Ⅰ서 론

1.연구의 배경 및 목적

교통안전공단의 교통부문온실가스관리시스템(Korea Transport Emission Management System, KOTEMS) 에 의하면 2011년 교통분야 에너지 소비량은 17.9% 차지하며 이 중 도로분야의 온실가스 배출량은 80.63백만tonCO₂eq이다. 이는 전체 중 95%의 비율 을 가진다[1]. 에너지경제연구원은 수송부문 에너지 수요가 2012년 대비 2017년까지 연평균 1.5% 증가 할 것으로 예측하고 있다[2]. 이러한 문제점을 해결 하고자 국토교통부는 2020년까지 교통부문의 온실 가스 배출량의 34% 감축을 목표로 설정하였다. 교 통부문 온실가스 배출량을 감축하기 위한 일환으로 급 가속 회피, 경제속도 준수 등 에코드라이빙 교육 및 홍보 프로그램을 통해 국민의식을 고취하고 있 으나 배출량 감축 기술 개발은 미비한 실정이다. 따 라서 본 연구는 연료효율적인 주행을 위해 도로 경 사도를 고려한 최적 가속도 도출 및 주행방법 제시 를 목적으로 한다.

2.연구의 범위 및 방법

본 연구에서는 국토교통부의 ‘도로의 구조․시설 기준에 관한 규칙[3]’에서 제시되어 있는 종단경사 설치 기준에 준하여 경사도별 연료소모량이 최소인 가속도를 산정하고 모델링하였다. 평지, 오르막, 평 지로 구성된 도로지형을 대상으로 도로 경사도, 오르 막길이 범위를 설정하여 도로지형을 생성하였다. 모 델링으로 도출된 가속도를 반영하여 주행모드(등속, 가속, 감속)에 따른 시나리오를 설정하였다. 동일한 도로지형에서 시나리오별 속도 프로파일을 생성하 였다. 또한 각 시나리오별 속도변화량을 초기속도에 서 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%의 범위 내에서 가 속 및 감속하였다. 속도 프로파일, 경사도를 Comprehensive Modal Emission Model (CMEM)에 적 용하여 연료소모량을 산정하였다. CMEM은 차종, 연 료, 경사도 등 고려하여 초 단위의 연료소모량 및 배 출량을 산정한다[4, 5]. CMEM을 통해 산정된 연료소 모량을 분석하여 연료소모량이 가장 적게 소모된 시 나리오와 속도변화량을 도출하였다. 도출된 시나리 오와 속도변화량을 기반으로 에코드라이빙 주행 시 소모된 연료소모량과 cruise control 주행 시 소모된 연료소모량을 분석하여 감축효과를 평가하였다.그림.1

Ⅱ문헌고찰

본 연구에서 연료 효율적인 주행방법을 제시하 고자 연료소모량 및 배출량에 미치는 주요 요인과 에코드라이빙 관련 연구를 고찰하였다.

S. Park 외(2006)은 일정한 속도로 주행할 경우, 정지 표지판이 있는 도로로 주행할 경우, 신호가 있 는 도로로 주행할 경우 경사도를 달리하여 연료소 모량과 배출량을 분석하였다. 도로 경사도가 1% 증 가 시 연료소모량 및 배출량은 9% 이상 증가하는 것으로 분석되었다[6].

D. C. Carslaw 외(2010)은 강제적인 Intelligent Speed Adaptation (ISA)주행과 일반적인 주행상황을 비교 분석하여 CO₂ 배출량의 감축효과를 평가하였 다[7]. ISA는 교통사고 감소를 위해 속도 제한하는 시스템이다[8]. ISA 주행 시 일반 주행보다 CO₂ 배 출량이 평균 6% 감축효과가 나타나는 것으로 분석 되었다.

