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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 가상현실 기반의 도로주행 시뮬레이터를 통해 갈매기표지와 델리네이터 두 가지의 시선유도시설에 대한 설치효과를 검증하고, 개별 운전자(피험자) 주행행태 및 심리적 안정성을 파악함으로써 바람직한 시선유도시설의 설치기준을 제시하고자 한다.
- 운전자에게 도로의 선형 및 굴곡 정도를 인지할 수 있도록 돕는 시선유도시설의 관련 규정은 旣 수립된 바 있으나, 권장 설치기준 이외의 구간에서도 무분별하게 설치되어 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 유관 지침의 확장 필요성을 검토하고, 이를 주행안전성 측면으로 분석하기 위한 학술적 방법론을 제안하였다.
- 본 연구는 고속도로의 효율적 안전관리는 물론 도로 이용자들의 주행안전성 향상에 도움이 될 것으로 판단된다. 또한, 국토교통부의 「도로안전시설 설치 및 관리 지침」및 유관지침의 개정 시 기초자료로 충분히 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 기존 연구에서는 교통안전 시설물별 설치 지침과 이를 개정하기 위한 실험조건을 통제하는 방식으로 비교 분석이 시행되었다. 본 연구에서는 다양한 곡선반경에 대한 운전자 주행행태에 초점을 맞춰 가상주행 시뮬레이터를 활용한 도로 기하구조별 교통안전시설의 설치효과를 정량화하는 것을 연구의 주된 목표로 설정하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 시선유도시설별(갈매기표지와 델리네이터) 설치효과를 검증하기 위해 20가지 실험 시나리오를 구축하고, 피험자 30명을 대상으로 뇌파, 감속시점, 주행속도 등을 측정하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는 갈매기표지의 설치기준 및 효과를 분석· 검증하였고, 델리네이터와의 쌍대비교를 통해 운전자에게 보다 효과적인 시선유도 기능을 보이는 시설물이 무엇인지 판단하는 것을 연구의 주된 목적으로 설정하였다.
가설 설정
- 박제진 외(2008)는 운전자의 시인거리와 시각행태를 기반으로 갈매기표지의 새로운 설치기준을 제시하였다. 시인거리를 정지시거로 가정하여, 운전자의 주시영역폭을 고려함으로써 도로선형에 따라 갈매기표지 설치기준을 제시하였다. 운전자의 시각행태를 고려하지 못하는 기존의 갈매기표지 설치의 문제점과 곡선 시점부에 밀집되는 현상을 극복하기 위하여 운전자 시각행태와 평면선형 요소를 고려하여 운전자의 일관된 시인성을 유도하는 갈매기표지 설치기준을 제시하였다.
제안 방법
- 해당 연구에서 는 차량시뮬레이터를 활용하였으며, 실험은 고속도로 램프 구간에서 갈매기표지의 유무에 따라 운전자의 행동 반응, 안구 운동, 생체반응을 동시에 측정 분석하였다. 갈매기표지가 설치된 도로의 경우, 운전자는 차량 속도를 더 낮추려는 경향을 분석 결과로 제시하였다.
- 곡선반경별로 주행속도 및 감속시점을 분석하여 시선유도시설의 효과를 살펴보았다. 실제 분석에서는 운전자가 전방의 시선유도시설 혹은 곡선반경을 인지하였을 때를 감속 시점으로 해석하였다.
- 곡선부의 곡선반경별·시나리오별 가상환경 주행실험을 위해 운전자(피험자)를 선정하였으며, 운전자(피험자)는 가상현실 기반의 도로주행 시뮬레이터 실험 전 사전 주행을 통해 시뮬레이터 증후군(Simulator sickness) 유발 여부를 판별하였다.
- 셋째, 운전자의 주행패턴 및 생체신호에 관한 가상주행 시뮬 레이터 자료와 뇌파 자료를 20m 단위로 통합하여 매칭하였다. 넷째, 구축된 자료를 기반으로 운전자의 감속 시점(주행속도 편차) 및 운전자의 심리적 부하를 평가하였다. 본 연구를 수행하기 위한 연구절차는 Fig.
