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문제 정의
- 기존 센서들이 신호교차로에 뚜렷한 적용성을 나타내고 있지 않은 현실에 비추어, 본 논문은 고속도로 교통류에 대해서는 이미 실용화되어있는 FMCW 방식의 레이더검지기술을 신호교차로의 제어환경에 적용할 수 있는지를 검증하고, 향후 신호교차로용 레이더기술이 개발되기 위해 극복되어야 할 방향을 제시하여 궁극적으로 비매설 검지체계 구축에 도움이 되고자 한다.
- 본 연구에서는 상용화된 FMCW 레이더 센서 모듈을 사용해 차량검지기를 재구성하기로 하고, 적용 가능한 상용모듈을 조사하였다. 국내에는 상용 센서 모듈이 없었고, 독일과 미국 상용제품 중 미국 제품인 PD300(HUSTON Radar[社])이 수급에 유리하여 이 모듈을 이용한 차량검지기를 구성하였다.
- 본 연구에서는 현재까지 개발된 차량검지기의 기술현황 및 연구사례를 검토하고, 기존 연구사례에서 검증된 적이 없는 FMCW 레이더 센서를 이용하여 국내 신호교차로에 적용이 가능하도록 검지시스템을 구성하였다. 성능평가는 신호제어용 검지용도별로 평가하여 적용 가능 유/무를 확인하였다.
- 본 연구에서는 현재까지 개발된 차량검지기의 특성을 분석하여, 신호교차로용 대체검지기 검지대안으로 FMCW 방식의 레이더검지기를 선정하였다. 선정된 대체검지기는 국내신호제어기에 적용이 가능하도록 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하였다.
제안 방법
- FMCW 레이더센서를 이용해 국내 표준 교통신호제어기의 검지기 처리시스템과 호환성을 발휘하는 검지기 인터페이스 장치를 개발하여 FMCW 레이더 기반 차량검지기를 구성하였다. 통신은 <그림 5>에서 보는 바와 같이 장거리 데이터 전송이 가능하도록 레이더 검지센서 PD300에 RS422/485 컨버터를 통과하도록 하고, 반대편에는 인터페이스 보드 내부에 회로로서 RS485 신호를 직접 수신할 수 있도록 개발하였다.
- 컨버터에서 연결된 전선은 교통신호제어기 뒷면에 있는 FRAME GROUND에 연결된다. 교통신호제어기 검지부에 맞는 레이더 검지보드를 개발하여 검지정보를 수집하도록 하였다. 교통신호제어기에서는 기존 루프검지기와 동일한 정보수집방법으로 처리하게 되므로 별도의 신호제어기 소프트웨어 개선이 필요 없도록 구성하였다.
- PD300 레이더 센서는 낮은 전력을 사용하고, 최대 37m까지 검지가 가능하며, 동시에 6개의 표적을 검지할 수 있다. 또한 고속도로, 교차로 모드를 제공하며 차선별로 검지한다. 마지막으로 높은 범위의 해상도를 보인다.
- 루프검지기는 사전에 자료의 값이 정확하게 수집되는지를 영상자료와 비교분석하여 검증하였다. 레이더 검지기는 검지 모드를 교차로 모드로 설정하고, 검지영역 및 반송파 수신감도를 사전에 여러 번 테스트를 걸쳐 현장에 맞게 조정하여 정확도를 최대한으로 높였다. 성능평가 항목은 교통량, 속도, 포화도, 점유시간, 비점유시간을 각각 분석하였다.
- 본 연구에서는 루프검지기를 기준검지기로 하고 대상검지기인 FMCW 방식의 레이더를 대상검지기로 하여 성능평가를 진행하였다. 루프검지기는 사전에 자료의 값이 정확하게 수집되는지를 영상자료와 비교분석하여 검증하였다. 레이더 검지기는 검지 모드를 교차로 모드로 설정하고, 검지영역 및 반송파 수신감도를 사전에 여러 번 테스트를 걸쳐 현장에 맞게 조정하여 정확도를 최대한으로 높였다.
- 본 연구에서는 루프검지기를 기준검지기로 하고 대상검지기인 FMCW 방식의 레이더를 대상검지기로 하여 성능평가를 진행하였다. 루프검지기는 사전에 자료의 값이 정확하게 수집되는지를 영상자료와 비교분석하여 검증하였다.
- 본 연구에서는 분석 자료의 특성을 고려하여 성능평가 지표를 선정하였다. 성능지표는 등가계수, ±오차율(%), 상관계수, 평균절대오차백분율(%) 중에 상관계수와 ±오차율(%)를 제외한 나머지 변수를 성능평가 지표로 선정하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 현재까지 개발된 차량검지기의 특성을 분석하여, 신호교차로용 대체검지기 검지대안으로 FMCW 방식의 레이더검지기를 선정하였다. 선정된 대체검지기는 국내신호제어기에 적용이 가능하도록 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하였다. FMCW 레이더검지기가 실제 현장에 적용하였을 때 나타나는 오차의 원인을 파악하고, 해결대안을 적용 시켜 현장적용 가능성을 높였다.
