[논문]조도 기반 자동차 전조등 시인 성능 평가 방법의 적정성 평가

조원범

doi:10.7855/ijhe.2017.19.6.165

조도 기반 자동차 전조등 시인 성능 평가 방법의 적정성 평가
Appropriateness Assessment of Illuminance-Based Evaluation Method in Automotive Headlight Visibility Performance 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.19 no.6 = no.86, 2017년, pp.165 - 173

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PURPOSES : The current practice in car headlight visibility performance evaluation is based on the luminous intensity and illuminance of headlight. Such practice can be inappropriate from a visibility point of view where visibility indicates abilities to perceive an object ahead on the road. This study aimed at evaluating the appropriateness of current headlight evaluation method. METHODS : This study measured the luminance of object and road surface at unlit roadways. The variables were measured by vehicle type and by headlight lamp type. Based on the measurements, the distance where drivers can perceive an object ahead was calculated and then compared against such distance obtained by conventional visibility performance evaluation. RESULTS : The evaluation method based on illuminance of headlight is not appropriate when viewed from the visibility concept that is based on object-perceivable distance. Further, the results indicated a shorter object-perceiving distance even when road surface luminance is higher, thereby suggesting that illuminance of headlight and luminance of road surface are not the representative indices of nighttime visibility. CONCLUSIONS : Considering that this study utilized limited vehicle types and that road surface (background) luminance can vary depending on the characteristics of the given road surface, it would likely go too far to argue that this study's visibility performance evaluation results can get generalized to other conditions. Regardless, there is little doubt that the current performance evaluation criterion which is based on illuminance, is unreasonable. There should be future endeavors on the current subject which will need to explore study conditions further, under which more experiments should be conducted and effective methodologies developed for evaluating automotive headlight visibility performance. Needs are recognized particularly in the development of headlight visibility performance evaluation methodology which will take into account road surface (background) luminance and luminance contrast from various perspectives as the former indicates the driver's perception of the front road alignment and the latter being indicative of object perception performance.

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문제 정의

본 연구는 자동차 전조등의 시인성능을 평가하기 위한 목적으로 자동차 전조등에 의한 장애물과 주변 노면의 휘도(이하‘배경휘도’)를 측정하기 위한 실험을 수행하였다.
본 연구는 현 조도 기반 전조등 시인성능 평가 방법론의 적정성을 검토하기 위한 목적으로 수행되었다. 이를 위해 본 연구는 무조명 도로에서 차종별, 전조등 조건별로 장애물과 해당 장애물의 배경이 되는 노면의 휘도를 측정하고 야간 장애물 인지의 기본 원리인 휘도대비를 근거로 자동차 전조등의 시인성을 평가하였으며, 이 결과를 5lx 전조등 조도를 근거로 전조등의 시인성을 평가하는 기존 방법론에 의해 도출된 결과와 비교하여 제시하였다.
이에 본 연구는 무조명 상태의 실 도로에서 측정된 차종별, 전조등 조건별 장애물과 그 배경이 되는 노면의 휘도 관계(휘도대비)에 근거하여 자동차 전조등의 시인 성능을 평가하고 현 조도 기반 전조등 성능 평가에 의한 결과와 비교하여 현 전조등 성능평가 방법의 적정성을 검토하였다.

