Ⅰ.서 론

National Index System, Driver's License Status(2015)에 따르면, 우리나라의 자동차 운전면허 소지자는 '15년 기준 30,293천명으로 전년대비 74만 9천명 증가하였으며, '02년에 전년대비 133만 명이 증가하여 증가율이 최고조에 이른 후 증가율 자체는 둔화된 추세이다. 이는 전 국민의 58.8%가량에 해당하며, 통계 수치에서 보 듯이 자동차 운전면허는 예전과 달리 보편화가 된 상황이다. 도로교통공단(The Road Traffic Authority)에 의 하면, 우리나라의 자동차 운전면허는 “국가운전면허시험장”과 “자동차 운전 전문학원”을 통하여 취득이 가 능하며, ‘적성검사→교통안전교육→학과시험→기능교육→기능시험→연습면허취득→도로주행교육→도로주행 시험’의 과정을 거치도록 되어 있다. The Road Traffic Authority(Driver's License Service, On-Road Exam)와 Bag(2009) 및 Gwon(2008)에 의하면, 현재 도로 주행 시험의 시험 과제는 출발 전 준비, 운전자세, 출발, 가속 및 속도 유지, 제동 및 정지, 조향, 차체 감각, 통행구분, 교차로 통행, 주행 종료이며, 과제별 세부 항목이 있 으며, 이 항목에 대하여 감점 기준이 정해져 있다.

피시험자는 이 과제의 항목들에 대하여 평가하여 기준 점수가 되면 합격하게 된다. 기능검정원은 국가시 험장 시험과 동일한 책임과 권한 부여 받아 규정에 따른 기능검정 실시하여 합격, 불합격을 증명하는 중요한 업무를 수행한다. 전문학원은 기능검정 정원을 수강생 정원 160명당 1명을 반드시 두도록 되어 있으므로, 학 원별로 1명이상이 근무하면서, 장내기능검정은 평균 주 1회, 도로주행검정은 평균 주1-2회 실시하고 있다 (Gwon, 2008). 기능검정 평가는 자동차운전 전문학원에서 이루어지므로 학원별, 기능검정원별로도 평가 결과 가 각각 다를 수 있어 객관적인 평가가 되지 못하는 면이 있다. 이를 해결하기 위해서는 운전 면허 시험의 기준에 맞는 객관적인 평가를 위한 자동채점 시스템이 필요한 상황이다.

본 논문에서는 도로 주행 시험의 공정하고 객관적인 평가를 위하여 현장 조사와 도로 주행 시험의 절차를 분석하고 이 절차에 따라 과제의 항목을 도로 주행 시험에서 센서를 활용하여 자동으로 채점하는 시스템을 개발한다. 이 시스템은 차량탑재장치, 채점용 단말, 데이터 처리 서버로 구성되며 차량탑재장치는 데이터 센 싱, 통신, GPS 연동 기능이 있고, 단말에는 채점 프로그램을 개발하여 탑재하였으며, 서버에서 전달된 데이 터를 저장하고 처리한다. 제안 시스템에서는 차량의 각종 센서로부터 정보를 얻어 차량 내 단말기로 데이터 를 전달하며, 특히 차량의 경로 정보 입력과 이동 중에 GPS 오차로 인해 지도에 차량이 도로에서 벗어나 표 현되는 것을 해결하는 지도 매칭 기법과 경로이탈 및 복귀 알고리즘을 활용하여, 자동 채점 시스템을 제안하 였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 자동차 운전 면허 자동채점 시스템을 설명하고, 3장에서는 시스템 의 구현 및 시험결과를 기술한다. 끝으로 4장에서 결론을 맺는다.

Ⅱ.자동차운전 면허 자동채점 시스템

우리나라는 도로교통법 시행령 제48, 49조에서 자동차의 운전에 관하여 필요한 도로에서의 운전능력(운전 장치를 조작하는 능력 및 교통법규에 따라 운전하는 능력)에 대하여 시험을 실시하도록 명시하고 있다. Enforcement Decree of the Road Traffic Act(2011)에 제시된 바와 같이, 도로주행시험은 도로에서 운전장치를 조작 및 교통법규 준수 능력을 평가하여, 70점 이상 획득하면 합격하게 된다.

