V2I 기반 화물차 군집주행 안전서비스를 위한 시나리오 개발 연구

자율주행의 구분은 미국 자동차기술협회(SAE; Society of Automotive Engineer)의 0~5단계로 분류한 바를 따르는 것이 일반적이다.[3]. 그러나 SAE의 분류는 다양한 자율주행 level이 상존하여 운영되는 군집주행에 적용하기에 적합하지 않아 본 연구에서는 유럽의 ENSEMBLE project에서 정의한 레벨을 참고하여 적용하였으며 표 1과 같다[4].

Table 1.

High level platoon levels overview (ENSEMBLE project, 2018)

ENSEMBLE project에서 제시한 군집주행 Level 중 Level A가 본 연구의 범위인 Level 3의 범위와 가장 근접하다.

본 연구의 군집주행은 Level 3와 Level A와 유사한데 선행차량은 운전자에 의해 수동으로 운전하고, 후행차량은 자율 종방향 자율제어를 수행한다. 차로 유지를 위한 횡방향 자율주행은 가능하나 자율주행을 통한 차로변경은 어려우며, 고속도로 상에서만 작동이 가능하다. 군집의 합류는 군집의 후미로만 가능하고 군집 전방의 위험상황에 대한 대응은 LV 운전자에 의해 수행된다. 시간간격은 최고속도 90km/h에서 0.5초이며, 최대 화물차의 수는 3대이다.

미국 교통부와 도로교통안전국은 자율주행을 위한 가이드라인을 제공하고 있는데, 자율주행차에 대한 차량 성능 가이던스[5], 새로운 멀티모달 안전성 가이던스[6] 및 자발적 가이던스(시스템 안전성, 운영설계범위, 검증 방법론 등)에 대한 기술지원[7] 등을 제공하고 있다.

특히 자율주행 level에 따른 ODD(Operation Design Domain) 설정이 중요한데 이를 위해 도로유형, 지역, 속도범위, 날씨, 주/야간 등의 환경조건 등이 사전에 정의되어야 한다.

ISO/TC204 WG14(Vehicle/roadway warning and control systems) 작업반은 차량능동안전시스템과 관련된 표준을 담당하고 있는데, 본 연구와 관련된 종・횡방향 제어가 가능한 Level 3의 군집주행에 초점을 두고 군집주행 ODD 설정을 위한 국제표준 시험환경 및 시험도로 조건을 검토하여 적용 가능한 사항을 다음과 같이 정리하였다.

• (1) 시험 환경 조건
• - 평탄하고 건조하며 깨끗한 아스팔트나 콘크리트 표면
• - 온도 범위는 –20 ℃와 +40 ℃ 사이
• - 풍속은 3 m/s 미만
• - 수평 시정 범위는 1 km 이상
• - 차로 표시는 좋은 상태를 유지
• - 차선 표시는 디자인 및 재료에 적용되는 표준에 따라 표시
• (2) 시험 도로 조건
• - 시험 구간은 시험 속도를 유지할 수 있는 충분한 길이를 확보
• - 차선 도색의 폭은 0.1~0.3m 이내의 고속도로 규정에 준하는 형태
• - 차로 중심선 간의 간격인 차선폭은 3.4~3.9m 사이의 고속도로 규정에 준하는 형태
• (3) 곡선구간 시험 조건
• - R_min = 500m, R 은 R_min (500m)의 80~100% 이내

ENSEMBLE project 검토를 통해 다음의 적용 가능한 항목을 정리하였다[4].

