고속도로 자율주행 차량의 차로 변경 지원을 위한 V2I 기반 협력 주행 방안 시뮬레이션

2.1 이전 연구

제안 기법의 목적은 차로 변경하려는 차량이 있을 때 인접 차로의 차량들이 적절한 자리에 빈 공간이 마련되도록 협력 주행하는 것으로서, 추종차량들의 주행에 영향을 미소화하도록 주행 속도의 1% 또는 2%, 즉 100km/h 기준으로 1km/h 또는 2km/h의 속도 변화량만으로 빈 공간이 마련되도록 한다.

이전 연구[1]에서 제안된 지원시스템은 도로변 인프라에 관할 구간(예, 1km 범위)을 주행하는 모든 차량으로부터 주행 중인 차로 등 주요 정보를 모은다. 통신상 충돌을 고려하여 동기식 통신으로 차량 정보를 받아 차로별 주행 차량 수에 따른 가능속도대를 계산하여 모든 차량에 방송하여 차량 안전주행을 돕는다. 매 1초마다 갱신되기 때문에 통신 성능과 연산 성능이 높은 도로변 인프라가 이용된다.

이전 연구와 유사한 형태의 관련 연구[3]에서는, 도로변 장치에서 레이더와 카메라 등으로 주행 차량들의 데이터를 모아 주행 차량들에 제공하고, 클라우드에 있는 C-ITS 플랫폼에서 수집해 교통 흐름을 원활하도록 관리할 정보로 이용하는 시스템을 구상한다. 실험 결과상에서 차량에서 도로변 장치로는 평균 수 ms (2.1ms), 차량에서 도로변 장치를 거쳐 클라우드 플랫폼까지는 평균 수십 ms (27.8ms)의 통신 지연을 보이는데 이런 부가된 지연이 실시간성에 부정적이므로 도로변 장치에 연산 장비를 함께 설치하여 도로변 장치에서 연산 결과를 곧바로 주행 차량들에게 제공하여 최대한 지연 시간을 줄일 수 있는 도로변 인프라로 시스템이 구성된다.

차량추종 행동에 대해 주로 차량 열을 대상으로 수학적 모델링이 되어 있는 연구[4]에서는 ACC-CACC 모델에서 통신하는 자율주행차가 통신 없는 자율주행차보다 선두차량에 두 배 가깝게 주행 가능하다고 분석된다. 그러나 물리적 조건으로 타이어 마찰력을 최대한 활용하는 것이 관건일 정도[5]로 도로 상태 변이(포트홀)와 기상 등을 고려해야 하여 이상적인 주행 조건만을 가정할 수는 없다.

2.2 연장 여유공간

적정 안전거리에 주행 차량을 포함한, 차로를 차지한 직사각형을 ‘주행 창’이라 부른다. 이어 달리는 두 차량 간의 거리가 주행 창 길이의 절반 초과면 두 차량은 같은 차량 열에 속하지 않는다고 결정한다. 따라서 한 차량 열의 앞쪽 빈 공간과 뒤쪽 빈 공간을 합치면 주행 창 하나가 들어갈 빈 공간이 마련된다. 선두차량의 속도를 낮추어 추종차량들도 선두차량만큼 감속하게 하며 차량 열 앞쪽 빈 공간을 추종차량 간의 빈 공간을 줄인 만큼씩 늘이는 방법을 ‘밀집화’라 부르기로 하며 밀집화로 생겨나는 주행 창 하나가 들어갈 수 있는 공간을 “연장 여유공간”이라 부르기로 한다. 밀집화를 마치면 밀집화 전의 가능속도대로 선두차량에서 재조정된다. 추종차량 간의 빈 공간이 거의 없더라도 차량 열 뒤쪽의 빈 공간이 있으므로 후행 차량 열에는 감속이 일어나지 않고 밀집화를 마친 차량 열과 이어지게 된다.

차로 변경하려는 차량과 상대 차로의 대상 선두차량의 속도는 다르기에 차로 변경 시점 또한 고려되어야 한다. 가능속도대 조정에 알맞은 선두차량이 나타나는 것은 랜덤하며, 그 선두차량의 속도는 미리 알 수 없다고 전제하여, 차로 변경을 위한 밀집화를 차량 열들의 주행 시뮬레이션으로 평가해본다. 이전 연구[1]에서 개발된 시뮬레이터가 이용된다.