K. Kang 외(2010)는 운전자의 미시적 운전행태에 따른 연료소모 및 CO₂ 배출량을 분석하고 에코드라 이빙 운전행태를 제안하였다. 급출발, 급가속 시 연 료소모량 및 CO₂ 배출량이 가장 높은 것으로 분석 되었다. 급차로변경, 급좌/우회전 운전행태 모두 급 가속과 밀접한 관련 있는 것으로 분석되었다.[9]

J. T. Oh 외(2011)은 운전자의 운전유형이 연료소 모에 미치는 영향을 분석하였다. 급출발, 급가속 등 운전유형과 회전과 관련된 운전유형에서 연료소모 량 및 CO₂ 배출량이 증가한 것으로 분석되었다[10].

S. C. Choi(2011)은 정속주행, 하한속도제어, 상한 속도제어 알고리즘을 제시하였다. 각 알고리즘을 적용하여 연비를 산정한 결과 하한속도제어 알고리 즘이 6.6%의 연비 개선효과가 나타났다[11].

M. Won 외(2011)은 교통운영전략에 따른 연료소 모량 변화를 정확하게 계산하기 위하여 가속도를 고려한 차량 연료소모량 관계식을 개발하였다[12].

S. Park 외(2012)는 예측가능 순항제어체계를 개 발하였다. 이 시스템은 연료소모 모듈, 파워 트레인 모듈, 최적화 알고리즘으로 구성되어 있으며 고정 밀 지도로부터 도로지형정보를 수집하여 차량의 속 도를 조정하였다. 개발된 시스템은 15% 연료 감축 효과가 있는 것으로 분석되었다[13].

J. Park 외(2013)은 평균차속, 상대가속도, 정지 비율과 CO₂ 배출량 간의 상관관계를 분석하였다. 평균 속도가 증가함에 따라 CO₂ 배출량은 감소하 고, 상대가속도, 정지 비율의 증가에 따라 CO₂ 배출 량은 증가하는 것으로 분석되었다[14].

M. Do 외(2014)는 승용차의 주행실험 자료를 활 용하여 도로의 경사가 유류소모량에 미치는 영향을 분석하고 모형을 개발하였다. 오르막, 평지, 내리막 순으로 유류소비량이 소비됨을 확인하였다[15].

문헌고찰 결과, 차량의 운전행태와 도로 경사도 가 연료소모량 및 배출량에 민감하게 반응하는 것 을 알 수 있었다. 기존의 에코드라이빙 관련 연구는 주로 경제속도, 최저속도, 최고속도로 속도를 제어 하였다. 그러나 연료소모량 및 온실가스 배출량을 효과적으로 감축하기 위해서는 하류부의 도로지형 을 고려한 연료 효율적인 주행방법 연구의 필요성 이 제기된다.

Ⅲ도로 경사도를 고려한 최적 가속도 모델링

1.도로 경사도별 연료소모량 분석

2014년 1월 기준 연료별 자동차 등록현황에 의하 면 총 승용차 등록대수(15,158,667대) 중 휘발유 차 량은 약 62%로 가장 큰 비율을 가진다[16]. 따라서 본 연구에서는 휘발유를 사용하는 승용차를 대상으 로 도로 경사도 별 연료소모량을 분석하였다. 초기 속도는 10km/h이상 90km/h이하로 설정하였고 목표 속도는 초기속도에서 20km/h 이상 높은 속도로 설 정하였다. <표 1>과 같이 속도별 도로 경사도, 가속 도 조건을 달리하여 각 속도 프로파일을 생성하였 다. 도로 경사도는 국토교통부의 ‘도로의 구조․시 설기준에 관한 규칙’[3]에서 제시한 종단경사 설치 기준에 근거하여 0%에서 4%까지 범위로 설정하였 다. 각 도로 경사도에서 가속도는 0.1m/s²에서 1m/s² 까지 범위로 설정하였으며 0.1m/s²씩 증가하여 속도 프로파일을 생성하였다. 속도 프로파일 별 연료소 모량 산정을 위해 CMEM의 LDV Core Model을 활 용하였다. Input 파일인 Modal Control 파일과 Vehicle Activity 파일을 생성하여 CMEM의 LDV Core Model에 적용하였다. Modal Control 파일에는 차종, 단위를 정의한다. 휘발유를 사용하는 승용차 카테고리를 입력하였으며, 단위는 English units 으 로 입력하였다. Vehicle Activity 파일에는 시간, 속 도, 가속도, 경사도를 입력하였다. 두 개의 Input 파 일을 CMEM의 LDV Core Model에 적용하면 연료소 모량과 배출량이 산정된다. 본 연구에서는 연료 효 율적인 주행이 목적이다. 따라서 동일한 초기속도 에서 경사도, 가속도 별 연료소모량을 산정하고 비 교분석을 통해 연료소모량이 최소가 되는 가속도를 도출하였다.