• (1) 환경 및 교통 조건
• - 낮은 가시조건(안개/야간 운전/태양의 눈부심) ; 최소 가시성
• - 교통 체증(낮은 속도) ; 최대 교통밀도
• - 미끄러운 도로 상태(결빙/비) ; 최소 접지력(grip) 레벨
• - 응급차량 접근
• - 도로 상의 사람 또는 큰 동물
• - 사고 현장에 대한 접근
• (2) 도로 인프라 조건
• - 고속도로 또는 유사한 도로
• - 오르막 주행 ; 최대 경사도
• - 내리막 주행 ; 최대 경사도
• - 터널 주행
• - 고속도로 진출/입 램프 근처 주행
• - 차로 상의 장애물 ; 최소 장애물 사이즈
• - 도로의 곡선 반경 ; 최소 도로 곡률
• - 도로 길어깨 상의 예상치 못한 장애물/차량
• - 특정 zone 정책 (톨게이트, 공사구간 zone, 교량, 도시 제한)
• - EU 국가별 최대 속도

「자율주행 자동차의 안전운행요건 및 시험운행 등에 관한 규정(국토교통부 고시 제2018-224호)」의 시험운행 조건은 다음과 같다.

• (1) 시험운행 시험조건
• - 시험로 상의 대기 온도는 0~45℃ 이내이어야 함
• - 눈, 우박, 안개, 연무 등의 악조건의 기상상태에서는 시험을 실시하지 않으며, 일광 및 양호한 기상조건에서 시험을 실시함
• - 시험로의 폭은 최소 3.5m 이상이어야 함
• - 차선은 「도로교통법 시행규칙」 제8조제2항 및 「교통노면표시 설치∙관리 매뉴얼」에 적합한 재질로 제작되어야 하고, 시인성이 양호한 상태이어야 함

고속국도를 대상으로 가해운전자 차량용도에 대한 법규위반별 화물차 사고를 분석한 결과, 최근 5년간 사고건수는 연평균 9%, 사망자수는 연평균 3% 증가하였으며, 2018년 사고건수를 살펴보면 안전운전 의무 불이행은 71%, 안전거리 미확보는 22% 순으로 높게 나타났다.

2018년 사고유형별 화물차 사고 사망자수를 분석한 결과, 전체 사망자(110명) 중 추돌로 인한 사망자수가 61%로 가장 큰 비율을 차지하였고, 최근 5년간 추돌로 인한 사망자수는 연평균 7% 증가하였다.

2018년 기상상태별 화물차 사고 사망자수(110명)를 분석한 결과, 맑은 날을 제외하면 흐림(12.7%), 비(10%) 순으로 높게 나타났으며, 최근 5년간 흐린 날 사망자 수는 연평균 24% 증가하였으며, 비오는 날 사망자 수는 연평균 7% 감소하였다. 반면, 비오는 날 사망자 수는 2016년 이후 증가 추세인 것으로 나타났다.

2018년 노면상태별 화물차 사고건수(995건)를 분석한 결과, 건조 86.2%, 젖음/습기 12.1%, 적설 0.9% 순으로 나타났으며, 최근 5년간 젖음/습기 노면에 대한 사고건수는 연평균 7%, 적설에 대한 사고건수는 연평균 11% 증가하였다.

ODD는 안전한 자율주행을 허용하도록 설계된 주행 가능한 구간을 말하며, 도로유형, 속도 범위, 날씨, 주/야간 및 ADS가 작동될 환경 조건 등이 포함된다. 자율주행시스템은 설계된 ODD 내에서 안전하게 운영되어야 하며, ODD를 벗어나는 구간에서는 자율주행이 안전하게 운영되지 않을 수 있다. 본 서비스는 군집주행차량이 ODD를 벗어나는 구간에서 안전하게 자율주행을 해제하고 수동으로 운전할 수 있도록 사전에 해제 정보를 제공하는 서비스로 그림 1과 같다.

Fig. 1.

Platooning Safety Service for the Out of ODD

즉각적 또는 잠재적으로 발생하는 위험한 상태를 구별하여 해당 상황을 충분히 빨리 회피하기 위해 조향 및 속도를 조정하도록 주의 및 경고 메시지를 운전자에게 알리는 서비스로 그림 2와 같다.

Fig. 2.

Platooning Safety Service in ODD Environment

운전자 인지반응시간은 차내 정보제공을 위해 가장 중요한 요소로 다음과 같은 연구가 있다.

