1. 서 론
2. AEBS 작동 및 한계 실험
2.1. 실험 차량 및 환경
2.2. 실험 결과
2.3. CCRs 오버랩 기준 초과
3. Prescan을 활용한 AEBS 작동 시뮬레이션
3.1. CCRs 100%
3.2. EuroNCAP 기준 오버랩 초과
4. ADAS 차량의 사고 재현 시뮬레이션
4.1. 사고 개요
4.2. 사고 영상 및 EDR 분석
4.3. 사고 재현 시뮬레이션
5. 결 론
1. 서 론
최근 차량 기술은 자율주행을 향해 급격히 발전해 나아가고 있으며, 이러한 흐름 가운데 자율주행 기술 단계 중 레벨 0부터 레벨 2에 해당하는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance System)이 장착된 차량이 널리 보급되고 있다.(1,2) ADAS의 여러 기능 중 교통사고 분석과 가장 밀접한 관계에 있는 기능이 AEBS (Autonomous Emergency Braking System)이다. AEBS는 긴급 시 차량 시스템이 자동으로 제동장치를 작동하여 전방의 다른 차량 또는 보행자 등과의 충돌을 회피하거나 경감시키는 역할을 하는 능동 안전 시스템이다.
AEBS 기능의 사고 발생률 감소 효과가 여러 연구 기관에서 검증(3,4)됨에 따라 2019년 2월 유엔 유럽경제위원회(UNECE, United Nations Economic Commission for Europe)의 자동차 기준 조화 포럼(WP29) 산하 자동/자율·커넥티드 차량 실무그룹(GRVA)에서 유럽연합(EU), 한국, 일본 등 총 40개국에서 생산하는 차량에 AEBS 기능 탑재 의무화에 합의하였으며, 그에 따른 결과로 2022년도부터 AEBS 장착 의무화 대상이 모든 차종(초소형차 제외)으로 확대되었다. 이로 인해 AEBS 기능이 장착된 차량의 보급이 지속해서 증가할 것으로 예상되며, 향후 AEBS 기능과 관련된 사고 분석 수요 또한 함께 증가할 것으로 사료된다. 기존에는 교통사고 분석 시 운전자 관점에서 충돌 위험을 운전자가 인지하고, 제동 페달을 밟아 정지하였더라면 사고를 회피할 수 있었는지에 주안점을 두었다면 ADAS 차량의 경우에는 AEBS 기능이 정상적으로 작동되었다면 사고를 회피할 수 있었는지, AEBS 기능이 정상적으로 작동되지 않은 이유는 무엇인지에 대한 추가적인 검토가 필요하다.
최근 교통사고 분석에 활용할 목적으로 AEBS와 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. Choi 등은 교통사고 분석 프로그램인 PC-Crash에서 레이더 감지 각도에 따른 AEBS의 충돌 회피 여부를 연구하였다.(5) Baek 등은 PC-Crash에서 레이다 기반으로 구동 가능한 AEBS 시뮬레이션 모델을 개발하였다.(6) Kim 등은 실차 실험을 통해 TTC(Time to Collision)에 따른 AEBS 작동 시퀀스 데이터를 취득하였으며, AEBS 시뮬레이션 로직에 적용함으로써 실차의 AEBS 작동 성능과 매우 유사한 시뮬레이션을 할 수 있는 실차 실험 데이터 기반의 AEBS 작동 시뮬레이션 기법을 제안하였다.(7) 또한 Kim 등은 실제 교통 상황에서 충분히 발생될 수 있는 상황들에 대해 AEBS의 작동 한계 특성을 실험을 통해 파악함으로써 교통사고 분석 시에 이러한 특성을 고려할 것을 제안하였다.(8)
이러한 선행 연구들을 바탕으로 본 연구에서는 실제 ADAS 차량의 사고 분석에 AEBS에 대한 사고 재현 시뮬레이션을 수행하는 전반적인 과정에 대해 제안하고자 하였다. 사고 차량과 동일한 차종에 대해 AEBS 실험을 통해 AEBS의 작동 한계 특성을 파악하였으며, 실차 실험 데이터에 기반한 AEBS 작동 시뮬레이션을 실제 ADAS 차량의 사고 분석에 활용함으로써 AEBS의 미작동 원인에 대해 밝히고자 한다.
