주행 차량의 축하중은 저속 혹은 고속 축중기(WIM)에 의하여 측정 할 수 있으나, 주행 차량의 샤시, 축 구조 등과 같은 차량 고유 특성과 주행 속도, 도로의 평탄도 등과 같은 주행 환경 특성에 따라 동적으로 변화하며, 이러한 순간적인 동적 하중 변화에 의해 정적 상태에서 측정된 기준 중량과 오차가 발생하게 된다. 본 연구에서는 향후 무인 과적단속 체계 도입에 앞서, 주행 차량의 동적 하중 변화 특성을 파악하여 통제 불가능한 환경적 기본 오차의 범위에 대해 분석하고, 고속 축중기의 중량정확도 성능평가 기준에 대한 척도를 적절히 설정하기 위한 실차 시험을 수행하였으며, 주요 시험 결과는 다음과 같다. 첫째, 총중량의 경우 저속일 때 약 1%, 고속일 때 약 4%의 변화가 나타났고, 축하중의 경우 저속일 때 약 1-3%, 고속일 때 약 2-9%의 변화가 나타났으며, 이러한 현상은 단일축보다 그룹내 개별축에서 더 크게 나타났다. 둘째, 정상 평탄도 구간에 비해 충격 구간에서는 총중량의 경우 최대 약 8배, 축하중의 경우 최대 약 3~12배의 변화가 나타났으며, 이러한 동적 하중 변화의 진동 주파수는 2.4-5.8Hz로 나타났으며, 약 30m를 주행한 후에 정상 상태의 진폭으로 수렴하는 것으로 분석되었다.
주행 차량의 축하중은 저속 혹은 고속 축중기(WIM)에 의하여 측정 할 수 있으나, 주행 차량의 샤시, 축 구조 등과 같은 차량 고유 특성과 주행 속도, 도로의 평탄도 등과 같은 주행 환경 특성에 따라 동적으로 변화하며, 이러한 순간적인 동적 하중 변화에 의해 정적 상태에서 측정된 기준 중량과 오차가 발생하게 된다. 본 연구에서는 향후 무인 과적단속 체계 도입에 앞서, 주행 차량의 동적 하중 변화 특성을 파악하여 통제 불가능한 환경적 기본 오차의 범위에 대해 분석하고, 고속 축중기의 중량정확도 성능평가 기준에 대한 척도를 적절히 설정하기 위한 실차 시험을 수행하였으며, 주요 시험 결과는 다음과 같다. 첫째, 총중량의 경우 저속일 때 약 1%, 고속일 때 약 4%의 변화가 나타났고, 축하중의 경우 저속일 때 약 1-3%, 고속일 때 약 2-9%의 변화가 나타났으며, 이러한 현상은 단일축보다 그룹내 개별축에서 더 크게 나타났다. 둘째, 정상 평탄도 구간에 비해 충격 구간에서는 총중량의 경우 최대 약 8배, 축하중의 경우 최대 약 3~12배의 변화가 나타났으며, 이러한 동적 하중 변화의 진동 주파수는 2.4-5.8Hz로 나타났으며, 약 30m를 주행한 후에 정상 상태의 진폭으로 수렴하는 것으로 분석되었다.
The axle weight of a vehicle in motion can be measured with a low-speed or high-speed weigh-in-motion (WIM). However, the axial load dynamically change depending on the vehicle's characteristics-such as the chassis or axle structure-or the characteristics of the driving environment such as road flat...
The axle weight of a vehicle in motion can be measured with a low-speed or high-speed weigh-in-motion (WIM). However, the axial load dynamically change depending on the vehicle's characteristics-such as the chassis or axle structure-or the characteristics of the driving environment such as road flatness. The changes in dynamic load lead to differences between the vehicle's weight measured at rest and the vehicle's weight measured in motion. For this Study, an experiment was conducted with an instrumented vehicle to analyze the range of errors caused by uncontrollable environmental factors by identifying the characteristics of the dynamic load changes of a vehicle in motion, and determine the appropriate scale for the accuracy evaluation of a high-speed WIM, as a preparatory research for the introduction of unmanned overweight enforcement systems in the future. The key findings from the experiment are summarized as follows. First, The gross weight of the tested vehicle changed by approximately 1% at low velocities and approximately by 4% at high velocities, and the vehicle's axle weight changed by approximately 1-3%, at low velocities and by 2-9% at high velocities. A single axle showed larger weight changes than individual axles in a group. Secondly, The vehicle's gross weight and the axle weight on the impact section were up to eight times and three-to-twelve times higher, respectively, than its gross weight and the axle weight on the flat section. The vibration frequency of the vehicle's dynamic load was measured at between 2.4 and 5.8Hz, and found to return to the normal amplitude after moving approximately 30 meters.
