융설액 분사 시스템은 강설이 예상되거나 진행 중인 상황에서 즉시 대응이 가능하며, 강설 초기에 효율적인 처리로 강설로 인해 발생 가능한 교통사고와 교통 지정체를 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 시스템의 설치비용이 고가이고, 설치되는 장비의 종류에 따라 운영 및 유지관리 비용이 지속적으로 소요되기 때문에 모든 도로 구간에 설치하는 것은 현실적으로 불가능하다. 최근 국내에서는 결빙 위험 구간을 파악할 수 있는 프로그램들이 개발되어 턴키 및 대안 설계에 활용되고 있다. 그러나 프로그램 개발 업체들마다 분석 방식이 상이하고 객관적인 기준이 없는 실정이다. 이에 따라 융설시스템 적용구간에 대한 기준 마련도 시급하다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 선형, 기상조건, 일조조건 등을 다양한 도로 조건을 정량화하여 어떤 구간에 우선적으로 융설시스템을 적용하여야 하는지 판단할 수 있는 기준을 제시한다. 이를 위해 국내 지역별 기상 조사, 지형지물에 의해 음지 발생 여부 분석, 선형과 미끄럼 저항성을 고려한 차량 시뮬레이션 등을 수행하고 이론적 검토를 통해 설치 기준 방법론을 정립하는데 중점을 둔다.
융설액 분사 시스템은 강설이 예상되거나 진행 중인 상황에서 즉시 대응이 가능하며, 강설 초기에 효율적인 처리로 강설로 인해 발생 가능한 교통사고와 교통 지정체를 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 시스템의 설치비용이 고가이고, 설치되는 장비의 종류에 따라 운영 및 유지관리 비용이 지속적으로 소요되기 때문에 모든 도로 구간에 설치하는 것은 현실적으로 불가능하다. 최근 국내에서는 결빙 위험 구간을 파악할 수 있는 프로그램들이 개발되어 턴키 및 대안 설계에 활용되고 있다. 그러나 프로그램 개발 업체들마다 분석 방식이 상이하고 객관적인 기준이 없는 실정이다. 이에 따라 융설시스템 적용구간에 대한 기준 마련도 시급하다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 선형, 기상조건, 일조조건 등을 다양한 도로 조건을 정량화하여 어떤 구간에 우선적으로 융설시스템을 적용하여야 하는지 판단할 수 있는 기준을 제시한다. 이를 위해 국내 지역별 기상 조사, 지형지물에 의해 음지 발생 여부 분석, 선형과 미끄럼 저항성을 고려한 차량 시뮬레이션 등을 수행하고 이론적 검토를 통해 설치 기준 방법론을 정립하는데 중점을 둔다.
Anti-icing system can immediately respond when snowing is expected or the snow comes down on the road surface. It has been recognized that the system can reduce traffic accidents and congestion by quickly removing the frozen road surface area. However, it is very difficult to implement this system d...
Anti-icing system can immediately respond when snowing is expected or the snow comes down on the road surface. It has been recognized that the system can reduce traffic accidents and congestion by quickly removing the frozen road surface area. However, it is very difficult to implement this system due to the expensive equipment installation and operation cost, Recently, there was a developed program for predicting the freezing area using three-dimensional model and tracking the sun path. But, there is no objective analysis method and all developed approaches are different so that the general standard of anti-icing system is needed. In this study, we proposed the decision criteria for determining application priorities of the anti-icing system based on weather and road conditions, i.e., geometric and topographic conditions. Regional climate survey, topographical analysis, and dynamic vehicle simulation considered road geometry and skid resistance was conducted to standardize the installation method of anti-icing system.
Anti-icing system can immediately respond when snowing is expected or the snow comes down on the road surface. It has been recognized that the system can reduce traffic accidents and congestion by quickly removing the frozen road surface area. However, it is very difficult to implement this system due to the expensive equipment installation and operation cost, Recently, there was a developed program for predicting the freezing area using three-dimensional model and tracking the sun path. But, there is no objective analysis method and all developed approaches are different so that the general standard of anti-icing system is needed. In this study, we proposed the decision criteria for determining application priorities of the anti-icing system based on weather and road conditions, i.e., geometric and topographic conditions. Regional climate survey, topographical analysis, and dynamic vehicle simulation considered road geometry and skid resistance was conducted to standardize the installation method of anti-icing system.
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문제 정의
그러나 프로그램 개발 업체들 마다 분석 방식이 상이하고 정량화된 기준은 없는 실정이다. 본 연구에서는 선형, 기상조건, 일조조건 등을 정량화하여 융설시스템 적용구간을 판단할 수 있는 기준을 제시한다. 국내/외 현황 및 이론적 검토를 통해 설치 기준을 정립하는데 중점을 둔다.