제안 방법

본 연구는 자동차 전조등의 시인성능을 평가하기 위한 목적으로 자동차 전조등에 의한 장애물과 주변 노면의 휘도(이하‘배경휘도’)를 측정하기 위한 실험을 수행하였다. 실험은 공용 전 도로에서 수행되었으며, 자동차 전조등에 의한 장애물 및 배경휘도는 도로 조명이 모두 소등된 상태에서 휘도계(LMK5, 독일 TechnoTeam 社)를 이용하여 측정되었다. 휘도계는 국토해양부(2009)에서 정지시거 산정 시 운전자 눈높이로 규정하고 있는 1.
본 연구는 현 조도 기반 전조등 시인성능 평가 방법론의 적정성을 검토하기 위한 목적으로 수행되었다. 이를 위해 본 연구는 무조명 도로에서 차종별, 전조등 조건별로 장애물과 해당 장애물의 배경이 되는 노면의 휘도를 측정하고 야간 장애물 인지의 기본 원리인 휘도대비를 근거로 자동차 전조등의 시인성을 평가하였으며, 이 결과를 5lx 전조등 조도를 근거로 전조등의 시인성을 평가하는 기존 방법론에 의해 도출된 결과와 비교하여 제시하였다. 본 연구에서 시인성은 야간 도로 운전자의 장애물 확인 가능거리로 정의된다.
참고로 터널 조명 기준(국토교통부, 2014)에서는 터널 조명의 적정 시인성을 판단하기 위한 장애물의 반사율을 20%로 정의하고 있다. 장애물 휘도는 장애물 전면 전체의 평균휘도를, 배경휘도는 장애물 영역을 제외한 장애물 주변의 노면 평균휘도를 분석하여 활용하였다.

대상 데이터

장애물은 자동차 전방 40m~180m 거리에 20m 간격으로 전조등 조사 길이가 긴 자동차 우측에 배치되었으며, 크기 15×15m2, 반사율 20%의 종이박스가 활용되었다.
전조등은 H사의 A모델(승용차, passenger car)과 T 모델(RV)의 상향등 및 하향등을 대상으로 하였다. 두 모델의 전조등은 모두 할로겐 광원을 활용한 Multi Face Reflector 방식이다.

이론/모형

전조등은 H사의 A모델(승용차, passenger car)과 T 모델(RV)의 상향등 및 하향등을 대상으로 하였다. 두 모델의 전조등은 모두 할로겐 광원을 활용한 Multi Face Reflector 방식이다. A모델의 전조등 높이는 약 0.

