I.서 론

1.연구의 배경 및 목적

경찰청 통계자료에 의하면 2013년에 발생한 차 대사람 교통사고 건수는 49,130건으로서 2013년 전 체 교통사고 215,354건의 22.8%를 차지하고, 2013 년 차대사람 교통사고로 인한 사망자는 1,928명이 다[1]. 그리고 2014년에 발생한 차대사람 교통사고 는 50,315건으로 2014년에 발생한 전체 교통사고 223,552건의 22.5%를 차지하며, 2014년 차대사람 교통사고로 인한 사망자는 1,843명이다[2]. 위와 같 은 통계자료로 볼 때, 차대사람 교통사고는 최근 해마다 약 50,000건 내외, 약 22% 전·후로 꾸준히 발생하고 있는 사실을 알 수 있고 관련된 사망자 수도 큰 것으로 나타났다.

최근 블랙박스를 장착한 차량 및 CCTV의 증가 로 인해 차대사람 교통사고가 발생하는 상황을 육 안으로 확인할 수 있는 경우가 많아지고 있다. 그 러나 블랙박스나 CCTV 영상이 확보되지 않은 차 대보행자 교통사고의 경우 대부분 충돌지점을 판 단할 수 있는 증거자료가 확인되지 않아 충돌지점 을 특정할 수 없는 어려움이 있고, 충돌지점을 특 정할 수 없음으로 인해 보행자 충돌 시 최소한의 속도를 추정하여 제시하기 어려운 경우가 많다. 그 리고 현재까지 확보된 차대보행자 교통사고 영상 이 부족하여 보행자의 차량 충돌에 관련된 속도에 관한 통계적 기법을 활용한 분석도 수행하기 어려 운 실정이다. 또한 승용차의 전면 유리에 모발, 화 장품흔적 등 보행자 두부의 충돌흔적이 발견되는 경우에도 이와 관련된 연구가 없는 관계로 사고 시 차량의 충돌 속도를 추정하기 매우 어려운 현 실이다.

본 연구의 목적은 보행자교통사고를 재현할 수 있는 마디모(MADYMO) 프로그램을 활용하여 차 대보행자 교통사고에서 보행자의 두부(頭部)가 승 용차의 전면 유리에 닿을 수 있는 최저 속도를 제 시하여, 승용차의 전면유리에 보행자 두부의 충돌 흔적이 있을 시 승용차의 속도를 추정할 수 있는 보조 자료로 활용하는데 주안점이 있다. 이를 통하 여 차대사람 사고 시 현장에서 측정된 승용차의 속도 추정값의 신뢰도를 높이는 데 크게 기여할 수 있다.

2.연구의 방법 및 범위

본 논문에서는 차대보행자 사고에서 보행자의 두부(頭部)가 승용차(현대자동차 NF쏘나타)의 전면 유리와 충돌하는 최저 속도를 추정하기 위해 마디 모(MADYMO) 프로그램에서 보행자의 신장의 범 위를 160cm, 170cm, 180cm로 적용하여 시뮬레이션 을 시행 하였고, 보행자의 두부(頭部)가 승용차의 전면유리에 닿을 수 있는 승용차의 최저속도를 추 정하였다. <Fig. 1>.

본 연구의 수행과정은 다음과 같다.

II.이론적 배경 및 문헌고찰

1.차대보행자 충돌현상의 이해

차대보행자 사고 시 보행자는 충돌단계, 비행 단계, 미끄러지고 구르는 3가지 단계를 거치게 된다[3].

첫 번째의 충돌단계(contact phase)에서 보행자 는 차의 속도와 거의 가깝게 가속된다. 신체의 일 부가 범퍼, 전면부 끝단, 보넷(bonnet) 패널 또는 차 량의 전면유리와 접촉할 수 있다. 그리고 어린아 이, 큰 트럭이나 버스에 치인 성인은 차량 밑으로 들어가 역과 될 수도 있다.

두 번째의 비행단계(flight phase)는 만약에 차량 이 제동되었다면 신체는 차량으로부터 분리되고 자유비행(free flight)한다. 보행자가 튕겨 날아간 직 후의 속도는 차량의 충돌속도와 같다고 생각해도 된다. 실제로 모형 인형을 이용하여 충돌실험을 한 결과 보행자가 튕겨 날아간 거리는 거의 충돌속도 의 제곱에 비례하는 것으로 나타난다.