가설 설정
주행 조건은 궤적 민감도를 고려하여 운전자가 주변 상황에 대처하여 자율적으로 인식, 판단, 제어를 할 수 있도록 설정하여 선회 및 제동이 가능하도록 구현하였다. 직선 구간의 노면상태는 마찰계수 0.5의 젖은 도로에서 차량속도를 100, 120, 140km/h 세 가지 Case로 가정하였다. 상기의 조건으로 각 구간 별 차량동적거동 시뮬레이션 결과를 살펴보면 다음과 같다.
제안 방법
경사도가 높은 구간에서는 강설시 도로의 효율을 저하시키는 상황이 자주 유발될 수 있다. 따라서 주행 중 감속 상황 시 발생하는 가속도와 결빙 시 한계 가속도를 비교하여 안전성을 검토하였다. 표 4는 도로경사별 한계 가속도를 나타내고 있는데 빙판 및 적설 구간의 경우 일반적인 감속 패턴(1.
전국 적설일수와 결빙일수 분포에 따라 다음과 같이 가중치를 적용한다. 서귀포 부산지역은 0~1 정도이며, 최악의 조건인 대관령이나 인제 지역은 6점에 해당하도록 6단계로 구분하였다. 가중치는 전문가 평가에 의해 임의적으로 적용하였다.
자동차의 노면상태에 따른 주행역학과 제동특성을 분석하기 위해 동적 차량 시뮬레이션을 통하여 도로를 주행하는 자동차에 부여되는 물리적인 특성을 파악하고 이를 토대로 도로와 자동차의 상호 작용에 따른 주행 역학적 안전성을 평가하였다. 자동차 동역학 해석용 자동차 프로그램은 CarSim을 이용하였다.
CarSim은 차량의 설계, 개발 및 테스트를 위한 소프트웨어로 차량의 형상에서부터 동력전달장치, 현가장치, 타이어 및 VDC(Vehicle Dynamic Control) 같은 안전장비 등의 설정이 가능하고, 운전자의 특성에 따른 조향장치 조절, 구동장치 가/감속 설정 등 직접적으로 차량 거동에 대한 시뮬레이션이 가능하다. 또한, 다양한 노면 조건에서 운전자의 제동, 가속, 조향 입력에 대한 동적 응답을 해석하기 위하여 개발된 27자유도를 가지고, 차량을 21개의 multi-body로 구분하였으며, 83개의 미분방정식으로 구성되어 있다. 모델링에 활용되는 자동차는 전·후진 및 회전이 가능하다.
CarSim에서 기본적으로 제공하는 일반적인 운전자 주행 옵션(Free-Flow)으로 설정하고 주행 차종은 CarSim 내 모델 중 국내 중형 세단과 유사한 차종인 E-class으로 설정하였다. 전륜구동방식으로 맥퍼슨 전륜현가장치와 Quadr a Link 후륜현가장치를 모델로 적용하고 보다 열악한 조건을 구현하기 위해 ABS 옵션은 미적용으로 설정하였다. 주행 조건은 궤적 민감도를 고려하여 운전자가 주변 상황에 대처하여 자율적으로 인식, 판단, 제어를 할 수 있도록 설정하여 선회 및 제동이 가능하도록 구현하였다.
전륜구동방식으로 맥퍼슨 전륜현가장치와 Quadr a Link 후륜현가장치를 모델로 적용하고 보다 열악한 조건을 구현하기 위해 ABS 옵션은 미적용으로 설정하였다. 주행 조건은 궤적 민감도를 고려하여 운전자가 주변 상황에 대처하여 자율적으로 인식, 판단, 제어를 할 수 있도록 설정하여 선회 및 제동이 가능하도록 구현하였다. 직선 구간의 노면상태는 마찰계수 0.
오른쪽 그림과 같이 제동 능력을 상실하고 2차선 도로를 크게 벗어남을 볼 수 있다. 본 연구에서는 이와 같은 결과를 반영하여 기하구조 설치 가중치를 선정하였다.
기본적으로 각 도로 환경 조건에 따라 가중치를 산출하고 이를 바탕으로 유설시스템 설치 여부를 결정한다. 판별 과정은 기상 조건과 선형 조건에 의해 환경 점수를 산출하고 이를 일영 조건과 종합하여 해당 구간의 융설시스템 설치 여부를 판정하도록 하였다. 설치 구간이 많아 경제적인 여건상 우선순위를 결정하여야 할 경우에는 교통량 변수를 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
향후 각 도로 시설물(방풍벽, 중분대 등)을 모사하여 각 상황별 설치 길이 노늘 개수 등 보다 세부적인 기준을 정립할 예정이다. 본 연구에서 적용된 가중치는 최종적으로 전문가 평가에 의해 임의적으로 산정하였다. 따라서 일부 가중치 설정 범위 및 적용 값에 대한 공학적인 근거가 다소 미진할 수 있다.
