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문제 정의
- 본 논문에서는 루프검지기와 피에조 센서를 사용하여 통과 차량 대수 속도 길이, 차축 수, 축간 거리 등의 기본 정보를 실시간으로 수집하는 시스템의 설계 및 개발을 다루었다. 이들 기본 정보는 차종분류, 평균속도 등의 도로 교통 정보를 생성하여 ITS의 기본정보로 사용된다.
- 지능형 교통 시스템은 통과차량에 대한 개별정보 및 주기별 통과 차량에 대한 통계정보를 관제 센터에 제공하는 차량 정보 수집 장치가 필수적인 요소가 된다. 본 연구에서는 PC 시스템을 기반으로한 차량정보 수집 장치와 제어 프로그램의 개발을 다루었으며 시뮬레이션 장치에 의하여 그 성능을 확인하였다. 본 연구를 통하여 설계된 시스템은 각 차선에 설치된 센서에 의하여 개별 차량의 길이, 속도 통과대수, 차종 등의 차량 정보를 생성하고 이를 토대로 도로의 점유율, 차종분포율 등의 도로정보를 생성하고 이를 원격의 관제센터로 전송하도록 하였다.
제안 방법
- 실시하였다. 10개 차선을 시뮬레이션하기 위하여 1 개의 차선의 입력 신호를 입력보드의 10개 차선에 대한 입력 신호로 연결하였다. 이 경우는 차량이 10개 차선에 동시에 지나가는 상황과 같은 조건이 되므로 실지 도로상에서 가장 차량이 많이 통과하는 조건이 되며 시스템에 가장 많은 처리 부담을 시뮬레이션을 실행하였다.
- 2개의 피에조 센서의 차축 감지 기능을 위하여 루프 검지기 기능의 Fhotocoupler 전, 후에 각각 한 개의 Fhotoxoupler를 설치하였다. 그리고 모형 차량의 상부에 차축에 해당하는 부분에 작은 돌출부를 만들어 Photocoupler의 광 출력을 차단하도록 하여 돌출부가 통과하는 순간 Fhotocoupler의 출력이 펄스를 발생하도록 하였다.
- 각 차선마다 루프검지기 1개의 신호(L1), 피에조센서 2개의 센서신호(P1, P2)를 발생하며 10개의 차선을 다루기 위해 매 샘플링 주기마다 30개의 센서 신호를 동시에 읽어들여 각 신호들의 시간 정보를 실시간으로 처리한다. 그림 2에서 이들 신호의 타이밍을 보인다
- Fhotoxoupler를 설치하였다. 그리고 모형 차량의 상부에 차축에 해당하는 부분에 작은 돌출부를 만들어 Photocoupler의 광 출력을 차단하도록 하여 돌출부가 통과하는 순간 Fhotocoupler의 출력이 펄스를 발생하도록 하였다. 원형 모형 도로에서 계속 차량을 주행시키면서 본 시스템에 의하여 차량정보를 수집하는 동시에 디지털 오실로스코프를 이용하여 수집된 값을 비 교하도록 하였다.
- 그림 6의 시뮬레이션 원형 도로에서 길이가 동일 한 차량과 길이가 다른 차량을 계속 주행시키며 본 연구에서 제작된 시스템의 입출력 보드에 연결하여 시뮬레이션을 실시하였다. 10개 차선을 시뮬레이션하기 위하여 1 개의 차선의 입력 신호를 입력보드의 10개 차선에 대한 입력 신호로 연결하였다.
- B의 경우에는 2개의 루프 검지기에서 차량의 속도 차량의 길이 정보를 추출하며 피에조 센서에서는 차축 수에 대한 정보를 추출한다. 두 가지 경우 모두 유사하므로 본 논문에서는 설치 면적이 상대적으로 작은 a 경우를 다루었다.
- 첫 번째 Fhotoxoupler는 차량이 루프 검지기에 들어오는 순간을 팀, 지하고 두 번째 Fhotocoupler는 차량이 루프 검지기를 빠져나가는 순간을 감지한다. 두 개의 HiQtocoupler의 출력을 AND 연산함으로써 도로상의 루프 검지기와 같은 파형을 발생하도록 제작하였다.
- 시스템은 차선마다 각 차량 당 속도 차량길이, 점유시간, 교통량의 자료를 출력한다. 디지털 오실로스코프를 이용하여 각 차량마다 루프의 점유 신호의 시간을 l[msec] 샘플링 주기로 두 개의 루프사이의 시간 차이를 측정하여 차량의 실지 점유시간, 속도 및 차량의 길이를 계산하여 이를 시스템의 출력 정보와 비교한다. 차량의 대수는 실측에 의한 값과 시스템의 출력값과 비교한다 VTR을 이용하여 주행차량을 녹화하고 이를 프레임 단위로 재생하여 한 프레임당 차량의 이동 거리로부터 속도를 계산하고 이를 시스템의 출력과 비교하여 평가하였다.