본 논문에서 제안하는 시스템은 데이터 센싱, 통신기능, GPS 연동기능이 있는 차량탑재장치와 시험, 연습, 조회, 채점, 설정이 가능한 단말, 도로 주행 시험에서 생성되는 데이터와 처리를 위한 서버로 구성되어 있다. 본 자동채점시스템 구현과 실험을 위한 구성요소에 대한 설계 내용은 다음과 같이 요약할 수 있다. (Kim, 2017).

1.차량탑재장치 설계

도로 주행 시험의 과제 항목의 채점을 위하여 차량에 탑재되어 있는 각종 센터로부터 데이터를 수집할 수 있는 인터페이스를 설계하고 채점 결과를 전달할 수 있는 통신기능, GPS 연동기능 등을 설계한다. 이 장치 는 차량의 실시간 속도, RPM 및 각종 기기조작 정보(방향지시등, 풋브레이크, 핸드브레이크, 기어, 클러치, 차문, 안전벨트, 시동, 엑셀러레이터 등)와 인터페이스 되어 블루투스 통신을 통해 실시간으로 태블릿PC로 전송하며, 차량탑재장치에서 연산처리를 하여 전송하여야 하는 일부 항목에 대해서는 차량탑재장치에서 연 산을 하여 결과를 태블릿PC로 전송을 한다. 설계의 기본적인 요구 사항과 기능에 대해서 설명하면 다음과 같다.

2.채점용 단말 설계

채점 프로그램의 주요기능은 시험장별로 지정된 다수의 시험경로에 대한 경로정보를 가지고 그중 1개의 경로를 선택하여 시험을 진행하며 시험 진행 중 실시간 GPS 데이터와 지정된 경로데이터의 비교를 통해 경 로 안내 및 경로이탈 여부를 체크하고 차량탑재장치와 연동하여 차량기기조작 및 각종 센서의 상태를 받아 자동채점을 수행한다. 수동채점 항목에 대해서도 사용자 인터페이스를 통해 실시간 수동채점이 가능하도록 설계 하였다(Jarrett and Su, 2009). 기본적인 기능과 설계 요구사항은 다음과 같다.

도로주행 시험을 진행할 때 시험 세부 항목에 대하여 기준을 가지고 이 기준에 미달할 때는 감점을 하는 형태로 진행된다. 그러므로 본 논문에서 제안하는 자동채점 시스템의 경우는 자동채점 기준을 명확하게 해 야 한다. 이 시스템에서는 차량의 기기 조작 정보와 각종 센서 정보를 조합하여 자동채점을 기준을 결정하였 다. 또한 도로 주행 시험에서는 시험 경로 안내를 음성과 방향 표시로 해야 하므로 시험에서 이동시 GPS 에 러로 인한 맵 매칭이 필요하다 (Quddus et al., 2003).

3.채점 기준

차량 기기 조작에 대한 데이터와 센서값을 활용하고 각 시험항목에 대하여 채점 방법을 센서값 자동처리, 센서값 상태메시지 표출, 상태메시지 표출, 시험관 입력 후 상태메시지 표출 4가지로 정리하였다. 각 시험항 목이 자동 채점될 수 있게 하였다. 각 채점 방법에 대하여 예제 2개씩 <Table 1>에 나타내었다.

시험 항목에는 차문, 기어, 주차브레이크, 자세불안정, 급조작, 급출발, 엔진정지, 미신호, 신호계속, 미출 발, 미시동, 속도, 탄력주행, 미제동, 평행주차, 급브레이크, 지정속도 위반 등의 항목에 대하여 4가지 채점 방 법으로 도로 시험 주행 시 자동 채점하여 합격 여부의 결과를 얻는다.

4.지도매칭 기법과 경로이탈 및 복귀 알고리즘

차량에 GPS를 설치하고 GPS 위도, 경도 데이터를 기준으로 지도위에 차량의 움직임을 표시하면 해당 도 로위에 표시가 되어야 하나 GPS의 오차로 인해 도로를 벗어나서 차도밖에 나타나거나 건물위에 나타나는 경우가 발생되게 된다. 지도매칭기법은 이러한 문제를 개선하기 위한 기법으로 차가 차도 밖이나 건물위로 운행할 수 없다는 전제를 가지고 데이터는 도로를 벗어난 위치의 정보를 가지고 있더라도 가장 근접한 도로 에 있는 것으로 추정을 해 내는 기법이다. Jagadeesh et al.(2004)에서는 수신된 GPS는 과거에 비해 정확도가 많이 향상되었으며, 현재 범용적으로 사용하는 GPS는 L1 C/A code를 사용하였을 경우 6-11m의 오차 범위를 가지며 DGPS를 사용하면 약 1m 이내의 오차 범위를 갖는다고 제시하고 있다.

