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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 건설 중인 국내 최장터널의 설계단계에서 차량시뮬레이터 실험을 통한 터널 주행안전성 평가를 실시하였으며, 이를 통하여 기본 설계안에서 제시된 선형 평가 수행 및 개선 방안을 제시하였다. 기존의 선행 연구들을 살펴보면, 터널 주행안전성을 평가하는데 있어서 운전자 운전행동이나 차량 거동과 같은 주행안전성의 근접 요인에 대한 분석 결과를 제시하기보다는 주로 운전자의 각성 상태(각성-이완)나 감성 상태(쾌-불쾌)와 같은 원격 요인에 대한 접근을 시도하였다.
제안 방법
- 따라서, 본 연구에서는 차량시뮬레이터를 이용하여 10km 이상의 장대터널 기본설계안에 대한 운전자의 주행안정성을 평가한 후, 터널주행에 따른 문제점들을 파악하여 사고위험성이 높을 것으로 추정되는 위험구간을 제시하여 대안설계에 반영할 수 있도록 하였다.
- 본 차량시뮬레이터는 운전자가 실제 자동차를 운전할 때 느끼는 운동을 재현하는 운동시스템(전기구동식 6자유도 시스템), 주행환경 및 효과음을 재현하는 영상(전방 3채널, 후방 1채널, 전방 시야각 150×40°) 및 음향시스템(3차원 입체음향), 시스템 상황을 감시하는 모니터링 시스템 및 각 영상시스템 간의 정보 및 데이터 교환, 시간 일치화 등을 관리하는 통합 시스템 등으로 구성되어 있다.
- 연구결과로는 양양방면과 춘천방면 각각에 대하여 거리별로 주행 중 차량속도 및 편차, 가·감속페달 답력 및 편차, 조향휠 각 및 편차, 차량편측위치 편차 등의 분석결과를 제시하였으며, 이를 종합적으로 고려하여 위험구간으로 판단되는 세 구간을 각각 제안하였다.
- 연구자는 피험자에게 실험목적을 “터널내에서의 운전자 행동 및 심리상태에 관한 연구”라고 설명하였으며 차량시뮬레이터 실험에 대한 절차 및 전반적인 유의사항 등을 주지시킨 후 차량시뮬레이터에 탑승시켜 운전에 익숙해지도록 연습운전을 실시하였다.
- 연구자는 피험자에게 실험목적을 “터널내에서의 운전자 행동 및 심리상태에 관한 연구”라고 설명하였으며 차량시뮬레이터 실험에 대한 절차 및 전반적인 유의사항 등을 주지시킨 후 차량시뮬레이터에 탑승시켜 운전에 익숙해지도록 연습운전을 실시하였다. 연습운전 후에는 차량시뮬레이터 sickness를 최소화하기 위해서 약 5분간 휴식을 취하도록 한 후 본 실험을 실시하였으며 주행속도는 시속 100km를 유지하면서 주행하도록 지시하였다. 터널 방향에 따른 연습효과를 상쇄시키기 위하여 피험자의 절반은 춘천방면 주행실험을 먼저 실시하였고 나머지 절반은 양양방면을 먼저 실시하였다.
- 연습운전 후에는 차량시뮬레이터 sickness를 최소화하기 위해서 약 5분간 휴식을 취하도록 한 후 본 실험을 실시하였으며 주행속도는 시속 100km를 유지하면서 주행하도록 지시하였다. 터널 방향에 따른 연습효과를 상쇄시키기 위하여 피험자의 절반은 춘천방면 주행실험을 먼저 실시하였고 나머지 절반은 양양방면을 먼저 실시하였다.
- 피험자 19명의 양양-춘천 양방향에 대한 터널 입구부터 출구까지 거리별(500m 간격)로 구분하여 차량속도, 가·감속페달 및 조향휠 조작, 차량편측위치 등 주요 운전행동측정치의 평균 및 표준편차를 산출하여 분석하였다.
대상 데이터
- •터널 주행시나리오 : 고속국도 60호선 춘천~양양간(동홍천~양양간) 건설공사 제14공구 내 인제터널 구간의 기본설계안을 SCANeR 기반의 3차원 그래픽 데이터베이스로 제작하였다.