2.3 여유공간 연장을 위한 차량 열 선택

연장 여유공간으로 연장시킬 빈 공간을 선택하는 것은 크게 두 가지 과정으로 이루어진다. 첫 번째로 상대적으로 짧은 길이의 차량 열들을 후보로 하기 위해, 상대 차로의 가장 가까운 차량 열부터 시작하여 차량 열들을 정렬(Sort)한다. 정보 통신 및 처리량을 줄이기 위해 선두차량만 구분하여 종방향 위치(Longitudinal distance)만으로 계산한다. 종방향 위치는 전자지도상의 임의의 junction, interchange 등의 공통된 지점부터의 도로상 거리다. 한 선두차량의 종방향 위치가 h_i이면 그 선두차량의 선행 차량 열의 선두차량의 종방향 위치가 h_i-1이다. 선두차량 들 사이의 거리를 구한다(식 (1)).

Δh_i가 작은 선두차량일수록 우선적인 후보가 된다. 하속 차로로 차로 변경 시에는 앞 방향으로 후보를 찾고 상속 차로로 사로 변경 시에는 뒤 방향으로 후보를 찾는다.

선두차량 간의 거리가 멀다고 선두차량들 사이의 추종차량들이 많다고 가정할 수는 없으나, 밀집화가 필요한 수준의 차로 사용률이 전제되어 있으므로 한 선두차량과 다음 선두차량 사이가 멀면 그만큼 추종차량들이 많다고 간주한다.

두 번째로 정렬해놓아 파악된 짧은 주행 열부터 차로 변경하려는 차량이 생겨날 연장 여유공간에 도달하기 전에 밀집화가 마쳐지는 후보를 찾는다(식 (2)).

상대 차로의 대상 선두차량의 종방향 위치 h_i와 차로 변경하려는 차량의 종방향 위치 h_e 차이를 차로 변경하려는 차량의 속도로 연장 여유공간이 생겨날 위치(Longitudinal distance)에 차량이 도달하는 데 걸리는 시간 k_i(식 (3))와, 가능속도대 조정으로 밀집화에 드는 시간 CT(식 (4))에 의해 밀집화 대상 차량 열이 결정된다. 생겨나는 연장 여유공간에 들어갈 주행 창 길이는 W_C이며, 가능속도대 조정으로 발생하는 속도 변화량 SA는 1km/h 또는 2km/h인데 본 논문의 시뮬레이션에서는 2km/h를 적용하였다.

차로 변경하려는 차량은 연장 여유공간이 생겨날 위치에 도달하기 전에 연장 여유공간 마련됨에 대한 통지를 받을 수 있어야 한다.

2.4 밀집화를 위한 차량 열 속도 조정

상속 차로로 차로 변경하려는 경우 연장 여유공간을 마련하기 위해 밀집화하는 데 드는 시간을 알아보았다. 차로 사용률에 따른 평균 시간들이 그림 1에 나타나 있다.

Fig. 1.

Average compaction time for shifting the lane to a higher-speed one according to the lane usage(second)

가능속도대가 높을수록 주행 창 길이가 길어 밀집화로 마련할 연장 여유공간도 마찬가지로 길어 주행 창 길이에 비례하여 밀집화에 시간이 든다.

하속 차로로 차로 변경하려는 경우 연장 여유공간을 마련하기 위해 밀집화하는 데 드는 시간을 알아보았다. 차로 사용률에 따른 평균 시간들이 그림 2에 나타나 있다.

Fig. 2.

Average compaction time for shifting the lane to a lower-speed one according to the lane usage(second)

가능속도대가 낮을수록 주행 창 길이가 짧아 밀집화로 마련할 연장 여유공간도 마찬가지로 짧아 주행 창 길이에 비례하여 밀집화에 시간이 든다.

차로 사용률이 20%와 40%인 경우에서는 빈 공간이 80%와 60%라서 상대 차로가 비어 있는 확률이 높으나 20%이더라도 어떤 차량 열이 차로 변경하려는 차량과 나란히 달리고 있는 상황에 상정하여 무조건 밀집화를 수행하도록 한 것이다.

상속 차로로 차로 변경을 하는 경우와 하속 차로로 차로 변경을 하는 경우 둘 다 차로 사용률이 낮으면 차량 열 간 빈 공간이 넉넉하여 밀집화가 차량이 도달할 때까지만 진행되어도 적정 크기의 연장 여유공간이 마련되는 영향이 있었다.