인지반응시간의 정의는 운전자가 바라보는 시각에 비춰진 어떤 사물 또는 상황과 운전자가 반응을 최초로 나타내는 시간 간격을 말하며 미국교통국에서는 다음 그림 3과 같이 4단계 프로세스로 설명하였다[9].

Fig. 3.

4-step process of Perception Reaction Time

또한 AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)에서는 여러 문헌 고찰 결과, 최소 브레이크 반응시간은 최소한 1.64초를 적용할 수 있지만 대다수 운전자들의 특성과 운전의 복잡성을 감안할 때 설계시에 2.5초의 인지반응 시간을 적용하도록 권장하여 국내에서도 설계값으로 2.5초를 적용하고 있다. 그러나 최근 ADAS 센서의 보급 등 차량의 성능 향상으로 차량 내 운전자인지반응 시간을 1.0초로 적용하고 있다. 본 연구에서는 운전자 인지반응시간을 일반적으로 적용되는 운전자가 위험상황을 만났을 때 운전실력을 과신하여 자극을 느끼고도 반응하지 않는 시간을 제외시킨, 자극을 느끼기 시작한 시점부터 시작하여 마지막으로 브레이크를 밟기 위해 발을 움직이는 시점까지로 정의하였으며, 시간은 1.0초로 적용하였다.

국내기준에서는 운전자 인지반응시간을 2.5초를 적용하고 있으며[10], 이는 혼잡한 도로상황 및 예기치 못한 상황 등을 고려하여 2.5초를 반응시간으로 잡을 경우 90% 이상의 운전자가 위기에 대응할 수 있는 적당한 시간으로 적용하고 있다. AASHTO에서도 운전자들의 특성과 운전의 복잡성을 감안하여 인지반응시간을 2.5초를 적용하도록 권장하고 있다[11]. 그러나 최근 ADAS(Advanced Driver Assistance System) 센서의 보급 등 차량의 성능 향상으로 차량 내 운전자 인지반응시간을 1초로 적용하고 있다.

따라서 본 연구에서는 운전자 인지반응시간을 자율협력주행 시스템의 도움을 받아 위험상황 발생 시 자극을 느끼기 시작한 시점부터 마지막으로 브레이크를 밟기 위해 발을 움직이는 동작까지의 시간으로 정의하였으며, 1초로 적용하였다.

화물차 군집주행의 가장 큰 한계는 속도의 연속성이 깨지고 감속도의 크기가 큰 곳에서 안전에 위험성이 매우 높아지는 것으로 본 연구에서는 군집주행이 감속으로 인한 충격을 최소화하고 안정적으로 군집을 운영할 수 있는 감속도 값을 적용하고자 한다. 또한 위에서 정의한 주의정보와 경고정보를 제공하기 위해 안전감속도, 위험감속도를 정의하여 반영하였다.

• - 안전감속도 : 운전자가 위협감을 느끼지 않으면서 안전하게 주행하기 위한 감속도 값
• - 위험감속도 : 사고 회피를 위한 최대 감속도 값

안전감속도는 25톤 화물기준으로 차량이 운전자의 감속 제동없이 차량에 의해 자연 감속할 수 있는 값인 –0.49m/s²을 적용하였으며, 차량 성능에서 가능한 최대 감속도는 –4.9m/s²을 적용하였다. 본 감속도 값은 실제 시험을 통해 얻어진 값을 적용하였다.

LV는 FV의 정보를 포함하여 주기적으로 군집 운영 정보를 전송하며, 센터는 군집 운영정보를 실시간으로 수집할 수 있어야 한다. 이때, LV는 추종하는 차량이 없더라도 군집을 신청한 구간의 시점에 도착하면 운영정보를 주기적으로 운영관리센터로 전송해야 한다. 센터에서의 실시간 정보 수집을 위해 다음과 같은 요구사항을 만족해야 한다.