- 피험자가 시선유도시설물의 인지 및 반응 위치를 추적하고, 이때 피험자가 주행에 필요한 판단, 행동하는 일련의 과정 등을 분석하기 위해 뇌파, 심전도, 주행패턴 등을 주행거리 20m 간격으로 측정하였다. 두 개의 측정 장비 간에 동기화가 되어 있지 않아 실험 결과 분석 시, 시나리오별 시작시간을 기준으로 데이터 매칭을 구현하였다. 장비별로 측정된 데이터를 동기화한 후 분석지표별로 모든 피실험자의 시설 전후 300m 거리에 해당하는 값을 평균적으로 산정하였다.
- 두 시선유도시설의 설치현황을 설치기준에 비추어 살펴보았다. 두 시설의 설치기준1)에 따르면, 갈매기표지는 설계속도 100km/h 도로에서 곡선반경 550m 이하의 구간에만 설치하도록 되어 있다.
- 첫째, 갈매기표지의 설치기준 및 현황을 살펴보고, 이를 고려하여 총 20개의 시나리오를 구상하였다. 둘째, 구축된 실험시나리오를 이용하여 가상환경 주행실험을 수행하였으며, 주행실험 시 운전자의 생체 반응 분석을 위해 뇌파 측정을 병행 추진하였다. 셋째, 운전자의 주행패턴 및 생체신호에 관한 가상주행 시뮬 레이터 자료와 뇌파 자료를 20m 단위로 통합하여 매칭하였다.
- 따라서 시선유도시설 2개(델리 네이터 Ø100, 갈매기표지) 변인, 설치위치 2개(방호울 타리, 중앙분리대) 변인, 곡선반경 5개(500m 이하, 501~1,000m, 1,001~1,500m, 1,501~2,000m, 2,001~2,500m, 2,501m 이상) 변인으로 구분한 총 20 가지(2×2×5)의 시나리오를 Fig. 6과 같이 구성하였다.
- 현장에 설치 된 상태도 시설 관리 주체별로 상이하여 주행안전성이라는 측면에서 해당 기준을 재검토할 필요가 있다. 또한, 기존 연구에서는 두 가지 시설에 대한 교통안전성 측면의 효과평가를 다양한 곡선반경별로 분석한 경우가 없음을 확인하였고, 이를 바탕으로 연구의 수행목적을 정하였다.
- 또한, 모든 시나리오에 갈매기표지 혹은 델리네이터를 선택 ·반영하였으며, 두 시설이 동시에 설치되는 경우를 배제하였다.
- 본 연구의 내용은 크게 4가지 단계로 구분지어 진행 하였다. 첫째, 갈매기표지의 설치기준 및 현황을 살펴보고, 이를 고려하여 총 20개의 시나리오를 구상하였다.
- 둘째, 구축된 실험시나리오를 이용하여 가상환경 주행실험을 수행하였으며, 주행실험 시 운전자의 생체 반응 분석을 위해 뇌파 측정을 병행 추진하였다. 셋째, 운전자의 주행패턴 및 생체신호에 관한 가상주행 시뮬 레이터 자료와 뇌파 자료를 20m 단위로 통합하여 매칭하였다. 넷째, 구축된 자료를 기반으로 운전자의 감속 시점(주행속도 편차) 및 운전자의 심리적 부하를 평가하였다.
- 6과 같이 구성하였다. 시나리오 구성은 피험자가 전방의 도로구간을 예측할 수 없도록 무작위로 선정하여 배열하였다. 또한, 모든 시나리오에 갈매기표지 혹은 델리네이터를 선택 ·반영하였으며, 두 시설이 동시에 설치되는 경우를 배제하였다.
- 곡선반경별로 주행속도 및 감속시점을 분석하여 시선유도시설의 효과를 살펴보았다. 실제 분석에서는 운전자가 전방의 시선유도시설 혹은 곡선반경을 인지하였을 때를 감속 시점으로 해석하였다. 곡선구간 진입 전 시선유도시설별 감속시점을 분석한 결과, Fig.
