인프라 복원력: 리스크 기반의 프레임워크

우리는 복원력 프레임워크를 왜 필요로 하는가?

우리는 증가하는 리스크(risks)의 세상에서 살고 있음. 세계화와 증가하는 인프라의 상호의존성은 복잡하고 상호연결된 시스템을 만들어 냈고, 이는 많은 혜택과 함께 상당한 리스크를 수반함. 자연재해, 구조적 파괴에 의해 발생되었건 또는 테러에 의해 발생되었건간에 높은 충격의 교란은 더이상 희귀하지 않으며 낮은 확률이 아님. 이렇게 증가하는 리스크에 기여하는 요소들 중에서 가장 주목받고 있는 것은 다음과 같음:

이러한 요소들의 결합은 우리를 재난적인 교란에 점차 취약하게 만들고 있음.

이 백서의 목적은 인프라 시스템에서 현대 교통의 능력에 영향을 미치는 요소들의 분석을 위한 프레임워크를 제공하는 것임. 이는 교란을 예상하고 견디며, 교란으로부터 신속하게 회복될 수 있도록 함. 우리의 중요한 인프라를 설계하고, 건설하며 운영하고 보호하기 위한 복원력의 접근방법은 우리로 하여금 시스템 차원에서 이러한 리스크를 다룰 수 있도록 함. 중요한 인프라를 관리하기 위한 리스크 기반의 계층적 접근방법(risk-based layered approach)은 우리로 하여금 우리의 교통 시스템이 직면하고 있는 위협을 해결책 마련을 통하여 이용할 수 있도록 함. 이는 위험을 최소화하면서 현재의 기술적 복잡성을 활용하는 것임.

리스크 기반의 계층적 방어는 복원력의 핵심임

복원력있는 중요 인프라 시스템의 핵심은 체계적인 리스크 평가를 위한 전통적인 절차와 계층적 방어의 원칙을 결합하는 것임. 리스크 분석 모델은 두 가지의 변수를 통하여 부정적 사건의 리스크를 추정함: 위협 및 위험이 실재화되는 가능성, 그리고 그 결과의 심각성. 위협 요소는 더 나아가 두 가지 확률로 정량화됨: a) 인프라 하부시스템의 잠재적 위해로의 노출; 그리고 b) 인프라 시스템의 내재된 취약점. 이는 위협이 실현될 가능성을 더욱 높임. 인프라 보호에 대한 복원력의 접근방법은 또한 국가 인프라 보호 계획(National Infrastructure Protection Plan, NIPP)와 같이 국가 안보의 요소를 공유함:

복원력 프레임워크

복원력은 복잡한 인프라를 관리하기 위한 절차임. 복원력은 하나의 결과가 아님. 안전하고 지능적이며 효율적이고 지속가능한 교통 인프라 시스템을 설계하고 시공하며 운영하기 위한 요람에서부터 무덤까지의 절차임. 복원력은 중요 인프라 시스템의 취약성을 다루고, 예기치못한 위기에 대해 시스템이 보다 지능적이고 더 잘 적응할 수 있도록 만들기 위한 리스크 기반의 생애주기 절차임. 복원력은 단순히 자산을 보호하는 것이 아님.

복원력은 위에서 언급된 계층적 방어와 리스크 완화의 기본적인 원칙으로부터 파생된 것임. 이처럼, 복원력 프레임워크는 오늘날의 복잡한 인프라 시스템이 직면하고 있는 동적인 위기들을 다루기 위한 적응력있는 생애주기 접근방식을 취함. 왜냐하면 자산을 보호하고, 위기를 예상하고 감지하며, 알려진 파괴의 위험을 예방하고, 예기치못한 교란을 견디며 신속하게 반응하고 회복하는 능력이 그 안에 내재되어 있기 때문임.

복원력있는 인프라는 견고하고 위험에 견딤. 이는 설계 기반의 요소를 가지고 있어 적절한 기능적 능력과 구조적 인내력을 보장함. 시스템은 보호조치들로 만들어져서, 강력한 충격에 견디고 충격을 흡수하며 극한적인 사건을 견디도록 해줌.

복원력있는 인프라는 적응가능하고 인지가능하며 똑똑함. 똑똑한 의사결정 능력과 상황적 인지에 대한 접근을 통하여 위험을 예상하고 예방하며, 위기를 제한하며, 지속적인 운영을 가능토록 함. 위협이 커지는 것을 피하기 위해 대안의 경로를 택하고 실시간으로 결정을 내리기 위한 신속성과 유연성을 가지고 있음.

복원력있는 인프라는 기능적인 유연성과 추가적인 안전 계층을 가지고 있음. 교란이 발생하였을 때, 유연성은 신속하게 재구성하고 입력요소 및 자원을 이전하며 받아들여질 만한 수준의 기능성을 유지하게 해 줌. 추가적인 시스템 요소와 여분의 안전장치는 운영상의 유연성과 분산된 기능성을 제공함으로써, 시스템 운영자와 사용자들로 하여금 단일 지점의 파괴를 피하도록 자산과 모드(modes)를 대체할 수 있도록 함.

복원력있는 인프라는 사고 결과의 완화를 위한 대응 및 회복 능력을 가지고 있음. 모든 예방적이고 보호적인 조치들이 실패할 때, 시스템의 대응과 회복 능력은 시스템 파괴의 결과를 완화하는데 필수적임.

복원력 성능기준

공학 시스템 복원력의 체계적인 절차와 함께, 인프라 자산관리에 접근함으로써, 우리는 안전하고 효율적이며 생존가능하고 지속가능한 인프라 시스템을 가질 수 있을 것임. 복원력 절차를 구성하는 결과는, 이러한 원리와 함께 설계된 인프라 시스템이 세 가지의 중요한 성능기준(효율성, 지속가능성, 므리고 생존가능성)에 부합할 것이라는 것임.