The axle weight of a vehicle in motion can be measured with a low-speed or high-speed weigh-in-motion (WIM). However, the axial load dynamically change depending on the vehicle's characteristics-such as the chassis or axle structure-or the characteristics of the driving environment such as road flatness. The changes in dynamic load lead to differences between the vehicle's weight measured at rest and the vehicle's weight measured in motion. For this Study, an experiment was conducted with an instrumented vehicle to analyze the range of errors caused by uncontrollable environmental factors by identifying the characteristics of the dynamic load changes of a vehicle in motion, and determine the appropriate scale for the accuracy evaluation of a high-speed WIM, as a preparatory research for the introduction of unmanned overweight enforcement systems in the future. The key findings from the experiment are summarized as follows. First, The gross weight of the tested vehicle changed by approximately 1% at low velocities and approximately by 4% at high velocities, and the vehicle's axle weight changed by approximately 1-3%, at low velocities and by 2-9% at high velocities. A single axle showed larger weight changes than individual axles in a group. Secondly, The vehicle's gross weight and the axle weight on the impact section were up to eight times and three-to-twelve times higher, respectively, than its gross weight and the axle weight on the flat section. The vibration frequency of the vehicle's dynamic load was measured at between 2.4 and 5.8Hz, and found to return to the normal amplitude after moving approximately 30 meters.
국외의 경우 고속 축중기 도입에 앞서 동적 하중에 대한 사전 연구가 다양하게 이루어져 왔으나 국내의 경우 운영 사례를 통해 평탄도가 나쁠수록 속도가 높을수록 동적 하중 오차가 커진다는 현상만을 파악하고 있는 초보 걸음 수준으로 고속 축중기의 성공적인 도입을 위해서는 동적 하중에 대한 보다 면밀한 특성 파악이 반드시 필요하다. 따라서 본 연구에서는 국내 도로교통 환경에서 실차 시험을 통해 주행 차량의 동적 하중 변화 특성을 정량적으로 파악하고, 통제 불가능한 환경적 기본 오차의 범위에 대해 분석하여 국내 고속 축중기의 중량정확도 성능평가 기준에 대한 적합한 척도를 설정할 수 있도록 유도하고자 한다.
본 연구에서는 주행 차량의 동적 하중에서 발생되는 정적 하중과의 오차를 동적 하중 모니터링 시스템을 장착한 실차 주행 시험을 통해 정량적으로 규명함으로써 동적 총중량과 동적 축하중이 노면 평탄도와 속도, 축구조에 따라 어떠한 특성이 나타나는지 분석하였다. 시험 결과, 고속 주행 시 이러한 동적 하중에 의해 정적으로 측정된 중량에 비해 측정 오차가 총중량 ±4%, 단일축 ±4%, 조합내 개별축 ±9% 이내로 발생될 수 있다는 것을 확인하였다.
제안 방법
본 연구에서는 동적가속도와 축에 부착한 스트레인게이지를 통해서 정적하중과 동적하중의 관계를 보정하려는 시도에 착안하여 이를 측정하기 위한 센서 선정 및 실차 설치, 동적하중로거 연계 프로그램 개발과 시험 진행, 결과 분석 등의 단계로 연구를 진행하였다.
대상 데이터
0m/km 미만의 평탄성이 확보된 2차로로 구성되어 있다. 기준 중량은 ASTM E1318-09(2014)에서 정의한 바와 같이 평탄성이 확보된 시험도로 내의 별도 측정소에서 이동식 축중기를 이용하여 3회 반복 측정 후 평균한 값을 이용하였으며[6], 이를 동적 하중 모니터링 시스템의 공만차 입력에 사용하였다. 시험 주행 횟수는 속도 10~90km/h 사이를 10km/h의 단계로 차선별 1회씩 9회 주행하였으며, 2차선 기준 총 18회의 주행 시험을 진행하였다.