- 성능지표는 등가계수, ±오차율(%), 상관계수, 평균절대오차백분율(%) 중에 상관계수와 ±오차율(%)를 제외한 나머지 변수를 성능평가 지표로 선정하여 분석하였다.
- 평가대상 검지기는 영상(Miovision), 적외선(TIRTL), 도플러 레이더(Wavetronix Smartseor HD), 자기(GTT Canoga Microloops), 레이저 검지기(PEEK AxleLight)이며, 평가방법은 <그림 2>에서 보는 바와 같이 일정 구간에 기준검지기인 루프검지기와 평가 대상검지기를 설치하고, 차로별로 성능평가를 진행하였다. 성능평가 지표는 상관계수 및 절대값 %오차를 사용하여 교통량, 속도 등에 대해서 분석하였다.
- 레이더 검지기는 검지 모드를 교차로 모드로 설정하고, 검지영역 및 반송파 수신감도를 사전에 여러 번 테스트를 걸쳐 현장에 맞게 조정하여 정확도를 최대한으로 높였다. 성능평가 항목은 교통량, 속도, 포화도, 점유시간, 비점유시간을 각각 분석하였다. 성능평가 지표는 국내외적으로 ±오차율(%), 등가계수, 상관계수, 평균절대오차백분율(%)을 많이 사용되고 있다.
- FMCW 레이더검지기가 실제 현장에 적용하였을 때 나타나는 오차의 원인을 파악하고, 해결대안을 적용 시켜 현장적용 가능성을 높였다. 성능평가는 교통량, 속도, 포화도, 점유시간, 비점유시간을 각각 분석하여 결과를 제시하였다. 성능테스트 수행결과, 교통량과 속도는 ITS 성능평가 기준으로 볼 때 최상급(≧95%) 정도의 정확도를 보였으며, 다른 데이터의 경우는 중급(≧80%)의 정확도를 나타냈다.
- 본 연구에서는 현재까지 개발된 차량검지기의 기술현황 및 연구사례를 검토하고, 기존 연구사례에서 검증된 적이 없는 FMCW 레이더 센서를 이용하여 국내 신호교차로에 적용이 가능하도록 검지시스템을 구성하였다. 성능평가는 신호제어용 검지용도별로 평가하여 적용 가능 유/무를 확인하였다.
- 두 번째는 대형차량이 통과할 경우에 검지궤적이 앞뒤 차량과 하나의 반사점으로 인식되어 두세 대가 한 대의 차량으로 인식되는 현상이다. 이 문제를 해결하기 위해 검지영역을 직접 측정하여 검지 영역 및 방향을 조정하였다. 그 결과, 오류를 해소할 수 있었다.
- 이러한 검지기를 통하여 수집되는 정보를 분석 및 비교하기 위하여 에서 보는 바와 같이 검지기 자료수집용 장치와 이를 실시간으로 기록할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다.
- 나머지 지표는 자료의 대한 동일한 성능패턴을 보이고, 정확도를 쉽게 파악할 수 있어 성능평가 지표로 선정하였다. 자료 산출은 교통량, 점유시간, 비점유시간의 경우, 검지자료 수집 장치에서 직접 관측된 자료를 사용하였다. 속도와 포화도는 직접 관측된 자료를 가지고 교통신호제어기 표준규격서(2013)에서 제시한 산정식으로 값을 산출하였다[14].
- 첫 번째 오류를 개선하기 위한 방안으로 트레이스(Trace) 모드를 도입하였다. 이 모드는 최초 검지 영역에 출현한 차량의 궤적을 추적하여 차량 위치가 인접차로로 벗어나도 궤적이 연결되는 한 이전 주행차로에 계속 위치하는 것으로 가정하고 검지하는 방법이다.
- 현장 운영 시험은 현재 신호교차로에 사용되는 완벽하게 튜닝 된 루프검지기와 개발된 FMCW 레이더 검지기를 동일 검지점에 설치하고, 두 검지기 간 교통 정보값을 비교분석하여 최대한의 정확도를 발휘하도록 레이더검지기를 설정하였다. 측정 시 오차가 발생할 경우를 대비하여 동일 시간대에 촬영한 영상장비를 통해 원인을 분석하였다. 각 지점별 검지기 설치지점 및 영상촬영범위는 <그림 8>에서 보는 바와 같다.