성능/효과

1. A모델 하향등 조건에서 전조등 조도 기반 평가 방법과 휘도대비 기반 평가 방법을 적용하여 산정된‘장애물 확인 가능 거리’는 약 2배 정도(각각 74m,40m)의 차이가 나는 것으로 분석되었으며, 휘도대비가 시인성 평가의 기본 원리임을 고려 시 조도에 의한 전조등 시인성능 평가 방법은‘장애물 확인 가능 거리’를 근거로 한 시인성 관점에서 적정하다고 판단할 수 없다.
2. 상향등 조건의 경우 노면의 휘도가 더 높은 T 모델의 장애물 확인 가능 거리가 A 모델의 장애물 확인거리보다 더 짧으며, 따라서 노면의 휘도는 야간 도로에서의 시인성을 대표할 수 있는 지표가 아니다. 노면 휘도는 전방 선형의 인식도 및 야간 운전환경의 쾌적성 평가 지표 정도로 한정되어 활용 가능할 것으로 판단된다.
3. 본 연구에서 적용한 노면과 장애물의 휘도 관계(휘도 대비)는 정적 모의실험을 통해 도출된 결과로, 실제 야간 도로를 주행 중인 운전자의 경우 주행속도가 빨라질수록 동일 시간에 주행하는 거리가 길어지는 반면 시야가 좁아지고(멀리보지 못하고) 위험요소 확인 및 확신을 위해 소요되는 시간이 길어지는 경향이 있음을 감안 시 실제 주행환경에서 장애물 확인을 위해 요구되는 휘도대비는 더욱 커질 것이며, 따라서 현전조등에 의한 ‘장애물 확인 가능 거리’는 본 연구결과에서 제시된 것 보다 더욱 짧아질 것이다.
(2001)와Lee(2014)가 장애물을 인지하기 위해 요구되는 자동차 전조등의 최소 조도로 정의한 값이며, 5lx 등조도곡선의 최대 거리를 기준으로 장애물 확인거리를 산정할 경우 A모델 하향등의 최대 장애물 확인거리는 약 74m에 해당한다. 그러나 본 연구 결과에 따라 휘도대비를 근거로 평가할 경우 A 모델 하향등에 의한 장애물 확인거리는 약 40m(Table 3)로 해당 장애물 확인거리에서의 조도는 약 7.15lx(Fig. 8)에 해당하며, 이는 5lx 등조도곡선을 근거로 산정된 장애물 확인거리와 약 34m의 차이가 난다. 휘도대비 평가에 의한 장애물 확인거리(40m)와 전조등 조도 평가에 의한 장애물 확인거리(74m)는 각각 설계속도 40km/h와 60km/h의 도로에서 야간 안전성 확보를 위해 요구되는 최소 시인성능(정지거리)에 해당한다.
장애물 확인거리는 동일 차종을 기준으로 비교 시 장애물 및 배경의 휘도가 높은 상향등 조건이 하향등 조건에 비해 더 긴 것으로 분석되었다. 동일 전조등 조건을 기준으로 비교 시 하향등 조건에서는 장애물 및 배경의 휘도가 높은 RV의 장애물 확인거리가 승용차에 비해 더 긴 것으로 분석되었으나, 상향등 조건에서는 하향등 조건과는 반대로 장애물 및 배경의 휘도가 낮은 승용차의 장애물 확인거리가 더 긴 것으로 분석되었다. 이는 RV의 상향등 조건에서의 노면 휘도가 승용차의 상향등 조건에서의 노면 휘도보다 높아 전방 선형을 인식하기에는 유리하나, 장애물의 휘도 또한 높아 노면 및 장애물의 휘도대비가 낮아지고 이로 인해 시인성이 저하되어 상대적으로 먼 거리의 장애물 확인이 어려워짐을 의미한다.
61%가 15×15cm²의 장애물을 인식할 수 있는 최소 자동차 전조등 등조도곡선을 5lx로 제시하였다. 또한 국내에서 양산중인 승용차 5종에 대한 등조도곡선 자료를 토대로 5lx 등조도곡선이 약 60~75m에 분포됨을 제시하였다.
모든 측정 대상(장애물 1~8 및 각 장애물의 배경)의동일 지점에서의 휘도를 비교한 결과, 동일 차종에서의 상향등 조건에 의한 휘도는 하향등 조건에 의한 휘도보다 높으며, 동일 전조등 조건에서는 RV에 의한 휘도가 승용차에 의한 휘도보다 높은 것으로 분석되었다.
, 반사율 20%의 종이박스가 활용되었다. 자동차 전조등에 의한 대비 극성은 장애물이 노면보다 밝은 positive contrast 조건에 해당되며, 해당 조건에서는 장애물의 반사율이 낮아질수록 장애물 확인이 더 어려워짐을 감안 시 비교적 반사율이 낮은 장애물을 실험조건으로 선정한 것은 타당한 것으로 판단된다. 참고로 터널 조명 기준(국토교통부, 2014)에서는 터널 조명의 적정 시인성을 판단하기 위한 장애물의 반사율을 20%로 정의하고 있다.
장애물 확인거리는 동일 차종을 기준으로 비교 시 장애물 및 배경의 휘도가 높은 상향등 조건이 하향등 조건에 비해 더 긴 것으로 분석되었다. 동일 전조등 조건을 기준으로 비교 시 하향등 조건에서는 장애물 및 배경의 휘도가 높은 RV의 장애물 확인거리가 승용차에 비해 더 긴 것으로 분석되었으나, 상향등 조건에서는 하향등 조건과는 반대로 장애물 및 배경의 휘도가 낮은 승용차의 장애물 확인거리가 더 긴 것으로 분석되었다.
장애물 확인확률(p) 85%를 기준으로 분석할 경우 승용차 및 RV의 장애물 확인거리는 하향등 조건에서 각각 약 40m와 60m, 상향등 조건에서 각각 100m와 80m이며, 하향등 조건에서는 RV의 장애물 확인거리가 약 20m 길고, 반대로 상향등 조건에서는 승용차의 장애물 확인거리가 약 20m 길다. 상향등 사용에 의한 장애물 확인거리 증가는 승용차의 경우 약 60m, RV의 경우는 약 20m로 상향등 사용에 의한 장애물 확인거리 증가는 RV가 승용차보다 더 낮은 것으로 분석되었다.

