차량의 배기가스에는 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소($CO_2$), 입자상 물질(PM), 탄화수소(HC)와 같은 대기 오염물질이 포함되어 있다. 이러한 도로이동오염원의 배출량을 산정하기 위하여 한국에서는 평균속도 기반의 배출계수 곡선식을 사용하고 있으며 교통 계획과 교통 정책의 대안 평가에서 환경적 영향을 분석할 때 활용하고 있다. 그러나 최근에는 차량의 동적 운행 특성과 배출량의 관계를 보다 정확하게 반영하여 배출량을 산정할 수 있는 방법론과 이 방법론을 교통 시뮬레이션 모형에 통합하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. MOVES Lite는 MOVES의 간략 버전으로서 교통 시뮬레이션 모형에 통합될 수 있도록 개발된 운행모드 기반 배출량 산정모형이다. 본 연구에서는 한국의 차종, 주행특성, 배출계수, 배출규제등을 반영하여 MOVES Lite를 개량한 MOVES Lite-K를 개발하기 위한 연구를 수행하였고, 국내의 대표적 배출량 산정 방법인 평균속도 기반의 배출계수 곡선식과 MOVES Lite-K의 배출량 산정 특성을 비교하여 두 방법론의 차이와 국내 적용성을 살펴보았다.
차량의 배기가스에는 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소($CO_2$), 입자상 물질(PM), 탄화수소(HC)와 같은 대기 오염물질이 포함되어 있다. 이러한 도로이동오염원의 배출량을 산정하기 위하여 한국에서는 평균속도 기반의 배출계수 곡선식을 사용하고 있으며 교통 계획과 교통 정책의 대안 평가에서 환경적 영향을 분석할 때 활용하고 있다. 그러나 최근에는 차량의 동적 운행 특성과 배출량의 관계를 보다 정확하게 반영하여 배출량을 산정할 수 있는 방법론과 이 방법론을 교통 시뮬레이션 모형에 통합하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. MOVES Lite는 MOVES의 간략 버전으로서 교통 시뮬레이션 모형에 통합될 수 있도록 개발된 운행모드 기반 배출량 산정모형이다. 본 연구에서는 한국의 차종, 주행특성, 배출계수, 배출규제등을 반영하여 MOVES Lite를 개량한 MOVES Lite-K를 개발하기 위한 연구를 수행하였고, 국내의 대표적 배출량 산정 방법인 평균속도 기반의 배출계수 곡선식과 MOVES Lite-K의 배출량 산정 특성을 비교하여 두 방법론의 차이와 국내 적용성을 살펴보았다.
Atmospheric pollutants such as Nitrogen Oxides(NOx), Carbon Monoxide(CO), Carbon Dioxide($CO_2$), Particulate Matter(PM) and Hydrocarbons(HC) come from vehicle exhaust gases. Emission curves based on average travel speeds have been employed for estimating on-road emissions as well as eval...
Atmospheric pollutants such as Nitrogen Oxides(NOx), Carbon Monoxide(CO), Carbon Dioxide($CO_2$), Particulate Matter(PM) and Hydrocarbons(HC) come from vehicle exhaust gases. Emission curves based on average travel speeds have been employed for estimating on-road emissions as well as evaluating environmental impacts of transportation plans and policies in Korea. Recently, there is a growing interest in estimation methods of vehicle emissions considering relationship between vehicle dynamic driving characteristics and emissions, and incorporating such emission estimators into traffic simulation models. MOVES Lite, a simplified version of MOVES, is one of the estimation methods. In this study, the authors performed a study to develop an adaptable version of MOVES Lite for Korea, called MOVES Lite-K. Vehicle types, driving characteristics, emission rates, and emission standards of Korea were reflected in MOVES Lite-K. The characteristics of emission calculation of MOVES Lite-K and NIER emission curves were compared and the adaptability of MOVES Lite-K were examined.