대상 데이터
CarSim에는 3차원적인 운동역학을 통해 브레이크, 타이어, 엔진, 구동축, 운전자 모델 등을 위한 서브시스템과 제어모듈이 포함되어 있다. CarSim에서 기본적으로 제공하는 일반적인 운전자 주행 옵션(Free-Flow)으로 설정하고 주행 차종은 CarSim 내 모델 중 국내 중형 세단과 유사한 차종인 E-class으로 설정하였다. 전륜구동방식으로 맥퍼슨 전륜현가장치와 Quadr a Link 후륜현가장치를 모델로 적용하고 보다 열악한 조건을 구현하기 위해 ABS 옵션은 미적용으로 설정하였다.
이론/모형
자동차의 노면상태에 따른 주행역학과 제동특성을 분석하기 위해 동적 차량 시뮬레이션을 통하여 도로를 주행하는 자동차에 부여되는 물리적인 특성을 파악하고 이를 토대로 도로와 자동차의 상호 작용에 따른 주행 역학적 안전성을 평가하였다. 자동차 동역학 해석용 자동차 프로그램은 CarSim을 이용하였다. CarSim은 차량의 설계, 개발 및 테스트를 위한 소프트웨어로 차량의 형상에서부터 동력전달장치, 현가장치, 타이어 및 VDC(Vehicle Dynamic Control) 같은 안전장비 등의 설정이 가능하고, 운전자의 특성에 따른 조향장치 조절, 구동장치 가/감속 설정 등 직접적으로 차량 거동에 대한 시뮬레이션이 가능하다.
성능/효과
따라서 융설시스템 설치 여부를 판단할 경우 각 지역의 기후적 조건을 고려하여야 한다. 일사량의 경우 지역별로 일사 조건이 좋은 순으로 열거하면 중서부 남해안 지방과 태안반도 일대, 그리고 안동 및 영주 분지 일원의 일사 조건이 전국에서 가장 좋은 것으로 나타났으며 호남 및 김해평야 일대와 중부 서울 지방, 그리고 제주도 지방은 일사 조건이 상대적으로 좋지 않음을 알 수 있다. 서울 지방의 연평균 일사량이 특히 낮게 나타나는 것은 대기오염으로 인한 스모그 발생 등으로 일조율이 떨어졌기 때문인 것으로 분석된다.
본 연구에서는 그림 6과 같이 다양한 조건에서 분석된 일영 분석 사례를 바탕으로 지형지물에 따른 음영 유무를 확인한 결과 방향 구간으로 노선 남쪽 방향에 장애물이 있을 경우 음지 구간이 발생하는 것을 알 수 있었다. 겨울철에는 태양 최대 고도각이 30 정도(12시~13시)로 낮고 남동방향에서 남서방향으로 궤적을 그리고 있기 때문에 도로의 남쪽 방향에 장애물이 존재하는 경우 음영이 존재 할 가능성이 매우 높다.
특히, 남북방향 노선에서 북쪽 터널 갱구부의 경우 상시 음지 구간이 발생할 가능성이 매우 높다. 특히, 서북 방향인 시점부에서 발생되는 음지 시간이 남동 방향 종점부보다 길어 상대적으로 결빙 위험도가 높게 나타났다. 또한 절토구간의 높이에 따라 일조량이 낮은 구간이 발생될 수도 있으며, 음지가 발생하는 구간은 노선 방향, 지형지물과 인접 구조물의 크기 등 다양한 요소에 따라 결정된다.
직선구간에서 시속 100km의 속도의 차량은 안정적인 회피 및 제동을 보였으며, 속도를 20km 증가시켰을 경우 내리막 곡선 R=710 구간에서 차선변경 시 순간적인 차선이탈이 보이나 곧 안정적인 모습을 보였다. 140km/h 내리막 구간에서는 R=900에서는 다소 안정적인 모습을 보였으나, 종점에 이르러서는 언더스티어 현상으로 인해 차선이탈이 발생하였고 특히, 140km/h 내리막 구간에서는 R=710에서 순간 차량의 회전각도가 커지며 언더스티어(Under Steer) 현상이 발생하였고, 차선 복귀 시 노면으로 인해 브레이크 잠김 현상이 발생하며 바깥쪽으로 미끄러짐을 확인할 수 있었다.