마지막 미끄럼 단계(Sliding phase)에서 지상에 떨어진 보행자는 노상을 미끄러진 후 정지한다. 이 운동시간은 대개 2초 이내이다. 이 단계에서 보행 자는 나무, 바위 연석 등에 충돌될 수도 있고, 미끄 러질 때의 감속도는 약 0.7g ~1.2g 사이이다.

2.보행자 신체의 충격손상 유형

차대보행자 충돌 시 보행자 신체가 손상을 입는 경우는 크게 4가지로 구분할 수 있다[4]. 범퍼(bumper) 는 차종에 상관없이 최전방에 위치하므로 정면충돌 시 인체와 가장 먼저 접촉하게 되는데 이로 인한 손상 을 1차 충격손상(primary impact injury)이라 한다. 1차 충격손상은 차량의 전면 범퍼와 보행자의 하퇴부와 의 접촉이고 범퍼는 많이 변형되지 않지만 보행자의 하체부는 상해를 입는다.

성인 보행자의 무게중심 위치는 거의 요부 부근 으로서 충돌점보다 위에 있으므로 몸은 회전하여 보넷(bonnet) 위로 올라가고, 보행자는 보넷(bonnet) 위를 차량의 후방을 향해 넘어진다. 2차 충격손상 은 보넷 위로 들어 올려진 보행자가 보넷의 상면 이나 전면유리, 와이퍼(wiper) 또는 프레임(frame)에 보행자의 팔꿈치, 어깨, 두부 및 안면부 등이 충격 되어 발생되는 손상된다. 차량의 속도가 높으면 두 부가 전면유리 또는 프레임에 부딪혀 상해를 입으 며, 차량의 속도가 더욱 높은 경우에는 보행자는 회전을 계속하여 다리가 차량의 지붕에 충돌한다.

3차 충격손상(tertiary injury)은 자동차에 충격된 후 지상에 직접 쓰러지거나 떴다가 떨어져 지면이 나 지상구조물 등에 의해 입는 손상을 말한다. 차 량과 충돌한 보행자는 충격을 가한 차량이나 제 2, 제3의 차량에 의해 역과(run-over injury) 될 수 있 다. 차륜에 의해 역과 되었을 때 항상 그렇지는 않 지만 매우 심각한 손상을 입을 수 있다.

3.보행자 사고유형

차대보행자 사고에서 충돌 후의 보행자 유형은 다음과 같이 5가지로 분류할 수 있다[5].

첫째는 차량 전면 범퍼와 보행자 신체 경골부와 의 접촉으로 보행자 신체는 후드 위로 들려져 차 량을 감싸는 형태를 취한다. 대부분 성인에서 많이 발생하며 충돌 차량이 감속하여 제동한다.

둘째는 무게 중심이 낮은 어린이, 노약자 및 벤, 트럭, 버스와 같이 차량의 전면이 높은 차량과 충 돌 시 주로 발생되는 유형이다. 차량 전면과 보행 자 충돌로 인해 보행자의 상체가 차량의 진행방향 으로 급격히 회전하게 되며, 충격력이 보행자의 무 게중심을 향하며, 보행자는 대게 전도된다.

셋째는 차량의 제동여부와는 관계없이 보행자가 차량 가장자리 모서리 등에 충돌될 때 발생한다. 충격력은 보행자의 무게중심 밑으로 작용한다.

넷째는 충돌 시 차량이 제동하지 않거나 무게중 심이 높은 보행자와 충돌 시 주로 발생하며, 보행 자는 차량의 지붕 위로 넘어가 차량의 뒤에서 최 종위치하게 된다. 32km/h 이하의 속도에서는 잘 발 생되지 않고, 보통 60km/h 이상에서 발생된다.

마지막으로 충돌 후 높은 충격으로 인해 보행자 신체가 차량 위에서 회전하게 된다. 충돌 시 차량 의 속도가 대략 60km/h 이상에서 발생되며, 발생빈 도가 낮다.

4.기존문헌 고찰

RTA(2002)에서 제시하고 있는 결과에 의하면 40km/h 이하(미만)의 경우에는 보행자의 안면과 머 리가 전면유리에 접촉하는 일은 적지만 간혹 전면 유리 하단에 발생되는 경우가 있다[5]. 충격속도에 따라 시속 20km 내외 이상일 때 보행자가 후드에 충격되고, 두부가 앞 유리에 부딪치는 것은 보행자 의 신장에 관계없이 차량의 속도가 40km/h를 초과 할 때 발생하는 것으로 알려져 있고, 56km/h일 때 두부는 강성이 높은 프레임에 부딪쳐 손상이 더욱 커진다.