- 통신은 에서 보는 바와 같이 장거리 데이터 전송이 가능하도록 레이더 검지센서 PD300에 RS422/485 컨버터를 통과하도록 하고, 반대편에는 인터페이스 보드 내부에 회로로서 RS485 신호를 직접 수신할 수 있도록 개발하였다.
- 텍사스 주 교통부에서(2002)에서는 루프를 대체할 목적으로 영상(AutoScope Solo Pro, Iteris Vantage), 도플러 레이더(RTMS EIS), 초음파(SAS-1 by Smartek), 자기검지기(3M Microloops)에 대해서 성능평가를 수행하였다. 평가는 1일 동안의 수집 자료를 분석하였으며, 자료 수집주기는 15분이었고, 평가지표는 퍼센트 오차를 분석하였다[11].
- 평가대상 검지기는 영상(Miovision), 적외선(TIRTL), 도플러 레이더(Wavetronix Smartseor HD), 자기(GTT Canoga Microloops), 레이저 검지기(PEEK AxleLight)이며, 평가방법은 에서 보는 바와 같이 일정 구간에 기준검지기인 루프검지기와 평가 대상검지기를 설치하고, 차로별로 성능평가를 진행하였다.
- 사전 현장테스트는 대체검지기를 실제 현장에 적용하였을 경우에 수집되는 값들이 정확하게 관측되는지를 평가하고, 발생하는 오차에 대한 해결방안을 찾기 위한 것이다. 현장 운영 시험은 현재 신호교차로에 사용되는 완벽하게 튜닝 된 루프검지기와 개발된 FMCW 레이더 검지기를 동일 검지점에 설치하고, 두 검지기 간 교통 정보값을 비교분석하여 최대한의 정확도를 발휘하도록 레이더검지기를 설정하였다. 측정 시 오차가 발생할 경우를 대비하여 동일 시간대에 촬영한 영상장비를 통해 원인을 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 상용화된 FMCW 레이더 센서 모듈을 사용해 차량검지기를 재구성하기로 하고, 적용 가능한 상용모듈을 조사하였다. 국내에는 상용 센서 모듈이 없었고, 독일과 미국 상용제품 중 미국 제품인 PD300(HUSTON Radar[社])이 수급에 유리하여 이 모듈을 이용한 차량검지기를 구성하였다. 이 모듈은 FMCW 방식에 측면검지방식으로 사용되도록 설계되어 있다.
데이터처리
- 박대현(2000)는 성능평가지표의 타당성에 대한 연구를 수행하였다. 평가지표는 등가계수, %차이, 상관계수, RMSE(Root Mean Square Error)와 T-test으로 분석하였다. 연구결과, 등가계수와 %차이가 가장 타당한 평가지표로 제시하였다[9].
이론/모형
- FMCW 검지 영역설정은 HOUSTON Radar(社)에서 제공하는 응용프로그램을 사용하였다. 이 응용 프로그램은 <그림 6>에서 보는 바와 같이 도로모드, 반송파수신감도, 검지시간 등으로 구성되어져 있다.
- 자료 산출은 교통량, 점유시간, 비점유시간의 경우, 검지자료 수집 장치에서 직접 관측된 자료를 사용하였다. 속도와 포화도는 직접 관측된 자료를 가지고 교통신호제어기 표준규격서(2013)에서 제시한 산정식으로 값을 산출하였다[14]. 포화도와 속도는 원시자료에 수집된 값을 산출식을 통하여 한번 가공한 자료로써 분석 시 어느 정도의 오차가 발생 할 수 있다.
성능/효과
- 선정된 대체검지기는 국내신호제어기에 적용이 가능하도록 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하였다. FMCW 레이더검지기가 실제 현장에 적용하였을 때 나타나는 오차의 원인을 파악하고, 해결대안을 적용 시켜 현장적용 가능성을 높였다. 성능평가는 교통량, 속도, 포화도, 점유시간, 비점유시간을 각각 분석하여 결과를 제시하였다.
- FMCW 방식의 레이더 검지기는 선형의 연속파(Continuous Wave) 신호의 주파수를 변조하여 방사한 후 반사된 신호를 수신하여, 전파의 시간지연에 따른 송신신호와 수신신호의 주파수 차이를 이용해 표적과의 거리를 측정하고, 수신되는 전력을 비교하여 표적의 유무를 검지하는 방식이다. 기존 파원의 진도수의 변화만을 이용하여, 검지하는 도플러 방식을 개선한 것이며 속도 및 거리측정이 가능하고, 비매설형 검지기 중에 가장 높은 정확도를 보유한다.
