2.1 자료수집

본 연구에 활용된 국내 논문자료는 학술연구정보서비스(research information sharing service, RISS)에서 제목과 초록에 대한 서지정보를 엑셀형태로 다운받아 활용했고, 해외자료는 Clarivate사의 web of science (WoS) 사이트에서 서지정보를 EndNote형태로 추출하여 사용했다.

화재관련 국내논문은 한국화재소방학회 논문지의 2013년 1월 1일부터 2022년 10월 31일까지 총 804편의 논문을 수집하여 사용했다. 해외논문은 Springer에서 발행하는 SCIE논문지인 Fire Technology의 2013년 1월 1일부터 2022년 12월 31일까지 총 1110편을 수집한 뒤 서적리뷰, 특집호 모집, 에디터에게 보낸 편지 등 연구논문과 관계없는 86편을 제외한 1024편을 사용하여 분석했다. 화재분야 연구네트워크 분석에 대한 선행연구에서 WoS 사이트에서 “fire safety”의 키워드로 20년간 논문을 수집했을 때 Fire Technology와 Fire Safety Journal에서 발간된 논문이 가장 많았기 때문에(12), 해외의 소방분야 연구동향 분석에 Fire Technology를 활용했다.

국내외 연구동향을 비교하기 위해 영문제목과 영문초록을 활용하여 명사형태의 키워드를 추출했고, 전체 논문에서 가장 많이 사용되지만 분석주제와 동일하여 의미를 파악하기 어려운 ‘Fire’와 같은 단어는 제외했다. 국내논문에서는 8846개를, 해외논문에서는 8436개의 영문키워드를 수집했고, 논문에 나타난 약어나 유사단어들, 2개 이상의 명사로 이루어진 의미를 가지는 단어들, 예를 들면 FDS와 fire dynamics simulator 등을 하나로 인식하기 위해 유사한 의미를 가지는 단어 6610개의 목록을 만들어 단어 추출 시 적용했다. 이와 함께 논문의 주제와 무관하게 사용되는 John Wiley & Sons, Ltd., kW, vs와 같은 단어들은 제외했다.

Figure 1은 수집한 논문들에서 가장 많이 사용된 단어 100개로 구성된 워드크라우드이다. 한국화재소방학회논문지에서는 facility, material, firefighter, firefighting, evacuation, fire dynamics simulator 등이, Fire Technology에서는 evacuation, material, structure, ignition, heat release, battery 등이 많이 사용되었음을 확인할 수 있다.

Figure 1

Word cloud using the frequency of keyword.

2.2 연구주제 분석 기법

다량의 논문들에서 유사한 주제들을 분류하기 위해 논문에는 잠재된 주제들이 무작위적으로 내재되어 있으며, 이런 주제들은 연관있는 단어들의 분포로 표현이 가능하다는 가정을 전제로 하는 잠재디리클레할당(LDA)기법을 이용했다(13). 분석대상 논문들에서 명사를 위주로 단어를 추출하여 문서와 단어간의 관계를 2-모드 행렬로 구성하고, 이를 이용하여 논문과 연구주제와의 관계(문서-토픽), 그리고 연구주제와 추출된 단어와의 관계(토픽-단어)로 각각 2-모드 행렬을 산출했다. 해당논문이 특정 주제를 포함하고 있을 확률은 문서-토픽 행렬로 표현되며, 특정 주제와 관련 있는 단어들이 포함되어 있는 분포를 토픽-단어 행렬로 나타낸다. 문서에 잠재된 주제는 통계적으로 유의미한 방식으로 발생하는 단어들의 리스트로 표현되기 때문에 주제별로 높은 확률을 가지는 상위 10개 내외의 단어를 선정하여 주제의 의미를 파악하였다.

논문에 잠재되어 있는 주제를 개수를 파악하기 위해 실루엣계수(silhouette coefficient)를 사용했다. 주제 내부의 유사성과 타 주제간의 차별성을 정량적으로 계산한 것으로 식(1)과 같이 계산한다(14).

여기서s(d_i)는 실루엣계수, a(d_i)는 하나의 단어 d_i에서 동일한 주제 내의 다른 문서까지의 최대 거리, b(d_i)는 단어 d_i에서 타 주제의 중심까지의 거리를 말한다. s(d_i)의 값은 –1에서 +1의 범위를 가지며 +1에 가까울수록 동일한 주제로 잘 묶어진 것을 의미한다.