• - LV는 군집의 위치와 상태 정보를 주기적으로 전송함
• - FV의 운영정보는 센터로 직접 전송되지 않을 수 있음
• - LV는 FV의 운영정보를 수집하여 센터로 전송할 수 있음
• - LV는 센터로부터 운영정보를 요청받으면 즉시 전송함

LV는 주기적으로 군집의 운영정보를 전송하고, 이벤트 발생 시에는 발생 즉시 전송해야 하는데 이때, 이벤트 발생 상황은 아래 표 3과 같은 기본기능이 수행되는 상황이다.

Table 3.

Classification of platooning vehicles functions

LV 운전자에게는 LV의 차량특성, 군집주행 상황, 교통상태, 기하구조 형태 및 기상 등을 고려하여 단계별로 전방 이벤트에 대한 경고를 제공할 수 있다.

• - LV 차량특성 : 속도, 화물 무게 등
• - 군집주행 상황 : FV 차량대수, 속도, 화물 무게, 차간거리 등
• - 도로교통상태 : 원활, 서행, 정체 등
• - 기하구조 형태 : 직선부/곡선부, 오목/볼록구간 등
• - 기상에 따른 노면상태 : 마른상태, 젖은상태, 결빙, 적설 등
• - 날씨 : 낮, 밤, 눈, 비 등
• - 시스템 지연 시간 : 통신지연, 처리지연 등
• - 운전자 특성 : LV 운전자 반응시간, 운전 숙련도 등

FV 운전자도 위의 상황을 동일하게 고려하여 군집주행 내에서 안전하게 안정적으로 추종할 수 있도록 단계별로 전방 고정 장애물에 대한 경고를 제공할 수 있어야 한다. 또한 시스템 운영자 모니터링을 위해 무선통신(V2X) 상태, 정보수집제공 상태, 군집주행 상황 등을 기록하여 확인할 수 있어야 한다.

LV 운전자가 상황을 인지하여 안전하게 군집주행 대응이 가능하도록 하기 위해 그림 4와 같이 정보의 수준은 2단계로 구분하였으며, 1단계 정보는 전방 위험 상황에 대해 LV 운전자 및 FV 차량 및 운전자가 미리 상황을 인지하여 대응할 수 있도록 하기 위한 정보(주의정보, Warning distance)이며, 2차 정보는 1차 정보 제공 후에 LV 운전자가 상황에 대해 적절히 반응하지 않아 충돌 위험이 있는 경우 충돌 피해를 경감시키거나 회피할 수 있도록 제공하는 정보(경고정보, Minimum warning distance)이다. 1차정보 제공 시점은 안전감속도 값을 적용하며, 2차정보는 위험감속도 값을 적용한다.

Fig. 4.

Level of information for truck platooning

정보제공의 형태는 군집주행 안전운전 행위 요구를 위한 지시(정지, 감속, 차로변경 등), 주의정보안내(충돌 또는 전방 위험상황에 대한 경고), 현 상황에 대한 일반정보안내(경로, 위치, 영향받는 차로, 교통관제의 형태 등), 상황 예측정보(주행시간, 교통장애 처리 예상시간 등)로 분류할 수 있으며, 정보의 수준(정보시점)에 따른 정보의 내용은 다음 표 4와 같다.

Table 4.

Contents of the information for truck platooning

또한 위의 표 5의 서비스 지역은 화물차 사고 다발구간 혹은 대형사고를 일으킬 수 있는 주요 구간으로 반드시 위 표와 같은 검토하여 사전에 안전 정보를 제공해줄 수 있어야 한다.

Table 5.

Service location

운영관리센터는 LV로부터 수집한 군집 운영정보를 지속적으로 모니터링하기 위해 저장하고 관리하며, 필요 시 운영관리센터는 LV에 운영정보를 요청할 수 있다. 또한 운영관리센터는 LV로부터 수집된 군집 운영정보를 기반으로 군집자율주행을 위해 적절한 V2I 안전서비스를 제공할 수 있어야 한다.