2. AEBS 작동 및 한계 실험
2.1. 실험 차량 및 환경
실험 차량으로는 Fig. 1과 같이 전기자동차로 대중성과 판매량이 높은 아이오닉5 2021년식을 선정하였으며, AEBS 기능을 기본적으로 탑재한 모델이다. AEBS 실험은 지능형자동차부품진흥원(KIAPI)의 PG(Proving Ground) 중 범용로에서 수행하였고, AEBS의 가장 기본적인 작동 특성을 파악하기 위해 EuroNCAP의 AEBS C2C Test Protocol에서 CCRs(Car-to-Car Rear stationary)를 진행하였다. EuroNCAP 시험 기준을 맞추기 위해 타겟 차량으로 GVT(Global Vehicle Target)를 활용하였으며, 실험 차량과 GVT 간의 오버랩(Overlap), 실험 차량의 주행 경로 및 속도 등을 정확히 제어할 수 있도록 EuroNCAP 인증 장비인 조향 로봇, 가속·제동 페달 로봇 및 DGPS/IMU를 활용하였다.
2.2. 실험 결과
EuroNCAP의 CCRs에서 평가하는 속도의 범위는 10~50 km/h이며, 오버랩의 범위는 -50%에서 +50%까지이다. 오버랩은 GVT와 실험 차량 간 차량의 폭이 얼마나 중복되는가를 의미하며, CCRs 100%는 오버랩 100%에서의 CCRs 시나리오를 의미한다.(9) 실험 차량의 속도를 10 km/h에서 충돌 속도까지 기본 5 km/h 단위로 증가시키면서 3회씩 반복하였고, 충돌 시에는 1회만 진행하였다. AEBS 작동 시 FCW(Forward Collision Warning) 작동 후 부분 제동 및 완전 제동의 시퀀스로 작동되며, 상대속도에 따른 AEBS 작동 TTC 시점을 평균 내어 Table 1과 Fig. 2에 정리하였다.
Table 1.
AEBS operating TTC & result of CCRs 100%
EuroNCAP AEBS 시험 기준에 해당되는 오버랩 범위 내에서의 AEBS 작동 특성이 동일한 지 여부를 확인하고자 오버랩 75%와 50%에 대해서 속도 30, 40, 50 km/h에 대해 각각 1회씩 실험을 진행한 결과를 Table 2와 Fig. 3에 정리하여 나타내었으며, 결과에서 알 수 있듯이 유사하게 나타남을 알 수 있다.
Table 2.
AEBS operating TTC & result of CCRs 100%, 75%, 50%
2.3. CCRs 오버랩 기준 초과
EuroNCAP의 기준 오버랩을 초과하는 범위에서 AEBS 작동 특성이 어떻게 달라지는지를 확인하고자 오버랩 45%부터 5% 단위로 실험을 진행하였으며, Table 3에 나타낸 바와 같이 오버랩 25%에서 FCW는 작동하나, AEBS가 작동되지 않거나 뒤늦게 작동하면서 충돌이 발생할 수 있음을 알 수 있다.
Table 3.
AEBS operating TTC & results according to CCRs overlap criteria excess
3. Prescan을 활용한 AEBS 작동 시뮬레이션
본 연구에서는 ADAS 차량 시뮬레이션 프로그램인 SIEMENS 사의 Prescan을 활용하였다. Prescan에서는 다양한 ADAS 기능들에 대한 시뮬레이션 환경을 제공하고 있으며, Fig. 4와 같이 MATLAB Simulink 기반으로 ADAS 기능의 기본적인 구동 로직을 갖추고 있다.(7) Prescan의 기본적인 AEBS 로직에 실차 실험을 통해 얻은 차량별 AEBS 작동 시퀀스 및 제동 특성을 반영하고, 레이다와 카메라 간의 센서 퓨전을 적용하였다.
3.1. CCRs 100%
아이오닉5 2021년식에 대해 Fig. 5와 같이 Prescan AEBS 시뮬레이션을 진행하였으며, 제동 최대 압력은 150 bar(제동승압시간 200 ms), 부분제동은 최대 압력의 40%인 약 60 bar(제동승압시간 150 ms)를 적용하였다. AEBS 실차 실험 결과와 Prescan AEBS 시뮬레이션 결과를 비교해보면 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 TTC, 속도 그래프, 가속도 그래프의 경향이 서로 매우 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. Table 4에서 알 수 있듯이 AEBS 실차 실험과 동일하게 70 km/h에서 자차와 GVT 간의 충돌이 발생하였고, 이때 충돌 속도 또한 AEBS 실차 실험에서의 편차가 4.1 km/h로 유사한 것을 알 수 있다. 또한, 정지 상태에서 GVT와의 거리는 실차 실험과 시뮬레이션 결과에서의 편차가 최대 약 0.2 m로 유사한 것을 알 수 있다.