LDA기법에서는 문서에 잠재되어 있는 주제의 개수와 하이퍼 파라미터인 α와 β를 설정함으로써 그에 따른 주제의 분포확률을 구할 수 있다. α는 논문 내에서의 주제간의 분포를 조정하고, β는 주제 사이의 분포를 조정하는 것으로 α가 높을수록 주제 내의 분포편차가 작아지고, β가 낮을수록 주제 간의 분포 편차가 커진다. 최적화를 위해 주제수를 7개에서 20개로, α는 0.01에서 0.15로, β는 0.01로 설정하여 평균실루엣계수를 계산했다. Figure 2에서와 같이 한국화재소방학회 논문들에서는 α가 0.14일 때 연구주제 13개에서 높은 실루엣계수를 보였고, Fire Technology 논문들에서는 α가 0.11일 때 11개에서 높은 실루엣계수를 얻을 수 있었다. 분석에 사용된 β는 기존의 연구결과를 참조하여 설정했다(15,16). 따라서 한국화재소방학회 논문은 13개로, Fire Technology 논문은 11개로 1,000회의 반복연산을 통해 연구주제를 분류했다.

Figure 2

Silhouette coefficient.

3.1 한국화재소방학회지 연구주제 분석

지난 2013년부터 2021년까지 9년간 한국화재소방학회지에는 연평균 87편의 논문이 발간되었으며 2016년과 2019년에 110여편의 논문이 게재된 것을 제외하면 매년 유사한 수의 논문들이 발표되고 있다. 연구주제별 주요 단어와 논문비중을 Table 1에 정리했다. 논문별 주제분포에서 확률값이 40% 이상인 것들만 추출하여 해당논문의 주제로 분류했으며, 주제별로 분류된 키워드들을 바탕으로 주제명을 설정했다. 총 13가지의 분야로 분류되었으며 주제별로 발간된 논문의 비중은 7∼8%정도였다.

Table 1

Topics and Major Keywords of Fire Science and Engineering

Topic 1은 소방공무원의 직업적 특성에 관한 것으로 소방조직 분석, 소방공무원의 직업적 스트레스와 만족도, 훈련 및 교육, 소방조직의 리더십, 회복탄력성 등과 관련된 논문들로 구성되어 있다. Topic 2는 포소화약제의 혼합장치 성능, 내부 부상형저장탱크의 화재예방대책, 석유화학공장 탱크의 낙뢰사고 분석, 유류저장탱크 화재의 복사열 영향범위 등에 대한 논문들로 다양한 소화방법들을 다루고 있다. Topic 3은 사회복지시설, 염산 취급시설, 노인요양시설 등의 소방안전에 관한 것부터 소방시설업의 분리발주와 같은 법제화까지 시설물들의 화재안전에 대한 주제를 다루고 있다. Topic 4는 피난에 관한 것으로 다양한 환경에서의 피난소요시간 분석, 성능위주 소방설계, 화재⋅피난 커플링 시뮬레이션에 따른 인명안전성평가 등의 내용을 포함하고 있다. Topic 5는 응급구조와 관련된 주제로 임신부의 심폐소생술, 구급대원의 환자운반 작업의 평가, 119구급상황관리센터의 지령 분석, 노인운전자의 중증도분석, 중증도분류를 위한 외상점수체계 분석 등의 논문들로 구성되어 있다. Topic 6은 화재로 인해 발생하는 연기들의 효과적인 제어를 위한 내용으로 제연구역의 차압형성에 영향을 미치는 인자들의 분석, 도어클로저의 필요조건, 연돌효과를 고려한 제연시스템의 시뮬레이션 분석, 제연 testing, adjusting, balancing (TAB)을 통한 성능평가 등이 있었다. Topic 7은 화재로 인한 고열과 화염으로 인한 건물의 안정성에 관한 것으로 강재 및 콘코리트의 고온내력 평가, 내화시험, 고온이력을 겪은 고강도 콘크리트의 특성 등에 대한 내용들이다. Topic 8은 신뢰성 있는 화재감지에 관한 연구로 광센서 선형 화재감지시스템, 보상식 화재감지기, 광전식 연기감지기 챔버의 응답특성과 장치물성 등에 관한 논문들이 주를 이루고 있다. Topic 9는 능동적 소화시스템에 관한 것으로 드렌처 헤드, 펌프 유동해석, 옥외소화전 압력손실, 스프링클러 수리계산 등 주로 수계소화설비에 대한 논문들로 구성되어 있다. Topic 10은 샌드위치 패널이나 건물의 외장재로 사용되는 가연성 복합패널의 위험성 분석 및 화재확산 방지를 위한 다양한 방법들을 포함하고 있다. Topic 11은 화재화학 및 물리에 관한 것으로 물질의 인화점이나 가연물의 연소특성에 관한 연구들이다. Topic 12는 실물규모 화재시험을 통한 건축물 구획공간의 화재성상, 밀폐구획에서의 열방생율 예측, 화재조건과 가연물 종류에 따른 연기입자분포 등 건물의 화재성상, 극장의자의 열방출율 데이터와 같이 화재역학과 관련된 주제들을 포함하고 있다. Topic 13은 화재조사 및 분석기법과 관련된 주제로 자동차화재의 화재원인 입증절차, 열동전자식 배선용차단기의 탄화 패턴, 정온전선의 발화원인 추론 기법 등의 논문들로 구성되어 있다.