- 국내운전면허를 소지하고 실제 운전경력이 있는 총 19명의 남녀 운전자가 실험에 참가하였으며 이들 중 남성이 14명(73.68%), 여성이 5명(26.32%)이었다. 평균 연령은 28.
- 국외에서는 Martens, Tornros, Kaptein(2000)이 터널내 긴급차로 유무에 따른 운전행동 변화를 알아보기 위하여 피험자 10명을 대상으로 차량시뮬레이터 실험을 수행하였다. 연구결과, 일반도로에 비해 터널 주행시 더 왼편으로 치우쳐 운전을 하였으며 긴급차로가 없는 경우에는 긴급차로가 좁거나 있는 조건에 비하여 더욱 왼편으로 치우쳐서 운전하는 것으로 나타났다.
- 본 연구는 고속국도 60호선 춘천~양양간(동홍천~양양간) 건설공사 제14공구 내 인제터널 구간에 대한 기본설계안을 차량시뮬레이터 환경에 맞게 주행시나리오로 작성하여 2008년 1월 28일부터 2월 2일까지 차량시뮬레이터를 활용하여 수행하였다.
- 이상의 결과를 중심으로 첫 번째 위험구간으로 8,000~9,000m 구간을 선정하였다. 왜냐하면 이 구간을 전후하여 속도 및 속도 편차, 가속페달 답력 편차의 일시적 증감, 조향휠 각의 변화 폭 및 편차, 차량편측위치 편차가 크게 나타나 일시적으로 속도유지가 어려웠으며 운전부하가 증가된 것으로 판단되었기 때문이다.
- 이상의 결과를 중심으로 첫 번째 위험구간으로 터널 진입 후 2,000~3,000m 구간을 선정하였다. 왜냐하면 터널 내 1,500m 구간을 시작으로 평균 속도와 속도 편차가 점차 증가하여 3,000m 구간에서는 평균속도 107km/h, 표준편차 2.
- •터널 주행시나리오 : 고속국도 60호선 춘천~양양간(동홍천~양양간) 건설공사 제14공구 내 인제터널 구간의 기본설계안을 SCANeR 기반의 3차원 그래픽 데이터베이스로 제작하였다. 터널 시점은 양양방면은 14공구 시점부로부터 135m, 춘천방면은 14공구 종점부로부터 848m이었으며*, 터널 길이는 각각 10,961m, 10,962m로 제작되었다(그림 2 참조).
이론/모형
- •차량시뮬레이터 : 도로교통공단에서 2004년도에 개발하여 운영 중인 ROTA-DS를 사용하였다.
성능/효과
- 다만 일부 구간(3,500m 구간과 10,000m 구간)에서 일시적으로 증가하였다가 감소하는 분포를 나타냈다. 가속페달 답력 편차는 전반적으로 안정적이었으나 터널 진출 이후 가장 크게 나타났으며, 8,000m 구간과 10,000m 구간에서 상대적으로 크게 나타났다. 감속페달 답력 편차의 경우에는 터널 진출 이후 및 10,000m 구간에서 상대적으로 크게 나타났다.
- 88km/h로 가장 높았으나 터널 진입 이후로는 점차 안정적인 양상을 나타냈다. 가속페달 답력 편차와 감속페달 답력 편차는 터널 진출입 부분을 제외하고는 전반적으로 안정적으로 나타났다. 조향휠 각의 변화 폭 및 편차, 차량편측 위치 편차를 살펴보면, 터널 내부의 2,500m, 5,500m, 8,000m를 전후하여 일시적으로 증가하는 분포를 나타내고 있다.
- 거리별 속도분포를 보면, 평균 100~105km/h의 범위로 터널 진입 이후에 속도가 점차 감소하기 시작하였으며, 터널 내부인 5,500m와 9,000m 구간 전후에서 속도가 105km/h 까지 일시적으로 증가하였다가 감소하는 양상을 보였다. 특히 터널 출구 이전에는 평균 속도가 100km/h로 가장 낮게 나타나 터널 진출시 발생할 수 있는 여러 교통상황에 대한 대비태세를 갖추는 것으로 보인다.
