PURPOSES : The desire of drivers to increase their driving speeds is increasing in response to the technological advancements in vehicles and roads. Therefore, studies are being conducted to increase the maximum design speed in Korea to 140 km/h. The stopping sight distance (SSD) is an important cri...
PURPOSES : The desire of drivers to increase their driving speeds is increasing in response to the technological advancements in vehicles and roads. Therefore, studies are being conducted to increase the maximum design speed in Korea to 140 km/h. The stopping sight distance (SSD) is an important criterion for acquiring sustained road safety in road design. Moreover, although the perception-reaction time (PRT) is a critical variable in the calculation of the SSD, there are not many current studies on PRT. Prior to increasing the design speed, it is necessary to confirm whether the domestic PRT standard (2.5 s) is applicable to high-speed driving. Thus, in this study, we have investigated the influence of high-speed driving on PRT. METHODS : A driving simulator was used to record the PRT of drivers. A virtual driving map was composed using UC-Win/Road software. Experiments were carried out at speeds of 100, 120, and 140 km/h while assuming the following three driving scenarios according to driver expectation: Expected, Unexpected, and Surprised. Lastly, we analyzed the gaze position of the driver as they drove in the simulated environment using Smarteye. RESULTS : Driving simulator experimental results showed that the PRT of drivers decreased as driving speed increased from 100 km/h to 140 km/h. Furthermore, the gaze position analysis results demonstrated that the decrease in PRT of drivers as the driving speed increased was directly related to their level of concentration. CONCLUSIONS : In the experimental results, 85% of drivers responded within 2.0 s at a driving speed of 140 km/h. Thus, the results obtained here verify that the current domestic standard of 2.5 s can be applied in the highways designated to have 140 km/h maximum speed.
PURPOSES : The desire of drivers to increase their driving speeds is increasing in response to the technological advancements in vehicles and roads. Therefore, studies are being conducted to increase the maximum design speed in Korea to 140 km/h. The stopping sight distance (SSD) is an important criterion for acquiring sustained road safety in road design. Moreover, although the perception-reaction time (PRT) is a critical variable in the calculation of the SSD, there are not many current studies on PRT. Prior to increasing the design speed, it is necessary to confirm whether the domestic PRT standard (2.5 s) is applicable to high-speed driving. Thus, in this study, we have investigated the influence of high-speed driving on PRT. METHODS : A driving simulator was used to record the PRT of drivers. A virtual driving map was composed using UC-Win/Road software. Experiments were carried out at speeds of 100, 120, and 140 km/h while assuming the following three driving scenarios according to driver expectation: Expected, Unexpected, and Surprised. Lastly, we analyzed the gaze position of the driver as they drove in the simulated environment using Smarteye. RESULTS : Driving simulator experimental results showed that the PRT of drivers decreased as driving speed increased from 100 km/h to 140 km/h. Furthermore, the gaze position analysis results demonstrated that the decrease in PRT of drivers as the driving speed increased was directly related to their level of concentration. CONCLUSIONS : In the experimental results, 85% of drivers responded within 2.0 s at a driving speed of 140 km/h. Thus, the results obtained here verify that the current domestic standard of 2.5 s can be applied in the highways designated to have 140 km/h maximum speed.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 고속주행 시 발생할 수 있는 제동상황에 대한 운전자의 인지·반응시간을 측정하여 주행속도 100~140km/h에서 적용 가능한 인지·반응시간기준을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 고속주행상황에서 운전자 인지·반응시간의 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 도로 기하구조 측면에서 운전자의 안전을 확보하기 위한 기준인 정지시거를 산정하는 과정에서 공주거리 계산에 가장 중요한 변수인 인지·반응시간이 도로의 최대 설계속도가 증가하면 어떠한 영향을 받는지에 대한 연구를 진행하였다.
가설 설정
- 귀무가설(H0) : 고령자그룹과 비고령자그룹의 인지·반응시간의 평균은 같다.
- 대립가설(H1) : 고령자그룹과 비고령자그룹의 인지·반응시간의 평균은 같지 않다.