Atmospheric pollutants such as Nitrogen Oxides(NOx), Carbon Monoxide(CO), Carbon Dioxide($CO_2$), Particulate Matter(PM) and Hydrocarbons(HC) come from vehicle exhaust gases. Emission curves based on average travel speeds have been employed for estimating on-road emissions as well as evaluating environmental impacts of transportation plans and policies in Korea. Recently, there is a growing interest in estimation methods of vehicle emissions considering relationship between vehicle dynamic driving characteristics and emissions, and incorporating such emission estimators into traffic simulation models. MOVES Lite, a simplified version of MOVES, is one of the estimation methods. In this study, the authors performed a study to develop an adaptable version of MOVES Lite for Korea, called MOVES Lite-K. Vehicle types, driving characteristics, emission rates, and emission standards of Korea were reflected in MOVES Lite-K. The characteristics of emission calculation of MOVES Lite-K and NIER emission curves were compared and the adaptability of MOVES Lite-K were examined.
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문제 정의
이에 따라, MOVES Lite의 한국형인 MOVES Lite–K를 개발하기 위한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 한국의 교통 운영 및 정책 분석 과정에서 차량 배기가스 배출량을 운행모드 기반으로 보다 편리하고 정확하게 산정할 수 있도록 교통 시뮬레이션 모형과 통합하여 사용될 수 있는 배출량 산정 방법론을 개발하는 것을 목적으로 하였다. 이에 따라, MOVES Lite의 한국형인 MOVES Lite–K를 개발하기 위한 연구를 수행하였다.
이에 따라, MOVES Lite의 한국형인 MOVES Lite–K를 개발하기 위한 연구를 수행하였다. 이 논문에는 MOVES Lite의 개발 개념에 대한 고찰과 한국의 차종, 주행특성, 배출계수, 배출 규제 등을 MOVES Lite에 반영하여 수정되는 절차가 설명되어 있고, 이러한 과정을 거쳐 수정된 배출량 산정방법론인 MOVES Lite-K와 NIER 배출계수 곡선식의 배출량 산정 특성을 비교한 결과가 제시되어 있다.
배출규제가 변화한 시점에 따라 배출계수가 달라지기 때문에 MOVES의 운행모드 기반 배출계수는 차종별 뿐만 아니라 연식별로도 구분되어 있다. 따라서 한국의 차량에 적용할 운행모드 기반 배출계수 표를 MOVES에서 선택하기 위하여 미국차량의 배출규제와 한국차량의 배출규제를 비교하여 비슷한 특성을 보이는 차량 연식을 선택하고자 하였다.
본 연구에서는 MOVES의 운행모드 기반 배출량 산정 방법론을 교통 시뮬레이션 모형에 결합할 수 있도록 간략화한 배출량 산정 모형인 MOVES Lite의 개념을 한국에 적용한 모형인 MOVES Lite-K를 개발하기 위한 연구를 수행하였다. 즉, MOVES Lite의 배출량 산정 과정에서 한국의 차종, 주행특성, 배출계수, 배출규제 등을 반영할 수 있는 절차를 수행하였다.
가설 설정
CCF는 배출량 산정 값의 평균속도에 대한 민감도를 나타내는 값으로 두 방법의 배출량 산정 특성을 비교하기에 적절한 지표이다. MOVES Lite-K와 NIER 배출계수곡선식으로 산출한 차종별 오염물질별 CCF의 값이 유사하다면 MOVES Lite-K가 한국에서 적용될 수 있다고 가정하였다.
제안 방법
차량 수만큼 MOVES를 실행해야 되는데 차량수가 많고 네트워크가 클 경우 현실적으로 불가능하기 때문이다. 그러나 MOVES의 배출량 산정 모듈을 교통시뮬레이션 모형과 통합하면 네트워크 전체의 배출량을 분석하는 경우에도 개별차량의 주행궤적을 고려하여 배출량을 산정할 수 있게 되므로 통합이 가능하게 하는 간략한 모형인 MOVES Lite를 개발하게 되었다.
분석 대상 시간 동안 큰 변화가 없는 고정변수인 차량 정기 검사제도, 연료의 특성, 기후 조건 등의 영향이 반영된 배출율을 기준 배출율(EFp,b,a,v, g/km)이라고 하였다. 주행궤적 배출율(CEp,c, g/km)을 산정할 때 기준 배출율을 기준으로 하고 주행특성을 반영하여 배출율을 보정함으로써 고정변수의 영향이 반영되도록 하였다.
