Ⅰ서 론
1.연구의 배경
2013년 기준으로 국내 하이패스 이용차량은 일 평균 2,029천대이며, 하이패스 이용률은 59.4%에 달 한다. 하이패스(Hi-Pass)라고 불리는 통행료자동지 불시스템(ETCS, Electronic Toll Collection System)은 자동차가 고속도로 등의 톨게이트를 통과할 때 게 이트와 자동차 내 단말기 간의 통신으로 자동적으 로 요금을 지불하는 시스템으로 일단 정지할 필요 가 없어 이용자의 연료비용을 절감할 수 있다.
이를 위해 먼저 실험 대상 승용차, 실험장비, 실 험구간 등을 결정한 후, 톨게이트 진입․통과․진 출 속도 등을 고려한 시나리오에 따른 승용차의 연 료소모량을 실험하는 방법으로 수행하였다.그림 .1
실제 고속도로 폐쇄식 구간과 개방식 구간의 하 이패스 연료소모 절감 및 하이패스 이용률에 따른 연료비용 절감효과를 추정해 보고자 한다.
2.연구의 한계
본 연구에서는 연료 소모량을 측정하기 위하여 실제 고속도로에서 측정하는 것과 유사한 조건을 갖추기 위하여 노력하였으나 다음과 같은 한계를 가지고 있다.
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연구에 사용된 차종은 승용차(경형, 소형, 중 형, 대형) 위주로 되었으며 버스나 트럭을 포 함하지 않았다.
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사용연료는 휘발유를 대상으로 하였으며 디젤 이나 LPG 차량은 포함시키지 않았다.
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본 연구에 이용된 진입 및 진출속도 뿐만 아 니라 통과속도는 실측속도를 사용한 것이 아 니라 여러 가지 속도를 가정하여 사용하였다.
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본 연구는 현장실험 대신에 실험장비를 이용 하여 결과를 도출하였다.
Ⅱ문헌 고찰
이성관 등(2010)은 하이패스와 일반차로 주행시 연료소모량을 비교하여 연료절감 효과를 추정한 연 구에서 스포츠유틸리티 차량를 이용하여 실험한 결 과 하이패스(통과속도 30km/h) 이용시 연료소량을 31.3㎖ 감소시킬 수 있다고 분석하였으며[1], 유인 균 등(2011)은 승용차를 대상으로 도로포장의 평탄 성에 따른 유류소모량 변화의 관계를 실제 도로에 서 실측한 결과, 평탄성이 1m/㎞ 증가하였을 경우 100㎞ 주행시 약 80㎖ 정도의 비율로 유류소모량이 증가하는 것으로 확인하였으며[2], 고광호(2010)는 포장도로의 표면거칠기 변화에 따른 유류소모량의 변화 관계를 분석한 결과 연료소모량(L/100km)은 3.5m/km 정도의 IRI 수준에서 IRI(m/lm) 증가율의 7 배 정도로 증가하였다[3]. 또한, 도명식과 최승현 (2014)은 도로의 경사도가 승용차의 유류소모량에 미치는 영향을 분석하기 위해 실제 주행실험을 통 해 얻은 데이터를 이용하여 유류소모량 산정 모형 을 개발하고 적용성을 검증하였으며, 오르막 (+2~5%), 평지(±0~2%) 그리고 내리막(-2~5%)의 순 으로 유류소모량이 소비됨을 확인하였다[4]. 이상건 등(2001)은 자동요금징수시스템 실시 전후의 정량 적 분석을 실시한 결과 평균통과시간이나 대기행렬 길이가 감소한 시간대도 있었지만 오히려 증가하는 부정적인 효과가 나타난 시간대도 많은 것으로 나 타났으며[5], 강재수 등(2009)은 평균 속도를 고려한 소형차의 연료소비 원단위를 연구한 결과 폐쇄식 구간의 경우 0.0693ℓ/km으로, 개방식 구간은 0.0648ℓ/km으로 산정하였다[6].
그러나, 기존의 연구들은 고속도로 톨게이트에서 연료소모량 산출시 진입, 통과, 진출 속도에 대한 요인들을 고려하지 못한 한계가 있다.