지난 10년간 가장 많이 게재된 논문의 주제는 Topic 1과 Topic 12로 전체 분석논문의 20%를 차지했다. 2013년부터 3년의 기간으로 분류하여 각 주제별로 발표된 논문의 수를 Figure 3에 나타냈다. 13개의 연구주제들 중 Topic 1은 최근 3년 이내에 급격히 상승하는 추세를 보였으며, Topic 3과 Topic 13은 지속적으로 증가하는 추세를 보였다. 또한 Topic 6과 Topic 10은 2016년부터 2018년까지는 활발히 연구되다가 최근에는 관련논문의 수가 감소하는 추세를 보였다.

Figure 3

Topic proportions of Fire Science and Engineering depending on the periods.

3.2 Fire Technology 저널 연구주제 분석

2013년부터 2021년까지 Fire Technology에는 연평균 86편의 논문이 게재되어 한국화재소방학회논문지와 연평균 논문수는 유사하나 2020년 이후부터는 매년 110여편 이상의 논문이 발표되고 있고 2021년에는 194편의 논문이 발간되어 2014년 대비 약 2.5배 증가했다. 연구주제에 포함되는 확률값이 40% 이상인 논문들을 활용하여 연구주제별 주요단어와 논문비중을 Table 2에 나타냈다. 총 11개의 연구주제로 분류되었으며, 각 주제별 논문의 평균비중은 약 9%였다.

