1. 서 론
2. 본 론
2.1. 릴렉스 자세 평가 조건
2.2. 릴렉스 자세 슬레드 시험
2.3. 릴렉스 자세 슬레드 조건 시뮬레이션
2.4. 릴렉스 자세 조건의 시험-시뮬레이션 비교 분석 및 제안
3. 결 론
1. 서 론
기존 충돌 평가 시 승객의 자세는 정상 착좌 자세 위주로 평가되고 최적화되어 있으나 최근 자율주행 기술의 발달로 인하여 차량 내 승객의 자세는 정상 착좌 자세뿐만 아니라 다양한 자세의 평가가 필요해졌다. 이러한 추세를 반영하여 릴렉스 자세에 대한 다양한 승객 상해 평가 관련 연구를 진행중이며, 각 지역별 신차안전도평가(NCAP)에서도 릴렉스 자세에 대한 상해 평가 연구를 버추얼 평가로 도입하기 위하여 진행중이다. 그 중 한국과 중국은 정면 릴렉스 자세에 대한 승객 상해 평가를 버추얼 평가로 시행하는 계획을 발표하였다.
중국은 중국 신차안전도평가(이하 CNCAP) 가상 평가 내용 및 계획에서 2027년 이후 평가 도입을 예고하였고 한국은 한국 신차안전도평가(이하KNCAP) 자동차안전도평가시험 등에 관한 기술규정에서 릴렉스 자세에 대한 평가 규정을 2029년 이후부터 평가하겠다고 예고하였다.
릴렉스 자세와 관련된 연구로는 측면 충돌 시 릴렉스 자세 인체모델과 더미의 거동 및 상해 특성을 비교한 연구가 있었고(1) 정면 충돌 시 릴렉스 자세 승객의 거동 및 상해를 비교한 연구 결과가 있었다.(2) CNCAP은 가상 평가 내용 및 계획에서 시트백 각도 25도, 45도, 60도에 따른 정면 충돌 시뮬레이션 상해 결과를 발표하였고(3) KNCAP은 탑승자의 정면 충돌 유형에 따른 상해 특성 평가 연구를 진행하였고 릴렉스 자세 고정벽 정면 충돌 유형에서 가장 큰 상해가 발생한다는 것을 확인하였다.(4) 이러한 연구 결과를 바탕으로 KNCAP은 편이자세라는 릴렉스 자세의 정면 충돌 항목을 신설하고 시행하기 위한 연구 중이다.(5)
이전 연구들은 릴렉스 자세에 대한 상해 가혹도와 상해 유형을 기반으로 진행된 결과가 대부분이고 버추얼 평가의 기본 요건인 시험과 시뮬레이션 간의 정합성 연구는 진행되지 않았다. 본 연구는 릴렉스 자세에 대한 시뮬레이션이 시험을 대체할 수 있는 수준인지를 확인하기 위해서 구체적인 평가 방법이 공개되어 있는 KNCAP의 릴렉스 자세 평가를 기준으로 승객 상해의 시험과 시뮬레이션 정합성 검증을 진행하고 나아가서 평가 방법 및 항목에 대하여 제안하고자 한다.
2. 본 론
2.1. 릴렉스 자세 평가 조건
본 연구에서는 릴렉스 자세 평가 중 구체적인 시험 조건과 평가 기준이 공개되어 있는 KNCAP 릴렉스 자세를 기반으로 검증을 진행하고자 한다. KNCAP 릴렉스 자세 평가는 2029년 이후 평가를 목표로 검토 중이며, 공인 평가 30일 전까지 검증용 충돌 모드와 평가용 충돌 모드에 대한 시뮬레이션 결과 데이터를 업로드해야 한다. 평가용 충돌 모드 결과는 검증용 충돌 모드 조건을 만족한 시뮬레이션 모델로 수행한다.