도로주행시험에서 경로 안내는 GPS 성능 및 외부 환경의 영향에도 문제가 없도록 설계가 되어야하며, 맵 매칭은 GPS 좌표의 오차가 발생하더라도 정상적인 안내를 하기 위해 중요하다(Kim et al., 2016; Assam and Seidl, 2013). 본 논문에서 GPS오차를 극복할 수 있는 알고리즘을 제안하여 도로 주행 시험에서 정상적인 안 내가 될 수 있도록 한다. 본 논문에 적용된 지도 매칭 알고리즘은 GPS좌표가 수신되면 해쉬함수를 이용하여 GPS좌표가 포함된 지도(메쉬)를 읽어온다. 지도 내에서 GPS좌표에 가까운 폴리라인(ployline)을 선택한다. 도 로에서의 기본 단위는 노드(node)와 노드를 연결하는 링크(link)이며, 여러 개의 링크가 연결되어 폴리라인을 이루게 되는데 폴리라인은 주로 교차로나 신호등, 유턴지점에서 새로운 폴리라인으로 연결되게 된다. 선택한 폴리라인에서 GPS좌표에 가까운 링크를 선택하고 선택한 링크가 1이거나 선택된 폴리라인이 1인 경우 링크 위에 차량의 위치를 표현한다. 만일 링크나 폴리라인이 선택되지 않는다면 수신된 GPS좌표는 지도에 없는 경우로 에러를 출력한다. 만일 선택된 폴리라인이 여러 개이고 링크도 여러 개인 경우는 현재의 GPS좌표를 다음 GPS가 매칭될 때까지 유보한다.

GPS좌표에 가까운 폴리라인이 선택은 지도 내에는 수많은 폴리라인이 있으며 모든 폴리라인에 대하여 GPS와의 거리를 계산하는 것은 매우 시간이 많이 소요되는 작업이다. 따라서 근접한 폴리라인을 선택하기 위하여 외접 사각형을 사용하여 겹치는 링크를 찾아낸다.

선택된 링크들에 한하여 GPS좌표에서 링크까지의 거리를 <Fig. 1>과 같이 정사영(orthogonal projection) 방 법을 이용하여 구한다. 정사영 방법은 노드 a의 위치를 (x₁,y₁), 노드 b의 위치를 (x₂, y₂)라고 하면 GPS 좌표 G의 링크 AB상을 주행할 때 GPS 좌표에서 링크까지 거리 h는 식(1)과 같으며 링크까지의 거리 h의 값이 GPS 오차 내에 있으면 차량이 위치할 수 있는 도로가 된다. 식(1)에서 g₁은 AG의 거리이고 g2는 BG의 거리 이고, c는 AB의 거리이다. 만약 오차내의 링크 값이 여러 개가 선택되고 링크가 속한 폴리라인이 여러 개인 경우가 발생하면 GPS 좌표는 어떠한 도로에 매칭이 되는가를 결정할 수 없으므로 매칭을 유보하게 된다. 이 때 유보된 GPS 좌표는 스택에 저장하고 다음 GPS를 읽어 도로에 매칭을 시도한다. 이 과정은 매칭이 될 때 까지 계속한다(Kim et al., 2016; Assam and Seidl, 2013).

GPS 좌표가 도로 지도상에 매칭되고 이전 GPS 좌표가 매칭된 도로와 현재의 도로가 연결 되어 있고 유보 리스트에 유보된 GPS 좌표가 있다면 이를 도로에 매칭한다. 만일 현재 매칭된 도로가 이전 GPS좌표가 매칭 된 도로와 연결되지 않는다면 A*알고리즘을 사용하여 경로 탐색을 한다(Kim and Lee, 2015).

이 알고리즘은 주어진 출발 꼭지점에서부터 목표 꼭지점까지 가는 최단 경로를 찾아내는 그래프/트리 탐 색 알고리즘이며, 폭 우선 탐색(breadth first search) 알고리즘 중의 하나이다. 이 과정을 반복하여 유보된 GPS 좌표가 매칭이 된다면 탐색된 경로를 타당한 경로로 표시하게 된다.