12와 같이 5개의 구역(Section 1~5)으로 나눈 뒤 해당 구역(Section)에 포함된 주시점의 수를 비교하였다. 이때 중심부근인 Section 1에 포함된 주시점의 비율이 높을수록 전방상황에 더 집중하며 주행한 것으로 가정하고 분석을 진행하였다. 본 연구에서는 Section 1에 포함된 주시점의 비율을 집중도(Concentration)라고 표현하였다.
제안 방법
UC-win/Road software에 적용할 실험 시나리오 맵은 운전자 인지·반응시간에 영향을 미치는 여러 가지변수들 중 운전자 기대심리(Expectation)를 고려한 세 가지 시나리오(Scenarios)로 구성하였다.
이러한 경향이 나타난 원인에 대해서 본 연구에서는 운전자의 인적요인인 집중도에 의해서 인지·반응시간이 감소하는 것으로 판단하였다. 그리고 이를 공학적으로 분석하기 위해서 드라이빙시뮬레이터 실험 중 피실험자가 장착하고 있었던 Smart Eye를 활용하여 운전자의 주행 중 주시점을 분석하였다.
첫 번째 단계에서는 운전자 인지·반응시간에 대한 기존문헌을 고찰하였다. 두 번째 단계에서는 운전자의 기대심리(Expectation)에 따라서 발생할 수 있는 세 가지 주행 시나리오를 가정하여 가상현실(Virtual Reality, VR)기반의 주행실험 영상을 제작하였다. 세 번째 단계에서는 연령별로 피실험자를 모집하여 실내 Driving Simulator 실험을 수행하였으며, 이를 통해 주행속도(100, 120, 140km/h)에 따른 시나리오별 고령자(Older)와 비고령자(Younger)의 인지·반응시간을 측정하였다.
하지만 실제차량을 140km/h 이상의 속도로 주행하다 급제동하는 것은 안전에 대한 우려가 발생하여 일반적인 운전자들을 대상으로 실험하는 것은 사실상 어렵다. 따라서 본 연구는 Driving Simulator를 활용한 가상주행실험으로 대체하여 수행되었다.
따라서 본 연구에서는 가상주행 시뮬레이션 프로그램인 UC-win/Road software와 드라이빙시뮬레이터 I-drive 3ch 2DOF MP 기종을 사용하여 3가지 다른 제동상황이 발생하였을 때 운전자의 인지·반응시간을 측정하였다.
실험은 연령 65세를 기준으로 두 그룹으로 나누어 고령자 35명, 비고령자 35명을 대상으로 진행되었다. 또한 오차를 최소화하기 위해서 결측값, 최솟값, 최댓값의 실험데이터를 제외한 나머지 60명에 대한 실험 결과를 분석하였다.
모든 시나리오는 운전자들의 주행속도에 따라서 3단계 (100→120→140km/h)로 구간을 나누어 구성하였다. 또한 지정된 주행속도구간에서 일정한 거리를 이동하였을 때 제동상황(신호기 등화변경, 선두차량 제동, 낙석)이 발생하도록 하였다. 시나리오별 제동상황이 발생하는 지점의 위치는 Table 2와 같다.
마지막 단계에서는 인지·반응시간에 영향을 미칠 수 있는 요인 중 하나인 전방주시에 대한 집중도(Concentration about forward gaze)가 주행속도의 증가에 따라서 어떻게 변화하는지 운전자의 주시점(the gaze position) 변화를 통해서 분석하였다.
모든 시나리오는 운전자들의 주행속도에 따라서 3단계 (100→120→140km/h)로 구간을 나누어 구성하였다.
본 실험결과를 인지시간과 반응시간의 합인 인지·반응시간으로 종합하여 분석하였다.
본 연구에서 진행된 실험은 모두 하나의 정보(제동상황발생)에 대한 피실험자의 인지·반응시간을 측정한 것이다.
반응시간은 제동장치를 작동하는 시간으로 국내 기준에서는 1초를 사용한다. 본 연구에서는 가속페달에서 발을 뗀 시간과 브레이크를 밟기 시작한 시간의 차이로 계산하였다. 계산식은 Eq.
본 연구에서는 운전자들의 주행속도별 주시점의 (X,Y)좌표를 추출한 뒤 중심점을 (0,0)으로 평행 이동하여 개인별 비교를 진행하였다.