Lee and Ryu(2005)는 국내 최초로 실제 보행자 사고사례를 기반으로 자동차 충돌속도와 보행자 전도거리 간의 회귀분석을 통해 보행자 사고 분 석모형을 제시하였으며, 34건의 실제 보행자 사 고자료를 근거로 하여 자동차의 파손상태에 따른 자동차의 파손부위 빈도조사를 단계별로 분류하 였다[6].

Park and Lee(2006)는 지방부 4차로의 국도를 대 상으로 하여 보행자사고를 설명하는 모형을 개발 하였다. 도로안전시설물의 설치여부를 설명변수로 하여 로짓모형을 이용하여 구성하였고, 모형을 적 용한 분석결과 시거개선 보도설치, 조명등이 보행 자 사고에 미치는 영향이 큰 것으로 파악되었다[7].

Cho and Lee(2006)는 국내 사고자료를 이용하여 차대자전거 사고시 충돌속도를 예측하는 모형을 개발하여 제시하였다. 이를 위하여 고려된 변수들 중 자전거 전도거리와 충돌속도의 상관관계를 확 인하고, 이를 모형화하여 실제충돌속도와 3%내외 의 오차를 갖는 결과를 나타내었다[8].

Koji and Janus(2000)는 교통사고 분석과 수학적 시뮬레이션, 머리모양 충돌 테스트를 근거로 보넷 (bonnet) 타입 승용차와 보행자가 충돌 시 보행자의 다리에 중대한 상해를 입으며, 보행자가 미니 밴 차량과 충돌 시 보행자의 목과 머리에 심각하고 치명적인 위험이 있음을 발표하였다[9].

Andrew et al.(2000)의 연구는 차량의 손상정도와 손상부위 뿐만 아니라 보행자의 상해 정도 또한 보행자를 충돌하는 순간의 차량의 속도를 측정함 에 있어 좋은 증거자료가 된다는 것을 보여주고 있다[10].

Han(2011)은 경사길에서 발생하는 보행자 충돌 사고에서 차량의 충돌속도를 정확하게 추정할 수 있는 지나치게 복잡하지 않은 충돌사고 해석 모델 을 제시하였다. 신중하게 검증된 다중물체동역학 시뮬레이션을 국내 상황과 유사한 여러 가지 다양 한 계수들과 조건하에서 반복적으로 수행한 결과 들을 대상으로 경사길 사고에 대한 비교를 통하여 충돌사고 모델의 유효성을 입증하였다[11].

III.보행자 충돌 실험 결과

본 연구에서는 마디모(MADYMO) 프로그램 상 에서 승용차대보행자 충돌실험을 재현하기 위해 아래와 같은 조건을 설정하였다.

1.자동차 모델

승용차 모델은 매우 다양하나, 본 연구에서는 일반적인 차량 형태인 Sedan형 모델 중에서 국내 에서 가장 많이 이용되고 평균적인 차량으로 인식 되는 현대자동차가 제작한 NF쏘나타 모델을 사용 하였다. 차량모델은 보행자 충돌로 인해 손상이 거 의 없는 강체모델을 전제로 하였으며, 구체적인 NF쏘나타의 제원은 다음 <Table 1>과 같다.

2.보행자 모델

보행자모델은 일반 성인을 대상으로 하여 보행 자 신장을 160cm, 170cm, 180cm인 3지 형태로 구 분하여 적용하였다. 그리고 문화체육관광부의 2004년~2011년 우리나라 성인 남녀의 평균 체중 자료를 고려하여 보행자 신장이 160cm인 모델의 몸무게는 55kg을, 보행자 신장이 170cm, 180cm인 모델은 몸무게를 70kg으로 적용하였다.

3.시뮬레이션 조건

보행자가 차량과 충돌하는 조건은 매우 다양하 다. 본 연구에서는 보행자사고의 대부분을 차지하 는 보행자 이동시 차량과 충돌하는 경우를 주 대 상으로 설정하였고, 이러한 보행자의 측면과 승용 차의 전면부가 충돌하는 상황을 다음 <Fig. 2>와 같이 구성하여 실험을 실시하였다. 보행자 충돌 직후 승용차의 제동이 시작되는 상황을 적용한 상태에서 마디모(MADYMO) 시뮬레이션을 수행 하였다.