- 이러한 동작은 10개 차선에 대하여 동시에 차량이 통과하더라도 모두 실시간으로 수행되며 차량이 통과하는 차선에 대하여만 차량 정보를 발생한다. 또한 차량정보를 바탕으로 일정 주기마다 도로 점유율, 평균 차량속도, 평균 통과 차량수 차선별 차종 분류 등의 도로교통정보를 생성한다
- 따라서 차량정보의 오차를 줄이기 위하여 인터럽트 주기를 줄이는데는 프로세서의 처리속도에 의하여 제한된다. 본 논문에서는 산업용 PC에 사용되는 486 프로세서를 사용하고 제어프로그램을 C로 작성하였으며 O.ltmsec], l[msec], lOtmsec]의 인터럽트 주기에 대하여 시뮬레이션 실험을 실시하였으며 O.ltmsec] 의인터럽트 주기를 사용하여도 10개 차선의 30개 센서 입력을 실시간 처리할 수 있었다. 입력 부는 8개의 입력 버퍼를 갖는 드라이버(74HC245)를 4개를 사용하였으며 입력제어 신호로 IN_SEL 신호를 디코더에서 발생한다.
- 본 시스템의 입출력 보드와 제어 프로그램의 기능시험을 위하여 모형 자동차와 원형 모형 도로를 사용하여 시뮬레이션 장치를 그림 6과 같이 자체 제작하였다. 모형 자동차의 길이는 9[cm] 와 15[cm]의 두 가지를 사용하였으며 트랙은 타원형으로 장축이 60[cm] 이고 단축이 45[cm] 이며 모형 자동차는 건전지로 구동되어 트랙을 반복하여 회전하며 그림 6의 왼쪽에 위치한 차량 감지부분을 통과하도록 하였다.
- 본 연구에서는 PC 시스템을 기반으로한 차량정보 수집 장치와 제어 프로그램의 개발을 다루었으며 시뮬레이션 장치에 의하여 그 성능을 확인하였다. 본 연구를 통하여 설계된 시스템은 각 차선에 설치된 센서에 의하여 개별 차량의 길이, 속도 통과대수, 차종 등의 차량 정보를 생성하고 이를 토대로 도로의 점유율, 차종분포율 등의 도로정보를 생성하고 이를 원격의 관제센터로 전송하도록 하였다.
- 따라서, 시스템의 고속연산처리 프로세서를 사용하거나, 연산 알고리즘을 빠른 시간에 수행하여야 한다. 본 연구에서는 30 개의 입력 신호를 병렬포트에 의하여 동시에 입력하고 입력신호를 32비트 고정 소수점 변수를 사용하여 연산 처리 속도를 빠르게 하도록 하였다.
- 생성된 각 차선에 대한 차량정보 및 도로 교통정보는 패킷의 형태로 만들어지고 RS232C 프로토콜과 전용선 모뎀을 이용하여 원격의 관제소에 전송되어 도로 상황을 파악할 수 있도록 한다. 본 시스템은 주로 고속도로 및 순환도로 국도 등의 차량 전용도로에 사용하도록 설계되었으며 수 [km] 마다 시스템이 하나씩 설치된다.
- 센서의 상태가 Hgh에서 Low 또는 Low 에서 JIgh로 변할 경우 그때의 시간 값을 각 센서에 할당된 변수에 저장하여 통과 차량에 대한 시간 정보를 생성한다{6]. 생성된 시간 정보를 바탕으로 각 차량^ 대한 속도 길이, 차종 등의 차량정보와, 차량 의도로 점유율, 통과 차량 대수 등의 도로 정보는 패킷 형태로 만들어져 RS232C 직렬 통신 프로토콜과 전용선 모뎀에 의하여 원격에 있는 교통관제 센터의 호스트에 전송한다. 그림 3에서 시스템의 구조도를 보인다.
- lEmsec] 의 샘플링 주기로 10개 차선의 30개 센서 입력을 병렬로 실시간 처리하며 2% 이하의 오차를 가진다. 성능 시험은 시뮬레이션과 현장 실험을 통하여 확인하였다. 본 연구의 결과는 고속도로 및 국도등의 자동차 전용 도로에 차량 정보 및 도로 정보 수집장치의 설계에 사용될 수 있다.
- 이 경우는 차량이 10개 차선에 동시에 지나가는 상황과 같은 조건이 되므로 실지 도로상에서 가장 차량이 많이 통과하는 조건이 되며 시스템에 가장 많은 처리 부담을 시뮬레이션을 실행하였다. 시뮬레이션에서 디지털 오실로스코프를 이용하여 센서의 출력 파형의 시간 차이를 측정하여 이를 계산식을 이용하여 계산한 값과 시스템에서 추출한 값과 비교하여 시스템의 성능을 평가하였다. 그림 8 에서 10개의 차선에 대한 차량의 속도, 차량길이, 차축수 축간 거리 정보에 대한 시뮬레이션 실험의 결과를 보이고 있으며, 오차는 2% 이하를 보였다.