후속연구

상향등 조건의 경우 노면의 휘도가 더 높은 T 모델의 장애물 확인 가능 거리가 A 모델의 장애물 확인거리보다 더 짧으며, 따라서 노면의 휘도는 야간 도로에서의 시인성을 대표할 수 있는 지표가 아니다. 노면 휘도는 전방 선형의 인식도 및 야간 운전환경의 쾌적성 평가 지표 정도로 한정되어 활용 가능할 것으로 판단된다.
서론에서 전술한 바와 같이 야간 도로에서 전방 위험물을 인지하기 위해서는 위험물의 휘도와 해당 위험물의 배경이 되는 전방 노면 휘도의 대비가 일정수준 이상 되어야 한다. 따라서, 현 자동차 전조등 성능평가 기준은 노면의 밝기, 즉 전방 선형의 변화 인지여부만을 평가하는 수준에 머물러 야간에 발생할 수 있는 위험상황 중 매우 제한적인 상황만을 회피할 수 있도록 하는 평가 기준이라는 한계가 존재하며, 반면 본 연구에서 제안한 노면-장애물 휘도대비 기반의 자동차 전조등 성능평가 방법을 적용할 경우 야간 도로에서의 횡단보행자, 야생동물, 낙하물 등 장애물의 출현을 일정수준 이상의 거리에서 인지할 수 있도록 유도하여 야간 도로를 주행하는 운전자를 포함한 전체 도로이용자의 실질적 안전을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
비록 본 연구가 제한적인 차종을 활용하여 수행되었으며, 노면의 특성에 따라 노면 휘도가 변화될 수 있음을 감안 시 본 연구에서 제시한 전조등 시인성능 평가 결과가 일반화된 결과라고 주장하기에는 다소 무리가 있다. 그럼에도 불구하고 현 조도기반 전조등 성능평가 기준이 불합리함은 확실하다.
그럼에도 불구하고 현 조도기반 전조등 성능평가 기준이 불합리함은 확실하다. 향후 노면 및 장애물 휘도에 영향을 주는 재질, 형상, 표면 거칠기, 반사율 등과 같은 물리적 조건, 최소 요구 장애물 인지 거리 등을 포함한 표준화된 측정, 평가기준을 정립하고 이와 동시에 다양한 조건에서 수집된 추가적인 추가 실험을 수행하고 이를 통해 전조등 시인성능 평가를 위한 유효한 방법론을 개발하기 위한 노력이 필요하며, 특히 전방 선형인식 관련 지표인 노면 휘도와 장애물 확인 성능 관련 지표인 휘도대비를 종합적으로 고려한 전조등 시인성능평가 방법론 개발이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시인성이란 무엇인가?	야간 도로에서는 운전자가 장애물 등 전방의 위험 상황을 감지하고 이를 회피할 수 있도록 적절한 시각 정보, 즉 시인성(visibility)이 제공되어야 한다. 시인성은‘시대상(visual target)의 존재 또는 모양이 원거리에서도 식별이 쉬운 성질`’로 정의되며, 휘도대비(luminancecontrast)가 커질수록 시인성은 커진다. 휘도대비는‘시대상과 그와 인접하는 물체의 휘도 차이 정도를 비 또는 차 등으로 나타낸 것’으로 정의된다.
	자동차 전조등의 주요 기능은 무엇인가?	그러나 무조명 구간에서는 도로 조명의 역할을 대신하는 자동차 전조등이 유일한 시인성 확보 수단이다. 자동차 전조등의 주요 기능은 주로 야간 주행 시 운전자에게 도로의 시각정보, 즉 시인성을 제공하는 것이다(R Bremond et al., 2013).
	국토해양부(2009)는 정지시거를 어떠한 거리를 합한 값으로 정의하는가?	① 운전자가 앞쪽의 장애물을 인지하고 위험하다고 판단하여 제동장치를 작동시키기까지의 주행거리(반응시간 동안의 주행거리) ② 운전자가 브레이크를 밟기 시작하여 자동차가 정지할 때까지의 거리(제동정지거리)

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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