데이터 분석

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가 . 맥파(PPG) 분석

실험을 통해 측정된 PPG를 분석하기 위해 BioSense Create 사에서 제공하는 UbioMacpa Vital을 사용했다. PPG 분석에는 다양한 기존 연구에서 사용된 HRV 분 석방법과 같은 분석방법을 사용했다. PPG 분석을 통해 자율신경계의 균형, Stress index, 심박수 분포 상태 등을 분석하여 제시할 수 있다. 자율신경계의 균형은 부 교감신경과 교감신경의 균형으로 LF/HF를 통해 나타내고, 이 균형에 따라 PPG의 파형이 변하게 되고 RMSSD가 변화되어 심장의 부교감신경 조절능력을 평가하며 Stress index를 평가할 수 있다. RMSSD는 식 (3-1)과 같이 심장박동 간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근으로 구한다.

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(3-1)

나 . 뇌파(EEG) 분석

실험을 통해 측정된 EEG의 분석을 위해서 Laxtha 사에서 제공하는 프로그램인 Telescan을 사용했다. 각 뇌파 데이터를 Telescan에서 대역통과필터를 이용하여 4~50 Hz로 통과시키고 낮은 주파수 파형을 보이는 δ파를 제거했다. 그리고 고속 푸리에 변환을 통하여 뇌의 각 위치에서 측정된 각 뇌파의 주파수 대역에 따라 분 류하여 상대 파워 스펙트럼 분석을 수행했다. 상대 파워 값을 구하는 식은 식 (3-2)에 나타내었다.

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(3-2)

전두엽의 β파의 경우 일반적으로 Low-β파 (13~20 Hz)와 High-β (20~30 Hz)로 나 누어 해석하는데, Low-β파는 안정 상태에서 주의집중력의 지표인 Sensorimotor rhythm (SMR)파 (12~15 Hz)와 각성을 나타내는 Mid-β파 (15~20 Hz)로 나뉜다.

SMR 파는 다양한 기존 연구 [17, 32-34]에서 주위집중력과 매우 밀접한 관계를 보 이는 것으로 나타났다. SMR파는 α파와 β파의 범위 안에 있으며 주의집중력 평가 에 주로 이용되는 주의집중력지수(CI, Concentration index) 계산에 사용된다 [35].

본 연구에서는 뇌파 측정 및 분석연구에서 학습집중도 및 각성도 분석에 이용하는 θ파의 활성도와 SMR파와 Mid β파의 합의 비율을 이용하여 식 (3-3)와 같이 피험 자의 CI를 분석했다.

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(3-3)

또한, 사람의 감정을 2차원적으로 표현하는 Russell의 Valence&Arousal 모델이 EEG 분석에 사용되었다 [36]. Valence는 쾌락에 대한 불쾌감의 차원과 관련이 있으 며, Arousal은 각성되지 않은 상태에서 강성 상태로의 차원과 관련이 있다[37].

Valence&Arousal 모델의 감정 평가 예시를 Fig. 3.13에서 나타내었다.

Valence는 긍정적, 부정적 감정을 간접적으로 나타내는 지표로 α파와 β파의 비교 를 통해서 식 (3-4)과 같이 계산할 수 있다. 불쾌적함과 같은 부정적 상태에서 우 전전두엽이 활성화되며, 쾌적함과 같은 긍정적 상태에서 좌 전전두엽이 활성화되기 때문에 좌뇌와 우뇌의 활성화 비율을 분석하기 위하여 좌 전전두엽과 우 전전두엽 에서 발현되는 α파와 β파 비율의 차를 분석했다 [38].

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(3-4)

Arousal은 전두엽의 α파와 β파의 비율을 통해서 나타낼 수 있으며 식 (3-5)와 같 이 계산할 수 있다. 또한, 일부 기존 연구에서 전전두엽의 α파와 β파의 비를 통해 서 피험자의 열적쾌적성을 판단하는 지표로 사용하고 있으므로 전두엽인 Fp1, Fp2, F3, F4, F7 그리고 F8의 α파와 β파의 비를 활용하여 Arousal과 열적쾌적성을 판단 할 수 있다.