- 시인거리를 정지시거로 가정하여, 운전자의 주시영역폭을 고려함으로써 도로선형에 따라 갈매기표지 설치기준을 제시하였다. 운전자의 시각행태를 고려하지 못하는 기존의 갈매기표지 설치의 문제점과 곡선 시점부에 밀집되는 현상을 극복하기 위하여 운전자 시각행태와 평면선형 요소를 고려하여 운전자의 일관된 시인성을 유도하는 갈매기표지 설치기준을 제시하였다.
- 이를 위해, 가상으로 구축된 도로구간 내에 갈매기표지와 델리네이터의 설치위치 및 곡선반경이 조합된 20가지 시나리오를 구상하여 운전자(피험자) 주행 실험을 통해 감속 시점(주행속도의 차이) 및 심리적 안정성을 측정하였다.
- 임준범 외(2012)는 현장 주행실험을 통해 고속주행시 운전자 불안뇌파를 분석하고 불안뇌파에 영향을 미치는 요인을 연구하였다. 주행속도와 불안뇌파와의 관계, 도로 기하구조와 불안뇌파와의 관계를 분석하였다. 연구결과를 살펴보면, 150km/h를 초과하여 주행할 경우 불안뇌파수치가 낮은 속도에 비해 증가함을 나타내고 기하구조에 따라 특히, 좌곡선과 내리막 경사에서 불안뇌파가 증가하는 경향이 있음을 나타냈다.
- 본 연구의 내용은 크게 4가지 단계로 구분지어 진행 하였다. 첫째, 갈매기표지의 설치기준 및 현황을 살펴보고, 이를 고려하여 총 20개의 시나리오를 구상하였다. 둘째, 구축된 실험시나리오를 이용하여 가상환경 주행실험을 수행하였으며, 주행실험 시 운전자의 생체 반응 분석을 위해 뇌파 측정을 병행 추진하였다.
- 운전자 조작 자료는 조향핸들, 가감속 페달, 다기능 기기 등이 있으며, 차량 주행 시뮬레이션 결과 자료는 속도, RPM, 가감속도, 위치 좌표, 차량 거동 특성 등이 구득된다. 피험자가 시선유도시설물의 인지 및 반응 위치를 추적하고, 이때 피험자가 주행에 필요한 판단, 행동하는 일련의 과정 등을 분석하기 위해 뇌파, 심전도, 주행패턴 등을 주행거리 20m 간격으로 측정하였다. 두 개의 측정 장비 간에 동기화가 되어 있지 않아 실험 결과 분석 시, 시나리오별 시작시간을 기준으로 데이터 매칭을 구현하였다.
- Yiping Wu 외(2013)는 갈매기표지에 대한 효과 및 운전자 반응에 대한 연구를 수행하였다. 해당 연구에서 는 차량시뮬레이터를 활용하였으며, 실험은 고속도로 램프 구간에서 갈매기표지의 유무에 따라 운전자의 행동 반응, 안구 운동, 생체반응을 동시에 측정 분석하였다. 갈매기표지가 설치된 도로의 경우, 운전자는 차량 속도를 더 낮추려는 경향을 분석 결과로 제시하였다.
- 해당 연구에서는 재귀반사식과 내부조명식 시선유도시설을 비교·분석한 후, 시인성 측면에서 안전한 시선유도시설물을 제시하였다.
대상 데이터
- 가상주행 시뮬레이터를 이용한 고속도로 가상환경 주행실험에서 저장 가능한 데이터는 차량주행 자료, 고속도로 기하구조 자료, 교통상황 자료, 생체신호 자료로 구성된다. 운전자 조작 자료는 조향핸들, 가감속 페달, 다기능 기기 등이 있으며, 차량 주행 시뮬레이션 결과 자료는 속도, RPM, 가감속도, 위치 좌표, 차량 거동 특성 등이 구득된다.
- 가상주행 시뮬레이터는 안전한 실험실 내에서 위급상황까지 포함하는 다양한 주행상황을 반복적으로 재현 가능하며, 모든 실험자에게 동일 상황을 설정·제공함으로써 운전 상황 변화에 따른 변수를 배제할 수 있는 장점이 있다. 본 연구는 Fig. 7과 같이 한국도로공사에서 보유하고 있는 실험 장비인 가상주행 시뮬레이터 및 BIOPAC(생체신호측정장비)를 활용하여 실험을 수행하였다.