- 거리별 속도분포를 보면, 평균 103~107km/h의 범위로 터널 진입 직전에 속도가 가장 낮았으며 터널 내부인 3,000m, 4,000m 그리고 10,000m 구간 전후에서 속도가 107km/h까지 일시적으로 증가하였다가 감소하는 양상을 보였다. 속도 편차는 터널 진입 직전에 3.
- 이는 10,000m 구간의 가·감속페달 답력 편차의 증가 및 이후 주행 속도의 저하를 통해서 확인할 수 있다. 두 번째 위험구간으로는 5,000~6,000m 구간으로 이 구간을 전후하여 속도의 일시적 증감이 나타났으며 조향휠 각의 변화 폭 및 편차, 차량편측위치 편차 역시 상대적으로 크게 나타났다. 세 번째 위험구간은 3,000~4,000m 구간으로 속도 편차 및 가속페달 답력 편차가 크게 나타났으며 3,500m 구간을 전후하여 조향휠 각의 변화 폭 및 편차, 차량 편측위치 편차도 상대적으로 크게 나타났다.
- 본 연구결과를 중심으로 구체적인 개선 방안을 제시하면, 선형 개선을 위하여 터널 내부의 S-커브 변곡점을 근본적으로 배제하고 곡선반경을 상향시키는 것이 운전자 주행안전성을 증가시키고 운전부하를 낮출 수 있을 것으로 판단된다. 특히 양양방면의 종점부(춘천방면의 경우 시점부에 해당) 곡선반경이 2,024m로 상대적으로 작기 때문에 곡선반경을 상향시키는 것이 운전자의 터널 진출입시 시거를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 주행안전성을 향상시키는데 도움이 될 것으로 보인다.
- 본 연구에서 수행한 차량시뮬레이터 실험 결과를 요약해보면, 양양 및 춘천 방면 모두 도로선형이 바뀌는 변곡점을 전후하여 주행안정성이 저하되고 운전부하가 높은 위험구간인 것으로 나타났다.
- 두 번째 위험구간으로는 5,000~6,000m 구간으로 이 구간을 전후하여 속도의 일시적 증감이 나타났으며 조향휠 각의 변화 폭 및 편차, 차량편측위치 편차 역시 상대적으로 크게 나타났다. 세 번째 위험구간은 3,000~4,000m 구간으로 속도 편차 및 가속페달 답력 편차가 크게 나타났으며 3,500m 구간을 전후하여 조향휠 각의 변화 폭 및 편차, 차량 편측위치 편차도 상대적으로 크게 나타났다.
- 그리고 김주영, 박지현, 이정윤(2005)은 터널구간에서의 운전자 반응과 차량 주행 특성에 관한 연구에서 10명의 피험자를 대상으로 오두재터널, 육십령터널, 함양터널 주행실험을 실시하였다. 연구 결과, 운전자들의 시각적 반응은 터널 입구부와 출구부 모두 증가하였으나, 주행속도의 경우에는 입구부에서는 증가하였지만 출구부에서는 오히려 감소하는 패턴을 보였다. 최근에는 박형진, 황경주, 신현주(2007)가 차량시뮬레이터와 생리 신호측정 장비를 활용하여 장대터널에서의 내벽디자인 종류와 LED 및 VMS 설치 유무에 따른 운전자 생리적 반응 특성을 연구하였다.
- 김주현, 김호영, 금기정, 김명수(2000)는 중부고속도로상의 터널 네 곳에서 피험자 3명을 대상으로 초점기록계를 이용하여 고속도로 터널구간 주행시 운전자 시각형태 변화를 살펴보았다. 연구 결과, 터널 미확인 구간을 기준으로 터널 확인 구간에서는 좌우측의 경우 65~68% 수준, 터널 내부에서는 33~39%까지 시각활동이 축소되는 것으로 나타났다. 그리고 김주영, 박지현, 이정윤(2005)은 터널구간에서의 운전자 반응과 차량 주행 특성에 관한 연구에서 10명의 피험자를 대상으로 오두재터널, 육십령터널, 함양터널 주행실험을 실시하였다.