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(3-5)

Fig. 3.13 Example of sentiment evaluation in Valence & Arousal model

다 . 온도 변화 분석

피험자의 피부온도와 실내외 온도는 온도센서에서 보내는 신호를 Be interactive 사의 Hygate를 이용하여 수신했다. 수신된 신호는 OSDN 사의 Tera term 프로그램을 이용하여 시간에 따라 16진수로 표현된 데이터를 기록하고 이를 10진수 체계로 변 환하여 온도를 분석했다.

라 . 주관설문조사 분석

피험자는 실험이 시작되는 순간부터 종료까지 2분 30초마다 TSV, TCV, CLV를 ASHRAE 7-scale 기준으로 질문을 통해서 평가했다. 7-scale은 –3~+3으로 7척도로 표시되는 설문조사이며 0은 중립을 나타낸다. 또한, 각 실험이 종료되었을 때 사용 된 냉방모드 및 난방모드에 대해서 주관적인 의견을 평가했다. 본 연구에서 평가된 설문과 측정된 생체신호의 상관관계를 이용하여 여름철 및 겨울철 운전 시 운전자 의 열적쾌적성에 대해서 분석하고 평가했다.

제 4 장 여름철 냉방 실험결과

제 1 절 여름철 자동차 실내·외 열환경 변화결과

Fig. 4.1은 여름철 운전 시 냉방 모드에 따른 실내온도 (Ti, average indoor temperature), 실외온도(To, outdoor temperature), 실내상대습도(RHi, average indoor relative humidity), 실외상대습도(RHo, outdoor relative humidity), 상부벤트 토출온도 (UVT, upper vent discharging temperature), 그리고 하부벤트 토출온도 (LVT, lower vent discharging temperature)를 나타낸다. 평균 To는 HVAC 냉방모드만을 사용했을 때, HVAC with 통풍시트 냉방모드 그리고 HVAC with 냉수시트 냉방모드에서 각 각 31.2°C, 30.0°C, 그리고 30.0°C로 나타났으며, 평균 RHo는 각각 56.7%, 58.9%, 그 리고 59.0%로 나타났다. HVAC 냉방모드를 사용했을 때 자동차의 Auto 모드에서 는 운전초기에 상부벤트만 작동되었다. UVT는 초기 40.2°C에서 5분 만에 되었을 때 18.3°C까지 감소했으며 이후 약 11°C까지 감소하여 거의 일정한 온도를 유지했 다. HVAC Auto 모드 사용 시 하부 벤트는 작동하지 않았지만 상부 벤트의 낮은 토출 공기 온도로 인해 시간에 따라 감소했다. 실내온도는 초기 40.3°C에서 HVAC 냉방모드로 인해 30분이 지난 이후 31.7°C까지 감소했다. RHi는 시간이 지남에 따 라 감소했는데, 이는 HVAC 냉방모드의 제습효과로 인해 감소한 것으로 판단된다.

HVAC with 통풍시트 냉방모드를 사용할 때, 실내온도는 초기 39.4°C에서 30분이 지난 이후 31.9°C로 7.5°C 감소했으며, RHi는 59.0%에서 56.4%로 감소했다. HVAC with 냉수시트 냉방모드를 사용할 때, 실내온도는 초기 37.7°C에서 실험 30분 이후 7.2°C 감소한 30.5°C로 나타났다. RHi는 HVAC 냉방모드의 사용으로 50.5%에서 실 험 30분 이후 47.4%로 감소했다. HVAC with 통풍시트 냉방모드와 HVAC with 냉 수시트 냉방모드를 사용할 경우 모두 UVT와 LVT는 HVAC 냉방모드만 사용했을 때와 온도차이가 크게 나지 않고 비슷한 경향을 나타냈다.