Table 4.
Comparison of stop distance and collision speed
3.2. EuroNCAP 기준 오버랩 초과
AEBS 작동 한계 실험에서 EuroNCAP 기준 오버랩을 초과하는 범위에서 AEBS의 정상 작동 여부를 확인하였으며, 실험 차량 중 아이오닉5 2021년식은 오버랩 25% 이하에서부터 FCW는 작동하였으나, AEBS가 작동하지 않았다. 이와 같은 아이오닉5 2021년식의 AEBS 작동 한계 특성을 반영하고자 Fig. 7과 같이 오버랩에 따른 AEBS 작동 시뮬레이션을 진행하였다.
오버랩에 따른 AEBS 작동 시뮬레이션 결과에서 레이다 및 카메라의 횡방향 거리 데이터를 Fig. 8에 나타내었으며, 레이다 센서보다 카메라 센서의 횡방향 거리 데이터 변화가 상대적으로 적게 나타남을 알 수 있다. 이에 따라 카메라 센서의 횡방향 거리 데이터를 토대로 기준값(1.03 m)을 설정하여 오버랩 25% 이하에서 AEBS가 작동되지 않도록 적용할 수 있다. 기준값이 적용된 AEBS 작동 시뮬레이션 결과를 Fig. 9에 나타내었으며, 오버랩의 감소로 카메라 센서의 횡방향 거리 데이터가 기준값을 초과하게 되면 전방 차량을 MIO(Most Important Object)로 점차 인식하지 못하면서 오버랩 25% 이하에서 AEBS가 정상적으로 작동되지 않는 것을 알 수 있다.
4. ADAS 차량의 사고 재현 시뮬레이션
AEBS 시뮬레이션 기법을 실제 ADAS 차량의 사고 분석에 적용함으로써 활용성을 검증하고, AEBS 기능이 정상 작동하였더라면 사고를 피할 수 있었는지와 작동되지 않은 원인에 대해 밝혀내고자 하였다.
4.1. 사고 개요
2022년 8월 24일 01시 45분경 경상북도 칠곡군 소재 고속도로상에서 아이오닉5(2022년식)가 1차로를 따라 주행 중 오른쪽 차선을 넘어 2차로에서 주행하던 트레일러의 후미 좌측 부분을 추돌한 사고이다. 감정물로 제시된 아이오닉5는 Fig. 10과 같이 우측 앞바퀴 부분이 차체로부터 이탈되고, 우측 앞부분이 후방으로 밀려 있는 상태이다.
4.2. 사고 영상 및 EDR 분석
아이오닉5는 전면 유리 중앙 상단에 빌트인 캠이 장착된 모델로 초당 약 30 프레임의 사고 영상이 Fig. 11과 같이 녹화되어 있으며, 아이오닉5가 1차로를 따라 주행 중 2차로 쪽으로 점차 이동되면서 트레일러의 후미 좌측 부분과 오프셋 충돌하는 상황이 확인된다. 사고 영상에서 아이오닉5가 정상적으로 도로를 따라 주행하고 있는 상황에서 영상의 정중앙에 가상의 세로 선을 그으면 차로 폭(약 3 m)의 중앙 지점에 위치하고, 가상의 세로 선을 기준으로 아이오닉5가 트레일러를 추돌하기 직전까지 이동한 거리를 구하면 약 0.9 m이며, 사고 순간의 아이오닉5와 트레일러 간의 오버랩은 Fig. 12와 같이 아이오닉5 차폭의 25%를 넘지 않는다.
아이오닉5에는 사고기록장치(EDR, Event Data Recorder) 기능이 탑재되어 있어 Fig. 13과 같이 충돌 시점부터 충돌 5초 전까지의 주행 기록이 남겨져 있으며, 아이오닉5의 속도는 129 km/h, 가속페달 변위량은 0%, 제동페달 작동 여부는 OFF, 조향핸들 각도는 0°를 유지한 것으로 기록되어 있다.