- PIARC Technical Committee(2005) 보고서에 따르면, 16명의 피험자를 대상으로 3가지 주행환경(즉, 일반 도로, 기존의 Laerda 터널, 그리고 대안이 적용된 터널)에서 차량시뮬레이터 실험을 통하여 네 종류의 터널내부 디자인을 평가하였다. 연구결과, Rock Crystals 디자인이 가장 높은 점수를 받았으며 운전자들 중 63%는 Crystal arcs가 거리정보로서 좋고 단조로움을 줄여준다고 응답하였다. 한편, 적색과 황색은 터널에 화재가 난 듯한 착각을 불러일으키기 때문에 피해야 할 디자인으로 평가되었다(Manser & Hancock, 2007).
- 국외에서는 Martens, Tornros, Kaptein(2000)이 터널내 긴급차로 유무에 따른 운전행동 변화를 알아보기 위하여 피험자 10명을 대상으로 차량시뮬레이터 실험을 수행하였다. 연구결과, 일반도로에 비해 터널 주행시 더 왼편으로 치우쳐 운전을 하였으며 긴급차로가 없는 경우에는 긴급차로가 좁거나 있는 조건에 비하여 더욱 왼편으로 치우쳐서 운전하는 것으로 나타났다.
- 최근에는 박형진, 황경주, 신현주(2007)가 차량시뮬레이터와 생리 신호측정 장비를 활용하여 장대터널에서의 내벽디자인 종류와 LED 및 VMS 설치 유무에 따른 운전자 생리적 반응 특성을 연구하였다. 연구결과, 장대터널 설계시 내벽디자인은 청록조건이 다른 세 조건에 비해 안정적인 상태에서 주행하는 것으로 나타났으며, LED 램프 시선 유도시설과 VMS 시설 또한 운전자에게 안정감을 주는 것으로 나타났다.
- 국내에서는 신용균, 강수철, 이건호(1996)가 터널구간 내에서의 운전자 생리변화에 대한 실차 실험연구를 수행하였다. 연구결과, 터널 진입후 운전자의 중추신경계 및 자율신경계가 터널 진입전에 비해서 활성화 되었으며, 터널 내에서의 주행속도는 터널 진입 이후부터 감속 추세를 보이다가 중간 구간을 지나면서 완만한 속도의 상승을 보이고 후반부에서 점차 주행속도가 증가하는 추세를 나타내었다. 김주현, 김호영, 금기정, 김명수(2000)는 중부고속도로상의 터널 네 곳에서 피험자 3명을 대상으로 초점기록계를 이용하여 고속도로 터널구간 주행시 운전자 시각형태 변화를 살펴보았다.
- 연구결과, 현장실험에서는 주간과 야간 양방향 모두에서 터널 진입과 진출시에 가속페달 답력이 감소되었으나 차량시뮬레이터 실험에서는 양방향 모두 주간인 경우에만 터널 진출시 가속페달 답력의 감소가 발생하였다(Akamatsu, Imachou, Sasaki, Ushiro-Oka, Hamanaka, Sakauchi, & Onuk, 2003).
- 감속페달 답력 편차의 경우에는 터널 진출 이후 및 10,000m 구간에서 상대적으로 크게 나타났다. 조향휠 각 및 편차와 차량편측위치 편차를 살펴보면, 터널 내부의 3,000m, 5,500m, 8,500m를 전후하여 조향휠 각의 변화 폭 및 편차, 차량편측위치 편차가 일시적으로 크게 나타났다.
후속연구
- 따라서 터널 내부, 특히 터널 중앙부에서 주의집중력의 저하로 일정속도를 유지하지 못하거나 운전자가 일시적으로 차량 속도를 증가시키는 것을 방지할 수 있도록 대책을 강구하는 것이 중요하다. 가령, 터널 선형에 변화를 주어 긴장유발 또는 각성수준을 유지시키거나 터널 내벽 디자인 및 조명 변화, 터널 천장이나 폭의 일시적 확장, 안전시설물 설치 등을 종합적으로 검토하여 대책을 마련한다면 운전자의 주의집중력을 지속적으로 유지시키시고 졸음운전을 예방할 수 있을 것이다.
