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개인형 이동장치의 이용자 수가 증가하며 각종 사회적 이슈를 낳고 있으며 특히 탑승자의 안전에 관련한 논쟁이 활발히 진행 중이다[1][2]. 법적/ 사회적 제도를 완비함으로써 개인형 이동장치의 사고를 줄이기 위한 이러한 비판은 2021년에 개인형 이동장치를 탑승하기 위해 원동기 장치 면허 소지라는 가시적인 법적 장치와 최소한의 교통단속의 근거를 제정하는데 도움이 되었다. 이러한 노력에도 불구하고 개인형 이동장치 사고 건수는 2018년 225건, 2019년 447건, 2020년 897건, 2021년 1,735건으로 매년 약 2배로 증가하였다[3]. 관련 규정의 강화가 안전 문제를 개선시키지 못하는 현 상황은 추가적인 기술적 규제의 필요성을 암시한다.

기술적 규제로서 개인형 이동장치 사용을 위한 인증장치와 속도 제한이 현재 상용화되었다. 이외 방법론으로는 제안된 운전자 행동 분석[4][5], 안전모 착용 감지[5]-[7], 음주 측정[6][7], 다인 탑승 감지 [7] 등이 있다. [4]는 이동장치의 속도 페달에 근거하여 운전자의 안전거리와 운행 속도를 모델링하고 [5]는 영상 정보를 이용해 갓길 운행 여부를 판단한다. [5][6]이 영상 정보를 이용해 안전모 착용 여부를 검출하는 반면 [7]은 안전모에 맥박 센서를 부착, 측두 동맥을 측정한다. 음주 측정 여부를 검출하기 위해 [6]은 가스 센서를 사용하고 [7]은 운전대에 근적외선 센서를 부착한다. 다인 탑승 검출을 위해 [7]은 발판에 2개의 적외선 센서를 부착하고 부가적으로 양 바퀴 위 지지대에 무게 센서를 부착하나 개념적인 설계안을 제안할 뿐 실제 구현은 제시되지 않는다.

이중에서 본 논문은 2인 이상 탑승을 억제하기 위한 시스템의 설계라는 기술적인 방법론을 다룬다. 현 법규상, 개인형 이동장치에 대한 처벌 항목은 무면허 운전, 2인이상 탑승, 안전모 미착용, 음주 운전이다. 대형 사고의 주요 원인인 2인 이상의 인원이 전동 킥보드를 동시에 탑승하는 경우를 방지하기 위해 일반적으로 무게 센서의 사용을 고려한다[7]. 본 논문은 이때 발생하는 센서의 부착 위치라는 설계 상의 고민을 해소하기 위한 대안으로서 실험적 데이터와 이에 기반한 통계적 근거, 시각적 데이터를 제공한다. 이를 통해 탑승 인원을 구분하되 탑승자의 수를 오분류하는 가능성을 줄이며 비용이 높은 발판 재설계 없이 최소한의 무게 센서를 사용하기 위해 센서의 최적 부착 위치를 추정한다.

본 논문의 구성을 다음과 같다. 2장은 무게 센서를 통한 탑승자 제한 시도시 발생하는 기술적인 문제에 대해 기술한다. 3장에서 위 문제를 해결하기 위한 데이터의 수집용 실험 설계와 실험에 대해 논하며 4장에서 그 결과를 자세하게 분석한다. 마지막으로 5장에서는 결론에 대해 기술하고 본 연구가 갖는 한계점 및 향후 연구에 대하여 기술한다.

1인/ 2인 탑승시 발생하는 개인형 이동장치 발판 위 발의 위치 분포를 추정하기 위해 다음과 같은 실험을 진행한다. 10인치 바퀴를 가진 개인형 이동장치에 그림 3과 같이 발판 위 4군데에 로드셀을 설치한다. 이는 탑승 상태에 따른 4개 위치(S1, S2, S3, S4)에 가해지는 무게를 측정하기 위한 용도이며 본 논문의 목표인 최종적인 무게 센서의 장착 위치가 아님을 밝힌다. 로드셀은 50kg의 최대 측정용량이며 2개의 로드셀과 하나의 HX711의 조합이 하나의 무게 측정 센서를 구성한다. 총 4개의 HX711은 최종적으로 24비트로 양자화 되어 아두이노 나노로 전달하고, 아두이노는 시리얼 통신을 통해 PC로 결과를 출력한다.