2.최적가속도 모델링

초기속도, 도로 경사도, 가속도의 조건을 달리하 여 연료소모량을 산정하고 분석하였다. 동일한 초 기속도에서 가속도에 따라 목표속도에 도달하는데 걸리는 시간은 다르다. <그림 2>에서 가속도가 0.1m/s²일 경우, 초기속도에서 목표속도까지 도달하 는 시간이 오래 걸려 연료소모량이 높게 산정되었 다. 반면 가속도 1m/s² 으로 목표속도까지 가속 할 경우, 소요시간은 짧지만 엔진 부하로 인해 연료소 모량이 높게 나타나는 것으로 분석되었다.

<표 2>와 같이 경사도와 초기속도 별 연료소모 량이 최소화된 가속도를 도출하였다.

경사도별 연료소모량이 최소화되는 최적 가속도 모형을 <표 3>과 같이 도출하였다. 최적 가속도 모 형에서 종속변수(y)는 가속도(m/s²), 독립변수(x)는 초기속도(km/h)이다.

Ⅳ오르막 지형에 대한 연료효율적인 주행방법

1.시뮬레이션 환경

본 연구에서는 차량과 차량 간(Vehicle to Vehicle, V2V), 차량과 인프라 간(Vehicle to Infrastructure, V2I) 통신 환경 하에 하류부의 도로지형정보를 미 리 수집한다고 가정하였다. 하류부의 도로지형은 평지, 오르막, 평지로 구성되어 있으며, 휘발유를 사용하는 승용차가 고속도로에서 3km를 주행한다 고 가정하였다. <그림 3>과 같이 첫 번째 구간인 평 지는 1km이고 오르막에서는 100m에서 900m까지 범위를 설정하였다. 국토교통부의 ‘도로의 구조․ 시설기준에 관한 규칙’에 의하면 설계속도가 80km/h이상 120km/h미만에서 종단곡선 최소길이는 70m에서 100m이상 설치한다고 제시되어있다[3]. 따 라서 본 연구에서는 오르막 최소 길이를 100m로 설 정하였다. 또한 한국건설기술연구원은 첨단안전점 검차량 아라서(Automated Road Analysis and Safety Evaluation TOol, ARASEO)를 개발하여 도로교통 안 전점검과 안전진단을 수행한 바 있다[17]. 아라서를 통해 수집된 영동고속도로의 도로 선형정보를 분석 한 결과 종단경사 길이는 최소 160m에서 최대 2,520m이며 구간 별 종단경사 길이는 평균 1,041m 로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 오르막 최대길 이는 1km미만으로 설정하였다. 도로 경사도는 1% 에서 4%까지 설정하였다. 동일한 도로지형에 대해 서 시나리오 별 속도변화량에 따라 속도 프로파일 을 생성하였다. 시나리오, 속도변화량 조건이 다른 각각의 속도 프로파일, 경사도 등을 CMEM의 LDV Core Model에 적용하여 연료소모량을 산정하였다. 시나리오 별, 속도 변화량 별 산정된 연료소모량을 비교 분석하여 연료소모량이 가장 적게 소모된 주 행모드와 속도 변화량을 도출하였다. 시나리오는 <그림 3>과 같이 구간별 주행모드를 다르게 설정하 였다. 시나리오1은 등속주행이다. 시나리오2는 평지 에서 <표 3>의 최적가속도로 미리 가속하여 오르막 에 진입한다. 오르막에서 감속하였다가 원래 속도 로 회복하여 등속 주행하는 행태이다. 시나리오 3 은 평지에서 등속으로 주행하다가 오르막에서 감속 한 후 평지에서 원래 속도로 회복하여 등속 주행하 는 행태이다. 본 연구에서 고속도로를 주행한다고 가정하였으므로 초기속도는 80km/h, 90km/h, 100km/h로 설정하였다. 감속 및 가속하는 속도변화 량을 초기속도의 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30% 범 위로 설정하였다.