Table 2

Topics and Major Keywords of Fire Technology

Topic 1은 화염에 노출된 방화복의 성능, 소방관의 위험에 대한 인식, 미국에서 발생한 소방관의 부상특성, 어두운 환경에서 소방관의 이동방법 등에 관한 연구들로 화재현장에서 소방관을 보호하기 위한 다양한 분야의 연구들이 포함되어 있다. Topic 2는 구획화재의 온도예측 모델, 개구부를 통한 화염분출특성, 구획화재에서의 연기확산 모델 등 건축물에서 발생하는 화재성상의 실험, 분석 및 시뮬레이션에 관한 주제이다. Topic 3은 산불과 그로 인한 화재확산에 대한 것으로 나무의 크기, 습도, 나무의 열매 등에 따른 화염전파 및 불티의 비산특성, 나무울타리의 점화 등의 내용들을 다루고 있다. Topic 4는 친환경 소화약제, 포소화약제의 특성, 금속화재 소화성능 향상방안, 소화캡슐의 활용방안 등 소화약제 및 이를 활용하여 소화성능을 향상시키는 방안들에 대한 주제이다. Topic 5는 건축물의 내화성능과 관련된 주제로 콘크리트 충전 강관구조, 화재상황에서 합성보의 거동, 강재의 고온인장특성, 유한요소해석을 이용한 고온거동분석 등의 논문들로 구성되어 있다. Topic 6은 비디오를 이용한 산불화재의 연기검지, 효과적인 화재알람소리의 특성, 시각경보특성 등 화재상황을 빠르고 효과적으로 인지하기 위한 연구들을 다루고 있다. Topic 7은 화재상황에서의 피난과 관련된 주제들로 고층빌딩에서 재실자들의 피난행동, 피난시뮬레이션의 주요 변수 분석, 지하철에서의 피난성능에 대한 실험, 아동들의 피난실험 등의 내용들이 포함되어 있다. Topic 8은 화재원인과 사상자의 통계자료를 이용하여 나라별 특성을 분석하거나 월드트레이드센터 빌딩의 손상에 대한 구조적인 분석 등 화재로 인한 피해현황을 분석하고 변수들을 도출하는 주제들을 다루고 있다. Topic 9는 스프레이 입자밀도에 따른 특성, 렉크식 창고의 실규모 화재실험을 통한 스프링클러 방호성능, 미분무의 소화성능 분석 등 수계소화설비를 이용한 소화방법들에 대한 연구주제를 포함하고 있다. Topic 10은 리튬이온배터리의 열폭주를 방지하기 위한 방법, 기류압력에 따른 열폭주특성, 배터리가 손상된 경우의 열폭주 등과 같이 배터리의 화재로 인한 위험성에 관한 주제를 다루고 있다. Topic 11은 물질의 연소한계, 다양한 물질에서의 화염전파특성, 열분해 모델링 등에 관한 논문들로 구성되어 있다.

지난 10년간 분석된 연구주제들 중 Topic 5는 15%의 비중으로 가장 많은 논문을 포함하고 있으며, Topic 1은 5%로 가장 작은 논문수를 보였다. 2013년부터 3년씩 분류하여 각 연구주제들의 발간논문수를 분석하여 Figure 4에 나타냈다. 11개의 연구주제들 중 Topic 8과 Topic 10이 최근에 게제된 논문수가 급격히 증가하는 추세를 보였으며, Topic 2와 Topic 3은 2016년부터 2018년까지는 활발히 연구되다가 2019년 이후로는 논문수가 감소하는 추세를 보였다.

Figure 4

Topic proportions of Fire Technology depending on the periods.

4.1 국내외 화재분야 연구주제 비교분석

한국화재소방학회논문지와 Fire Technology에 게재된 지난 10년간의 논문을 활용하여 잠재디리클래할당(LDA)기법으로 분석한 결과 유사한 연구주제와 독립적인 연구주제를 Table 3에서와 같이 분류할 수 있었다.

Table 3

Topic Trend Comparison Between Two Journals

7개의 연구분야가 유사한 주제를 다루고 있지만 연구방향에서는 조금씩 차이가 있는 것도 있었다. ‘extinguishing method’의 연구주제에서 국내의 경우에는 주로 포소화약제와 위험물저장탱크의 효과적인 화재진압대책을 다루고 있는 반면, 국외에서는 친환경 소화약제와 소화약제의 소화특성에 대한 내용들이 많이 차지하고 있었다. ‘building fire’연구는 샌드위치 패널이나 건축물의 외장재의 화재확산이나 위험성에 대한 내용들이 국내에서 주로 다루어졌지만 구획화재에서의 화재성상과 연기확산 등에 대한 내용들이 국외 논문에서는 주를 이루고 있다. 국내에서는 샌드위치 패널로 지어진 창고의 화재나 고층 건축물의 외장재화재가 수차례 발생하여 사회적인 이슈가 된 적이 있고, 소방청의 국가연구개발사업에서도 물류창고 및 외장재화재와 관련된 과제들을 지원했기 때문인 것으로 판단된다. 국내 연구주제 중 ‘fire chemistry and physics’는 인화점, 연소범위 등과 같은 가연물의 연소특성에 대한 것을, ‘fire dynamics’는 실규모 화재실험이나 구획공간의 화재성상에 대한 시뮬레이션 등에 대한 내용을 다루고 있다. 국외의 ‘fire chemistry and dynamics’에서는 연소한계나 화염전파특성을 다루고 있어 Table 3에서와 같이 동일한 주제로 분류했다. 국내에서는 연소성상이나 화재역학과 관련된 논문수가 감소하는 추세를 보였지만 국외에서는 2013년에서 2015년 사이에 18편이었으나 2019년에서 2021년 사이에는 48편이 게재되어 꾸준히 증가하는 추세를 보였다.