- 가상주행 시뮬레이터를 이용한 고속도로 가상환경 주행실험에서 저장 가능한 데이터는 차량주행 자료, 고속도로 기하구조 자료, 교통상황 자료, 생체신호 자료로 구성된다. 운전자 조작 자료는 조향핸들, 가감속 페달, 다기능 기기 등이 있으며, 차량 주행 시뮬레이션 결과 자료는 속도, RPM, 가감속도, 위치 좌표, 차량 거동 특성 등이 구득된다. 피험자가 시선유도시설물의 인지 및 반응 위치를 추적하고, 이때 피험자가 주행에 필요한 판단, 행동하는 일련의 과정 등을 분석하기 위해 뇌파, 심전도, 주행패턴 등을 주행거리 20m 간격으로 측정하였다.
데이터처리
- 두 개의 측정 장비 간에 동기화가 되어 있지 않아 실험 결과 분석 시, 시나리오별 시작시간을 기준으로 데이터 매칭을 구현하였다. 장비별로 측정된 데이터를 동기화한 후 분석지표별로 모든 피실험자의 시설 전후 300m 거리에 해당하는 값을 평균적으로 산정하였다.
이론/모형
- 갈매기표지의 설치는 국토교통부의「도로안전시설 설치 및 관리 지침-시선유도시설편」(2014) 지침에 따라 도로의 갓길 우측단 방호울타리에 대형이 설치되고, 중앙분리대에는 표준형을 설치하는 원칙을 실험 시나리오에 반영하였다.
- 도로주행 중 발생하는 뇌파를 수집하고 수집된 자료를 바탕으로 도로 기하구조에 따른 변화, 주행시간에 따른 변화 등 요인을 추출하고 분석을 실시한 연구를 확인 할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서도 불안뇌파를 가상 주행 시뮬레이터 실험 분석 시에 활용하였다.
- 이와 같이 뇌파의 진폭 및 주파수의 형태에 따라 운전자의 심리적 상태를 실시간으로 파악할 수 있는 장점이 있다. 이에 본 연구에서는 곡선반경별 운전자 의 심리적 안정성을 평가하기 위해 뇌파 지표 중 편안함의 의미를 가진 RFA(Relative Fast Alpha)파 지표를 활용하였으며, 지표 산출식은 Eq. (3)과 같다.
성능/효과
- 5배 수준의 감속주행 유도가 이루어지는 것으로 분석되었다. Fig. 10과 Fig. 11에서 나타나듯이, 곡선반경 1,500m 및 2,000m 실험 분석 결과, 갈매기표지와 델리네이터 간 감속시점 및 주행속도간 차이는 미미한 것으로 분석되었다.
- 실제 분석에서는 운전자가 전방의 시선유도시설 혹은 곡선반경을 인지하였을 때를 감속 시점으로 해석하였다. 곡선구간 진입 전 시선유도시설별 감속시점을 분석한 결과, Fig. 8과 같이 곡선반경 500m 실험에서 두 시설로 인한 감속시점의 위치가 유사하게 나타나는 것으로 확인되었다. Fig.
- 12 및 Table 4에 제시된 바와 같이 곡선반경 500m 및 1,000m 좌곡선 구간에서 갈매기표지와 델리네이터가 설치된 경우를 비교 분석한 결과, 통계적으로 유의미한 차이가 관측되었다. 곡선반경 500m인 곡선부에서는 갈매기표지가 설치된 경우, 델리네이터 설치 대비 주행속도 표준편차가 41.1% 이하로 감소하는 결과를 보이며, 곡선반경 1,000m인 곡선부에서는 64.5%로 감소하는 결과를 나타낸다. 보다 적은 주행속도 표준편차는 완만한 감속 패턴을 의미하여 주행안전성이 확보되는 것으로 해석할 수 있다.
