[논문]차량 속도패턴에 따른 연료소모량 관계식 산정

원민수; 강경표; 김정완

차량 속도패턴에 따른 연료소모량 관계식 산정
A Estimation Model of The Fuel Consumption Based on The Vehicle Speed Pattern 원문보기

大韓交通學會誌 = Journal of Korean Society of Transportation, v.29 no.4, 2011년, pp.65 - 71

원민수 (한국교통연구원) , 강경표 (한국교통연구원) , 김정완 (국토해양부 첨단도로환경과)

초록
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도로교통 분야에서 제시되는 다양한 정책들과 운영전략들을 평가하기 위해 사용해 오던 지금까지의 자료와 방법으로는 실제 도로에서 주행하고 있는 많은 차량들의 연료소모량을 정확하게 측정하기에는 불가능한 것이 현실이다. 특히 차량의 연료소모량은 속도뿐만 아니라 가속도에도 밀접한 관련이 있음에도 불구하고 현재의 방법으로는 가속도를 포함한 차량의 미시적 주행패턴을 고려하지 못하고 있다. 그러므로 본 연구에서는 교통운영전략과 차량운행비용의 연료소모량 변화에 대한 보다 정확한 효과를 평가할 수 있도록, 차량의 속도와 가속도를 고려한 차량 연료소모량 관계식을 산정하고자 한다. 차량시뮬레이션 프로그램인 AVL Cruise를 이용하여 차량의 속도 및 가속도에 따른 연료소모량 원단위를 산출하고, 이러한 결과를 이용하여 시뮬레이션이나 차량운행비용 추정에 적용할 수 있는 차량 연료소모량 관계식을 산정하였다. 마지막으로 이렇게 도출된 본 연구의 차량 연료소모량 관계식과 기존 연료소모량 관계식을 비교하였다. 분석결과, 교통운영전략의 효과 평가 시 기존 연료소모량 관계식에 비해 주행패턴에서 발생하는 가속도 변화를 고려한 본 연구의 연료소모량 관계식이 보다 현실적으로 연료소모량을 산정할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is practically hard to measure vehicle fuel consumption required to evaluate the energy-related governmental policies and traffic management strategies; the existing methods are too simplified due to the limited field data available. Existing methods are even unable to reflect the amount of fuel consumed when vehicles accelerate and decelerate, and such technical limitations have reduced the quality of the policy evaluation. This study proposes a new fuel consumption model that simultaneously considers the effects of both cruising speed and acceleration/deceleration of vehicles. A new fuel consumption model was developed based on the simulation data generated by AVL Cruise, a vehicle simulation program. The estimated by the proposed model was compared against the one from the existing method. Comparison results showed that the proposed model provided much reliable estimate (fuel consumption) than the other did.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 교통운영전략에 따른 연료소모량 변화를 정확하게 계산하기 위하여 가속도를 고려한 차량 연료소모량 관계식을 산정하고자 한다.
본 연구는 다양한 교통운영전략에 따른 차량의 연료소모량 변화를 보다 정확하게 측정하기 위하여 속도뿐만 아니라 가속도도 고려한 연료소모량 관계식을 산정하였다. 왜냐하면, 차량 연료소모량은 속도뿐만 아니라 가속도와도 밀접한 관련이 있음에도 불구하고, 기존 연료소모량 관계식은 이러한 가속도를 반영하지 못하기 때문이다.
본 연구에서는 새롭게 제시한 연료소모량 관계식의 차별성 및 특성을 살펴보기 위하여 가상 시나리오 분석을 실시하였다. VISSIM을 이용하여 가상 네트워크를 구성하고 제한속도 운영전략에 따른 차량의 연료소모량 변화를 기존 연료소모량 관계식과 본 연구에서 새롭게 제시한 연료소모량 관계식을 이용하여 분석해 보았다.
본 연구에서는 차량의 연료소모량을 측정할 수 있는 차량시뮬레이션 프로그램 AVL Cruise¹⁾를 이용하여 차량의 속도 및 가속도 패턴에 따른 연료소모량 원단위를 산출하고, 이러한 결과를 이용하여 시뮬레이션이나 차량운행비용 산정에 적용할 수 있는 차량 연료소모량 관계식을 산정할 것이다.