평가용 충돌모드는 Table 1과 같이 자율주행의 레벨에 따른 평가 항목이 분리되어 있다. 0~2등급의 차량은 56 km/h 정면 충돌모드로 전방 동승석의 THOR 50% 남성 더미를 부분 릴렉스 자세로 착좌 후 평가하며 3등급, 4등급 차량은 56 km/h 차대차 상호충돌 모드가 추가되고 착석 자세가 50도 이상으로 변경된다. 4등급 차량은 추가적으로 차대차 상호충돌에서 경사충돌이 추가되고 운전석 탑승자에 대한 평가가 추가된다. 현존하는 대부분의 차량은 0~2등급에 속하며 3등급, 4등급에서 평가하는 THOR-AV 더미의 경우 개발 단계에 머물러 있는 사유 등으로 평가가 어려워 도입 초기 단계에서는 모든 차량이 동일하게 0~2등급으로 평가하는 것으로 예정되어 있다. 자율주행 기술레벨 0~2등급 차량은 전방 동승석에 THOR 50% 남성 더미가 탑승하여 35~40도 각도의 부분 릴렉스 자세로 설정 후 56 km/h 속도로 충돌 평가하게 된다.
검증용 충돌 모드는 56 km/h 정면 충돌모드로 전방 동승석의 THOR 50% 남성 더미의 정상 착좌 자세를 대상으로 시험과 시뮬레이션의 상호정합성 검증 평가를 한다. 시뮬레이션 모델의 상호정합성 평가는 Table 2와 같이 주요 상해 및 구속장치 관련 측정항목 센서의 시험과 시뮬레이션 간 커브일치도를 평가하는 ISO Score(6)와 Table 3과 같이 시험과 해석 간 인체상해의 편차를 계산하는 두 가지 방법이다. ISO Score는 Python 코드로 구성된 공개 프로그램으로 계산하며 Corridor, Phase, Magnitude, Slope 네 가지의 Index 값의 합으로 계산되고 Corridor는 0.4, 나머지 항목은 각각 0.2로 분배되어 있다. 검증용 충돌 모드에서 센서 커브일치도는 머리, 흉부, 골반 가속도, 흉부 변위, 상부 및 하부 좌석안전띠 하중 커브를 대상으로 하며 ISO Score 0.7 이상이어야 한다. 인체상해 편차는 시험과 시뮬레이션 간의 편차가 15% 미만이어야 하는 조건을 만족해야 하나 인체 부위별 최대 상해 값의 25% 이하인 경우 인체상해 편차를 고려하지 않으며 인체 부위별 최대 상해 값의 50% 이하인 경우 인체상해 편차가 50% 미만이어야 한다는 부가적인 완화 조건이 있다. 본 연구에서는 릴렉스 자세의 검증용 충돌모드의 조건을 대부분 차용하여 릴렉스 자세 시험과 시뮬레이션 간의 커브일치도와 인체상해 편차 값의 수준을 비교하여 상호정합성 수준을 확인하고자 한다. 다만 커브일치도의 머리, 흉부, 골반 가속도 센서 평가의 경우 X, Y, Z 방향 각각의 가속도 센서 데이터에 대한 ISO Score를 평가하게 되어있는데 일반적으로 정면 충돌의 경우 Fig. 1과 같이 Y 방향 가속도의 경우 가속도의 최대 값이 X, Z 방향 가속도와는 달리 매우 낮은 수준의 값으로 노이즈 데이터와 같이 발생하므로 ISO Score 중 최대 값을 기준으로 Corridor를 설정하는 Corridor index가 큰 의미를 가질 수 없고 ISO Score가 낮게 나와 커브 일치도가 낮은 것처럼 왜곡되어 보일 수 있다. 따라서 본 연구의 목적인 정합성 검증의 목적에 Y 방향 가속도의 커브일치도는 부합하지 않는다고 판단하여 각 성분별로 평가하지 않고 합성 가속도 값으로 평가하고자 한다.