한국화재소방학회논문지와 Fire Technology에서 연구되는 유사주제들 중 최근 10년간 발간된 논문들이 전체 논문대비 차지하는 비율을 Figure 5에 나타냈다. 유사 연구주제들은 대체로 Fire Technology에서 더 많이 다뤄지고 있었으며, 특히 ‘passive fire protection’과 관련된 연구가 국외논문지에서 더 활발히 연구되었다. 국내에서도 드라이비트 공법의 건물 외장재화재가 빈번하게 발생하고 있어(17) 이에 대한 연구가 좀 더 활발해져야 할 것으로 판단된다.

Figure 5

Topic proportion of similar topics.

한국화재소방학회논문지와 Fire Technology의 독립된 연구주제들의 최근 3년간 논문 수 증가율을 Figure 6에 나타냈다. 소방관에 대한 연구가 국내⋅외에서 이루어지고 있지만 세부적인 주제는 다르게 나타났다. 국내에서는 소방관의 직무만족성이나 리더십에 대한 연구들이 주로 이루어지고 있었고, 국외에서는 소방관의 부상에 대한 분석이나 보호장비들의 성능에 대한 것들이 대부분이었다. 국립소방연구원의 학술지인 소방안전연구의 2022년 최우수논문의 주제도 재난관리의 리더쉽과 협력역량에 관한 것임을 볼 때(18) 국내의 연구자들은 소방공무원의 직업적인 특성에 보다 관심을 가지는 것으로 판단된다.

Figure 6

Topic proportion trend of independent topics.

국내에서 많이 연구되는 분야들 중에서 ‘firefighter organization’에 관한 논문의 증가폭이 가장 높은 반면 ‘smoke control’에 관한 게재된 논문의 수는 감소했다. 국외에서는 화재나 사상자의 원인을 분석하거나 화재로 인한 피해를 분석하는 ‘fire risk analysis’ 주제의 논문이 최근 가장 큰 폭으로 증가했으며, 그 다음으로는 ‘battery fire’에 관한 논문이 직전 3년 대비 2배 이상 증가했다. 산불화재 관련된 논문이 감소했는데, international association of wildland fire (IAWF)에서(19) 발간하는 International Journal of Wildland Fire, Association for Fire Ecology에서 발간하는 Fire Ecology와 같은 논문지에 산불과 관련된 연구논문들이 게재되고 있기 때문인 것으로 판단된다.

국내에서도 전기자동차 화재로 사상자가 발생하고 있지만 전기차용 배터리에 관한 연구들은 배터리관리시스템(battery management system, BMS)을 통한 state of charge (SOC), state of health (SOH) 등을 추정하는 기능적인 것이 많은 비중을 차지하고 있어(20), 배터리 화재를 사전에 방지하거나 사고가 발생했을 때 효과적으로 대응하는 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.

기후변화의 영향으로 국내에서도 대형 산불의 발생빈도가 높아지고 있으며, 2022년에는 경상북도와 강원도 일대에 발생한 산불로 인해 특별재난지역이 선포되기도 했다. 산림의 화재와 관련된 재난관리주관기관은 산림청이지만 불티의 비산으로 인한 화재의 확산이나 인명 및 재산상의 피해를 최소화하기 위해 소방청에서도 적극적으로 대응하고 있다. 국외에서는 ‘WUI fire’의 연구가 꾸준히 이루어지고 있지만 한국화재소방학회논문지에서는 많이 다루어지지 않았다.

독립연구주제 중 ‘fire safety management’를 보면 국내에서의 화재안전은 ‘화재의 예방 및 안전관리에 관한 법률’과 ‘소방시설 설치 및 관리에 관한 법률’과 같은 법령들에 부합하게 설비들이 설치되었는지와 이를 위해 소방시설업의 개선방안 등에 초점을 맞추고 있다. 국외의 ‘fire risk analysis’에서는 화재원인에 대한 통계, 구조적 결함, 사상자 요인분석 등의 논문들이 발표되고 있는 것을 볼 때 화재안전을 달성하기 위한 관점의 차이가 존재함을 확인할 수 있다.