5초+반응시간 1초)를 사용한다. 본 연구에서는 인지시간과 반응시간 계산식에 의해서 제동상황발생시간과 브레이크를 밟기 시작한 시간의 차이로 계산된다.
5초를 사용한다. 본 연구에서는 제동상황발생지점(Braking situation occurrence point)에 차량이 도착한 시간과 상황발생을 인지하고 가속페달에서 발을 떼어 RPM(Revolutions Per Minute)이 감소하기 시작하는 지점에서의 시간의 차이로 계산하였다. 계산식은 아래와 같다.
분석 장비로는 스웨덴에서 개발된 Eye Tracking System인 Smart Eye를 사용하였다. 본 장비는 전방, 좌측, 우측에 한 대씩 설치된 3대의 카메라로 촬영된 평면영상을 3D형태로 변환하여 하나의 얼굴로 인식하며, 얼굴에서 굴곡이 있는 눈, 코, 입의 위치를 기억한다. 또한 카메라 우측에 설치된 반사장치를 통해서 빛을 각막에 반사시켜 굴절된 빛의 이동을 통해서 눈동자의 움직임을 추적한다.
세 번째 단계에서는 연령별로 피실험자를 모집하여 실내 Driving Simulator 실험을 수행하였으며, 이를 통해 주행속도(100, 120, 140km/h)에 따른 시나리오별 고령자(Older)와 비고령자(Younger)의 인지·반응시간을 측정하였다.
시나리오 1은 운전자가 전방상황을 어느 정도 예측할 수 있는 상황(Expected)에서 진행된 실험으로 교통신호기 등화변경에 대한 운전자의 인지·반응시간을 측정하였다.
시나리오 2는 운전자가 전방상황을 예측할 수 없는 상황(Unexpected)에서 진행된 실험으로 선두차량의 갑작스러운 제동에 대한 운전자의 인지·반응시간을 측정하였다.
시나리오 3은 운전자를 놀라게 하는 돌발 상황(Surprised) 에서 진행된 실험으로 낙석발생에 대한 운전자의 인지·반응시간을 측정하였다.
실험결과 분석에는 UC/win-road Software에서 제공되는 주행기록 log data를 사용하였으며, 데이터 상의 이동거리, 이동시간, RPM 변화, 제동력(Brake power)변화를 통해서 인지시간 및 반응시간을 계산하고 이를 합하여 인지·반응시간을 측정하였다.
주재홍 외(2010)는 교통안전공단 안전운전체험센터의 위험회피코스 교육생 약 4,000명을 대상으로 주행속도 40km/h와 50km/h일 때의 인지·반응시간을 측정하여 주행속도와 인지·반응시간의 관계를 확인하였다. 실험은 도로 주행 중 전방 20m 지점에 돌발 상황이 생겨 급정지하는 방법으로 진행되었다. Unalerted 조건에서 85백분위 운전자의 인지·반응시간 분석 결과 주행속도가 40km/h일 경우에는 0.
실험은 드라이빙시뮬레이터를 활용한 가상주행으로 진행되었으며, 돌발제동상황발생에 대한 운전자들의 인지·반응시간을 측정하였다.
실험은 비디오 촬영을 통한 프레임 분석에 기초하여 진행되었으며, 신호교차로에서 황색신호(change interval)에 따른 운전자의 인지·반응시간과 교차로 접근속도(40km/h 이상), 정지선으로부터 차량거리의 관계를 연구하였다.
인지·반응시간에 따라서 전방주시에 대한 집중도가 어떻게 달라지는지 살펴보기 위해서 실험을 통해서 측정된 시나리오별 평균 인지·반응시간을 0.5초 범위로 그룹지어 배치하였다.
주시점 분석 구간은 시나리오 및 제한속도별로 제동상황이 발생하기 100m전 지점에 운전자의 차량이 도착한 시점에서 운전자가 브레이크를 밟기 시작한 시점까지로 하였다.
주행속도 증가에 따른 인지·반응시간의 변화를 누적 백분위수로 표현한 산포도를 통해서 그래프로 표현하였다.