2.2. 릴렉스 자세 슬레드 시험
릴렉스 자세의 시뮬레이션 정합성 검증을 위하여 Fig. 2와 같이 소형 RV 차량을 대상으로 프로토콜에 따라 전방 동승석에 THOR 50% 남성 더미를 부분 릴렉스 자세인 39도로 착좌하였다. 구속장치는 더미의 자세에 따른 공간을 고려하여 선정하였으며 Fig. 3과 같이 정상 착좌 자세(파란색) 대비 릴렉스 자세(빨간색) 착좌 시 전방 공간이 많다는 특성을 고려하여 더미 거동 제어와 상해 개선을 위하여 듀얼 댑스 동승석 에어백과 어댑티브 로드리미터를 사용하였다. 시험과 시뮬레이션 간 동일한 더미 자세를 위하여 기본적인 자세 측정 위치인 머리, 골반, 무릎 외에 어깨, 발꿈치, 헤드레스트 폴 센터를 추가로 측정하였고 Lumbar spine 각도를 측정하였다. Lumbar spine의 각도는 정상 착좌 자세에서 -9도인 Slouch 자세로 설정하지만 릴렉스 자세는 Slouch 자세로는 부자연스러워 9도인 Erect로 설정하였다. 추가적으로 상체의 정확한 자세 구현을 위하여 Fig. 4와 같이 THOR 50% 남성 더미에 장착된 총 5개의 틸트 센서의 부위별 값을 측정하였으며 머리 13.5도, Upper 흉부 19.6도, Mid 흉부 43.5도, Lower 흉부 37.7도, 골반 38.3도를 나타내었다.
슬레드 시험의 상해는 Fig. 5와 같이 나타났으며 머리 최대 가속도와 HIC15가 정자세 대비 크게 발생하였다. 가슴 변위는 시트벨트 웨빙 경로에 위치하는 Upper Right와 Lower Left 센서의 값이 유사한 수준으로 크게 나타났다. 동일한 56 km/h 초기 속도이지만 전방 이동 공간의 차이가 에너지의 증가로 이어지고 주요 상해가 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 에너지증가로 인한 상해 개선을 위하여 일반 사양의 동승석 에어백 대비 부피가 큰 듀얼 댑스 동승석 에어백을 사용하여 접촉 시점 앞당겨 에너지 소산을 유도했음에도 머리 상해의 최대 가속도는 높은 수준으로 나타났다. 가슴 변위 또한 상해 저감에 효과적인 어댑티브 로드리미터를 사용했음에도 정자세 대비 높은 수준으로 발생하였다. 따라서 해당 구속장치들의 사용은 릴렉스 자세에서 선택이 아닌 필수적인 요소로 판단된다.
2.3. 릴렉스 자세 슬레드 조건 시뮬레이션
릴렉스 자세 슬레드 시험 데이터의 외부 자세 측정 데이터와 틸트 센서 값을 기반으로 동일 조건으로 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 우선 THOR 50% 남성 더미 자세의 기본이 되는 Lumbar spine 각도를 슬레드 시험과 동일하게 Erect로 조정하였다. 현재 더미 시뮬레이션 모델에서 Erect 자세로 설정하기 위해서는 Slouch 자세로 고정되어 있는 더미 어셈블리의 구속 조건을 Fig. 6과 같이 해제해야만 더미 자세 조정에 연관된 고무 재질의 파트가 정상적으로 변형되면서 자연스러운 자세를 구현할 수 있다. 또한 초기의 더미 자세에서 39도로 눕혀진 릴렉스 자세로 착좌 시 정상 착좌 자세 대비 이동량이 많기 때문에 더미의 갈비뼈 부위를 연결해주는 Bib 파트의 센서 장착부에서 비정상 변형 및 간섭 발생 확률을 높일 수 있다. 따라서 Fig. 7과 같이 낮은 레벨의 하중으로 천천히 자세를 설정하여 비정상 변형을 방지하도록 하였다. 시트 스쿼시와 시트벨트 피팅의 경우 정상 착좌 자세와 동일하게 수행하여 Fig. 8과 같이 릴렉스 자세 시뮬레이션 모델을 슬레드 시험과 동일하게 구성하고 시뮬레이션을 진행하였다. 시험 조건과 일치하지 않는 조건들은 버추얼 평가에서 허용하는 범위 안에서 재현 시뮬레이션 작업을 수행하였고 시험과 시뮬레이션 데이터 간 비교 분석을 위한 최종 데이터를 확보하였다.