가설 설정

도로는 10km의 3차로 도로가 2차로로 합류되면서 지정체를 형성하는 연속류 도로이다. 차량은 4,400대/시이며, 제한속도를 알리는 VMS는 정체지점으로부터 2km 떨어진 지점에 있는 것으로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 새롭게 제시한 연료소모량 관계식의 차별성 및 특성을 살펴보기 위하여 가상 시나리오 분석을 실시하였다. VISSIM을 이용하여 가상 네트워크를 구성하고 제한속도 운영전략에 따른 차량의 연료소모량 변화를 기존 연료소모량 관계식과 본 연구에서 새롭게 제시한 연료소모량 관계식을 이용하여 분석해 보았다. 단, 주의할 점은 본 연구의 가상 시나리오 분석의 목적은 교통운영시나리오(예: 제한속도 등)의 타당성이나 효과를 분석하는 것이 아니라, 서로 다른 시나리오에 따른 연료소모량이 연료소모량 관계식에 따라 어떠한 차이가 발생하고, 그 발생한 원인이 연료소모량 관계식의 설명 변수에 따라 다르게 됨을 보여주기 위함이다.
가상 시나리오 분석은 지정체가 발생하는 연속류 도로에서 상류부 제한속도에 따른 차량의 속도패턴 변화를 분석하고 여기서 도출된 속도패턴 자료를 이용하여 개별차량의 연료소모량을 계산하는 방법으로 이루어 졌다.
정리하면, 차량 연료소모량은 속도뿐만 아니라 가속도와도 밀접한 관련이 있으며, 교통운영전략에 따른 연료소모량 변화를 보다 정확하게 분석하기 위해서는 속도와 가속도를 고려한 연료소모량 관계식이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 속도와 가속도에 따른 연료소모량 원단위를 이용하여 새로운 연료소모량 관계식을 산정하였다. 분석결과, 속도와는 2차 함수 관계를 가지고 있고 가속도와는 1차 함수 관계를 가지고 있는 새로운 연료소모량 관계식을 도출할 수 있었다.
가속도 변화를 고려한 연료소모량 관계식을 만들기 위해서는 각각의 속도와 가속도에 따른 연료소모량 원단위 자료가 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 차량시뮬레이션 프로그램인 AVL Cruise를 이용하여 연료소모량 원단위를 산출하였다.
분석결과는 <표 2>과 같다. 단, 감속에서는 연료차단(fuel cut)이 일어나 연료소모가 거의 없다는 것을 고려하여 본 연구에서는 가속의 경우만 고려하여 모형을 산정하였다. 모형의 적합도를 나타내는 R²값이 R²=0.
분석결과, 각 제한속도 시나리오에 따른 10km 구간의 평균 주행속도 및 평균 연료소모량은 <표 4>와 <그림 6>과 같다. 연료소모량 단위를 통일하기 위하여 L/대로 환산하여 분석을 실시하였다.
차종은 2009년을 기준으로 차량의 판매대수와 평균적인 연비를 고려하여 대표차종을 결정할 것이며, 연료소모량 원단위는 한국철도시설공단, 한국교통연구원(2010) “철도투자평가편람 전면개정 연구”의 결과를 이용하여 신뢰성을 검증할 것이다.

대상 데이터

다음으로 해당 연비 시뮬레이션 프로그램(AVL Cruise) 실험 결과의 신뢰성을 검증하기 위하여 한국철도시설공단, 한국교통연구원(2010)의 “철도투자평가편람 전면개정 연구”의 자료를 이용하였다.
차종(국내)은 의 배기량 및 공차 중량에 따른 연비 통계자료와 의 연비에 따른 차량 판매 대수를 이용하여 2.4L급 중형 승용차를 대표차량으로 선정하였다.