2.연료효율적인 주행방법

각각의 초기속도 별 연료소모량이 가장 적게 소 모된 주행모드 및 속도변화량은 <표 4>와 같다. <그림 4>와 같이 초기속도 100km/h 인 경우 오르막 길이 별 연료소모량의 기울기가 동일하게 나타났 다. 오르막길이가 500m 이상일 경우, 초기속도의 25% 범위에서 감속 및 가속하는 것이 연료소모량 이 최소인 것으로 분석되었다.

3.연료소모량 절감효과

도출된 연료 효율적인 주행모드와 속도변화량을 을 기반으로 에코드라이빙 주행 시 연료소모량이 cruise control 주행에 비해 정량적으로 얼마나 감축 할 수 있는지 평가하였다. cruise control 주행은 식 (1)과 같이 PI(Proportional-Integral) 제어기를 사용하 여 목표속도에 맞추어 제어한다.

여기서, a는 가속도, V_desired는 목표속도, V_current 는 현재속도, P, I , τ는 상수이다.

<그림 3>과 같이 평지, 오르막, 평지로 구성된 도 로지형을 에코드라이빙과 cruise control로 각각 주 행 시 도로 경사도, 오르막길이 별 연료소모량을 비 교분석하였다. 에코드라이빙 주행 시 정량적인 연 료소모량 감축률을 식 (2)에 의해 산정하였다. 평지 구간을 제외한 오르막 구간에 국한하여 에코드라이 빙 주행 시 연료소모량 감축률을 산정하므로 베이 스라인 연료소모량을 고려하였다. 베이스라인 연료 소모량은 에코드라이빙, cruise control과 동일한 초 기속도로 등속 주행 시 소모된 연료소모량이다.

여기서, F_cc는 cruise control 주행 시 소모된 연료 소모량, F_base는 베이스라인 연료소모량, F_eco는 에 코드라이빙 주행 시 소모된 연료소모량이다.

초기속도 100km/h의 분석결과는 다음과 같다. 에 코드라이빙과 cruise control 주행 시 소모된 각각의 연료소모량에서 베이스라인 연료소모량을 삭감하 여 오르막 구간의 연료소모량을 산정하였다. <그림 5>는 경사도 1%의 도로지형에서 에코드라이빙, cruise control 주행 시 오르막길이 별 소모된 연료소 모량의 예시이다. 에코드라이빙 주행 시 연료소모 량이 cruise control 주행보다 평균 75% 적게 소모된 것으로 분석되었다.Table 5

Ⅳ결론

본 연구는 연료 효율적인 주행을 위해 도로 경사 도를 고려한 최적 가속도를 도출하고 하류부의 도 로지형을 고려한 에코드라이빙 주행 전략을 제시하 고자 하였다. 구체적으로는 각 초기속도별 오르막 구간의 길이에 따른 연료소모가 최소화되는 시나리 오를 산정하였다.

또한, 도출된 시나리오와 속도변화량으로 주행 시 연료소모량이 cruise control에 비해 얼마나 감축 효과가 나타나는지 분석하였다. 오르막을 100kph의 속도로 에코드라이빙 주행 시 연료소모량이 cruise control 보다 평균적으로 33.9% 절감되는 것으로 분 석되었다. 90kph와 80kph에서 에코드라이빙으로 주 행 시 각각 평균 30.8%, 5.3% 감축효과가 나타났다. 따라서 하류부의 도로지형을 미리 파악하여 도로지 형에 연료 효율적인 주행방법으로 주행한다면 연료 소모량 및 배출량을 효과적으로 절감할 수 있다고 결론지을 수 있다.