(a) HVAC heating mode

(b) Seat heating mode

(c) HVAC with seat heating mode

Fig. 4.1 Variation of upper and lower vent temperature, and indoor and outdoor temperature and relative humidity with time in summer

Fig. 4.2는 여름철 운전 시 냉방 모드에 따른 차량 실내의 각 위치에서의 온도변 화를 보여주고 있다. 실시간으로 실외에서 측정된 평균 태양일사량은 HVAC 냉방 모드, HVAC with 통풍시트 냉방모드, 그리고 HVAC with 냉수시트 냉방모드를 사 용할 때 각각 1045.2 W/m2, 1112.5 W/m2 그리고 1078.8 W/m2로 나타났다. 모든 실 험 케이스에서 실험 전과 30분의 실험 이후에도 자동차 상부의 온도가 가장 높게 나타났는데, 이는 태양일사량의 영향 때문으로 사료된다. 천장을 제외한 실내 각 부분의 온도는 실험 시작 전과 후에도 그 차이가 1°C~2°C 사이로 크게 나타나지 않았다. 따라서 모든 실험 케이스에서 HVAC 냉방모드를 사용했기 때문에 실내온 도가 유사한 경향을 보이며 낮아짐을 확인했다.

(a) HVAC heating mode

(b) Seat heating mode

(c) HVAC with seat heating mode

Fig. 4.2 Variation of cabin indoor temperature at each part and solar radiation with time in summer

제 2 절 여름철 운전 시 운전자의 생리적 변화결과 고찰 1. 피부온도 측정 결과

Fig. 4.3은 냉방모드에 따른 피험자의 신체 각 부분에서의 온도변화와 MST를 시 간에 따라 보여주고 있다. HVAC 냉방모드만을 사용했을 때, 실험 시작 전 MST는 32.7°C로 나타났으며, 5분 후 약 1.4°C 증가하여 34.1°C로 나타났다. 이는 운전 초 기에 뜨거운 실내공기로 인해서 급격하게 MST가 증가한 것으로 사료된다. HVAC 냉방모드에서 약 10분 후 벤트에서 토출되는 공기의 온도가 충분히 감소하여 실내 온도가 감소하고 피험자의 MST는 소폭 증가하며 안정된 상태를 보였다. HVAC with 통풍시트 냉방모드를 사용했을 때 실험 전 MST는 33.2°C로 나타났으며, 실험 5분 후 약 0.8°C 증가한 34.0°C로 나타났다. 등, 엉덩이, 그리고 허벅지에 통풍시트 를 통해 냉방이 이루어져 HVAC 냉방모드를 사용했을 때에 비해 소폭 증가했으며, 그 후 실험을 종료할 때까지 MST가 0.1°C 정도 감소한 것으로 나타났다. 특히, 시 트에 직접적으로 닿는 등과 뒤 허벅지 부분에서 온도가 실험 시작 5분 후 증가했 으나, 실험이 끝났을 때는 HVAC 냉방모드를 사용했을 때와 비교하면 피부온도가 감소하거나 증가한 정도가 작게 나타났다. HVAC with 냉수시트 냉방모드를 사용 했을 때 실험 전 MST는 33.0°C로 나타났으며, 실험 5분 후 33.8°C로 0.8°C 증가했 는데, 이는 자동차 실내의 높은 온도의 작용으로 사료된다. 그 이후 냉수시트로 인 해 MST는 감소하여 실험 종료 시 32.7°C로 나타났다. 다른 두 실험의 경우와 상반 되게 실험 종료 시 MST가 감소했다. 특히, 직접 접촉되는 등과 뒤 허벅지 부분의 온도는 실험 전 각각 34.0°C 그리고 32.9°C였으나 실험 후 32.0°C 그리고 32.7°C로 각각 2.0°C와 0.2°C 감소했다. HVAC 냉방모드를 사용했을 때 MST가 1.4°C 증가했 지만 냉수시트를 함께 사용했을 때, MST가 0.3°C 감소한 것은 높은 온도의 자동차 실내에서도 냉수시트의 적용이 MST를 감소시키는데 효과적인 것을 알 수 있다.

(a) HVAC heating mode

(b) Seat heating mode

(c) HVAC with seat heating mode

Fig. 4.3 Variation of skin temperature on the body and mean skin temperature with time in summer

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