데이터처리

2) 이를 위해, 미국 NCHRP의 배기가스 배출 원단위³⁾를 이용하여 다중회귀분석으로 가속도별 속도에 따른 배출 모형을 도출하였다. 그러나 국내의 배출가스 원단위가 아닌 미국의 자료를 이용했다는 점과 실시간 가속도 값이 아닌 일정 가속도 범위를 기반으로 모형을 도출했다는 점에서 한계점을 가지고 있다.
그러므로 본 연구에서는 다중회귀분석을 이용하여 속도와 가속도에 따른 연료소모량 관계식을 산정하였다.
차량의 연료소모량(kg/h)를 종속변수로 설정하고 속도와 가속도를 독립변수로 설정하여 회귀분석을 실시하였다. 변수간의 상관관계와 연료소모량, 속도, 가속도의 관계를 이용하여 다양한 형태의 함수로 회귀분석을 실시하였으며, 통계적 유의성과 설명력이 가장 좋은 모형을 최종 연료소모량 관계식으로 결정하였다.
차량의 연료소모량(kg/h)를 종속변수로 설정하고 속도와 가속도를 독립변수로 설정하여 회귀분석을 실시하였다. 변수간의 상관관계와 연료소모량, 속도, 가속도의 관계를 이용하여 다양한 형태의 함수로 회귀분석을 실시하였으며, 통계적 유의성과 설명력이 가장 좋은 모형을 최종 연료소모량 관계식으로 결정하였다.

이론/모형

먼저, 한국개발연구원(2004)의 연구를 살펴보면, 차량의 연료소모량을 산정하기 위하여 국토연구원(1999)의 “도로사업 투자분석 기법정립”의 연료소모량 관계식을 적용하였다.

성능/효과

그러므로 AVL Cruise를 이용한 본 연구의 연료소모량 원단위 결과가 타당하며, 가속도를 포함한 새로운 연료소모량 관계식을 도출하는데 문제가 없는 것으로 판단된다.
다시 말하면, 본 연구에서 제시한 연료소모량 관계식은 실제로 다양한 교통운영전략 분석에서 차량의 속도, 가속도를 포함한 주행패턴의 자료를 수집할 수 있는데도 불구하고 평균주행속도만 이용하여 연료소모량을 계산하는데 발생할 수 있는 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
그러므로 본 연구에서는 속도와 가속도에 따른 연료소모량 원단위를 이용하여 새로운 연료소모량 관계식을 산정하였다. 분석결과, 속도와는 2차 함수 관계를 가지고 있고 가속도와는 1차 함수 관계를 가지고 있는 새로운 연료소모량 관계식을 도출할 수 있었다.
실제로 가상 시나리오 분석을 통하여, 본 연구에서 제시한 연료소모량 관계식이 다양한 주행패턴에서 발생하는 가속도 변화를 반영할 수 있어 기존의 연료소모량 관계식에 비해 보다 현실적으로 연료소모량을 산정할 수 있음을 확인할 수 있었다.
924)로 모형의 설명력이 매우 높다는 것을 알 수 있다. 즉, 연료소모량과 속도는 2차함수의 관계를 가지고 있으며, 가속도와는 1차함수의 관계를 가지고 있다는 것을 알 수 있다.

