Ⅰ. 서 론
자율주행자동차(Autonomous Vehicle)는 운전자 등 사람의 조작이나 개입이 없이 스스로 운행이 가능한 자 동차를 말하는 것으로 현재 다양한 국가 및 산업체에서 개발 및 실증테스트 중이다. 미국 자동차기술학회 (Society of Automotive Engineers, SAE)에서는 자율주행기술의 발전단계를 Level 0(비자동화), Level 1(운전자 지원), Level 2(부분 자동화), Level 3(조건부 자동화), Level 4(고도의 자동화), Level 5(완전 자동화) 등으로 분 류하였으며, 현재 Level 4-5 단계를 목표로 자율주행 기술이 발전 중이다. 이러한 자율주행 기술은 저출산·고 령화로 대표되는 인구감소 시대에 필수적인 기술로 인식되고 있으며, 교통부문에서 발생하는 교통사고 및 교통혼잡 등 다양한 사회문제를 해결하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한 모빌리티 서비스 관점 에서 자율주행자동차는 개인승용차 이용객들의 수요전환 및 교통약자 서비스, 통합교통서비스(MaaS) 등에 활용이 가능하다. 자율주형셔틀을 활용한 수요응답형 모빌리티 서비스(Mobility On Demand, MOD)로 시공간 적 대중교통 취약지역에 실시간 모빌리티 서비스를 제공할 수 있는 장점을 가진다.
자율주행 분야의 기술발전은 현재 진행형으로 실도로 기반 자율주행 테스트 시 다양한 안전사고가 발생 할 가능성이 여전히 존재한다. 이에 미국 고속도로교통안전국(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)에서는 자율주행시스템 운영을 목표로 하는 기업들의 ADS(Automated Driving System) 안전성평가 문 서(Safety Report)를 요구하고 있으며, 이 중 운행설계영역(Operational Design Domain: 이하 ODD) 항목은 자율 주행시스템의 운행가능 영역과 주행안전성에 대한 내용을 포함한다. ODD는 자율주행시스템 기능을 정의하 기 위한 최소한의 정보를 제공하는 것으로 도로유형(고속도로, 간선도로 등), 지리적 조건(도시, 산악, 사막 등), 속도 범위, 환경적 조건(날씨, 주/야간 등), 그 밖에 다른 영역의 제약들을 포함한다. 하지만 대부분의 해 외 기업들에서는 자율주행 기술의 지속적인 실증 및 한계 극복을 위해서 유연한(Flexible) ODD 영역을 설정 하였으며, 이는 기업들의 자율주행 기술을 다양한 시나리오 상황에서 평가할 수 있는 장점을 가진다.
우리나라의 경우 실도로 기반 자율주행 기술 검증 시 다양한 안전사고 발생 가능성과 자율주행 ODD 역 영에 대한 기준이 부재한 단점을 가진다. 현재 우리나라의 실도로 기반 자율주행셔틀 실증테스트가 진행 중 이지만, 운행설계영역에 기반한 실증노선 평가는 제대로 이루어지지 못하는 한계를 가지고 있다. 특히 자율 주행자동차법(법률 제16421호, ’19.4.30) 시행으로 시·도의 지사가 시범운행지구 지정을 신청하면, 시범운행지 구 위원회 심의의결 과정을 거쳐 해당 도로구간을 자율주행 시범운행이 가능하도록 허가되므로 이는 일반도 로 내 자율주행 실증차량이 급격히 증가되는 것으로 안전사고 예방을 위한 선제적 운행설계영역(ODD)에 대 한 연구가 필수적임을 증명한다.