마디모(MAthematical DYnamic Models)는 네덜 란드에서 개발되어 미국 NTSB(국가교통안전위원 회), 영국 TRL(교통연구소), 스웨덴 SHK(스웨덴사 고조사원) 등에서 널리 사용되고 있는 시뮬레이 션 프로그램이다. 이 프로그램은 다물체 동역학 (Multi-body Dynamic)에 기반을 둔 수치 해석 모 델의 구성이 가능하고, 교통사고 해석에 필수 요 소인 검증된 인체모델(Human Model)을 제공하며, 인체모형의 근육운동 및 연령별 사이즈 조절이 가능하여 인체모형이 적용되는 교통사고, 특히 보 행자 사고 해석과 탑승자 거동 및 탑승자 각 신 체부위에 가해지는 충격력에 대한 해석능력이 뛰 어난 시뮬레이션 프로그램이다.

NF쏘나타의 가운데를 기준으로 할 때 본넷의 길이 는 110cm이고, 전면유리의 길이는 91cm이다. NF쏘나 타의 속도를 10km/h씩 높여가며 보행자와 충돌하는 시뮬레이션을 수행하였으며, 각 충돌상황에서 보행자 의 두부가 닿는 부위에 대한 결과는 1차 및 2차 충돌부 분을 구별하여 자료를 수집하였다. 그리고 보넷 (bonnet)의 경우에는 앞부분에서 후방 쪽으로의 길이 를 측정하고, 전면유리의 경우에는 하단에서 상단 쪽으 로의 길이를 측정하여 기록하였다.

4.시뮬레이션 결과

1)보행자의 신장 160cm

MADYMO 프로그램에서 보행자의 신장을 160cm 로 적용하고, NF쏘나타의 속도를 10km/h부터 100km/h까지 10km/h씩 높여가며 실험한 결과는 다음 <Table 2>와 같다.

시뮬레이션(simulation) 결과에 의하면, 보행자의 신장이 160cm일 경우 차량의 속도가 10 km/h인 매 우 낮은 경우에는 1차 및 2차 충돌이 발생하지 않 았다. 이는 보행자의 인지반응시간이 작용하고 차 량의 제동거리가 크게 감소하기 때문으로 판단된 다. 차량의 속도가 20-40 km/h인 경우에는 보넷부 분에 1차 충돌이 발생하고, 2차 충돌은 발생하지 않았다. 차량의 속도가 증가한 50-100 km/h 구간에 서는 보넷부분에 1차 충돌이 발생하였고, 전면유리 부에 2차 충돌이 발생하였다.

보다 상세한 분석을 통하여 차량의 속도가 약 49km/h일 때 보행자의 두부(頭部)가 차량의 보넷 (bonnet) 약 100 cm 지점에 닿았고, 이후에 차량의 진행에 의해 보행자의 두부가 전면유리 하부 10cm 지점에 최초로 닿는 것으로 파악되었다.

2)보행자의 신장 170cm

보행자의 신장을 170cm로 설정하고, NF쏘나타 의 속도를 10km/h부터 100km/h까지 10km/h씩 높여 가며 실험한 결과는 <Table 3>과 같다.

보행자의 신장이 170cm으로 변경되어 시뮬레이 션을 실시한 결과를 살펴보면, 차량의 속도가 10 km/h인 경우 마찬가지로 1차 및 2차 충돌이 발생 하지 않았다. 차량의 속도가 20-40 km/h인 경우에 는 보넷부분에 1차 충돌이 발생하였고, 2차 충돌은 발생하지 않았다. 차량의 속도 50-80 km/h 구간에 서는 보넷부분에 1차 충돌이 발생하였고, 전면유리 부에 2차 충돌이 발생하였다. 또한 차량속도 90-100 km/h에서는 전면유리부에 2차 충돌만 발생 하였다.

속도 40-50 km/h 구간에 대한 보다 상세한 분석 을 실시하여, 차량의 속도가 약 41km/h일 때 보행 자의 두부(頭部)가 차량의 보넷(bonnet) 약 105 cm 지점에 닿았고, 이후에 차량의 진행에 의해 보행자 의 두부가 전면유리 하부 2cm 지점에 최초로 닿는 것으로 나타났다.