Ⅲ실험 계획
1.실험 방법
본 연구에서는 연료 소모량을 측정하기 위하여 차대동력계 장비를 이용하였으며, 탄소균형법 산출 방식을 적용하였다. 차대 동력계는 가・감속, 정속, 정지 등의 반복 과정을 대표화할 수 있는 장점이 있으며, 연료소비율 측정시 사용되는 대표적인 실 험 장비이다. 또한, 탄소균형법은 연료 중의 탄소량 이 자동차의 배기가스에 포함된 탄소량과 같다고 보고 연비를 산출하는 방법이다.
실험 방법은 동일한 외부조건(온도, 풍향 등)을 설정하고, 차대 동력계 위에 실험자동차를 위치시 켜 각 실험 모드로 주행한다. 주행 후 자동차에서 배출되는 가스를 포집하여 그 중에 포함되어 있는 탄화수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 양을 측정 하여 소모된 연료량을 산출하였다.그림 .
이 방법은 국토교통부의 ‘자동차안전기준에 관한 규칙’과 지식경제부의 ‘자동차의 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규정’에 의해서 수행하는 연료 소비율 측정시 사용되는 실험방법으로 국내․외에 서 가장 많이 사용되는 점을 감안하여 본 연구에 적용하였다.
고속도로 영업소 광장 진입부와 진출부의 최소 길이가 각각 380m인 점을 고려하여 톨게이트 진입 부 400m, 진출부 400m를 시험 구간으로 결정하였 으며, 연료소모량 측정을 위해 실험모드별로 총 2 회를 실시하여 평균값을 사용하였다.
실험자동차의 감속도, 가속도, 소요시간 계획은 <표 2>와 같다. 평균 가속도 2.9m/s2, 평균 감속도 4.6m/s2, 소요시간 36~92초로 설정하였는데, 이는 시 점과 종점에서 속도 안정화를 위해 최소 5초간 일 정한 속도로 유지하고, 진입․통과․진출 속도를 고려하여 설정한 값으로 실제 영업소에서 발생하는 다양한 가․감속은 반영하지 않았다.
2.실험 자동차
연료소모량을 측정하기 위하여 본 연구에서는 가장 많이 판매된 등급별 승용차를 대상으로 경형 (기아 모닝), 소형(현대 아반떼), 중형(현대 쏘나타), 대형(제너시스) 각 1대씩 총 4대를 선정하였다.
3.실험 모드
일반 영업소 폐쇄식 진입 모드는 40km/h, 60km/h, 80km/h 속도로 각각 진입하여 고속도로 통 행권 수령시 정차(서비스 시간 6초) 후 출발하여 40km/h, 60km/h, 80km/h 속도에 도달하는 경우로 가 정하였다. 또한, 진출 모드는 40km/h, 60km/h, 80km/h 속도로 각각 진입하여 통행요금 지불시 정 차(서비스 시간 13초) 후 출발하여 40km/h, 60km/h, 80km/h 속도에 도달하는 경우로 가정하였다.그림 .
하이패스 영업소의 경우 진입 속도는 40km/h, 60km/h, 80km/h이고, 통과 속도는 30km/h 이상부터 진입 속도 이하(10km/h 간격)이며, 진출 속도는 진 입 속도와 동일한 경우로 가정하였다.그림 .4
Ⅳ연료소모량 실험결과
일반 영업소의 폐쇄식 구간과 개방식 구간을 1회 통과시 실험자동차별 연료소모량은 <표 5>와 같이 나타났다. 폐쇄식 구간의 경우 입구 및 출구의 서비 스 시간을 각각 6초와 13초를 적용한 결과이며, 개 방식 구간의 경우는 폐쇄식 구간의 입구 서비스 시 간 6초를 적용한 연료소모량과 6초부터 13초간 정 지시 2초에 해당되는 평균연료소모량을 더해 산출 하였다. 하이패스 영업소 구간의 진입 및 진출 속도 는 폐쇄식 구간과 개방식 구간 모두 동일하게 적용 하였으며, 1회 통과시 실험자동차별 연료소모량은 <표 6>과 같이 나타났다.
