Development of Strategic Driving Models for Self-Driving Vehicle based on Road Topography

Abstract

2011년 교통부문 온실가스 배출량은 85.04백만tonCO2eq이며 도로에서 발생한 온실가스 배출량은 95% 비율을 차지한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 국토교통부는 2020년까지 교통부문 온실가스 배출량의 34% 감축을 목표로 설정하였다. 급가속 회피, 경제속도 준수 등 에코드라이빙 교육 및 홍보를 적극적으로 지원하고 있으나 실질적인 배출량 감축기술은 미비한 실정이다. 따라서 온실가스 배출량 감축 목표 달성에 기여할 수 있는 실질적인 차량제어 연구가 필요하다. 본 연구의 목적은 전방의 도로지형을 미리 파악하여 도로지형 별 최적운행전략 모형을 개발하고자 한다. 본 연구에서 종단구간과 곡선구간에서 연료 효율적인 주행을 위한 최적운행전략을 제시하고자 하였다. 첫째, 종단구간에 대한 최적운행전략의 기초 연구로써 차량이 오르막 주행 시 연료소모를 감축할 수 있는 방안을 모색하였다. 경사도 조건을 달리하여 도로지형을 생성하였다. 초기속도, 목표속도, 가속도 범위를 설정하고 속도 프로파일을 생성하였다. 각 속도 프로파일을 Comprehensive Model Emission Model에 적용하여 연료소모량을 산정하였다. 경사도 별 연료소모량이 최소인 가속도를 도출하고 최적 가속도 모형을 개발하였다. 둘째, 차량이 오르막 지형을 주행 시 차량의 주행모드 별 연료소모량을 분석하였다. 평지, 오르막, 평지 순으로 구성된 도로지형을 생성하였다. 차량의 주행모드 별 시나리오를 설정하였다. 시나리오 별 속도 프로파일을 생성하여 연료소모량을 산정하였다. 연료소모가 최소인 최적주행모드, 속도변화량을 도출하였다. 도출된 결과를 기반으로 최적주행 시 소모된 연료소모량과 Cruise Control 주행 시 소모된 연료소모량을 비교분석하였다. 차량의 초기속도가 100 km/h일 때 최적 주행 시 소모된 연료소모량이 cruise control 주행 시 소모된 연료소모량 보다 평균 41.8% 절감되는 것으로 분석되었다. 초기속도가 90 km/h와 80 km/h일 때 최적주행의 연료소모량이 일반주행의 연료소모량보다 각각 40.5%, 11.4% 감축효과가 나타나는 것으로 분석되었다. 셋째, 차량이 오르막, 내리막 주행 시 연료소모를 절감할 수 있는 주행모드를 분석하고 종단지형에 대한 최적운행전략모형을 개발하였다. 구간 별 주행모드를 다르게 설정하여 시나리오를 구성하였다. 시나리오 별 속도프로파일을 생성하고 연료소모량을 산정하였다. 분석 결과, 평지에서 등속으로 주행하다가 오르막에서 감속하고 내리막에서 가속하는 주행행태가 연료소모량이 가장 적게 소모되는 것으로 나타났다. 속도, 경사도에 따라 연료소모가 최소화되는 가속 및 감속할 수 있는 속도변화량을 도출하고 최적운행전략 모형을 개발하였다. 개발한 최적운행전략 모형을 검증하기 위해 차량에 GPS 수신장비를 장착하여 데이터를 수집하였다. GPS 수신장비에 기록된 속도, 고도 등 데이터를 결측처리 및 평활화 기법을 통해 보정하였다. 전처리 과정을 수행한 데이터를 활용하여 오르막, 내리막으로 구성된 34개의 고속도로 구간을 추출하였다. 34개 구간을 대상으로 최적운행전략에 의해 제어 주행상황과 일반 주행상황을 비교분석하였다. 최적운행전략에 의해 제어 시 연료소모량은 일반주행의 연료소모량보다 19.9% 적게 소모되었다. 최적운행전략의 CO2, CO, HC, NOx 배출량은 각각 16.7%, 90.5%, 82.7%, 73.3% 감축효과가 나타나는 것으로 분석되었다. 마지막으로 곡선구간을 연료 효율적으로 주행하기 위한 최적운행전략 모형을 개발하였다. 원곡선 길이, 편경사 등 곡선도로의 속성을 랜덤으로 추출하여 다양한 곡선구간을 생성하였다. 본 연구에서 차량이 곡선도로를 안전하게 주행하기 위해 안전속도까지 감속하여 원곡선 구간에 진입하도록 차량을 제어하였다. 구간 별 차량의 주행모드, 감속 및 가속정도에 따라 속도 프로파일을 각각 생성하여 연료소모량을 산정하고 분석하였다. 분석 결과, 연료소모가 최소화되는 최적운행전략은 다음과 같다. 차량이 안전속도까지 감속하여 원곡선 구간에 진입한 후 등속으로 주행하다가 원곡선 끝나는 지점부터 초기속도로 회복하는 주행행태가 연료소모량이 최소화되는 것으로 분석되었다. 내측 및 외측, 곡선반경, 편경사를 고려하여 연료소모가 최소화되는 감속길이 및 가속길이 모형을 개발하였다. 개발된 모형이 타당한지 입증하기 위해 검증하였다. 개발된 모형에 의해 제어 시 소모된 연료소모량과 일반운전 시 소모된 연료소모량을 비교 분석하였다. 개발된 모형에 의해 제어 시 일반운전에 비해 연료소모량이 평균 10.5% 적게 소모되었다. CO2, CO, HC, NOx의 배출량의 평균 감축률은 각각 8.2%, 67.4%, 58.5%, 44.5%로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 개발한 최적운행전략모형이 향후 자율주행차량에 적용된다면 도로부문 에너지 소비량 및 온실가스 배출량을 감축하여 경제적 손실을 예방할 수 있을 것으로 기대된다. 최적운행전략에 의해 제어하는 자율주행차량의 시장점유율이 60%일 경우, 종단구간과 곡선구간에서 연료비용은 각각 연간 878,511,541원, 309,779,132원 절감할 수 있을 것으로 판단된다.