- 곡선반경별 RFA파 지표를 분석한 결과, Fig. 14와 같이 좌곡선 및 우곡선 모두 델리네이터가 설치된 구간보다 갈매기표지가 설치된 구간에서 피험자의 집중도 뇌파가 상대적으로 낮게 표출되어 심리적으로 안전성을 느끼고 있는 것으로 분석되었다.
- 곡선부 진입구간에서의 감속시점 및 주행속도 표준편차를 분석한 결과, 곡선반경 1,000m 이하인 좌곡선 구간에서는 갈매기표지가 보다 안정적인 감속을 유도하는 것으로 분석되었다.
- 야간에 운전자는 시선유도시설이 설치된 경우 도로선형 인지에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 직선구간에서는 표지병보다 델리네이터의 인지 거리가 길고 곡선부에서는 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 갈매기표지는 곡선부에서 인지거리가 가장 큰 것으로 나타났으며, 표지병은 인지거리와 측방위치에서 큰 차이를 보이지 않았다.
- 또한, 2013년 연구로 상이한 설계속도에 따른 운전자의 β파2) 를 시뮬레이터 실험을 통해 분석한 결과, 불안뇌파가 증가하는 시점 속도를 통계적으로 검정하여 실제 도로를 주행할 때 불안뇌파 증가시점보다 약 30km/h 높게 나타남을 확인하였다.
- 본 연구의 실험 결과에 따르면 갈매기표지 설치기준의 최대 곡선반경을 1,000m까지 연장시킬 수 있을 것 으로 판단하였다. 가상주행 시뮬레이터 실험의 곡선반 경을 0m부터 500m 단위로 실험을 진행하였는데 100m 단위로 실험을 진행하여 최적 최대 곡선반경을 도출할 필요가 있으며, 이에 대한 추가적인 분석이 수행되어야 할 것이다.
- 김주영 외(2011)는 운전자의 심리생리적 특성을 파악하고자 뇌의 뇌파신호를 이용하여 현장 주행실험과 시뮬레이션 실험을 수행하였다. 시뮬레이터 효과는 현장 주행실험 계측치와 약 10% 이내의 차이를 보이는 것을 고려할 때, 현장 주행실험치와 10% 이내의 차이를 보이는 시뮬레이터 주행실험치의 90% 범위값이 운전자의 특성으로 적정한 것으로 분석하였다.
- 시선유도시설의 설치현황을 살펴본 결과, 대다수의 갈매기표지가 현행 설치기준에 어긋나는 규정으로 설치 및 관리되고 있는 것으로 확인되었다. 이에 따라 본 연구에서는 갈매기표지의 설치기준 및 효과를 분석· 검증하였고, 델리네이터와의 쌍대비교를 통해 운전자에게 보다 효과적인 시선유도 기능을 보이는 시설물이 무엇인지 판단하는 것을 연구의 주된 목적으로 설정하였다.
- 해당 연구에서는 재귀반사식과 내부조명식 시선유도시설을 비교·분석한 후, 시인성 측면에서 안전한 시선유도시설물을 제시하였다. 실험 결과, 전반적으로 재귀반사식보다 내부조명식 시선유도시설의 밝기에 대한 시인성, 속도감속 필요성, 안전성이 더 좋은 것으로 나타나 해당 형태가 도로선형에 대한 정보를 더 효과적으로 제공하는 것으로 분석되었다.
- 전우훈 외(2006)는 운전자의 행태를 통한 시선유도시설의 효과를 검증하고, 도로의 기하구조에 따라 어떤 시선유도시설의 효과가 우수한지에 대해 그 결과를 제시하였다. 야간에 운전자는 시선유도시설이 설치된 경우 도로선형 인지에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 직선구간에서는 표지병보다 델리네이터의 인지 거리가 길고 곡선부에서는 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 갈매기표지는 곡선부에서 인지거리가 가장 큰 것으로 나타났으며, 표지병은 인지거리와 측방위치에서 큰 차이를 보이지 않았다.