후속연구

그러므로 교통운영전략에 따른 연료소모량 변화를 보다 정확하게 계산하기 위해서는 가속도 고려한 본 연구의 연료소모량 관계식을 적용해야 하는 것을 알 수 있다.
향후 과제로서, 본 연구에서 제시한 연료소모량 관계식이 차량의 실제 연료소모량을 얼마나 정확하게 반영하는지 검증하기 위하여 다양한 기하구조와 교통류상황에서 현장실험과 시뮬레이션을 통한 신뢰성 검증이 필요할 것이다. 또한 승용차뿐만 아니라 다양한 차종에 대해서도 연구가 진행되어야 할 것이다. 마지막으로 본 연구에서 제시한 연료소모량 산정방법을 이용하여 현재 진행되어 온 다양한 교통운영전략 효과평가의 문제점을 지적하고 보다 정확한 효과평가가 이루어져야 할 것이다.
또한, 현재 차량의 가속도 자료를 수집할 수 없는 교통혼잡비용 분석과 같은 거시적 교통 분석에서도 향후 교통정보 수집 기술의 발달(예: ITS 및 차량 내 교통정보 수집 장치의 발달 등)이 이루어진다면, 본 연구의 연료소모량 관계식을 이용하여 보다 정확한 연료소모량 변화를 계산할 수 있을 것이다.
마지막으로 가상의 교통운영전략 시나리오 분석을 통해서 본 연구의 연료소모량 관계식과 기존의 연료소모량 관계식을 비교·분석 할 것이다.
또한 승용차뿐만 아니라 다양한 차종에 대해서도 연구가 진행되어야 할 것이다. 마지막으로 본 연구에서 제시한 연료소모량 산정방법을 이용하여 현재 진행되어 온 다양한 교통운영전략 효과평가의 문제점을 지적하고 보다 정확한 효과평가가 이루어져야 할 것이다.
향후 과제로서, 본 연구에서 제시한 연료소모량 관계식이 차량의 실제 연료소모량을 얼마나 정확하게 반영하는지 검증하기 위하여 다양한 기하구조와 교통류상황에서 현장실험과 시뮬레이션을 통한 신뢰성 검증이 필요할 것이다. 또한 승용차뿐만 아니라 다양한 차종에 대해서도 연구가 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량의 연료소모량 산정 방법은 어떤 한계를 지니고 있는가?	다시 말하면, 현재 적용할 수 있는 연료소모량 산정 방법은 차량들의 평균주행속도를 계산하고 이것을 연료소모량 관계식에 대입하는 방법뿐이다. 하지만 이러한 방법은 다양한 운영전략과 교통상황에 따라 변화하게 되는 차량의 미시적 주행패턴(예를 들어, 속도편차, 가속도 등)의 변화를 고려하지 못하기 때문에 차량의 연료소모량을 정확하게 측정하지 못하고 있다. 특히, Cohen, S. L.(1977)의 연구에서도 언급하였듯이 차량의 연료소모량은 속도뿐만 아니라 가속도에도 밀접한 관련이 있음에도 불구하고, 기존의 방법은 이러한 가속도를 반영하지 못하고 있는 것이다.
	가속도도 고려한 연료소모량 관계식을 산정한 이유는 무엇인가?	본 연구는 다양한 교통운영전략에 따른 차량의 연료소모량 변화를 보다 정확하게 측정하기 위하여 속도뿐만 아니라 가속도도 고려한 연료소모량 관계식을 산정하였다. 왜냐하면, 차량 연료소모량은 속도뿐만 아니라 가속도와도 밀접한 관련이 있음에도 불구하고, 기존 연료소모량 관계식은 이러한 가속도를 반영하지 못하기 때문이다. 즉, 본 연구는 연료소모량 관계식에서 가속도를 고려했다는 점에 그 의미가 있다고 할 수 있다.
	정확한 연료소모량 산정방법이 요구되는 이유는 무엇인가?	또한 기존 도로 및 관련 ITS 사업의 투자효과 및 도로의 혼잡영향을 분석하는데 있어, 차량의 운행비용을 평균적인 주행속도를 이용하여 산정하는 방법이 차량운행비용을 정확하게 추정하고 있지 못하다는 문제점이 제기되면서[14], 이러한 문제점을 해결하기 위한 차량의 주행(속도)패턴에 따른 정확한 연료소모량 산정방법이 요구되고 있다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
교통개발연구원(1998) "월간[교통]", 12월호.
국토연구원(1999), "도로사업 투자분석기법 정립".
에너지관리공단, "배기량 및 공차 중량에 따른 연비".
이영인？조혜진？박준환(2004), "개발차량의 주행 행태에 따른 자동차 배출가스 추정방법론 정립", 서울시정개발연구원, 서울도시연구 제5권 제4호.
조한선(2007), "교통혼잡비용 추정방법 개선", 한국교통연구원.
통계청, "2009년도 국내/외 차량 판매 실적".
한국개발연구원(2004), "도로.철도 부문사업의 예비타당성조사 표준지침 수정.보완 연구(제4판)".
한국교통연구원(2008), "2007년 전국 교통혼잡비용 추정과 추이 분석".
한국철도시설공단, 한국교통연구원(2010), "철도 투자평가편람 전면개정 연구".

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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