이에 본 연구에서는 도시 지역 자율주행셔틀 실증을 위한 운행설계영역 정의 및 평가를 목표로 한다. 우리나 라의 도로환경을 고려한 운행설계영역을 정의하며, 사례 연구로 설정한 안양시 도시부도로를 중심으로 자율주 행 운행 가능여부 등 운행설계영역 평가를 실시한다. 국내 자율주행 운행설계영역 정의 및 평가를 통해서 도심 도로기준 자율주행셔틀 실증에 대한 시사점을 도출하고, 향후 연구 방안에 대해 논의하고자 한다. 본 연구의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 해외 운행설계영역과 관련된 문헌연구를 수행한다. 도심지 자율주행셔틀 운행 설계영역 정의 및 평가기준은 3장에 서술하고자 하며, 이를 활용한 안양시 도로구간 분석 결과는 4장에서 논의 한다. 마지막 5장에서는 이벤트 발생 등을 고려한 운행설계영역 필요성 및 향후 연구 과제를 서술하려 한다.
Ⅱ. 선행연구 고찰
1. NHTSA 자율주행 운행설계영역
NHTSA에서는 자율주행 제조사, 주 정부 및 시 교통 관리 기관, 정책 그룹의 의견을 수렴하여 2018년 9월 자율주행차 개발과 안전한 도로운행을 위한 자율주행시스템 보고서(A framework for automated driving system testable cases and scenarios, NHTSA, 2018)를 발간하였다. 해당 보고서에는 자율주행 시스템(Automated Driving System, ADS) 테스트를 분석하고 특정 자율주행 시스템 기능에 대한 테스트 및 평가 방법의 사례를 개발하 여 제공하고 있다. 또한 자율주행 기술의 개념적 기능 분류와 운영설계영역(Operational Design Domain, ODD) 의 식별 및 분류, 자율주행 시스템의 객체 및 이벤트 탐지, 자율주행 시험 및 평가방법, 작동불량 및 고장안 전 평가 등의 내용을 포함하고 있다. 특히 ODD 요소의 분류 프레임워크를 제시하고 있으며, 물리적 인프라 요소(Physical Infrastructure), 운영적 제약 요소(Operational Constraints), 물체(Objects), 연결성(Connectivity), 환 경 조건(Environmental Condition), 존(Zone) 등이 포함된다.
2. 해외기업 자율주행 운행설계영역 사례
자율주행셔틀 운행설계영역 해외사례의 경우 대표적으로 웨이모(Waymo), 아우로라(Aurora), 오토엑스 (AutoX), 포드(Ford) 등이 포함되며, 각 기업들의 NHTSA Safety Report에 포함된 ODD는 <Table 1>과 같다. 해외 기업들의 ODD의 경우 도로유형, 속도범위, 기상조건, 시간대 등이 포함되며 돌발상황 시에는 최소위험 조건을 달성하기 위한 대비책이 포함되어 있다. 하지만 대부분의 기업들에서 자율주행 기술의 지속적인 검 증 및 한계 극복을 위해서 유연한 ODD 영역을 설정하고 있다. 유연한 ODD 영역 설정을 통해서 기업들이 개발 중인 자율주행기술을 다양한 시나리오 상황에서 평가할 수 있게 정의되고 있다.
3. 시사점
선행연구 검토 결과, NHTSA 자율주행 운행설계영역은 물리적 인프라 요소, 운영적 제약 요소, 물체, 연결 성, 환경 조건, 존 등으로 구분하여 자율주행 운행 시 영향을 미치는 요인을 분류하였다. 하지만 해외 기업들 의 자율주행 운행설계영역은 도로유형, 속도범위, 기상조건, 시간대 등이 포함되었지만, 자율주행 기술의 지 속적인 실증 및 한계 극복을 위해서 정량적 기준이 부재한 유연한 ODD 영역을 설정하였다. 하지만 유연한 ODD 영역 설정은 실도로 기반 실증테스트에서는 사고발생 등의 안전을 확보하지 못하는 단점을 가진다. 특 히 우리나라의 경우 현재까지 실도로 기반 실증테스트을 위한 자율주행 운행설계영역의 명확한 기준이 부재 한 한계를 가지고 있다. 향후 국내 자율주행자동차법 시행으로 실도로 내 자율주행 차량 증가가 예상되기 때 문에 안전한 실증테스트 지원을 위한 자율주행 운행설계영역에 대한 선제적 연구가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 국내 도로환경에 적합한 자율주행 운행설계영역을 정의하며, 도시 지역 실도로를 중심으로 자율 주행 운행 가능여부 등 운행설계영역 평가를 실시하고자 한다.