경형승용차는 진입속도 80km/h, 60km/h, 40km/h 에 따라 일반영업소 폐쇄식 구간의 경우 125.3㎖ /veh, 97.6㎖/veh, 84.0㎖/veh가 소모되었고, 개방식 구간의 경우 62.4㎖/veh, 48.7㎖/veh, 42.0㎖/veh가 소 모되었다. 또한, 하이패스 이용시에는 평균적으로 46.6㎖/veh, 35.4㎖/veh, 31.5㎖/veh가 소모되었다.
소형승용차는 진입속도 80km/h, 60km/h, 40km/h 에 따라 일반영업소 폐쇄식 구간의 경우 142.1㎖ /veh, 110.4㎖/veh, 95.1㎖/veh가 소모되었고, 개방식 구간의 경우 70.6㎖/veh, 55.0㎖/veh, 47.4㎖/veh가 소 모되었다. 또한 하이패스 이용시에는 평균적으로 50.0㎖/veh, 38.7㎖/veh, 34.7㎖/veh가 소모되었다.
중형승용차는 진입속도 80km/h, 60km/h, 40km/h 에 따라 일반영업소 폐쇄식 구간의 경우 168.2㎖ /veh, 130.7㎖/veh, 120.7㎖/veh가 소모되었고, 개방식 구간의 경우 83.7㎖/veh, 64.9㎖/veh, 59.9㎖/veh가 소 모되었다. 또한 하이패스 이용시에는 평균적으로 57.9㎖/veh, 45.5㎖/veh, 46.5㎖/veh가 소모되었다.
대형승용차는 진입속도 80km/h, 60km/h, 40km/h 에 따라 일반영업소 폐쇄식 구간의 경우 181.2㎖ /veh, 155.3㎖/veh, 144.7㎖/veh가 소모되었고, 개방식 구간의 경우 90.5㎖/veh, 77.3㎖/veh, 72.0㎖/veh가 소 모되었다. 또한 하이패스 이용시에는 평균적으로 62.4㎖/veh, 54.6㎖/veh, 51.1㎖/veh가 소모되었다.
Ⅴ연료절감 효과
1.연료소모 절감효과
고속도로 폐쇄식 구간과 개방식 구간에 따른 하 이패스 시스템의 승용차 연료소모 절감효과는 <표 7>, <그림 5> 및 <그림 6>과 같이 분석되었다. 일반 영업소와 하이패스 영업소 모두 폐쇄식 구간의 경 우 입구와 출구를 각 1회씩 2번 통과하고, 개방식 영업소는 1번을 통과하는 것으로 동일하게 적용하 였다.
하이패스 영업소의 연료절감 효과를 비교하는 방법은 진입․진출 속도별로 구분하였는데 이 때 통과속도별로는 구분하지 않고 여러 통과속도의 평 균 연료소모량을 적용하였다. 즉, 하이패스 이용차 량들은 다양한 통과속도로 통행하며 그 분포는 균 일할 것이라는 가정을 한 것이다.
경형승용차는 진입․진출 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에 따라 폐쇄식 구간의 경우 21.0~32.1㎖/veh 의 연료가 절감되었고, 개방식 구간의 경우 10.5~15.8㎖/veh의 연료가 절감되었다.
소형승용차는 진입․진출 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에 따라 폐쇄식 구간의 경우 25.7~42.1㎖/veh 의 연료가 절감되었고, 개방식 구간의 경우 12.7~20.6㎖/veh의 연료가 절감되었다.
중형승용차는 진입․진출 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에 따라 폐쇄식 구간의 경우 27.7~52.4㎖/veh 의 연료가 절감되었고, 개방식 구간의 경우 13.4~25.8㎖/veh의 연료가 절감되었다.
대형승용차는 진입․진출 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에 따라 폐쇄식 구간의 경우 42.5~56.4㎖/veh 의 연료가 절감되었고, 개방식 구간의 경우 20.9~28.1㎖/veh의 연료가 절감되었다.
