 재난회복력에 부정적 영향을 미침으로 가장 노후된 건물을 기준으로 신축 정도를 기준으로 수집하였다. K.J. Kim et al. (2021)은 전문가 설문을 통해 ‘노후 건물’을 위험도 분석 평가 시 중요 지표로 선정했다. 모든 지역 특성 변수들은 재난회복력 지수의 가중치와 합산하기 위해 최대-최소 정규화(Min-Max normalization)를 통해서 정규화되었다. Table 3은 지역 특성 변수의 기술통계량과 주요 분석 대상인 포항시 북구 및 남구 시가지(동) 노드들의 지역 특성 변수를 표준화 한 데이터의 평균을 나타낸다. Fig. 1은 지역 특성 변수의 값이 높게 나타나는 포항시의 중심지와 중심 도로를 나타낸다.

전문가 AHP (계층적 의사결정) 가중치 평가 설문 결과를 바탕으로 재난회복력 지수를 산출한다. AHP 가중치 평가 설문은 지역의 재난회복력의 개념을 중심으로 ‘사회적 복구’, ‘경제적 복구’, ‘물리적 복구’의 관점에서 지역 특성 변수의 가중치를 평가하는 것으로 설계되었다. 사회적 복구는 지진으로 발생한 피해자의 긴급 구조 및 구호와 도시의 사회적 기능 상실 등의 피해를 복구하는 것을 의미하며, 경제적 복구는 건물, 도로 등의 파괴로 인한 업무시설, 상업시설, 공장 및 생산 시설의 기능 상실로 인한 직간접적 피해를 복구하는 것을 의미한다. 물리적 복구는 도로 및 건축물의 파괴, 라이프라인의 파손, 차량 파손, 창고 및 재고 자산 파괴, 개인 가구 및 자산의 손실 등의 피해를 복구하는 것을 의미한다.

이를 위하여 재난 분야 전문가 10명과 공무원을 7명을 대상으로 AHP 가중치 평가 설문조사를 수행하였다. Table 4는 설문 응답자의 인구통계학적 특징을 나타낸다. 17명의 조사자 중 성별은 남자 65%, 여자 35%였으며, 연령대는 30대가 41%, 40대가 35%, 50대가 24%를 차지했다. 직업은 재난 및 도시 분야 교수, 연구원이 59%, 포항시 방재정책과 공무원이 24%, 포항시 주거안정과 공무원이 18%를 차지했다.

본 설문의 조사 기간은 2021년 11월 1일에서 11월 8일까지 총 7일 동안 진행되었다. Table 2의 변수를 바탕으로 4개의 기준과 16개의 세부 기준으로 2계층 평가 요소를 구성했다. Table 2의 Category에 해당하는 Social infrastructure, Economic Scale, Population characteristics, Physical vulnerability를 바탕으로 Level 1계층 요소를 구성했고, 세부 기준인 16개의 변수를 바탕으로 Level 2계층 요소를 구성했다. 설문조사는 AHP 기법에 따라 이원 비교 방식으로 설문이 진행되었다. 각 설문 문항은 리커트(Likert Scale) 5점 척도로 평가되었다. 각 설문조사자는 피해 복구 유형별로 총 3번의 설문조사를 수행했다. 본 설문은 결과의 신뢰성을 높이기 위해 일관성 검증을 진행하였다. AHP 기법에서 활용되는 일관성 비율(Consistency Ratio) 지표를 활용하여 응답자의 일관성을 평가했다. 경제적 복구 설문과 물리적 복구 설문 응답 중 각각 하나의 설문조사 결과에서 일관성 비율이 0.2보다 높게 나타나 분석 결과에서 제외하였다. 일관성 비율 C.R.을 나타내는 산출식은 Eq. (2)와 같다.

C.I.는 일관성 지수를 나타내며, R.I.는 무작위 지수(Random Index)를 나타낸다. λ_max는 쌍대비교행렬의 가장 큰 고유치를 의미하며 산출식은 Eq. (4)와 같다. a_ij은 쌍대비교행렬의 원소를 나타내며, w_i는 표준화행렬의 평균 우선순위를 나타낸다. n은 쌍대비교 행렬의 원소 수를 나타낸다.

AHP를 바탕으로 재난회복력 지수의 가중치를 산정한 상당수의 선행 연구(Orencio and Fujii, 2013; Patel et al., 2020; C.J. Kim et al., 2021)는 20명의 전문가를 대상으로 한 설문조사 표본을 바탕으로 재난회복력 지수를 개발했다. 이를 기준으로 20명의 전문가 및 현장 공무원을 대상으로 AHP 가중치 평가를 진행했고 17개의 응답을 수집했다. 17개의 설문 응답을 바탕으로 일관성 평가를 진행해 최종적으로 경제적, 물리적 복구 설문에서는 16개의 표본을 사회적 복구 설문에서는 17개의 표본을 바탕으로 재난회복력 가중치를 산출하였다.