Ⅲ. 연구방법론
1. 자율주행셔틀 운행설계영역 정의
본 연구에서는 미국 NHTSA 자율주행시스템 보고서에서 제시하는 ODD Classification을 활용하여 국내 도 로 인프라와 교통환경 조건에 맞는 자율주행 운행설계영역을 정의한다. NHTSA에서는 ODD 항목으로 물리 적 인프라 요소, 운영적 제약 요소, 물체, 연결성, 환경 조건, 존 등으로 분류하였지만 본 연구에서는 국내 도 로인프라 및 도로환경 조건을 고려하여 자율주행셔틀 운행설계영역을 1) 기하구조적 요인(Geometry Factors), 2) 운영적 요인(Operational Factors), 3) 환경적 요인(Environmental Factors) 등으로 분류하여 각 요인별 세부 고려요인을 정의한다. 먼저 기하구조적 요인에는 링크유형, 노드유형, 도로표면, 차로수 등이 포함되며 자율 주행시스템 성능과 도로환경에 영향을 미친다. 운영적 요인에는 신호, 구간운영, 소통상황 등이 포함되며 자 율주행시스템 성능과 도로환경에 영향을 미친다. 환경적 요인에는 시간대 및 기후조건이 포함되며 자율주행 시스템 성능에 영향을 미친다. 시간대는 조도변화에 따른 자율주행시스템 외부환경 검지성능에 따라 오전/오 후첨두, 비첨두, 심야시간 등으로 구분하였으며, 기후조건에서는 맑음, 비, 안개, 우설 등으로 구분한다. 본 연구의 링크유형 및 링크 소통상황 서비스수준(Level of Service, LOS)은 도로용량편람(2013)의 기준을 활용하 였다. 링크 소통상황 서비스수준은 도시부 링크속도를 기준으로 LOS A-FFF 까지 분류하여 링크 교통상황을 파악할 수 있는 지표이다.
2. 운행설계영역 기반 자율주행 가능여부 판단
본 연구에서는 이미 정의된 자율주행셔틀 ODD에서 자율주행 가능 및 제한에 대한 기준을 설정한다. 국내 도로환경 및 안전을 우선적으로 고려하여 각 요인별 자율주행시스템 운행 가능여부를 <Table 3>과 같이 정 의하였다. 노드는 3지, 4지 교차로에서만 자율주행이 가능하며, 2-4차선이 포함되는 링크구간에서만 자율주 행이 가능한 것으로 정의한다. 자율주행 시 교차로 통과 등에 중요한 영향을 미치는 신호현시는 통신이 가능 한 교차로에 대해서만 자율주행 가능으로 정의한다. 그리고 링크 소통상황 LOS F 이하의 경우 정체로 인한 비반복적인 Stop and Go 현상을 고려하여 자율주행 제한으로 정의하였다. 국내 실도로 자율주행 법제도를 고려해서 노인보호구역, 어린이보호구역, 보행자보호 존30, 불법주정차상습 등의 링크에서는 자율주행 불가 능으로 정의한다. 기후조건에서 국내 자율주행 시스템 기술안정성 확보를 위해서 맑은 날씨에만 자율주행 가능으로 정의한다. ODD 구성요소의 링크유형, 노드유형, 도로표면, 차로수, 신호현시 등은 고정적 요인으로 분류되며, 구간운영, 소통상황, 시간대, 기후조건 등은 가변적 요인으로 분류되어진다.