- 주행속도와 불안뇌파와의 관계, 도로 기하구조와 불안뇌파와의 관계를 분석하였다. 연구결과를 살펴보면, 150km/h를 초과하여 주행할 경우 불안뇌파수치가 낮은 속도에 비해 증가함을 나타내고 기하구조에 따라 특히, 좌곡선과 내리막 경사에서 불안뇌파가 증가하는 경향이 있음을 나타냈다. 또한, 2013년 연구로 상이한 설계속도에 따른 운전자의 β파2) 를 시뮬레이터 실험을 통해 분석한 결과, 불안뇌파가 증가하는 시점 속도를 통계적으로 검정하여 실제 도로를 주행할 때 불안뇌파 증가시점보다 약 30km/h 높게 나타남을 확인하였다.
- 이상의 결과를 종합해보면, 갈매기표지는 곡선반경 1,000m 곡선부까지 매우 효과적인 것으로 나타난다. 운전자의 감속을 유도하고 곡선반경에 대해 인지하도록 돕는 갈매기표지는 실험 결과를 통해 기존 곡선반경 550m이하 구간에서 적용 범위를 넓혀 1,000m까지 확대할 필요가 있음을 권고할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 결과를 종합해보면, 갈매기표지는 곡선반경 1,000m 곡선부까지 매우 효과적인 것으로 나타난다. 운전자의 감속을 유도하고 곡선반경에 대해 인지하도록 돕는 갈매기표지는 실험 결과를 통해 기존 곡선반경 550m이하 구간에서 적용 범위를 넓혀 1,000m까지 확대할 필요가 있음을 권고할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 분석결과를 종합해 보면, 갈매기표지는 100km/h 의 주행속도시 곡선반경 550m 이하인 구간에 설치되도록 규정하고 있으나, 델리네이터에 비해 갈매기표지의 효과를 비교·분석해 보았을 때, 곡선반경 1,000m 구간에서도 운전자의 주행안전성을 제고하는 것으로 분석되었다.
- 피험자의 뇌파를 분석한 결과, 좌/우곡선 및 곡선반경과 상관없이 갈매기표지가 델리네이터에 비해 보다 우수한 주행안전성을 제공하는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구의 실험 결과에 따르면 갈매기표지 설치기준의 최대 곡선반경을 1,000m까지 연장시킬 수 있을 것 으로 판단하였다. 가상주행 시뮬레이터 실험의 곡선반 경을 0m부터 500m 단위로 실험을 진행하였는데 100m 단위로 실험을 진행하여 최적 최대 곡선반경을 도출할 필요가 있으며, 이에 대한 추가적인 분석이 수행되어야 할 것이다. 또한, 본 실험은 다양한 주행환경에 따라 추가 실험을 진행할 필요가 있다.
- 도로주행 중 발생하는 뇌파를 수집하고 수집된 자료를 바탕으로 도로 기하구조에 따른 변화, 주행시간에 따른 변화 등 요인을 추출하고 분석을 실시한 연구를 확인 할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서도 불안뇌파를 가상 주행 시뮬레이터 실험 분석 시에 활용하였다.
- 본 연구는 고속도로의 효율적 안전관리는 물론 도로 이용자들의 주행안전성 향상에 도움이 될 것으로 판단된다. 또한, 국토교통부의 「도로안전시설 설치 및 관리 지침」및 유관지침의 개정 시 기초자료로 충분히 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 가상주행 시뮬레이터 실험의 곡선반 경을 0m부터 500m 단위로 실험을 진행하였는데 100m 단위로 실험을 진행하여 최적 최대 곡선반경을 도출할 필요가 있으며, 이에 대한 추가적인 분석이 수행되어야 할 것이다. 또한, 본 실험은 다양한 주행환경에 따라 추가 실험을 진행할 필요가 있다.
- 또한, 시뮬레이터 실험 대상으로 야간 환경에서 LED 점멸형 갈매기표지, 고속도로 유지관리 작업장 전용 갈매기표지 등 보다 다양한 시선유도시설을 대상으로 효과평가를 시행한다면 연구결과의 신뢰성 확보가 가능할 것이다.
- 본 연구의 주행행태 실험은 20∼40대의 운전노출도가 높은 피험자를 대상으로 실험한 것으로, 향후 분석 결과의 일반화를 위한 추가실험이 필요하다.
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