주행속도가 증가함에 따라 인지·반응시간이 변화하는 원인을 분석하기 위해서 실험 중 운전자의 주시점(Gaze position) 변화를 측정하였다.
주행속도의 증가가 인지·반응시간에 미치는 영향을 확인하기 위해서 실험시나리오별 주행속도(100, 120, 140km/h)에 따른 인지·반응시간을 비교하였다.
첫 번째 단계에서는 운전자 인지·반응시간에 대한 기존문헌을 고찰하였다.
표본 수가 부족한 두 개의 그룹(0.0~0.5초, 2.5초 이상)을 제외한 4개의 그룹(0.5~1.0초, 1.0~1.5초, 1.5~2.0초, 2.0~2.5초)에 포함된 피실험자의 평균집중도를 계산하였다.
대상 데이터
실험은 신호교차로에서 60~70km/h의 속도로 주행하는 차량을 대상으로 실시되었으며, 85백분위 운전자의 인지·반응시간은 1.48~1.90초로 측정되었다.
실험은 연령 65세를 기준으로 두 그룹으로 나누어 고령자 35명, 비고령자 35명을 대상으로 진행되었다. 또한 오차를 최소화하기 위해서 결측값, 최솟값, 최댓값의 실험데이터를 제외한 나머지 60명에 대한 실험 결과를 분석하였다.
실험은 드라이빙시뮬레이터를 활용한 가상주행으로 진행되었으며, 돌발제동상황발생에 대한 운전자들의 인지·반응시간을 측정하였다. 피실험자는 연령별로 다르게 모집하여 65세를 기준으로 고령자 30명, 비고령자 30명의 데이터를 추출하였다. 실험 결과 고령자의 평균 인지·반응시간은 1.
데이터처리
고령자그룹과 비고령자그룹의 평균 인지·반응시간의 차이가 통계적으로 유의미한 값인지 확인하기 위해서 T-test를 실시하였다.
이론/모형
주행속도가 증가함에 따라 인지·반응시간이 변화하는 원인을 분석하기 위해서 실험 중 운전자의 주시점(Gaze position) 변화를 측정하였다. 분석 장비로는 스웨덴에서 개발된 Eye Tracking System인 Smart Eye를 사용하였다. 본 장비는 전방, 좌측, 우측에 한 대씩 설치된 3대의 카메라로 촬영된 평면영상을 3D형태로 변환하여 하나의 얼굴로 인식하며, 얼굴에서 굴곡이 있는 눈, 코, 입의 위치를 기억한다.
성능/효과
Unalerted 조건에서 85백분위 운전자의 인지·반응시간 분석 결과 주행속도가 40km/h일 경우에는 0.84초로 나타났으나, 50km/h일 경우에는 0.80초로 감소하여 주행속도가 증가할수록 인지·반응시간은 감소하는 것으로 나타났다.
그리고 대부분의 실험 결과 저속상황에서 주행속도와 인지·반응시간은 관계가 있는 것으로 나타났다.
또한 고속주행 상황에서는 주행속도가 증가(100→120→140km/h)함에 따라 인지·반응시간은 감소하는 경향이 나타나는 것으로 확인되었다.
세부적인 주시점 수 분석 결과 주행속도가 증가할수록 전방주시상황인 Section 1에 포함된 주시점의 비율(집중도)이 증가하였으며, 속도계기판 등의 주변주시상황인 Section 2, Section 3에 포함된 주시점의 비율이 감소하였다. 또한 주시점의 수를 살펴보면 주행속도가 높아질수록 주시점의 수가 감소하는 경향을 보였다. 이는 주행속도가 높을수록 주변지역보다는 전방상황에 집중해서 운전하기 때문에 한 지점을 바라보는 주시시간이 증가하여 주시점의 수는 감소한 것으로 판단된다.
19초의 차이가 발생하였다. 본 실험 결과에 따르면 주행속도가 증가하더라도 고령자그룹과 비고령자그룹간의 인지반응시간의 차이는 거의 일정한 것으로 판단된다.
본 연구결과를 인지·반응시간 측정 결과와 종합해보면 주시점분석 측면에서 주행속도가 증가할수록 인지·반응시간이 감소한 원인은 운전자의 전방주시에 대한 집중도 증가에 의한 것으로 판단된다.