2.4. 릴렉스 자세 조건의 시험-시뮬레이션 비교 분석 및 제안
릴렉스 자세 조건의 시험과 시뮬레이션 결과를 바탕으로 버추얼 평가의 검증용 충돌모드 조건인 커브일치도와 인체상해 편차 값의 수준을 비교하였다. 커브일치도는 머리, 흉부, 골반 가속도 센서 데이터 가속도 값의 커브일치도를 ISO Score로 평가하였고 Fig. 9와 같이 시험 데이터(파란색)와 시뮬레이션 데이터(빨간색) 비교 시 그래프 패턴과 수치가 유사한 것을 확인하였다. 상세한 ISO Score값은 Table 4와 같다. 더미의 가속도 데이터는 더미의 전반적인 거동을 대변하는 지표로 각 가속도 센서의 ISO Score 값은 머리 0.85, 흉부 0.80, 골반 0.85로 나타났다. 각 국가별 버추얼 평가에서 기준으로 삼고 있는 커브일치도가 유럽은 0.5이상, 내수와 중국은 0.7이상인 것을 고려할 때 해당 값은 커브일치도가 매우 높은 수준이라고 판단하였다. 나머지 평가 대상 센서의 경우도 0.73~0.82로 커브일치도가 높은 수준임을 확인하였다. 커브일치도 데이터로 릴렉스 자세 시뮬레이션과 시험이 유사함을 확인하였으며 시뮬레이션이 시험을 대체할 수 있다고 판단된다.
다만 해당 결과는 앞서 논했듯이 정면 충돌의 특성상 Y 방향 가속도는 노이즈 수준으로 발생하여 커브일치도 평가에 사용하기 부적합하므로 합성가속도 값으로 평가하였고, 향후 정면 릴렉스 자세 버추얼 평가 시에도 Y방향 가속도를 평가하는 것은 제외하고 합성가속도 값으로 평가하거나 방향별 가중치를 주어 합산하는 방법 등으로 변경이 필요하다.
인체 상해 편차는 KNCAP 릴렉스 자세 프로토콜에 구체적인 계산 방법이 공개되어 있지 않아서 유럽 신차안전도평가(이하 ENCAP)의 버추얼 평가(7)에서 사용하는 Key Performance Indicator(KPI) 방식을 차용하였다. 식 (1)과 같이 시험(ACtest)과 시뮬레이션(ACCAE) 결과를 ENCAP에서 평가하는 각 상해 항목의 최대값(AClimit)으로 나누어 상해 비율(rAC, rCAE)을 구하고 각 시험과 시뮬레이션 상해 비율 차이의 절대치를 상해 편차(dAC)로 계산하였다. 릴렉스 자세 시험과 해석의 인체 상해 편차는 Table 5와 같다. 목 전단 하중과 Tibia index는 최대 값의 25% 이하로 평가 면제 대상이며 복부 하중은 센서 데이터 결손으로 면제 처리하였다. 목 압축 하중 및 모멘트와 무릎 하중, 관골 하중, 하지 하중은 최대 값의 50% 이하로 인체 상해 편차가 50% 미만이어야 하는 조건을 만족하였고 머리 HIC 및 3 msG, 뇌 DAMAGE, 가슴 변위, 무릎 변위의 경우 최대 값의 50% 초과로 상해 편차가 15% 미만이어야 하는 조건을 만족하였으나 무릎 변위는 인체 상해 편차가 24% 수준의 차이를 보였다. 해당 결과 차이는 인테리어 구조물의 강도, 연결성 및 더미 하지 자세의 차이에 기인한 것으로 추정된다. 인체 상해 편차도 대부분은 시험과 시뮬레이션이 유사한 결과를 보였으며 일부 차이가 있는 결과 또한 추가적인 조건 변경을 통하여 시뮬레이션 모델의 정도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
3. 결 론
본 연구는 정면 충돌 릴렉스 자세 버추얼 평가의 시뮬레이션 결과의 정합성 평가를 위하여 릴렉스 자세 평가 중 구체적인 평가 조건이 공개되어 있는 KNCAP 릴렉스 자세를 기준으로 검토하였다.