직선구간에서 시속 100km의 속도의 차량은 안정적인 회피 및 제동을 보였으며, 속도를 20km 증가시켰을 경우 내리막 곡선 R=710 구간에서 차선변경 시 순간적인 차선이탈이 보이나 곧 안정적인 모습을 보였다. 140km/h 내리막 구간에서는 R=900에서는 다소 안정적인 모습을 보였으나, 종점에 이르러서는 언더스티어 현상으로 인해 차선이탈이 발생하였고 특히, 140km/h 내리막 구간에서는 R=710에서 순간 차량의 회전각도가 커지며 언더스티어(Under Steer) 현상이 발생하였고, 차선 복귀 시 노면으로 인해 브레이크 잠김 현상이 발생하며 바깥쪽으로 미끄러짐을 확인할 수 있었다. 오른쪽 그림과 같이 제동 능력을 상실하고 2차선 도로를 크게 벗어남을 볼 수 있다.
후속연구
다음 표는 지형 조건상 음지 구간이 발생될 가능성이 높은 지역으로 판단된다. 향후 각 도로 시설물(방풍벽, 중분대 등)을 모사하여 보다 세부적인 기준을 정립할 예정이다.
설치 구간이 많아 경제적인 여건상 우선순위를 결정하여야 할 경우에는 교통량 변수를 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 향후 각 도로 시설물(방풍벽, 중분대 등)을 모사하여 각 상황별 설치 길이 노늘 개수 등 보다 세부적인 기준을 정립할 예정이다. 본 연구에서 적용된 가중치는 최종적으로 전문가 평가에 의해 임의적으로 산정하였다.
다양한 도로 조건을 모델링하여 세분화된 시뮬레이션 분석이 필요하고, 지면온도 및 적설량 등 추가적인 기상 데이터를 확보하여야한다. 더불어 실제 사례에 근거하여 사고 발생 확률을 고려한 신뢰도 분석도 이루어져야 한다. 이를 통해 가중치 범위 및 적용 값을 재조정 한다면 동절기 도로 안전성을 높일 수 있는 보다 효과적인 기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
더불어 실제 사례에 근거하여 사고 발생 확률을 고려한 신뢰도 분석도 이루어져야 한다. 이를 통해 가중치 범위 및 적용 값을 재조정 한다면 동절기 도로 안전성을 높일 수 있는 보다 효과적인 기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 본 연구의 목적이 도로 결빙 위험도를 정량화하고 평가할 수 있는 기준을 제공하는 것이기 때문에 융설시스템뿐만 아니라 다양한 결빙 안전 시설설치 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이를 통해 가중치 범위 및 적용 값을 재조정 한다면 동절기 도로 안전성을 높일 수 있는 보다 효과적인 기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 본 연구의 목적이 도로 결빙 위험도를 정량화하고 평가할 수 있는 기준을 제공하는 것이기 때문에 융설시스템뿐만 아니라 다양한 결빙 안전 시설설치 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결빙 방지 융설액 분사 시스템의 장점은?
특히, 산악지형이 많은 우리나라 도로현실을 감안하면 겨울철 안전한 도로 구현을 위한 결빙 방지 융설액 분사 시스템을 국내 기술로 연구 개발하는 것이 시급한 실정이다. 결빙 방지 융설액 분사 시스템은 강설이 예상되거나 진행 중인 상황에서 즉시 대응이 가능하며, 강설 초기에 효율적인 처리로 강설로 인해 발생 가능한 교통사고와 교통 지정체를 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있으나 시스템의 설치비용이 고가이고, 설치되는 장비의 종류에 따라 운영 및 유지관리 비용이 소요되기 때문에 모든 구간에 설치하는 것은 현실적으로 불가능하다. 이에 따라 융설시스템 적용구간에 대한 기준 마련도 시급하다고 볼 수 있다.
노면의 마찰력 감소가 위험한 이유는?
노면의 결빙이 위험한 이유는 노면의 마찰력 감소 현상 때문이다. 마찰력의 감소는 제동거리를 증가시키고, 위급상황 발생 시 제동 불능 또는 미끄러짐으로 인한 운전자의 차량 통제능력 상실을 유발하므로 매우 위험하다.
노면의 결빙이 위험한 이유는
노면의 결빙이 위험한 이유는 노면의 마찰력 감소 현상 때문이다. 마찰력의 감소는 제동거리를 증가시키고, 위급상황 발생 시 제동 불능 또는 미끄러짐으로 인한 운전자의 차량 통제능력 상실을 유발하므로 매우 위험하다.
참고문헌 (10)
노관섭, 윤여환, 유수연, 이영미, 도로의 횡방향 마찰계수와 곡선반경에 관한 연구, 한국건설기술연구원, 1997. 12
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