본 연구의 실험 결과에 따르면 선두차량이 존재하는 시나리오 2(Expected)에서 인지·반응시간이 가장 길게 측정되었다.
고규격도로의 경우 건설에 막대한 공사비가 소요되기 때문에 경제적 측면을 고려하는 것도 중요하다. 본 연구의 실험 결과에 의하면 주행속도가 증가할수록 인지·반응시간은 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 경제성 측면을 고려하여 운전자 인지·반응시간에 따른 정지시거 설계기준의 적정성을 살펴볼 필요가 있다.
분석 결과 85백분위 운전자의 인지·반응시간은 1.38~1.83초로 측정되었다.
분석 결과 실험구간의 주행속도가 증가(100→120→140km/h)할수록 85백분위 운전자의 인지·반응시간이 약 0~0.2초씩 짧아지는 것으로 나타났다.
설계기준 측면에서 실험결과를 살펴보면 현재 국내의 인지·반응시간기준(인지·반응시간 2.5초) 역시 고속주행 상황(속도140km/h)에서도 적용 가능할 것으로 판단된다.
세부적인 주시점 수 분석 결과 주행속도가 증가할수록 전방주시상황인 Section 1에 포함된 주시점의 비율(집중도)이 증가하였으며, 속도계기판 등의 주변주시상황인 Section 2, Section 3에 포함된 주시점의 비율이 감소하였다. 또한 주시점의 수를 살펴보면 주행속도가 높아질수록 주시점의 수가 감소하는 경향을 보였다.
시나리오 1, 2, 3에서 주행속도에 따른 인지·반응시간 측정실험을 진행한 결과 85백분위 운전자의 인지시간은 0.91~1.38초로 나타났으며, 반응시간은 0.37~0.64초로 나타났다.
실험 결과 고령자의 평균 인지·반응시간은 1.43초로 나타났으며, 비고령자의 평균 인지·반응시간은 1.27초로 측정되었다.
실험 결과 젊은 운전자 그룹의 평균 인지·반응시간은 0.74초로 측정되었고 고령 운전자 그룹의 인지·반응시간은 0.81초로 나타났다.
실험 결과 황색신호에 대한 85백분위 운전자의 인지·반응시간은 2.50초로 나타났다.
실험결과를 주행속도에 따라서 살펴보면 속도가 증가(100→120→140km/h)할수록 인지시간 및 반응시간 모두 감소하는 경향을 보였다.
실험결과에 따르면, 운전자의 기대심리(Expected, Unexpected, Surprised)가 다른 상황에서 인지·반응시간의 차이가 발생하는 데에는 반응시간보다 인지시간이 더 큰 비중을 차지하는 것으로 판단된다.
유의수준 0.05일 때 t-test결과 두 그룹간의 인지·반응시간은 차이가 있는 것으로 나타나 고속주행 상황에서 연령이 많아질수록 인지·반응시간이 증가하는것으로 분석되었다.
유의수준 5%일 때, 두 모집단의 평균 인지·반응시간의 차이가 발생하는지 분석한 결과 모든 시나리오 및 제한속도에서 유의확률(양측)이 유의수준(0.05)보다 작게 산출되어 귀무가설을 기각하였으며, 통계적으로 유의미한 평균 인지반응시간의 차이가 존재했다.
이러한 경향이 나타난 원인에 대해서 본 연구에서는 운전자의 인적요인인 집중도에 의해서 인지·반응시간이 감소하는 것으로 판단하였다.
인지·반응시간 그룹별로 살펴보면 평균인지·반응시간이 0.5~1.0초로 측정된 피실험자들의 평균집중도는 93.2~95.5%로 나타났으며, 2.0~2.5초로 측정된 피실험자들의 평균집중도는 82.7~87.4%로 나타났다.
종합하면 주행속도 100~140km/h 구간에서는 속도가 증가할수록 운전자의 집중도 증가로 인해서 오히려 인지·반응시간이 감소한다고 할 수 있다.
주시점 분석 결과를 산포도를 통해서 살펴보면 주행속도가 증가할수록 중심점 (0,0) 인근으로 주시점이 모이는 것을 확인할 수 있다.