Fig. 3. 
Attachment of loadcells for experiments

Fig. 4. 
One-person and two-person riding experiments

탑승 전 피험자의 오른발 폭과 길이, 키와 몸무게를 측정하며 모든 경우에서 탑승자의 양 엄지발가락의 위치와 발의 각도를 측정한다. 이후, 계산상의 편의를 위해 2가지 가정을 적용한다. 첫째, 양발의 크기는 동일하다. 둘째, 발 모양은 폭과 높이로 표현되는 직사각형이다. 이 가정을 이용, 탑승자의 두 발은 폭과 높이로 표현되는 2개의 직사각형으로 근사화된다. 실제 54 x 20 cm 크기의 발판을 540 x 200 화소로 구성한 가상의 발판에 추정된 발 모델의 위치에 10을 가산함으로써 발 위치의 2차원 히스토그램을 작성한다(그림 5).

Fig. 5. 
Example of 2D histogram of foot position

만 18~25세 총 56명의 피험자(남 36명, 여 20명, 왼발잡이 4명)를 모집, 56건의 1인 탑승, 44건의 2인 탑승을 시뮬레이션한다.

2021년 개정된 규정에 따라 만 16세 이상자만 개인형 이동장치를 사용해야 하며, 2022년 발생한 총 2,386건의 사고 중 29세 이하 가해자가 71.67% (1,710건), 남성이 73.81% (1,761건)라는 통계치를 반영해 피험자를 선정한다[9]. 피실험자의 신체 특성에 대한 통계치는 표 1에서 제시된다. 대한민국 20대 평균 신장(전체:167.71, 남:174.35, 여:161.77, 단위:cm), 평균 체중(전체:66.59, 남:76.20, 여:57.98, 단위:kg) 대비 표본집단의 신장(전체:169.91 ± 8.11, 남:174.97 ± 4.43, 여:160.80 ± 4.85, 단위:cm)과 체중(전체:70.01 ± 16.62, 남:78.14 ± 14.83, 여:55.55 ± 6.77, 단위:kg)은 통계적으로 유의미한 표준오차를 보이지 않는다[10]. 2인 탑승의 경우 26건이 남남, 2건이 남녀, 16건이 여여 탑승 케이스이다.

1인 탑승자의 수집한 키, 몸무게, BMI, 발폭, 발길이, 앞발의 위치 및 각도, 뒷발의 위치 및 각도, 측정 무게의 앞뒤 비율, 측정 무게의 좌우 비율의 통계적 특성과 상관관계가 표 1에서 주어진다. 유의수준 0.01 수준에서 유의미한 항목을 표시했으며 성별 차이에 무관한 경우만 녹색으로 표시한다.

탑승자의 키와 몸무게 중 무게가 발의 위치와 높은 관련성을 보인다. 키의 경우 발의 길이만 상관도가 발견되나 무게는 발의 폭, 길이, 그리고 뒷발의 수직축 위치, 양발의 수직축 보폭과 높은 관련성을 보인다. 발폭은 발길이, 양발의 수직축 보폭과 높은 상관도를 보이며 앞발의 수직축 위치가 뒷발의 수평축 위치와, 앞발의 수평축 위치가 각도와 높은 상관도를 보인다. 마지막으로 뒷발의 수직축 위치가 수직축 보폭간 성별에 무관하게 유의미한 상관성을 지닌다. 센서의 앞뒤 비율은 뒤쪽에 치우친 무게 배분이 나타나는데 뒷발에 무게 중심을 두기 때문이고 주행을 시작하면 더 심화되리라 예상한다. 좌우 비율은 오른쪽으로 치우치는데 이는 오른발잡이의 다수표집으로 인해 발생하는 것으로 보인다.

이를 해석하면, 무게가 클수록 뒷발의 위치가 뒤로 몰리며 무게와 발폭이 클수록 수직축 보폭도 증가한다. 앞발이 뒤로 놓일수록 뒷발이 중심축에 가까운 현상이 관찰되며 각도로 보아 여성의 경우 더 두드러진다. 또한 앞발이 뒤로 놓일수록 각도가 오른발의 경우 수직에 가깝고, 왼발의 경우 수평에 가깝다. 뒷발이 뒤에 놓일수록 수직축 보폭은 증가한다. 여성은 남성보다 앞발이 조정간에서 더 멀고 양발간 수평축 보폭이 작으나 남성은 그런 상관성을 보이지 않는다. 즉 수평축 보폭은 성별의 차이로 나타나며 여성이 남성보다 중심축에 근접하게 발을 위치한다. 남성은 여성보다 발 위치에 대한 자유도가 높다. 그림 6을 통해 유추해 보면 여성의 경우 발판의 내부에 발을 두는 반면 남성은 무게 중심이 발판의 내부에 있으면 발이 발판 외부로 나가도 개의치 않는다.