3)보행자의 신장 180cm

MADYMO 프로그램에서 보행자의 신장을 180cm로 설정하고, 차량의 속도를 10km/h부터 100km/h까지 10km/h씩 높여가며 실험한 결과를 <Table 4>에 나타내었다.

보행자의 신장이 180cm로 증가된 경우에는 이 전과 다른 패턴의 결과가 도출되었다. 차량의 속도 가 10 km/h인 경우 1차 및 2차 충돌이 발생하지 않 았다. 차량의 속도가 20 km/h인 경우에는 보넷부분 에 1차 충돌만 발생하였고, 2차 충돌은 발생하지 않았다. 차량의 속도가 30 km/h인 경우는 보넷부분 에 1차 충돌이 발생하고, 전면유리부에 2차 충돌이 발생하였다.

차량의 속도 40-100 km/h 구간에서는 1차 충돌 이 발생하지 않고, 전면유리부에 2차 충돌만 발생 하였다.

전면유리부에 닿는 최저속도를 측정하기 위하여 속도 20-30 km/h 구간에 대하여 상세한 분석을 실 시하였다. 분석 결과, 차량의 속도가 약 29 km/h일 때 보행자의 두부(頭部)가 차량의 전면유리 하부 10cm 지점에 최초로 닿는 것으로 파악되었다.

본 연구에서 파악된 실험결과를 활용하여 보행 자의 신장별로 충돌 시 전면유리부에 닿는 최저속 도를 정리한 결과는 다음 <Fig. 3>과 같다.

최저속도는 보행자의 신장과 반비례하는 추세경 향을 나타내었으나, 이와 같은 경향이 보행자의 신 장 크기에 대하여 선형적으로 감소하지는 않는 것 으로 파악되었다. 따라서 다양한 보행자 신장에 대 하여는 추가적인 실험을 수행하여 최저 속도를 추 정하는 것이 타당하다고 판단된다.

IV.결론 및 향후 과제

본 연구에서는 차대보행자 교통사고에서 승용차의 충돌속도를 추정하는 과정의 신뢰성을 높이고자 보행 자의 신장에 따라 보행자의 두부(頭部)가 NF쏘나타의 전면유리에 닿는 최저 속도를 제시하였다.

MADYMO 프로그램을 이용한 시뮬레이션 조사 결과, 보행자의 두부가 NF쏘나타의 전면유리에 닿 는 최저속도는 보행자의 신장이 160cm일 경우 약 49km/h, 보행자의 신장이 170cm일 경우 약 41km/h, 그리고 보행자의 신장이 180cm일 경우 약 29km/h 로 나타났다. 이와 같이 보행자의 두부가 승용차의 전면유리에 닿을 수 있는 속도가 보행자의 신장에 따라 상이함을 알 수 있고, 이러한 관계가 비선형 적인 경향을 보이므로 향후 다양한 신장에 대한 실험결과가 필요하다는 것을 확인하였다.

본 연구는 보행자의 신장에 따른 보행자의 두부 가 승용차의 전면유리에 닿을 수 있는 최저 속도 를 제시했다는데 의미가 있고, 보행자 대 승용차의 교통사고에서 승용차의 전면유리에 보행자 두부의 충돌흔적이 있을 시 승용차 속도 분석의 보조 자 료로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

그러나 본 연구는 대상 차량을 NF쏘나타로 한 정하였고, 보행자 모델의 신장을 160cm, 170cm, 180cm로, 보행자 모델의 몸무게를 55kg, 70kg로 한 정하였으며, 실제 수집된 동영상 자료가 아닌 MADYMO 프로그램의 시뮬레이션 결과라는 점에 서 아쉬움이 남는다. 차대보행자 교통사고에서 보 행자의 운동량은 차량의 운동량에 비해 현저히 작 고, 최초 충돌부위가 보행자의 하지와 승용차량의 앞 범퍼로 특정되기 때문에 동일 신장에서 보행자 의 몸무게에 따른 영향은 적을 것으로 생각되지만, 추후 몸무게의 증감에 따른 충돌패턴의 변화에 대 한 연구가 필요하다고 판단된다.

또한 다양한 차종, 속도, 충돌자세, 보행자 모델 등을 고려하여 광범위한 평가를 진행하고, 나아가 실제 수집된 동영상 자료 등을 토대로 분석하여 보다 유용한 자료를 제시할 필요성이 요구된다.