Ⅳ. 방법론 적용 및 분석
1. 분석구간 및 자료
본 연구의 자율주행셔틀 실증을 위한 운행설계영역 평가구간은 안양시 도시부도로를 중심으로 실시한다. 안양시 자율주행셔틀 운행설계영역 후보영역의 경우 안양시청 및 신도심/구도심을 포함하는 도로구간으로 설 정하였으며, <Fig. 2>과 같다. 본 연구의 운행설계영역 후보영역은 30개의 노드(Node)와 88개의 방향별 링크 (Link)를 포함하는 구간으로 안양시청, 범계역, 동안구청, 안양종합운동장 등 주요 거점을 포함한다. 특히 안양 종합운동장을 포함하는 지역으로 향후 범계역 등의 지역거점 연결 및 구간 확대를 통한 대(對) 시민 모빌리티 서비스에 활용가치가 높을 것으로 판단된다. 시간대의 경우 심야시간을 제외한 오전첨두(8-9시), 비첨두(12-13 시), 오후첨두(18-19시) 등에 대해서 분석하며, 소통정보의 경우 2019.11.14.(맑음)의 날짜를 활용하였다.
2. 자율주행셔틀 운행설계영역 분석결과 (노드 기준)
본 연구의 노드기준 자율주행셔틀 운행설계영역 분석결과는 <Table 4>와 같으며, 노드유형 및 신호-통신 활용여부에 따라 자율주행셔틀 운행가능여부 판단이 가능하다. 본 연구의 30개 노드가 포함된 안양 도심지 자율주행셔틀 후보영역은 3지교차로 9개, 4지교차로 21개로 자율주행 운행이 가능한 영역으로 분류된다. 또 한 교차로 진입/진출을 위한 신호현시 통신환경의 경우에도 30개 노드에서 통신기반 신호현시 전달이 가능 하므로 해당 후보영역에서는 노드 기준 자율주행셔틀 운행이 가능하다.
3. 자율주행셔틀 운행설계영역 분석결과 (링크 기준)
본 연구의 링크기준 자율주행셔틀 운행설계영역의 경우 링크유형, 도로표면, 차로수, 구간운영, 소통상황, 시간대, 기후조건 등이 포함되며, 기 정의된 운행설계영역을 활용해서 자율주행 운행가능여부를 판단하였으 며, <Table 5>, <Fig. 3>와 같다. 링크유형의 경우 도시 및 교외간선도로 유형2 36개 링크, 유형3 52개 링크로 분류되었으며, 도로표면은 운행설계영역 후보지역 전체구간에서 아스팔트로 분류되었다. 차로 수를 기준으 로 편도2차로 56개 링크, 편도3차로 14개 링크, 편도4차로 18개 링크로 분석되었다. 구간운영에서는 어린이 보호구역 18개 링크, 공원예정 4개 링크, 불법주정차상습 8개 링크 등이 포함되었다. 링크 소통상황은 각 시 간대별로 LOS B ~ FF 사이에 분포되었다. 해당 자율주행 운행설계영역 요인들을 종합하여 최종적으로 오전 첨두(8-9시) 42개 링크, 비첨두(12-13시) 39개 링크, 그리고 오후첨두(18-19시) 40개 링크구간에서 자율주행 제 한으로 분석되었다. 본 연구의 자율주행셔틀 운행설계영역은 해당 지역의 도로환경 및 안전을 우선적으로 고려하여 정의하였기 때문에 상대적으로 많은 자율주행 제한 링크가 추출되었다. 특히, 도로구간 운영상의 상습적인 불법 주·정차 구역, 어린이보호구역 등에 포함되는 링크는 시간대에 상관없이 자율주행 제한으로 분류되어야 하는 관계로 제한 링크가 상대적으로 늘어나게 되었다. 본 연구에서 정의한 자율주행셔틀 운행 설계영역 노드 및 링크기준을 활용해서 향후 국내 자율주행셔틀 실증을 위한 도로운영 등에 대한 기준 설정 이 가능할 것으로 기대한다.