Ⅲ.시스템 구현 및 시험 결과

1.전체 시스템 구성

도로주행 채점시스템의 전체 시스템 구성은 <Fig. 2>과 같다(Kim, 2017). 통제실 컴퓨터는 경찰청 주전산 기에서 응시 자료를 받아 차량 별로 자료를 분류하여 차량의 Mobile Device(Tablet PC)에 무선으로 전송을 하 며 채점 결과를 받아 분석 및 각종 보고서를 생성한다.

<Fig. 2>는 통신이 가능한 차량 내의 장치, 통제실 내 데이터 제어 장치, 저장 및 처리를 위한 서버로 구성 되어 있으며, 차량 내에는 센서데이터 및 기기 조작 데이터를 제어하는 제어 모듈 그리고 이 데이터를 활용 하여 자동 채점이 가능한 채점 단말이 있다. 도로 주행 시험 데이터는 WiFi로 통제실로 전달되고 서버에서 데이터 저장 및 처리가 이루어진다.

2.시스템 구현 및 시험 결과

센서 데이터, 기기조작 데이터를 입력으로 하여 처리하는 차량 탑재 장치의 보드를 <Fig. 3>에 나타내었 다. <Fig. 4>는 차량 탑재 장치와 채점용 단말을 나타내었으며, <Fig. 5>은 센서와 장치가 자동차에 설치된 모습이다(Kim et al., 2017).

1)차량 탑재 장치

①MCU 부 회로

32bit CPU를 사용하여 설계를 하였고 DRAM 인터페이스가 갖추어진 CPU를 사용하여 SRAM에 비해 상대적으로 저렴하면서 대용량의 메모리인 DRAM를 사용하여 메모리 용량을 확보하였으며, 추후 확장 성까지 고려를 하였다.

②통신부 회로

MCU 자체가 가지고 있는 2개의 통신포트 외에 DUART(dual universal asynchorous receive/transmitter) 통 신칩 2개를 사용하여 4개의 통신포트를 구성하였다(Wirth, 1995). 차량탑재장치가 다양한 센서들과 통 신을 하여야 하고 추후 확장성을 고려하여 구현하였다. 그리고 차량의 OBD(on board diagnostics)-II단자 를 통해 차량의 각종기기 및 센서 상태를 받기위해 CAN통신 포트를 추가하였다(David and Ruben, 2002). OBD-II는 차량의 각종 센서와 ECU간 통신을 위해 표준화된 Protocol로 현재는 거의 모든 차량 이 OBD-II를 지원한다. OBD-II를 통해 자동채점을 위한 많은 부분의 신호를 받을 수 있다. 이 포트로 수신이 안 되는 신호는 직접 센서를 추가하거나 연결을 통해 신호를 검출했다.

③Power부 회로

차량의 12V 전압은 차량의 상태에 따라 변화가 매우 심하다. 배터리 전압은 12V이지만 시동이 걸려 제너레이터가 작동을 하면 일반 승용차의 경우 13.5V정도가 나온다. 그리고 1톤 트럭이상은 24V를 사 용하면서 시동이 걸려 제너레이터가 작동을 하면 25V 이상이 나온다. 하지만 시동을 걸때는 전압이 순 간적으로 8V까지 떨어진다. 차량탑재장치는 운전자가 시동을 꺼뜨렸을 때도 동작을 하면서 시동상태 를 감지해야 하고 시동을 걸때 전압이 강하되더라도 재부팅이 되어서는 안된다. 그래서 상당히 넓은 입력전압 범위에서 동작을 하여야 하므로 3.5V에서 36V까지의 폭넓은 입력전압을 가지고 있고 효율이 높으며 높은 전류 출력을 생성할 수 있는 DC/DC Controller를 사용하여 8 ~ 36V까지의 입력 범위를 가 지며 5V 3A출력을 가지는 회로를 설계하여 구현하였다(Rashid, 2011).

2)자동 채점 시험 결과

채점용 단말의 주요기능은 시험 진행 중 실시간 GPS 데이터와 지정된 경로데이터의 비교를 통해 경로 안 내 및 경로이탈 여부를 점검하고 차량탑재장치와 연동하여 차량기기조작 및 각종센서의 상태를 받아 자동채 점을 수행한다.