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대상지가 미국의 도시인 경우, 미국 주행 조건을 대표하는 Federal Test Procedure-75(FTP-75)를 기준 주행궤적(Base Cycle)으로 삼아 MOVES 프로그램을 실행하여 기준 배출율 값을 구한다. 대분류의 차종을 구성하는 모든 세부 차종에 대하여 기준 배출율을 산정하여 MOVES Lite의 배출량 산정 기초 자료로 구축한다.
대상지가 미국의 도시인 경우, 미국 주행 조건을 대표하는 Federal Test Procedure-75(FTP-75)를 기준 주행궤적(Base Cycle)으로 삼아 MOVES 프로그램을 실행하여 기준 배출율 값을 구한다. 대분류의 차종을 구성하는 모든 세부 차종에 대하여 기준 배출율을 산정하여 MOVES Lite의 배출량 산정 기초 자료로 구축한다.
첫 번째, 기준 주행궤적으로 사용한 FTP-75는 미국의 주행궤적이므로 이를 대체하여 한국의 주행 조건을 대표할 수 있는 주행궤적인 국립환경과학원에서 사용하고 있는 NIER 주행모드에서 선택하여 사용하였다. 두 번째, MOVES Lite에서는 MOVES를 활용하여 기준 주행궤적의 배출량을 산정하기 때문에 미국 차량의 배출 특성을 반영한 배출계수를 이용하여 기준 배출율을 산정하였지만, 국내 차량의 배출 특성을 반영한 기준 배출율을 산정하기 위하여 국내의 배출계수를 적용하여 기준 주행궤적의 배출량을 산정하여 사용하였다. 마지막 세 번째는 MOVES의 운행모드 기반 배출계수를 활용할 때 생기는 문제로서, 한국과 미국의 세부 차종 분류와 배출규제 특성 등을 고려하여 가장 유사한 차종의 배출계수를 찾아 사용함으로 문제를 해결하였다.
두 번째, MOVES Lite에서는 MOVES를 활용하여 기준 주행궤적의 배출량을 산정하기 때문에 미국 차량의 배출 특성을 반영한 배출계수를 이용하여 기준 배출율을 산정하였지만, 국내 차량의 배출 특성을 반영한 기준 배출율을 산정하기 위하여 국내의 배출계수를 적용하여 기준 주행궤적의 배출량을 산정하여 사용하였다. 마지막 세 번째는 MOVES의 운행모드 기반 배출계수를 활용할 때 생기는 문제로서, 한국과 미국의 세부 차종 분류와 배출규제 특성 등을 고려하여 가장 유사한 차종의 배출계수를 찾아 사용함으로 문제를 해결하였다.
MOVES 운행모드 기반 배출계수에서 사용하는 차종과 NIER 배출계수식의 차종의 CO2 배출량과 차량 중량을 비교하여 세부차종을 선택하였다. CO2 배출량은 연료 사용량에 비례하는 값으로 차량의 크기를 구분하는 가장 적당한 지표이다.
대표 차종으로 선택된 11개 세부차종의 오염물질별 기본 배출율(g/km)은 Table 2에 나타나 있다. 세부 차종별로 NIER 오염물질별 차종별 배출율 곡선계수식(NIER 2009, 2010)을 이용하여 해당 차종의 기준 주행궤적인 NIER 09모드의 평균속도에 해당하는 배출율을 구한 값이다.
차종별 NIER 주행궤적별 CCF를 MOVES Lite-K와 NIER 방법으로 각각 산출하여 비교하였다. CCF는 배출량 산정 값의 평균속도에 대한 민감도를 나타내는 값으로 두 방법의 배출량 산정 특성을 비교하기에 적절한 지표이다.
선택한 11개 차종의 오염물질 별 CCF를 모두 산정하였으나 본 논문에는 대분류 차종의 대표 차종으로 경유 승용차, 경유 버스, 경유 중형 트럭을 선택하여 CCF 비교 그래프를 Figure 3, 4, 5에 나타내었다. 휘발유 승용차는 경유 승용차와 유사한 경향을 보이며 PM10의 배출이 없으므로 경유 승용차를 선택하여 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 MOVES의 운행모드 기반 배출량 산정 방법론을 교통 시뮬레이션 모형에 결합할 수 있도록 간략화한 배출량 산정 모형인 MOVES Lite의 개념을 한국에 적용한 모형인 MOVES Lite-K를 개발하기 위한 연구를 수행하였다. 즉, MOVES Lite의 배출량 산정 과정에서 한국의 차종, 주행특성, 배출계수, 배출규제 등을 반영할 수 있는 절차를 수행하였다.