본 연구와 타 연구의 하이패스 연료소모량 절감 을 <표 8>과 같이 비교해본 결과, 속도 60km/h인 경우 폐쇄식 구간에서는 26.8㎖/veh와 31.3㎖/veh로 서 유사한 값을 보였으며, 개방식 구간에서는 13.3 ㎖/veh, 13.2㎖/veh로서 거의 동일한 결과를 보였다.
2.연료비용 절감효과
하이패스 이용시 승용차 연료비용 절감효과 산 출식은 아래와 같다.
Fs : 연간 하이패스 연료절감 비용(원)
Vij : 고속도로 승용차 일평균 이용대수(대/일)
Hij : 하이패스 연료소모량 절감(㎖/veh)
i : 경형, 소형, 중형, 대형 승용차
j : 폐쇄식 구간, 개방식 구간
Uh : 하이패스 이용률(%)
Cf : 유류비(1,883원/ℓ,`13년 12월 4주)
2013년 하이패스 이용시 승용차 연료비용 절감 효과를 분석한 결과 <표 9>와 같이 나타났다. 승용 차가 진입․진출 속도 40km/h인 경우 289억원, 60km/h인 경우 379억원, 80km/h인 경우 486억원 으로 산출되었다. 폐쇄식 구간 연료비용 절감 효과 는 239~402억원으로 개방식 구간의 50~84억 보다 약 4.8배 높은 것으로 분석되었다.
또한, 하이패스 이용률 증가에 따른 연료비용 절 감효과를 분석한 결과 <표 10>과 같이 나타났다.
하이패스 이용률이 70%일 경우 진입․진출 속도 에 따라 282~573억원의 연료비용이 절감될 것으로 산출되었으며, 80%일 경우 322~655억원, 90%일 경 우 362~737억원, 100%일 경우 403~819억원의 연료 비용 절감 효과가 있을 것으로 기대된다.
Ⅵ결론 및 향후 연구
본 연구에서는 고속도로에서 운영되고 있는 하 이패스 시스템을 이용하는 승용차의 연료소모 및 연료비용 절감효과를 산출하였다.
연료소모량을 측정하기 위해서 연료소비율 측정 시 국내․외에서 가장 많이 사용되는 탄소균형법을 적용하여 실험을 실시하였다.
가장 많이 판매된 승용차 4개 등급별 차종을 대 상으로 일반 영업소와 하이패스 영업소의 톨게이트 주행모드 18개 시나리오에 대한 실험을 진행하였으 며, 진입속도는 40km/h, 60km/h, 80km/h으로 진출속 도와 동일하며, 통과 속도는 일반 영업소인 경우는 정지한 후 출발하였으며, 하이패스 구간인 경우는 30km/h 이상으로 10km/h 간격으로 증가시키면서 연 료 소모량을 측정하였다.
기존 연구의 한계인 고속도로 톨게이트에서 연 료소모량 산출시 진입, 통과, 진출 속도에 대한 변 화요인들을 고려하였고, 톨게이트 주행 모드를 재 현하여 연료소모 및 연료비용 절감효과를 정량적인 수치로 제시한 데 의의가 있으며, 주요 결론은 다음 과 같다.
첫째, 하이패스 시스템을 이용하는 승용차는 폐 쇄식 영업소의 경우 21.0~56.4㎖/veh, 개방식 영업소 의 경우 10.5~28.1㎖/veh의 연료소모 절감효과가 있 는 것으로 분석되었다.
둘째, 2013년 하이패스 시스템 이용시 승용차 연 료비용 절감 효과는 289~486억원으로 산출되었다.
셋째, 하이패스 이용률에 따른 연간 연료비용 절 감효과는 이용률 70%일 경우 282~573억원, 80%일 경우 322~655억원, 90%일 경우 362~737억원, 100% 일 경우 403~819억원으로 산출되었다.
향후 연구로는 화물차 등 다양한 차종 및 디젤, LPG 등 가솔린 이외 연료에 대한 추가 실험, 톨게 이트 평균통과속도와 다양한 가․감속 및 지체시간 을 고려한 실험, 통과속도 제한이 없는 스마트 톨링 시스템의 효과 분석 등이 필요할 것으로 사료된다.