- 특히 양양방면의 종점부(춘천방면의 경우 시점부에 해당) 곡선반경이 2,024m로 상대적으로 작기 때문에 곡선반경을 상향시키는 것이 운전자의 터널 진출입시 시거를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 주행안전성을 향상시키는데 도움이 될 것으로 보인다. 또한 장대터널 내부에서 발생되는 주의집중력 저하나 생리적 이완상태를 개선하기 위하여 터널 내부에 경관디자인 타일 또는 경관조명 도입, 운전자 시거 확보를 위한 터널 진출입부 확폭, 차선 유지 또는 차로 이탈 방지를 위한 종방향 그루빙이나 돌출형 차선도색, 그리고 Rumble Strips 등이 종합적으로 검토되어 개선안에 반영될 필요가 있다.
- 추후에는 운전자의 긴장수준을 낮추고 주의집중력을 유지시킬 수 있는 효과적 방안들을 도출하기 위하여 “차량시뮬레이터 피험자 표준화 방안(신용균, 류준범, 2007)”에서 제안하였듯이 다양한 연령대의 국내 운전자들을 연령 분포에 맞게 표집하여 실험 연구를 수행할 필요가 있다. 또한 주행시나리오 구성시 터널 진출입 또는 내부에서 발생할 수 있는 다양하면서 개연성 있는 시나리오들을 제작하여 추가적인 연구수행을 하여야 하며 운전행동측정치 이외에 인체 생리신호 특성을 함께 고려한 연구결과 도출이 필요할 것으로 보인다.
- 한편, 본 연구에서는 피험자 선정, 주행시나리오 구성 및 인체생리측정치와의 연계성 등 몇 가지 연구방법론적인 제한점들을 포함하고 있다. 첫째, 차량시뮬레이터 sickness를 최소화하기 위하여 20~30대 연령의 실험참여자를 선정하였기 때문에 연구결과를 모든 연령층의 운전자로 일반화하여 적용하는 데에는 제한점을 지닌다. 둘째, 주행시나리오 구성상 일광이나 계절을 충분하게 고려하지 못하였다.
- 추후에는 운전자의 긴장수준을 낮추고 주의집중력을 유지시킬 수 있는 효과적 방안들을 도출하기 위하여 “차량시뮬레이터 피험자 표준화 방안(신용균, 류준범, 2007)”에서 제안하였듯이 다양한 연령대의 국내 운전자들을 연령 분포에 맞게 표집하여 실험 연구를 수행할 필요가 있다.
- 양양방면의 경우에는, 8,000~9,000m, 5,000~6,000m, 3,000~4,000m, 그리고 춘천방면의 경우에는 2,000~3,000m, 7,500~8,500m, 5,000~6,000m 구간에서 주행 안정성이 저하되고 운전부하가 높게 나타났다. 특히 양양방면의 8,000~10,000m로 이어지는 구간은 주행안정성 저하, 속도유지 곤란 등으로 본 공사구간 중 가장 위험한 구간으로 판단되었으며, 이를 충분히 고려하여 대안설계시 선형 개선및 터널 내 구조물이나 안전시설물의 보완이 필요할 것으로 보인다.
- 본 연구결과를 중심으로 구체적인 개선 방안을 제시하면, 선형 개선을 위하여 터널 내부의 S-커브 변곡점을 근본적으로 배제하고 곡선반경을 상향시키는 것이 운전자 주행안전성을 증가시키고 운전부하를 낮출 수 있을 것으로 판단된다. 특히 양양방면의 종점부(춘천방면의 경우 시점부에 해당) 곡선반경이 2,024m로 상대적으로 작기 때문에 곡선반경을 상향시키는 것이 운전자의 터널 진출입시 시거를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 주행안전성을 향상시키는데 도움이 될 것으로 보인다. 또한 장대터널 내부에서 발생되는 주의집중력 저하나 생리적 이완상태를 개선하기 위하여 터널 내부에 경관디자인 타일 또는 경관조명 도입, 운전자 시거 확보를 위한 터널 진출입부 확폭, 차선 유지 또는 차로 이탈 방지를 위한 종방향 그루빙이나 돌출형 차선도색, 그리고 Rumble Strips 등이 종합적으로 검토되어 개선안에 반영될 필요가 있다.
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