AHP 가중치 평가를 이용하여 노드별로 수집된 지역 특성 변수에 재난회복력 가중치를 부여해 재난회복력 지수를 산출한다. 재난회복력 지수는 일차적으로 노드별로 산출되며, 도로(링크)의 재난회복력 지수는 도로에 연결된 두 노드의 평균으로 산출된다. 도로의 재난회복력 지수 산출식은 Eq. (5)와 같다.

R(i,j)는 노드 i와 노드 j를 잇는 도로의 재난회복력을 나타낸다. X_ik는 특정 노드 i의 지역 특성 변수 k의 값을 의미하며, W_k는 지역 특성 변수 k에 대한 AHP 가중치 값을 의미한다.

매개 중심성 지수와 근접 중심성 지수를 바탕으로 단기적 관점에서 재난 상황 시 가장 많이 활용되는 도로와 장기적 관점에서 재난 대응 거점 확보에 있어서 중요한 도로를 평가한다. 매개 중심성은 재난 상황 시 가장 이용이 활발한 노드를 나타내며, 근접 중심성은 전체 네트워크 중에서 접근성이 가장 좋은 노드를 나타낸다. 네트워크 중심성 지수는 일차적으로 노드를 기준으로 산출되며, 도로(링크)의 네트워크 중심성 지수는 도로에 연결된 두 노드의 평균으로 산출된다. 도로의 매개 중심성 산출식과 근접 중심성 지수의 산출식은 각각 Eqs. (6), (7)과 같다.

C_b(i,j), C_c(i,j)는 각각 노드 i와 노드 j를 잇는 도로의 매개 중심성과 근접 중심성을 뜻한다. 매개 중심성 산출식 Eq. (6)에서 G_i는 서로 다른 두 노드의 최단 경로에 속하는 도로(링크) 중 노드 i를 지나는 도로(링크)의 수를 나타낸다. 근접 중심성 산출식 Eq. (7)에서 I_i,x는 노드 i와 서로 다른 지점 사이의 최소 경로에 포함되는 도로(링크)의 수를 나타낸다. Eqs. (6), (7)에서 N은 전체 네트워크에 속하는 노드의 수를 의미한다. 각 네트워크 중심성 지수는 복구 우선순위 지수 산정을 위해 최대-최소 정규화(Min-Max normalization)를 통해서 정규화되었다. 또한, 경계 부분에 속한 노드의 중심성 지수가 상대적으로 낮은 값을 가지게 되는 edge effect를 고려하여 포항시 시가지 외의 외곽지역의 도로를 포함해 네트워크 중심성 지수를 산출했다.

재난회복력 지수와 네트워크 중심성 지수를 바탕으로 복구 우선순위를 지수를 개발했다. 복구 우선순위는 세 유형에 대한 피해 복구 유형과 두 가지 유형의 도로 기능에 따라 6가지 유형으로 산정되었다. 복구 우선순위 지수 유형은 ‘단기적 관점의 사회적 피해 복구’, ‘단기적 관점의 경제적 피해 복구’, ‘단기적 관점의 물리적 피해 복구’, ‘장기적 관점의 사회적 피해 복구’, ‘장기적 관점의 경제적 피해 복구’, ‘장기적 관점의 물리적 피해 복구’로 구성되었다. 도로 복구 우선순위 지수 P(i,j)의 산정 공식은 Eq. (8)과 같다.

본 연구에서 개발한 복구 우선순위 지수 P(i,j)는 재난회복력 지수 R(i,j)와 네트워크 중심성 지수 C(i,j)의 기하평균으로 산출되었다.

AHP 설문을 통해 산출된 지역 특성 데이터 항목별 가중치는 Table 5와 같다. 본 연구는 Level 2계층의 가중치를 바탕으로 재난회복력 지수를 산출한다. 응답 결과 항목별로 사회적 복구 지수에서는 의료시설 접근성, 소방시설 접근성, 비취약연령비율 변수에 높은 가중치가 산정되었고, 경제적 복구 지수에서는 도소매업 매출액, 유동인구, 거주인구 변수에 높은 가중치가 산정되었다. 물리적 복구 지수의 경우 물리적 취약성을 나타내는 건축물의 노후도, 네트워크 연결성 변수 항목에 높은 가중치가 부여되었다.

포항시의 노드별 수집된 지역 특성 변수와 AHP 설문조사를 통한 지역 특성 변수 가중치를 바탕으로 재난회복력 지수를 산출했다. 포항시 전체의 도로의 재난회복력 지수는 Fig. 2와 같다. Fig. 2(a)는 사회적 복구 관점의 재난회복력 지수의 도로별 순위 분포를 나타내며, Fig. 2(b)는 경제적 복구 관점의 재난회복력 지수의 도로별 순위 분포를 나타낸다. 마지막으로 Fig. 2(c)는 물리적 복구 관점의 재난회복력 지수의 도로별 순위 분포를 나타낸다. 산출한 지역별 재난회복력 지수는 모든 피해 복구 유형에서 유사하게 나타났다. 세 복구 유형의 재난회복력 지수는 북구 죽도동 및 죽도동 인근의 남구 상대동, 대이동, 해도동 일대와 북구 장량동 지역에서 공통적으로 높게 나타났다. 장량동 지역의 경우 사회적 복구 관점에서 재난회복력 지수가 더 높게 나타났다. 남구 상대동, 대이동, 해도동, 죽도동 지역은 포항시의 도심지로 사회기반시설 접근성과 매출액, 인구밀도가 높아 재난회복력 지수가 높게 나타났으며, 북구 장량동 지역은 신도시 형성으로 인해 사회기반시설 접근성, 물리적 안정성, 비취약인구 비율이 높아 재난회복력 지수가 높게 나타났다.