- 시스템은 차선마다 각 차량 당 속도 차량길이, 점유시간, 교통량의 자료를 출력한다. 디지털 오실로스코프를 이용하여 각 차량마다 루프의 점유 신호의 시간을 l[msec] 샘플링 주기로 두 개의 루프사이의 시간 차이를 측정하여 차량의 실지 점유시간, 속도 및 차량의 길이를 계산하여 이를 시스템의 출력 정보와 비교한다.
- 그리고 모형 차량의 상부에 차축에 해당하는 부분에 작은 돌출부를 만들어 Photocoupler의 광 출력을 차단하도록 하여 돌출부가 통과하는 순간 Fhotocoupler의 출력이 펄스를 발생하도록 하였다. 원형 모형 도로에서 계속 차량을 주행시키면서 본 시스템에 의하여 차량정보를 수집하는 동시에 디지털 오실로스코프를 이용하여 수집된 값을 비 교하도록 하였다. 그림 7에 서 Fhotocoupler A, B는 피에조 센서의 역할을 하며, C, D는 루프 검지기의 역할을 한다.
- 10개 차선을 시뮬레이션하기 위하여 1 개의 차선의 입력 신호를 입력보드의 10개 차선에 대한 입력 신호로 연결하였다. 이 경우는 차량이 10개 차선에 동시에 지나가는 상황과 같은 조건이 되므로 실지 도로상에서 가장 차량이 많이 통과하는 조건이 되며 시스템에 가장 많은 처리 부담을 시뮬레이션을 실행하였다. 시뮬레이션에서 디지털 오실로스코프를 이용하여 센서의 출력 파형의 시간 차이를 측정하여 이를 계산식을 이용하여 계산한 값과 시스템에서 추출한 값과 비교하여 시스템의 성능을 평가하였다.
- 따라서 다수의 시스템이 통신선로를 공유하면 통신선로의 수를 줄일 수 있다. 이를 위하여각 시스템마다 고유 ID를 부여하고 통신패킷에 ID를 부가하여 통신선로를 공유하도록 하였다. 데이터 전송은 관제 시스템이 시스템 ID와 함께 정보 전송 요청을 하면 지정된 시스템은 차량정보 및 도로교통 정보를 전송한다
- 출력부는 8개의 출력 버퍼를 갖는 버퍼 (74HC573)를 4개를 사용하였으며 출력을 저')어하는 신호로 OUT_SEL 신호를 역시 디코더에서 발생하도록 하였다 본 실험에서 출력부는 사용하지 않지만, 루프검지기 및 피에조 센서의 프로세서의 리셋기능 등의 제어 신호에 사용될 수 있다. 입/출력 보드의 어드레스는 프로세서의 I/O MAP에 할당되었으며 16비트 I/O 어드레스를 사용하여 디코더(AT22V10)에서 입/출력 제어 신호를 발생하도록 하였다.
- 루- 에 설치하여 통과하는 차량의 점유시간을 추출한다 센서는 차량의 점유시간을 측정하는 센서 (occupation saisor) 와 차량축의 위치를 측정하는 센서 (axle shisot)로 구성된다. 점유 센서로는 루프 검지기를 사용하였고 차축위치 센서는 피에조(piezo electric) 센서를 사용하였다. 루프 검지기는 도로 표면에 매입한 루프 코일에 발진신호를 인가하고 노면에 금속성 물체가 있을 경우 자장의 변화를 감지하여 차량의 점유 여부를 감지한다.
- 디지털 오실로스코프를 이용하여 각 차량마다 루프의 점유 신호의 시간을 l[msec] 샘플링 주기로 두 개의 루프사이의 시간 차이를 측정하여 차량의 실지 점유시간, 속도 및 차량의 길이를 계산하여 이를 시스템의 출력 정보와 비교한다. 차량의 대수는 실측에 의한 값과 시스템의 출력값과 비교한다 VTR을 이용하여 주행차량을 녹화하고 이를 프레임 단위로 재생하여 한 프레임당 차량의 이동 거리로부터 속도를 계산하고 이를 시스템의 출력과 비교하여 평가하였다. 현장 실험결과, 수집된 차량 정보의 정확도는 상용 시스템의 성능 기준인 95%이상을 만족하였다.
- 트랙에서 차량 감지부분에 motocoupler를 사용하여 실제 도로상에서의 루프검지기 와 피에조 센서의 기능을 대신하도록 하였다. 루프 검지기의 차량 점유 감지 기능을 하는 Fhotocoupler는 2개를 설치하고 모형 차량의 차체의 높이에 설치하여 차량이 통과하는 동안 펄스가 High에서 Low로 유지하도록 하였으며 설치 간격은 루프의 직경에 해당한다.