대상 데이터
MOVES Lite를 한국에 적용할 경우 고려해야 하는 세 가지 문제점과 해결 방안은 다음과 같다. 첫 번째, 기준 주행궤적으로 사용한 FTP-75는 미국의 주행궤적이므로 이를 대체하여 한국의 주행 조건을 대표할 수 있는 주행궤적인 국립환경과학원에서 사용하고 있는 NIER 주행모드에서 선택하여 사용하였다. 두 번째, MOVES Lite에서는 MOVES를 활용하여 기준 주행궤적의 배출량을 산정하기 때문에 미국 차량의 배출 특성을 반영한 배출계수를 이용하여 기준 배출율을 산정하였지만, 국내 차량의 배출 특성을 반영한 기준 배출율을 산정하기 위하여 국내의 배출계수를 적용하여 기준 주행궤적의 배출량을 산정하여 사용하였다.
1 km/h이며 다양한 감가속 특성을 포함하는 주행궤적이다. 이에 대응하는 한국의 기본 주행궤적은 NIER 주행궤적에서 선택하였다. NIER 주행궤적은 한국의 주행패턴을 반영하여 차종별 속도별 배출율을 산정하기 위하여 국립환경과학원에서 개발한 주행 모드이다.
승용차와 소형 트럭은 LDV(Light duty vehicle), 버스는 UB(Urban bus), 중형 트럭은 MDT(Medium duty truck), 대형 트럭은 HDT(Heavy duty truck)로 구분되어 있고 차종별로 저속부터 고속까지 평균속도에 따라 최대 15개의 주행궤적이 있다. 이 중 기준 주행궤적(Base Cycle)으로 NIER 09번을 선택하였다. 각 차종의 NIER 09번 주행궤적은 34km/h 근처의 유사한 평균 속도 값을 가지며, 다양한 주행상황을 포함하고 있기 때문에 기준 주행궤적으로 적합하다고 판단하였다.
이론/모형
),입자상 물질(PM), 탄화수소(HC)와 같은 대기 오염물질이 배출된다. 이러한 도로이동오염원의 배출량을 산정하기 위하여 한국에서는 국립 환경과학원(National Institute of Environmental Research, 이하 NIER)의 차종별 배출계수(NIER 2010, 2011)를 사용한다. 배출계수가 평균 주행 속도와 배출량의 관계를 나타낸 함수식으로 표현되어 있어 배출계수 곡선식 또는 평균속도 기반 배출량 산정 모형이라고도 불리며 도로 계획과 교통 정책의 대안 평가 시 배출량의 변화를 추정할 때 사용된다.
차종분포 특성이 반영되도록 Equation 2(Rouphail and Frey, 2014)에 따라 세부차종의 비율을 반영하여 주행궤적 평균 배출율을 산정한다.
성능/효과
차량속도와 VSP값으로 구분되는 운행모드에 따른 배출계수를 사용하기 때문에 운행모드 기반 배출량 산정 모형이라고 한다. 오랜 기간에 걸친 다수의 실험과 연구 결과에 근간을 두고 배출량 산정 방법론을 개발하였고 관련 데이터베이스가 상세하게 구축되어 있다는 것과 공개 소프트웨어라는 점에서 미국 외의 다른 국가에서도 활용하기에 좋은 조건을 갖추었다.
이 중 기준 주행궤적(Base Cycle)으로 NIER 09번을 선택하였다. 각 차종의 NIER 09번 주행궤적은 34km/h 근처의 유사한 평균 속도 값을 가지며, 다양한 주행상황을 포함하고 있기 때문에 기준 주행궤적으로 적합하다고 판단하였다.
그림에서 보는 바와 같이 CO2의 경우 두 방법으로 산정한 CCF는 매우 유사한 경향을 보이나 나머지 대기오염 물질인 CO, NOx, PM10의 경우 기준 주행궤적을 기준(CCF가 1인 곳)으로 저속부분과 고속부분으로 CCF의 변화 경향이 차이가 있음을 확인할 수 있다. 즉, MOVES Lite-K로 배출량을 산정할 때 경유 승용차의 CO와 NOx는 NIER 배출계수식으로 계산한 값보다 저속에서는 작게 고속에서는 크게 산정될 것으로 보이며, PM10의 경우 반대 경향을 보인다.