- 이 경우 많은 개선이 있을 수 있지만, 기존 지주를 이용하려면 정지선 통과지점에서 완전한 직각을 이루는 기존 지주를 찾아내기가 쉽지 않고, 추가적으로 지주를 설치할 경우 비용이 증가하는 요인이 될 수 있다. 본 연구에서 개발한 트레이스 검지 모드와 직각으로 주사각도를 설정하였을 때를 비교 측정한 결과, 트레이스 모드에서도 검지오류 문제가 상당히 해소되었다.
- 비점유시간은 점유시간에 비해 루프검지기와 동일한 패턴을 유지하는 것을 확인하였다.
- 성능평가는 교통량, 속도, 포화도, 점유시간, 비점유시간을 각각 분석하여 결과를 제시하였다. 성능테스트 수행결과, 교통량과 속도는 ITS 성능평가 기준으로 볼 때 최상급(≧95%) 정도의 정확도를 보였으며, 다른 데이터의 경우는 중급(≧80%)의 정확도를 나타냈다. 속도를 주요변수로 하는 대기행렬검지기와 앞막힘 검지기에 대체검지기를 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 성능평가 수행결과는 에서 보는 바와 같이 교통량은 레이더가 서비스 수준에 상관없이 2.0%로 가장 차이가 적었으며, 레이저가 5.4%로 가장 차이가 크게 나타났다.
- 성능평가지표를 통해 FMCW 레이더 정확도를 분석한 결과, 에서 보는 바와 같이 ITS 성능평가 기준으로 교통량과 속도의 정확도는 평균 96.6%로 최상급(≧95%) 정도를 보이며, 점유시간, 비점유시간의 경우에는 평균 88.1%로 중급(≧80%)의 정확도를 보였다.
- Jeng(2014)은 사이드(Side-Looking) 방식의 FMCW 레이더 검지기가 연속류 다차로 구간에 있는 차량들의 속도측정이 가능한지를 파악하였다. 연구결과, FMCW 방식은 동시에 여러 차량을 검출할 수 있고, 모든 차선의 모니터링이 가능한 것으로 확인되었다. 추가적으로 설치 각도에 따라 신호 속도 및 해상도의 차이가 나기 때문에 DSP (Digital Signal Processor)가 필요하다고 언급하고 있다[13].
- 비매설형검지기 중에는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식의 레이더 검지기가 있다. 이 검지기는 기존 검지방식을 개선하여 측정의 정확도를 높였다. 현재 연속류 구간에서는 성능이 검증되었으나, 국내외적으로 신호교차로에 적용된 사례 및 성능검증의 대한 자료는 전무하다[1-4].
- 응용프로그램은 레이더 검지영역 설정 및 이력자료를 수집하거나 화면에 보여준다. 이 응용프로그램을 이용하여 검지영역을 조정하면 검지의 정확도 및 환경적인 영향을 최소화 시킬 수 있다.
- 본 연구결과를 토대로 검지기 용도별 대체검지기의 적용가능성을 분석한 결과, 속도를 주요변수로 하는 대기행렬 검지기와 앞막힘 검지기에는 대체가 가능할 것으로 판단되며, 점유시간과 비점유 시간을 주요변수로 하는 정지선검지기, 감응제어 검지기에서는 실제 현장에 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 사료된다. 추가적으로 FMCW 레이더 검지기는 차량의 주행궤적 및 구간사이의 머문 차량의 상태를 최대 37m까지 파악할 수 있어 대기행렬검지에 있어서는 루프검지기 보다 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구결과를 토대로 검지기 용도별 대체검지기의 적용가능성을 분석한 결과, 속도를 주요변수로 하는 대기행렬 검지기와 앞막힘 검지기에는 대체가 가능할 것으로 판단되며, 점유시간과 비점유 시간을 주요변수로 하는 정지선검지기, 감응제어 검지기에서는 실제 현장에 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 사료된다. 추가적으로 FMCW 레이더 검지기는 차량의 주행궤적 및 구간사이의 머문 차량의 상태를 최대 37m까지 파악할 수 있어 대기행렬검지에 있어서는 루프검지기 보다 우수한 것으로 나타났다.
- 성능테스트 수행결과, 교통량과 속도는 ITS 성능평가 기준으로 볼 때 최상급(≧95%) 정도의 정확도를 보였으며, 다른 데이터의 경우는 중급(≧80%)의 정확도를 나타냈다. 속도를 주요변수로 하는 대기행렬검지기와 앞막힘 검지기에 대체검지기를 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후, 테스트 구간을 변경하여 성능평가 및 환경 내구력을 확인할 필요가 있고, 인접하여 주행하는 차량들을 한 개의 차량으로 인식하는 오류는 FMCW 레이더의 검지 센싱간격(Sensing)을 더 세밀하게 주었을 때의 측정변화를 확인할 필요가 있다.
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