시스템 운영자 모니터 시스템은 군집자율주행 통신(V2I) 상태, 정보수집제공 상태, 군집주행 상황 등을 기록하여 확인할 수 있어야 한다.

V2I 기반 군집주행 안전서비스 시나리오 개발을 위해 ISO 17427-1 표준에서 제시하고 있는 방법을 참조하는데 본 표준에서는 시나리오의 내용, 서비스, 표출의 actor가 누군지에 따른 시나리오 작성법에 대해 설명하고 있다[12].

C-ITS 서비스를 제공하기 위해 정해진 구조속의 시스템 주체들이 각각 특정 기능(역활)을 수행해야 하며, 이러한 역할에 대해 정의하고 있는데, 상위수준의 표준으로 스펙이 아닌 서술적 정의를 담고 있으며, 특별 시나리오를 기준으로 역할이 달라질 수 있음을 그림 5와 같이 예시로 보여주고 있다.

Fig. 5.

Conceptual diagram of scenario suggested by international standard (ISO 17427-1)

시나리오를 기반으로 컨텐츠를 제공하는 역할과 이를 서비스하는 역할, 이를 수용해서 표현하는 역할 등을 구분하는데 같은 서비스라 하더라도 각각의 역할은 달라질 수 있다.

본 연구는 ISO 17427-1에서 제시한 시나리오 작성방법을 참조하여 다음과 같은 군집주행을 위한 V2I 기반 안전서비스 시나리오를 개발하였다.

시나리오 구성요소 도출을 위한 군집차량대수는 LV 1대, FV 2대로 총 3대이며, 고속도로에서 대열주행하는 형태이며, 속도는 50~90km/h로 운행하며, 차량간격은 최소 12.5m를 유지할 수 있다. 차량 무게는 25톤 만차 상태를 기준으로 하며, 트레일러 길이는 최대 16.7m이다.

ODD 및 화물차 교통 및 사고특성 분석을 통해 도출된 조건을 기반으로 Level 3(혹은 Lavel A)의 군집자율주행이 가능한 날씨, 도로이벤트, 도로선형, 도로구조물 및 시설물, 진행방향 및 잠재적 위험 등의 상황을 조합하여 표 7과 같이 V2I 기반의 군집주행 안전서비스 시나리오 21개를 도출하였다.

Table 7.

Scenarios for truck platooning safety service based on V2I

시나리오에 따라 LV 운전자에게 상황에 따라 주의 및 경고정보를 제공하였을 경우 예상되는 군집주행의 제어행태로는 감속, 차간간격 조정 및 군집해제가 있으며 이는 다음과 같이 구분될 수 있다.

• - 감속 : 상대속도 차이로 군집차량이 감속이 필요하다고 판단되는 상황으로 센터로부터 감속에 대한 정보를 제공받으면 LV는 안전속도에 대한 정보를 FV로 전달하여 FV가 안전하게 안정적으로 감속을 완료하기까지의 시간을 고려하여 정보를 제공함
• - 차간간격 조정 : 교량 파손 등 환경 조건에 의해 차량간격 조정이 필요하다고 판단되는 상황으로 센터로부터 관련 정보를 제공받으면 LV는 조정된 차량간격의 정보를 FV로 전달하여 FV가 안전하게 안정적으로 차간간격 조정을 완료하기까지의 시간을 고려하여 정보를 제공함
• - 군집해제 : 차로변경, 혹은 자율주행으로 대응이 어려운 상황으로 센터로부터 관련 정보를 제공받으면 LV는 군집해제에 대한 정보를 FV로 전달하여 FV가 안전하게 안정적으로 군집을 해제하고 차로변경이 필요한 경우에는 차로변경까지 완료되는 시간을 고려하여 정보를 제공함
• - 기타 : 화물차 사고다발구간, 기하구조적으로 화물차가 운행 시 주의해야 하는 구간에서는 센터에서 안내정보를 제공함