시험, 연습, 설정, 조회기능, 응시자료 수신기능, 응시자 선택기능, 시험코스 선택기능, 코스 안내 기능, 자 동 채점 및 반자동채점, 수동 채점 기능, 차량 점검기능, 차량탑재 장치와 통신 기능, 시험과 연습 결과 분석 기능, 참관인 서명기능 등이 있다. 대표적으로 채점 기능의 화면을 <Fig. 6>에 나타내었다(Kim et al., 2017).

센서 데이터와 기기조작 데이터를 활용하여 도로 주행 시험 테스트를 하였으며, <Fig. 7>에 채점 결과를 나타내었다. 항목별 점검, 감점 내역, 운행 기록에 대한 정보가 있으며, 시험 최종 결과도 볼 수 있다.

3)경로이탈 복귀 알고리즘 시험 결과

실제 도로주행 테스트 후 GPS 및 차량 센서의 값을 받아 DB에 저장한 리스트를 <Fig. 8>에 나타내었다. 그리고 <Fig. 9>에 도로 주행 테스트 경로 결과에 대한 좌표를 지도에 넣어 비교하였다. <Fig. 9>에서 G는 GPS값을 나타내며 R은 시스템에 계산하여 표시하는 위치 값을 나타낸다. 기존 시스템에 비해 실제 위치 값 이 정확하게 표현된 것을 볼 수 있다.

도로 주행을 하다 보면 GPS 음영 지역이 발생하게 된다. 차량이 이 지역을 지나가게 되면 위치를 잃어버 리게 되며 음영 지역을 벗어나게 되면 빠르게 위치를 찾아 경로를 복귀해야 한다. 이 상황에 대하여 실제적 인 시험을 진행하였다.

이를 <Fig. 10>에 나타내었으며, GPS 음영지역을 벗어나 차량의 속도 57Km/h 일 때 155m 정도 거리를 주 행하였을 때 위치를 찾아 경로 복귀하였으므로 경로 복귀시간은 음영지역 통과 후 9.8초 정도이다.

Ⅳ.결 론

자동차 운전면허의 취득에 있어서, 기능검정원은 국가시험장 시험과 동일한 책임과 권한 부여 받아 규정 에 따른 기능검정 실시하여 합격, 불합격을 증명하는 중요한 업무를 수행한다. 그럼에도 불구하고, 검정 평 가는 국가시험장과 전문학원이 다르고 학원별, 기능검정원 별로도 각각 다를 수 있어 객관적인 평가가 미흡 한 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 운전 면허 시험의 기준에 맞는 객관적인 평가를 위한 자동채점 시스템이 필요한 상황이다.

따라서, 본 논문에서는 GPS와 각종 센서를 이용하여, 공정하고 정확한 기준에 의한 운전면허시험의 자동 채점 시스템을 구현 방안을 제시하였다. 더 나아가, 그 구현에 따른 동작 시험과 성능 테스트를 실시하였다. 제안한 시스템에서 차량의 각종 센서를 인터페이스하여 운전자의 차량 기기조작 상태를 파악하고, 차량의 기기상태와 차량의 주행상태를 조합하여 차량의 운행 상태 파악하여 자동채점이 가능하도록 설계 및 구현되 었다.

저장 경로와 실제 운행경로의 비교를 통해 테스트를 하고, GPS오차로 인한 오류를 개선하기 위해 맵 매칭 기법을 적용하였다. 또한, 이동 중에 경로이탈 및 복귀 알고리즘을 통한 자동 채점 시스템 구현하여 실제 동 작 시험을 한 결과, 자동채점 시스템이 안정적으로 실제 기능을 수행하는 것을 확인하였다. 이 시스템은 기 존 시험 채점 방식과 달리 자동 채점이 가능하며, 시험 결과에서 차량 위치 값이 정확히 표시되었고, GPS 음 영지역에서 벗어났을 때, 안정적인 경로안내와 프로그램의 실행을 확인한 결과 10초 이내로 경로 복귀를 하 였음을 관찰할 수 있었다. 따라서, 본 연구결과의 이 시스템은 공정하고 객관적인 도로주행 시험 테스트 뿐 만 아니라 도로 주행 교육에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.