효율성(efficiency). 이 기준은 인프라 시스템이 가장 낮은 비용으로(비용 대비 효과성) 명시된 기능적 요구사항(기술적 효능)을 맞추기 위해 그 기능을 수행하도록 요구함. 효율성에 대한 기준은, 기술적 성능, 신뢰성 및 서비스 지속성의 제한 속에서 복잡한 인프라 시스템을 건설하고 유지하는 비용을 포함함.

지속가능성(sustainability). 이 성능기준은 시스템이 얼마만큼 지속가능한 방식으로 자원(자연적, 인공적, 제조된 자원)을 사용하는지를 평가함. 지속가능성은 미래의 사용을 위해 자원을 보호하면서 오늘날의 니즈를 맞추는 자원사용 패턴으로 정의됨. 지속가능하기 위해서, 필수적인 인프라는 주변의 생태계에 대한 그들의 현재 및 미래 영향의 맥락안에서 설계되고 운영되어야 함. 인프라의 지속가능성을 평가하기 위한 측정기준은, 교통 건설과 운영 입력요소 및 자원이 시스템을 위해 개발된 장기적 경제 및 환경기준과 함께 얼마나 사용되는지를 포함함.

생존가능성(survivability). 복원력있는 인프라를 위한 세번째의 핵심적인 성능기준은 안전, 보안, 사람, 인프라 자산 및 생태계의 생존에 대한 궁극적인 시험임. 이 기준에 따라, 인프라가 최소한의 부정적 영향(사람, 교통 운영, 경제 및 환경에 대한 인명 피해 및 생태학적 영향과 구조적 손상)으로 손상을 견딜 수 있다면 인프라는 복원력 기준을 맞추게 되는 것임.

시스템을 위험에 견디도록 만드는 것은, 시스템을 비용 대비 효과적이고 생존가능토록 함으로써 그 성능을 개선함

구조적 위험 지지력은 설계 요소 및 예방적 유지관리를 통해 개선됨. 이는 생애주기 시스템이 운영을 보다 비용 대비 효과적으로 만듦. 연구에 의하면, 필수적인 인프라 시스템에 대해 정기적인 유지관리를 수행하는 것이 손상을 수리하는 것보다 더 비용이 작음. 국가의 노후화된 고속도로의 유지관리 비용에 대한 한 연구에 의하면, 열화하는 고속도로 및 교량 인프라의 정기적인 유지관리에 사용된 1달러에 대해서, 열화된 구조물이 실제로 파괴되었을 때 수리비용에 대비 자산 소유자들은 4 ？ 5 달러를 절감하였음.

또다른 연구에서, 연구자들의 추정에 의하면, 재난 이전에 준비를 위해 사용된 1달러는, 이 1달러가 완화한 미래의 손상의 관점에서 15달러의 가치가 있음. 하지만 연구자들은 유권자들의 근시안(voter myopia)때문에 재난 이후의 수리에 대해 지출이 더 쉽게 승인되나, 예방적 손상 감소 개선에 대해서는 충분한 자금이 투자되고 있지 못함.

인프라의 무결을 담보하는 비용 대비 효과적인 방법은 적응가능한 구조적 모니터링 장치를 배치해서, 위험이 상당한 수준에 도달하기 전에 인프라 시스템을 탐지하고 차단하며 중성화하고 회피하며 다른 곳으로 돌리는 것임. 예를 들어, 캘리포니아 주립대학(California State University)의 METRANS 교통센터(Transportation Center)는 교통 인프라 요소를 모니터링하기 위한 광섬유의 스마트 구조물(fiber-optic smart structures)의 적용에 대해 연구를 수행하고 있음. 이러한 적용의 하나는 구조적 건전성 모니터링(structural health monitoring, SHM)으로, 중앙집중의 전력 통제 능력을 필요로 하지 않는 수동적 광섬유 장치를 분산적으로 배치하는 것임.

안전 및 생존가능성은 위험 지지 인프라를 위한 또다른 결과 측정기준(outcome measures)임. 2007년 8월 1일 미시시피강 위로 설치된 8차선의 I-35W 교량의 붕괴는 13명의 인명 손실로 이어졌는데, 이는 교량이 더 잘 건설되고 적절하게 유지관리되었으면 회피될 수도 있었음. 40년이 된 오래된 강철 트러스 교량은 파괴에 결정적인(fracture critical) 구조물로 파악되어 왔음. 다르게 표현하면, 한 부분의 파괴가 전체 교량의 파괴로 이어질 수 있는 것으로 알려졌음. 2005년, 검사원들은 구조물에서 균열과 피로를 발견하였고, 교량이 주요한 점검 또는 교체가 필요하다고 표시하였음. 하지만 새로운 판으로 교량을 수선하는 것은 2020년까지 연기되었음. 왜냐하면 이러한 수선은 너무 비용이 많이 드는 것으로 간주되었음. 하지만 이러한 수선 비용은 13명의 인명 손실을 제외하더라도 붕괴 후 재건설하는데 소요된 2.5억 달러보다는 훨씬 작았을 것임.

적응가능 능력은 시스템을 더 효율적이고 생존가능하며 지속가능하게 함으로써 시스템의 성능을 개선함

적응은 복원력 프레임워크의 선제적인 요소(proactive component)임. 적응가능한 조치는 위험신호를 탐지하고 상황인지도를 유지하며 인프라의 상태를 개선함으로써 재난을 예방할 수 있음.