- 현장 실험 방법은 시스템이 실장된 지점에서 시스템에 수집된 자료와 오실로스코프 VTR 그리고 실측에 의한 자료를 비교하여 분석, 평가하였다. 시스템은 차선마다 각 차량 당 속도 차량길이, 점유시간, 교통량의 자료를 출력한다.
대상 데이터
- 모형 자동차의 길이는 9[cm] 와 15[cm]의 두 가지를 사용하였으며 트랙은 타원형으로 장축이 60[cm] 이고 단축이 45[cm] 이며 모형 자동차는 건전지로 구동되어 트랙을 반복하여 회전하며 그림 6의 왼쪽에 위치한 차량 감지부분을 통과하도록 하였다.
- 시스템의 구성은 486급의 프로세서를 이용하였으며 EISA 버스 규격의 입/출력 보드를 설계하였다 입, 출력 보드의 펄스 발생 부는 샘플링 주기마다 프로세서에 인터럽트 신호를 발생하며 이때, 프로세서는 입/출력 보드를 통하여 30개의 센서의 상태를 읽어 들인다. 센서의 상태가 Hgh에서 Low 또는 Low 에서 JIgh로 변할 경우 그때의 시간 값을 각 센서에 할당된 변수에 저장하여 통과 차량에 대한 시간 정보를 생성한다{6].
- ltmsec] 의인터럽트 주기를 사용하여도 10개 차선의 30개 센서 입력을 실시간 처리할 수 있었다. 입력 부는 8개의 입력 버퍼를 갖는 드라이버(74HC245)를 4개를 사용하였으며 입력제어 신호로 IN_SEL 신호를 디코더에서 발생한다. 출력부는 8개의 출력 버퍼를 갖는 버퍼 (74HC573)를 4개를 사용하였으며 출력을 저')어하는 신호로 OUT_SEL 신호를 역시 디코더에서 발생하도록 하였다 본 실험에서 출력부는 사용하지 않지만, 루프검지기 및 피에조 센서의 프로세서의 리셋기능 등의 제어 신호에 사용될 수 있다.
- 입력 부는 8개의 입력 버퍼를 갖는 드라이버(74HC245)를 4개를 사용하였으며 입력제어 신호로 IN_SEL 신호를 디코더에서 발생한다. 출력부는 8개의 출력 버퍼를 갖는 버퍼 (74HC573)를 4개를 사용하였으며 출력을 저')어하는 신호로 OUT_SEL 신호를 역시 디코더에서 발생하도록 하였다 본 실험에서 출력부는 사용하지 않지만, 루프검지기 및 피에조 센서의 프로세서의 리셋기능 등의 제어 신호에 사용될 수 있다. 입/출력 보드의 어드레스는 프로세서의 I/O MAP에 할당되었으며 16비트 I/O 어드레스를 사용하여 디코더(AT22V10)에서 입/출력 제어 신호를 발생하도록 하였다.
성능/효과
- 차량의 대수는 실측에 의한 값과 시스템의 출력값과 비교한다 VTR을 이용하여 주행차량을 녹화하고 이를 프레임 단위로 재생하여 한 프레임당 차량의 이동 거리로부터 속도를 계산하고 이를 시스템의 출력과 비교하여 평가하였다. 현장 실험결과, 수집된 차량 정보의 정확도는 상용 시스템의 성능 기준인 95%이상을 만족하였다. 현장설치장치는 샘플링 시간이 l[mgc]로 시뮬레이션의 경우의 0.
후속연구
- 성능 시험은 시뮬레이션과 현장 실험을 통하여 확인하였다. 본 연구의 결과는 고속도로 및 국도등의 자동차 전용 도로에 차량 정보 및 도로 정보 수집장치의 설계에 사용될 수 있다. 또한 차량의 축간 거리 및 축 수에 의한 차종 분류기술과 피에조 센서에 의한 이동중 중량 즉정 (Weight In Motion: WIM) 기술도 조합하여 응용할 수 있어 교량 고가도로 등에 교통정보와 함께, 도로 충격 감시 기능을 병행할 수 있다.
- 현장 실험결과, 수집된 차량 정보의 정확도는 상용 시스템의 성능 기준인 95%이상을 만족하였다. 현장설치장치는 샘플링 시간이 l[mgc]로 시뮬레이션의 경우의 0.1[msec]보다 10배의 길이를 가짐으로 시뮬레이션에서 예측보다 낮은 정밀도를 보였으며 이는 추후 상용 시스템에서 샘플링 주기를 O.Umsec]로 줄이면 보다 높은 정밀도를 달성하리라 본다.
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