Ⅴ. 결 론
본 연구는 도시부 자율주행셔틀 실증을 위한 운행설계영역 정의 및 평가를 목표로 하였다. 특히 우리나라 의 도로환경 및 안전을 우선적으로 고려한 운행설계영역을 제시하였으며, 안양시 도시부도로를 중심으로 운 행설계영역 평가를 실시하였다. 본 연구의 자율주행 운행설계영역은 기하구조적 요인, 운영적 요인, 그리고 환경적 요인이 포함되며, 각 요인별 세부 고려요인을 정의하였다. 먼저 기하구조적 요인에는 링크유형, 노드 유형, 도로표면, 차로수 등이 포함되며 자율주행시스템 성능과 도로환경에 영향을 미친다. 운영적 요인에는 신호, 구간운영, 소통상황 등이 포함되며 자율주행시스템 성능과 도로환경에 영향을 미친다. 환경적 요인에 는 시간대 및 기후조건이 포함되며 자율주행시스템 성능에 영향을 미친다. 시간대는 조도변화에 따른 자율 주행시스템 외부환경 검지성능에 따라 오전/오후첨두, 비첨두, 심야시간 등으로 구분하였으며, 기후조건에서 는 맑음, 비, 안개, 우설 등으로 구분하였다. 본 연구의 자율주행 가능 및 제한은 기 정의된 ODD 영역을 활 용하였으며, 국내 도로환경 및 안전을 우선적으로 고려하여 각 요인별 자율주행시스템 운행 가능여부를 정 의하였다.
본 연구의 자율주행셔틀 실증을 위한 운행설계영역 평가구간은 안양시 도시부도로를 중심으로 실시하였 다. 안양시 자율주행셔틀 운행설계영역 후보영역의 경우 안양시청 및 신도심/구도심을 포함하는 도로구간으 로 30개의 노드와 88개의 방향별 링크를 포함한다. 분석결과 노드기준에서는 노드유형 및 신호-통신 여부를 통해서 30개 노드에서 자율주행셔틀 실증이 가능한 것으로 분석되었다. 링크기준에서는 오전첨두(8-9시) 42 개 링크, 비첨두(12-13시) 39개 링크, 그리고 오후첨두(18-19시) 40개 링크구간에서 자율주행 제한으로 분석되 었다. 이는 도로구간 운영의 불법주정차상습, 어린이보호구역 등에 포함되는 링크가 많이 포함되어 상대적으 로 많은 링크가 자율주행 제한으로 분석되었다. 본 연구에서 정의한 노드 및 링크기준 자율주행셔틀 운행설 계영역은 국내 자율주행셔틀 실증테스트를 위한 기준 설정이 가능할 것으로 판단된다. 또한 실도로 기반 테 스트 시 일반 차량과 혼재되며 도로를 점유하므로 지속적인 ODD 연구가 필요할 것으로 판단된다. 자율주행 시스템의 발전은 향후 도심지 등을 포함한 모빌리티 서비스 발전으로 이어질 수 있으며, 거점연계 모빌리티 서비스, 수요응답 모빌리티 서비스 등 다양한 자율주행 모빌리티 서비스로의 발전이 예상된다.
본 연구결과는 향후 자율주행자동차법 시행으로 지자체 내 다양한 도로구간에서 자율주행 실증테스트가 이루어질 경우 사전 안전성 평가의 수범사례로 활용될 수 있다. 또한 자율주행셔틀 모빌리티 서비스를 위한 노선계획 시 ODD 등을 포함한 사전검토가 필요한 요인으로 활용이 가능하다.
향후 연구에서는 자율주행 운행설계영역의 환경적 요인에서 이벤트 여부(축구경기 등의 대규모 통행발생) 등에 대한 추가적인 고려가 필요하다. 이는 자율주행시스템에 영향을 미치는 요인으로 향후 이벤트 날짜가 포함된 ODD 평가 및 시나리오를 통해서 대응이 가능하다.