슬레드 시험은 릴렉스 자세 프로토콜에 공개된 조건대로 THOR 50% 남성 더미를 전방 동승석에 39도 각도로 착좌하고 시뮬레이션 모델의 재현도를 높이기 위하여 기본적인 자세 측정 데이터 외에 자세 설정에 필요한 주요 부위를 추가 측정하고 THOR 더미 내부의 틸트 센서 각도도 측정하였다. 슬레드와 동일 조건으로 시뮬레이션을 재현하기 위해 시험 데이터 기반으로 모델을 구성하였으며 정상 착좌 자세 대비 유의해서 설정해야 하는 값들을 고려하였고 일반적으로 버추얼 평가에서 허용하는 범위 내에서 재현 시뮬레이션을 수행하였다. 정합성에 대한 검증은 릴렉스 자세 검증용 충돌 모드의 커브일치도와 인체 상해 편차를 기준으로 검토하였다. 커브일치도는 ISO Score 값을 기준으로 하였으며 주요 측정 항목은 0.7 이상으로 신뢰할 수 있음을 확인하였다. 인체 상해 편차의 경우 대부분의 값이 프로토콜에서 명시한 기준 값을 만족하였으나 차체와의 접촉으로 인하여 발생하는 무릎 변위 상해에서 기준보다 높은 차이를 나타내었다.
릴렉스 자세 시험과 시뮬레이션 결과의 분석을 통하여 커브일치도가 0.7 이상을 나타내었고 인체 상해 편차도 시험과 시뮬레이션 데이터가 기준 값 이내로 유사한 수준임을 바탕으로 시뮬레이션 결과 데이터로 시험을 재현할 수 있다고 판단하였다. 다만 전제 조건으로 시뮬레이션에서 시험 착좌 자세를 동일 수준으로 재현하는 것이 중요하며 이를 위하여 시험 시 틸트 센서 데이터를 포함한 더미 및 인테리어 주요 위치의 측정 데이터를 확보해야만 한다. 착좌 자세의 재현도가 높을수록 초기 해석 모델에서부터 추가적인 조건 변경을 통한 재현 시뮬레이션을 수행하지 않아도 충분히 시험 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있으며 본 연구에서도 추가적인 조건 변경을 통한 재현 시뮬레이션의 횟수를 최소화했다. 본 연구와 동일한 과정으로 시뮬레이션 모델을 구성 시 정합성 높은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
향후 릴렉스 자세 평가 도입 시 현재 공개된 프로토콜은 미완성 단계로 보이며 특히 Y 방향 가속도의 커브일치도 평가는 검토 결과 정합성 평가로 사용하기 부적합하며 본 연구에서 사용한 합성 가속도를 사용하는 방법 또는 각 방향별 가중치를 적용하는 방법 등의 재고가 필요하다.
본 연구를 통하여 릴렉스 자세 버추얼 평가 시뮬레이션의 정합성이 높은 수준임을 확인하였으나 듀얼 댑스 동승석 에어백과 어댑티브 로드리미터를 사용한 제한적인 구속장치와 소형 RV 차량을 대상으로 한 차량 크기 조건에서의 연구 결과에 국한된다는 점과 인체 상해 편차의 무릎 변위에서 볼 수 있듯이 차량 인테리어의 강도와 연결성의 재현 영향도를 명확하게 파악하지 못했다는 한계점이 있다. 향후 이러한 한계점을 보완하기 위하여 구속장치 조건과 차량 크기 조건을 고려한 추가 연구를 계획 중이며 순차적 검증 예정이다.