AEBS에 대한 데이터는 Fig. 14와 같으며, 충돌 시점부터 충돌 5초 전까지 아이오닉5의 AEBS는 ‘ON’ 상태로 고장 정보는 ‘정상’이며, 경고 단계는 ‘미경고/시스템 고장 혹은 신호 미수신’으로 기록되어 있다. 이는 사고 당시 AEBS 기능은 켜져 있는 상태이었으나, 충돌 전 운전자에게 어떠한 경고도 주지 않았고, AEBS 기능 또한 작동되지 않았음을 의미한다. 따라서 EDR에 기록된 데이터만으로는 사고 당시 AEBS가 작동되지 않은 원인을 알 수 없고, 또한 정상적으로 AEBS가 작동되었다면 사고를 회피할 수 있었는지를 알 수 없다.
4.3. 사고 재현 시뮬레이션
Prescan을 활용하여 사고 차량인 아이오닉5 2022년식과 동일한 모델의 실험 차량인 아이오닉5 2021년식에 대한 AEBS 작동 및 한계 특성을 AEBS 시뮬레이션 로직에 반영하여 100% 오버랩 상황과 사고 영상을 토대로 한 사고 상황에 대해 각각 AEBS 작동 시뮬레이션을 수행하였다. 아이오닉5는 EDR에 기록된 주행 정보를 토대로 약 130 km/h로 등속 주행하고, 트레일러는 제한 속도에 해당되는 90 km/h로 등속 주행하는 조건으로 시뮬레이션 환경을 구성하였다. 우선 100% 오버랩 상황에서는 Fig. 15와 같이 아이오닉5의 AEBS가 정상적으로 작동되어 충돌되지 않는 것을 확인할 수 있다. 사고 상황과 같은 오버랩 25% 이하인 상황에서는 Fig. 16과 Fig. 17에서 알 수 있듯이 아이오닉5의 오버랩 한계 초과로 인하여 카메라 센서의 횡방향 거리 데이터가 기준값을 초과함에 따라 AEBS가 전혀 작동되지 않아 감속 없이 약 130 km/h의 속도를 유지한 채 트레일러를 추돌함을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 ADAS 차량의 사고 분석 시 AEBS에 대하여 실차 실험 데이터를 기반으로 한 사고 재현 시뮬레이션 기법을 제안하였다. AEBS 시뮬레이션을 위해 본 연구에서 진행한 프로세스는 4단계로 다음과 같다.
1) EuroNCAP AEBS 시험 시나리오 중 가장 기본적인 CCRs 시나리오로 속도에 따른 AEBS 작동 TTC 시점을 데이터베이스화하였다. 아이오닉5의 경우 AEBS 작동 시 FCW, 부분 제동, 완전 제동이 순차적으로 TTC 기준에 의해 작동되며, EuroNCAP 속도 기준인 50 km/h를 뛰어넘는 70 km/h에서 충돌이 발생하였다.
2) EuroNCAP AEBS 시험 기준 오버랩 범위를 초과할 때 한계 특성을 시험하였다. 아이오닉5의 경우 EuroNCAP 오버랩 범위 내에서의 AEBS 작동 특성은 매우 유사하며, 오버랩 25%에서부터 AEBS가 정상적으로 작동되지 않음을 알 수 있다.
3) ADAS 차량 시뮬레이션 프로그램인 Prescan의 AEBS 로직에 실차 실험을 통해 얻은 AEBS 작동 시퀀스 데이터, 제동 특성 그리고 AEBS 작동 오버랩 한계 특성을 적용함으로써 시뮬레이션에 실차와 유사한 AEBS 작동 특성을 반영하였다. 실차 AEBS 실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교할 때, 충돌 여부, 최종 정차 시 타겟 차량과의 거리, 충돌 속도 등이 유사하게 나타남을 확인하였다.
4) 시뮬레이션 상에 가상 환경을 ADAS 차량의 사고 상황과 유사하게 묘사하고, EDR 데이터를 토대로 주행 조건 및 충돌 상황을 재현하여 AEBS의 정상 작동 여부와 미작동 원인에 대한 분석을 진행하였다. 아이오닉5 사고의 경우 아이오닉5의 오버랩 한계 초과로 인해 AEBS가 작동되지 않아 사고가 발생하였을 가능성이 있음을 확인하였다.
본 연구에서 제안한 AEBS 사고 재현 시뮬레이션을 통해 ADAS 차량에 대한 교통사고 분석 시 AEBS에 대한 과학적인 분석이 가능하며, 향후 우회전 또는 좌회전 주행 상황, 악천후 상황, 터널 출구 역광 상황 등 다양한 환경에 대해서도 AEBS 작동 한계 특성에 대해서도 지속적으로 연구를 진행함으로써 AEBS 시뮬레이션 기법의 정확성 및 신뢰성을 확보해나갈 계획이다.