시험은 2016년 05월 02일 월요일부터 이틀간 중부내륙고속도로 내 여주시험도로 고속 축중기 설치 현장(여주시 가남면)에서 진행하였으며, IRI 기준 2.0m/km 미만의 평탄성이 확보된 2차로로 구성되어 있다. 기준 중량은 ASTM E1318-09(2014)에서 정의한 바와 같이 평탄성이 확보된 시험도로 내의 별도 측정소에서 이동식 축중기를 이용하여 3회 반복 측정 후 평균한 값을 이용하였으며[6], 이를 동적 하중 모니터링 시스템의 공만차 입력에 사용하였다.
데이터처리
스트레인게이지로 측정된 변형률을 중량으로 환산하기 위하여 이동식 축중기를 이용하여 공차시와만차시 기준 중량을 측정하였고, 변형율 대비 중량값을 1차식으로 추세한 환산식을 구하고 스트레인게이지가 설치된 좌/우륜에 따라 각각 칼리브레이션을 수행하였다. 가속도는 데이터로거에서 측정된 전압값을 센서 데이터시트의 환산식을 통해 gal로 환산하였고, 주행 중 포토센서에서 측정된 전압값은 반사테이프가 있는 지점에서만 비활성화되므로 이를 on/off 트리거 신호화하여 이를 기준으로 모든 측정 신호를 1kHz로 동기화 샘플링 된 그래프를 작성하였다.
성능/효과
시험 결과, 고속 주행 시 이러한 동적 하중에 의해 정적으로 측정된 중량에 비해 측정 오차가 총중량 ±4%, 단일축 ±4%, 조합내 개별축 ±9% 이내로 발생될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 IRI 2.0을 만족하는 평탄도를 지니더라도 평탄도가 급격하게 변화하는 충격 구간이 존재한다면, 동적 총중량은 이 구간을 지나면서 정상 구간의 최대 8배, 동적 축하중은 최대 12배의 편차가 나타날 수 있고, 이러한 동적 하중의 진동은 2.4-5.8Hz의 저주파 진동수를 지니며 최대 30m를 주행한 후에 정상 상태의 진폭으로 수렴하게 된다는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 주행 차량의 동적 하중에서 발생되는 정적 하중과의 오차를 동적 하중 모니터링 시스템을 장착한 실차 주행 시험을 통해 정량적으로 규명함으로써 동적 총중량과 동적 축하중이 노면 평탄도와 속도, 축구조에 따라 어떠한 특성이 나타나는지 분석하였다. 시험 결과, 고속 주행 시 이러한 동적 하중에 의해 정적으로 측정된 중량에 비해 측정 오차가 총중량 ±4%, 단일축 ±4%, 조합내 개별축 ±9% 이내로 발생될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 IRI 2.
후속연구
COST 323에서는 법적인 과적단속이나 기타 특별한 필요에 의해 법적인 제재 목적으로 사용가능한 등급을 A(5)로 규정하고, 유럽에서는 이 등급의 고속축중기를 사전선별 및 직접단속에 이용하고 있다. 그러나 국내의 경우 고속 축중기에 대한 정확도 등급과 허용오차 범위와 같은 명확한 규정이 마련되어 있지 않는 실정으로, 향후 국내 무인 과적단속체계의 성공적인 도입을 위해서는 COST 323처럼 환경 특성과 활용 목적에 따라 동적 하중을 고려하여 적절한 성능 기준을 산정하여 시장 도입 유도를 위한 제도적 뒷받침을 마련하는 것이 무엇보다 중요할 것으로 판단된다.
향후 고속 축중기 도입에 앞서 동적 하중이라는 통제 불가능한 환경적 기본 측정 오차 범위에 대한 이해와 이를 토대로 고속 축중기의 최소 허용 오차에 대한 제도적 및 사회적 인식의 변화가 필요하다. 특히 축하중 단속을 위해서는 기술적으로 반드시 이를 극복하기 위한 센서 배치 간격 설계 및 별도의 보정 요소 기술이 필요하며, 제도적으로는 조합축과 개별축을 구분한 허용 오차 범위를 산정하는 것과 IRI 2.0 이하의 설치 기준 외에 노면의 급격한 평탄도 변화를 제한하는 별도의 설치 시공 규정이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주행 차량의 축하중의 특징은 무엇인가?