주시점을 측정하여 주행속도와 인지·반응시간의 관계를 분석한 결과 주행속도가 증가할수록 중심점 인근에 포함된 주시점의 수가 증가하였으며, 전방집중도가 높아지는 것으로 나타났다.
주행속도 100, 120, 140km/h에서 85th percentile 운전자의 인지·반응시간 분석 결과 속도가 100km/h일 때는 1.76초, 120km/h일 때는 1.56초, 140km/h일 때는 1.44초로 측정되어 고속주행상황에서는 주행속도가 증가할수록 인지·반응시간이 오히려 감소하는 것으로 분석되었다.
주행속도별 고령자그룹(30명)과 비고령자그룹(30명)의 평균 인지·반응시간 측정 결과, 모든 시나리오 및 주행속도에서 고령자그룹의 측정값이 비고령자그룹보다 더 길게 나타났다.
집중도 분석 결과 평균 인지·반응시간이 길게 측정된 피실험자일수록 집중도는 낮게 나타나 인지·반응시간과 집중도는 반비례하는 경향이 있는 것으로 판단된다.
후속연구
이러한 결과가 나타난 이유는 선두차량과 피실험자 차량의 거리감에 의해 브레이크를 밟을 필요가 있는지 판단하는데 시간이 소요되기 때문으로 판단하였다. 그러나 본 연구에서는 두 차량 간의 거리차이가 제동상황을 판단하는데 얼마나 시간을 요구하는지에 대한 구체적인 분석은 수행하지 못했다. 따라서 이에 대한 추가적인 분석이 수행되어야 할 것이다.
그러나 본 연구에서는 두 차량 간의 거리차이가 제동상황을 판단하는데 얼마나 시간을 요구하는지에 대한 구체적인 분석은 수행하지 못했다. 따라서 이에 대한 추가적인 분석이 수행되어야 할 것이다.
본 연구결과를 토대로 현재 국내의 고속도로보다 더 빠른 고속도로의 설계를 위한 정지시거 산정 시 기존 인지·반응시간 기준인 2.5초를 활용가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정지시거란 무엇인가?
도로의 평면선형을 설계하기 위해서는 주행의 안전성, 쾌적성 및 연속성에 대한 고려가 필요하며, 이들 중 안전성은 주로 정지시거 등 여러 가지 선형설계요소에 의해서 충족된다. 정지시거(Stopping Sight Distance)란 운전자가 같은 차로 위에 있는 고장차 등의 장애물을 인지하고 안전하게 정지하기 위하여 필요한 거리(국토교통부, 2013)로 도로설계 단계에서 운전자의 안전성을 확보하기 위한 가장 기본적이고 중요한 기준이다. 국내 정지시거에 관한 기준은「도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙」에 명시되어 있으며, 해당 도로의 설계속도에 따라서 제시된 길이 이상을 전 구간에 걸쳐서 확보해야 한다.
속도와 인지·반응시간을 분석할 필요가 있는 이유는?
현재 국내에서 연구된 인지·반응시간 측정실험의 대부분은 설계속도 100km/h 이하의 일반도로에서 진행되었으며, 실험 결과 대부분의 운전자들이 2.5초 이내에 반응하였다. 그러나 해당 실험들은 고속주행상황에서 수행된 것이 아니기 때문에 100km/h 이상의 고속주행상황에서도 같은 결과가 나올지에 대한 의문이 존재한다. 이러한 이유로 고속주행 시 안전성을 확보하기 위해서는 100km/h 이상의 고속주행상황에서 속도와 인지·반응시간의 관계를 분석할 필요가 있다.
공주거리의 계산에 영향을 주는 것은?
정지시거는 반응시간 동안의 주행거리인 공주거리(Brake Reaction Distance)와 제동거리(Braking Distance)의 합으로 계산된다. 공주거리의 계산은 주로 운전자의 인적요인들 중 하나인 인지·반응시간(Perception-reaction time)에 의해서 영향을 받으며, 제동거리는 주로 도로노면(Pavement)과 타이어의 관계에 의해서 산정되는 종방향미끄럼마찰계수에 영향을 받는다.
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