Figure 4의 경유 버스의 경우를 보면, 비록 저속 부분의 비교만 가능하였지만 두 방법으로 산출된 CCF가 매우 유사한 경향을 보인다. 다만, NOx의 경우 NIER 배출계수식이 직선식으로 추정되어 있어 다른 오염물질에 비하여 더 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다.
MOVES Lite-K와 한국의 배출계수 곡선식의 배출량 산정 특성을 비교한 결과 전체적으로 유사한 경향을 보여, MOVES Lite-K가 한국에서 적용될 수 있음을 검증하였다. 그러나 두 개 방법론의 본질적인 배출량 산정 특성의 차이가 있음을 대기오염물질의 CCF 비교 과정에서 확인할 수 있었으며, 이는 향후 한국의 평균속도 기반 배출계수식의 보완과정에서 참고할 만한 사항으로 보인다.
‧ 두 번째, 한국의 차종, 주행특성, 배출계수, 배출규제 등이 변경되면 MOVES Lite-K에서 이를 반영하여야 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있다.
후속연구
MOVES Lite-K와 한국의 배출계수 곡선식의 배출량 산정 특성을 비교한 결과 전체적으로 유사한 경향을 보여, MOVES Lite-K가 한국에서 적용될 수 있음을 검증하였다. 그러나 두 개 방법론의 본질적인 배출량 산정 특성의 차이가 있음을 대기오염물질의 CCF 비교 과정에서 확인할 수 있었으며, 이는 향후 한국의 평균속도 기반 배출계수식의 보완과정에서 참고할 만한 사항으로 보인다.
국외에서는 동적 운행 특성과 배출량의 관계를 고려하는 배출량 산정 모형의 사용이 권장되고 있다. 본 연구에서 개발된 MOVES Lite-K를 활용하게 된다면, 국내에서도 차량의 운행특성 변화를 반영한 배출량 산정이 가능하며 교통 계획과 교통 정책의 대안 평가에서 환경적 영향을 분석할 때 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
그러나, 본 연구에서 제안한 방법론은 다음과 같은 한계점이 있으므로 향후 연구에서 보완되어야 할 것이며 활용시 주위를 기울여야 할 것이다.
‧ 첫 번째, 실제 도로에서 주행하는 차량은 다양한 연식과 차령의 차량이 있으므로 향후 연구에서는 이러한 다양한 차종을 반영할 수 있도록 하는 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MOVES란?
MOVES는 주행궤적(Driving Cycle)에 따른 배출량을 산출한다. 주행궤적이란 초 단위 차량 속도를 의미한다.
MOVES의 단점은?
MOVES는 교통상황, 차종, 차량 정기 검사제도, 연료의 특성, 기후 조건 등 다양한 조건을 고려하여 배출량을 평가할 수 있도록 만들어져 있기 때문에 정확한 배출량 분석 시 매우 유용하지만, 수많은 종류의 입력 자료를 준비해야 하고 분석 시간도 오래 걸린다. 그러나 일반적으로 교통시뮬레이션 모형은 몇 시간 정도의 짧은 시간 동안의 교통 상황을 평가하기 위해 사용되므로 MOVES에서 고려하는 다양한 요소의 대부분은 고정변수로 두고 분석하여도 무방하다.
MOVES의 특징은?
주행궤적이란 초 단위 차량 속도를 의미한다. 개별 차량의 주행궤적을 입력하여 배출량을 산정하는 기능을 갖추고 있지만, 교통시뮬레이션 모형의 결과를 활용하여 네트워크 전체의 배출량을 분석하는 경우에는 사용되지 않는다. 차량 수만큼 MOVES를 실행해야 되는데 차량수가 많고 네트워크가 클 경우 현실적으로 불가능하기 때문이다.
Frey H. C., Liu B. (2013), Development and Evaluation of a Simplified Version of MOVES for Coupling With a Traffic Simulation Model, Paper 13-1201, Proceedings, 91st Annual Meeting of the Transportation Research Board, Washington, DC, January 22-26.
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