주행 차량의 축하중은 저속 혹은 고속 축중기(WIM)에 의하여 측정 할 수 있으나, 주행 차량의 샤시, 축 구조 등과 같은 차량 고유 특성과 주행 속도, 도로의 평탄도 등과 같은 주행 환경 특성에 따라 동적으로 변화하며, 이러한 순간적인 동적 하중 변화에 의해 정적 상태에서 측정된 기준 중량과 오차가 발생하게 된다. 본 연구에서는 향후 무인 과적단속 체계 도입에 앞서, 주행 차량의 동적 하중 변화 특성을 파악하여 통제 불가능한 환경적 기본 오차의 범위에 대해 분석하고, 고속 축중기의 중량정확도 성능평가 기준에 대한 척도를 적절히 설정하기 위한 실차 시험을 수행하였으며, 주요 시험 결과는 다음과 같다.
현행 과적단속체계가 동적 하중에 대한 영향을 최소화하여 측정 정확도를 확보하고자 어떤 방식을 사용하는가?
현행 과적단속체계는 이러한 동적 하중에 대한 영향을 최소화하여 측정 정확도를 확보하고자 화물차량을 정지 또는 서행 상태(10km/h 이내)에서 저속 축중기를 이용하여 단속이 이루어지며, 단속지점 또한 검문소(고속국도의 경우 영업소 축중차로)로 유도하여 검측하고 있다. 그러나 가변축을 장착하고 있는 대형화물차량의 경우 검측 과정에서 다양한 형태의 축조작 행위를 통해 정상적인 계측을 방해하거나 위반사실을 은폐하는 사례가 빈번히 발생하고 있으며, 이를 현행 고정식(저속축중기) 및 이동식 단속 방식에서 단속하는 데에 현실적 어려움이 존재함에 따라 단속 체계가 무력화 되고 있는 실정이다[1].
본 논문에서 수행한, 주행 차량의 동적 하중 변화 특성을 파악하여 통제 불가능한 환경적 기본 오차의 범위에 대해 분석하고, 고속 축중기의 중량정확도 성능평가 기준에 대한 척도를 적절히 설정하기 위한 실차 시험의 결과는 어떠한가?
본 연구에서는 향후 무인 과적단속 체계 도입에 앞서, 주행 차량의 동적 하중 변화 특성을 파악하여 통제 불가능한 환경적 기본 오차의 범위에 대해 분석하고, 고속 축중기의 중량정확도 성능평가 기준에 대한 척도를 적절히 설정하기 위한 실차 시험을 수행하였으며, 주요 시험 결과는 다음과 같다. 첫째, 총중량의 경우 저속일 때 약 1%, 고속일 때 약 4%의 변화가 나타났고, 축하중의 경우 저속일 때 약 1-3%, 고속일 때 약 2-9%의 변화가 나타났으며, 이러한 현상은 단일축보다 그룹내 개별축에서 더 크게 나타났다. 둘째, 정상 평탄도 구간에 비해 충격 구간에서는 총중량의 경우 최대 약 8배, 축하중의 경우 최대 약 3~12배의 변화가 나타났으며, 이러한 동적 하중 변화의 진동 주파수는 2.4-5.8Hz로 나타났으며, 약 30m를 주행한 후에 정상 상태의 진폭으로 수렴하는 것으로 분석되었다.
참고문헌 (7)
Korea Expressway Corporation(2012), "Status of overweight trucks on expressway," Korea Expressway Corporation.
COST323(2002), Weigh-In-Motion road vehicle : Final report of the COST323 Action 1993-1998, eds. Jacob, E.J. O, Brien and Jehaes, LCPC, Boulevard Lefebvre, Paris.
Davis, L. and Bunker, J.(2007), Heavy Vehicle Suspensions - Testing and Analysis. A literature review, Brisbane, Queensland : Queensland Department of Main Roads; Queensland University of Technology.
State of Queensland (Department of Main Roads) & Queensland University of Technology(2009), "Suspension testing of 3 heavy vehicles - dynamic wheel force analysis Report," pp.32-33.
Matti H.(2002), "Instrumeted Vehicle and its use for calibration of WIM-systems," 7th INternational Symposium on heavy vehicle weights & Dimensions, Delft The Netherlands, June 16-20, 2002.
ASTM E1318-09(2014), Standard Specification for Highway Weigh-In-Motion (WIM) Systems with User Requirements and Test Methods, pp.13-14.
Kim, J. H.(2010), "Development and Evaluation of High Speed weigh-in-motion system," Journal of the Korean Society of Road Engineers, vol. 12, no. 3, pp.17-28.
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