포항시 전체의 도로의 네트워크 중심성 지수는 Fig. 3과 같다. Fig. 3(a)는 매개 중심성 지수의 도로별 순위 분포를 나타내며, Fig. 3(b)는 근접 중심성 지수의 도로별 순위 분포를 나타낸다. 네트워크 중심성 분석 결과, 지역별 매개 중심성 지수와 근접 중심성 지수의 분포는 다르게 나타났다. 이는 재난 발생 이후 단기적 관점의 중요 도로와 장기적 관점의 중요 도로가 다르게 나타난다는 것을 시사한다. 남구 해도동의 중앙로, 북구 죽도동의 중흥로, 새천년대로 등은 매개 중심성과 근접 중심성 모두 높게 평가된 도로로 재난 발생 이후 가장 높은 빈도로 활용되면서, 장기적 관점에서 재난 대응 거점과의 연결로로 활용될 수 있는 도로를 나타낸다. 북구 장량동의 삼흥로와 남구 제철동의 동해안로는 매개 중심성 지수가 높게 평가된 지역으로 단기적 관점에서 재난 대응 및 인력 수송의 역할에 있어 중요한 도로를 나타낸다. 북구 양학동, 남구 대이동의 도로는 매개 중심성에 비해 근접 중심성이 상대적으로 높게 평가된 도로로, 단기적 관점보다 장기적 관점에서 재난 대응에 활용될 수 있는 도로를 나타낸다.

개발한 6가지 유형의 복구 우선순위 지수를 포항시에 적용한 결과는 Fig. 4와 같다. Figs. 4(a)와 (b)는 포항시 시가지의 사회적 피해 복구를 위한 도로 복구 우선순위를 단기적 관점과 장기적 관점에서 평가한 결과이다. 마찬가지로 Figs. 4(c)와 (d)는 경제적 피해 복구를 위한 도로 복구 우선순위를, Figs. 4(e)와 (f)는 물리적 피해 복구를 위한 도로 복구 우선순위를 단기적 관점과 장기적 관점에서 평가한 결과이다. 본 연구는 시가지를 대상으로 수행되었으나, 포항시 외곽지역(읍, 면)과의 연결성을 고려하여 포항시의 전체 도로를 대상으로 복구 우선순위 지수를 산정하였다.

연구 결과 피해 복구 유형에 따른 복구 우선순위의 차이는 크지 않으나, 도로 기능에 따른 복구 우선순위의 차이는 크게 나타났다. 단기적 복구 우선순위와 장기적 복구 우선순위 지수 모두에게서 북구 용흥동의 새천년대로, 북구 죽도동, 남구 해도동의 중앙로 등의 포항 도심지의 도로가 높은 순위를 받았다. 해당 도로들은 매개 중심성, 근접 중심성, 재난회복력 지수가 모두 높은 도로이다. 해당 지역의 교통 기능이 마비된다면 재난 발생 이후 시민들의 대피와 재난 복구에 큰 차질이 발생하게 될 것으로 예상된다. 따라서, 재난으로 인해 해당 도로가 파손될 시 신속한 복구가 필요하다.

북구 장량동의 삼흥로, 남구 제철동의 동해안로는 단기적 복구 우선순위 지수에서 높은 점수를 받았다. 이는 도로의 매개 중심성이 높기 때문인데, 해당 도로들이 재난 상황에서 많이 활용되는 도로라는 것을 시사한다. 따라서, 재난 발생 직후 해당 도로들의 파손 및 기능이상을 파악하고 대응하는 것이 중요하다. 단기적 복구 우선순위에 비해 장기적 복구 우선순위 지수가 높은 지역은 포항시 북구 양학동, 남구 대이동이다. 해당 지역들은 교통 네트워크 관점에서 다른 모든 지역으로 신속하게 이동할 수 있는 지역이기도 하지만, 실제 포항시의 중심지이기도 하다. 특히, 대이동의 경우 포항시청이 위치한 행정시설과 대형 의료시설인 포항 성모병원, 그리고 상업시설이 위치해 재난 대응 거점으로서 활용도가 높은 지역이다. 따라서, 재난 발생 후 장기적 관점에서 해당 지역의 도로를 복구하는 것이 중요하다.

결과적으로 6가지 유형의 복구 우선순위는 재난 발생 직후 북구와 남구를 중심에서 관통하는 삼흥로와 중앙로, 동해안로, 중흥로의 연결성을 확보해야 하며, 시간이 지남에 따라 포항의 인구 및 재난회복력 자원이 풍부한 남구 대이동 북구 양학동 등의 지역과의 연결성을 확보하기 위해 새천년대로의 도로 기능을 유지하는 것이 중요함을 나타낸다. 주요 도로는 Fig. 1에 나타난다.