Fig. 6. 
2D histogram of foots (a) Female (b) Male (c) One person(total) (d) Two persons

2인 탑승자의 상관도 분석에서 유의미한 상관관계는 앞 탑승자의 왼발 수평측 위치에서 두드러지게 나타난다. 우선 앞 오른발을 앞으로 내밀고 왼발은 살짝 뒤에 두는 경향이 나타나며, 두 탑승자간 거리는 앞 탑승자의 오른발 수직 위치에 반비례한다. 이는 앞 탑승자가 앞에서 멀어질수록 뒤 탑승자의 입지가 좁아지므로 밀접도가 증가하는 현상이다. 이외 뚜렷한 상관성을 보이지 않는데 이는 협소한 발판의 크기가 2인 탑승자의 발 위치를 일관성있게 제한하기 때문으로 보이며 그림 6은 이러한 상황을 보다 명확하게 도시한다. 센서 무게의 상하 비율은 1인 탑승과 달리 앞쪽으로 비중이 쏠리는 현상(1.09±0.65)이 나타나는데 이는 탑승자의 무게에 의해 결정되는 것으로 다양한 탑승 경우를 고려하면 의미를 둘 수 없다. 좌우 비율에서 오른쪽으로 쏠리는 현상(0.87±0.39)이 나타나나 통계적으로 의미있는 차이는 아니다.

정리하면 우리는 다음과 같은 결론에 이른다. 우선, 탑승자의 발 위치 분포 분석 결과 피험자의 수평축 분포는 오른쪽으로 치우치는 경향은 보이나 무게 중심을 잡으려는 노력의 일환으로 중심축을 크게 벗어나지 못한다. 둘째, 1인 탑승자의 경우 발 위치의 자유도가 높아 확률이 상대적으로 떨어지나 중심축을 기준으로 분석한 수직축 분포가 그림 7의 상단 그래프로 표현된다. 마지막으로 2인 탑승자의 경우 발 위치는 제한적이며 앞/ 뒤 탑승자의 수직적 발 위치는 그림 7의 하단 그래프로 표현된다.

Fig. 7. 
Foots vertical position distribution of one/two-person

위 정리에 근거하면 그림 7에서 A, B, C로 표시된 3가지 입지를 도출할 수 있으며 해당 후보지에 가해지는 위치분포확률과 탑승자의 무게 (탑승자 전체 무게 중 해당 위치에 가해지는 비중), 이 값에 근거한 기대무게를 표 2에서 제시한다. A, B, C는 모두 발판의 중심축에서 선택한 5cm의 길이를 갖는다. 표 2에서 보듯 로드셀의 측정 정량이 가장 낮은 지점은 B로서 1인 탑승자의 30.18%의 무게가 2인 탑승자의 78% 무게가 측정된다. 그러나 1인/ 2인 탑승자의 발 위치 분포가 0.71, 0.78로서 구분에 모호성이 존재한다. 반면에, 로드셀의 측정 정량이 상대적으로 높으나, A와 C 지점은 1인/ 2인 탑승자의 구분 확률이 압도적으로 높다. 유사하나 A 지점은 운전대와 주로 사용하는 발에 따라 위치가 달라진다는 점을 고려, C 지점이 가장 유력한 센서 부착 위치로 결론 낸다.

각종 법적 규제에도 불구하고 증가하는 개인형 이동장치의 사고를 줄이기 위한 목적으로 본 논문은 기술적 규제를 추가하고자 한다. 다양한 사고 중 2인 이상 탑승시 개인형 이동장치의 성능을 제약하는 목적으로 가장 직관적인 디지털 저울의 추가를 고려하며, 이때 발생하는 설계상의 제약으로서 제한된 센서 갯수의 부착 위치에 주목한다. 이를 해결하기 위해 1인 탑승을 위한 56명, 44건의 2인 모의 탑승 실험을 통해 탑승자의 발 위치, 발 각도, 무게 등을 측정하며 수집된 데이터의 통계 분석과 시각적인 분석을 진행한다. 분석의 결론으로 개인형 이동장치의 발판 끝단에 한정된 수량의 무게 센서를 설치하는 것이 가장 합리적인 결론임을 도출한다.

개인형 이동장치에 대한 기술적 규제를 목적으로 한 다양한 아이디어가 제안되나 발판 위 무게 센서의 부착 위치를 구체적으로 추정하는 연구는 확인된 바 없다. 또한 구체적인 실험을 통한 결론 도출 과정 역시 찾을 수 없다는 점이 본 논문의 가치를 증거 한다.

본 논문은 본격적인 시스템 개발의 전초로서 도출한 결과를 반영하여 무게 센서를 부착하고 1인/ 2인 탑승여부를 판별하는데, 2인 탑승일 경우 기능의 무력화보다는 알람으로 경고하며 성능을 하락시키는 시스템을 구현하고자 한다. 이를 통해 최종적인 탑승자 판별 성능과 사용자의 편의성에 대한 평가를 본 논문의 향후 과제로 한다.