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2022년 2월 석사학위 논문
근접공조를 이용한 운전자의 생체신호 기반 열적쾌적성 연구
조선대학교 대학원
기 계 공 학 과
김 영 훈
근접공조를 이용한 운전자의 생체신호 기반 열적쾌적성 연구
Study on thermal comfort based on biosignals of driver using local air conditioning system
2022년 02월 25일
조선대학교 대학원
기 계 공 학 과
김 영 훈
근접공조를 이용한 운전자의 생체신호 기반 열적쾌적성 연구
지도교수 : 조 홍 현
이 논문을 공학석사 학위신청 논문으로 제출함
2021년 10월
조선대학교 대학원
기 계 공 학 과
김 영 훈
Contents
Contents ···ⅰ Nomenclatures ···ⅳ List of Figures ···ⅴ List of Tables ···ⅶ Abstract ···ⅷ
제 1 장 서 론 ···1
제 1절 연구 배경 ···1
제 2절 기존 연구 ···3
제 3절 연구 목적 ···7
제 2 장 이론적 배경 ···8
제 1절 생체신호의 특성 ···8
1. 피부온도의 특성 ···9
2. 맥파의 특성 ···10
3. 뇌파의 특성 ···12
제 2절 주관설문조사의 특성 ···15
제 3 장 실험장치 및 방법 ···16
제 1절 실험장치 ···16
1. 온·습도 측정 장치 ···17
2. 맥파 측정 장치 ···21
3. 뇌파 측정 장치 ···22
4. 태양일사량 측정 장치 ···24
5. 운전자의 근접공조를 위한 시트 ···25
제 2절 실험방법 및 분석방법 ···27
1. 실험 방법 및 조건 ···27
2. 피험자 조건 ···29
3. 데이터 분석 ···30
제 4 장 여름철 냉방 실험결과 ···34
제 1절 여름철 자동차 실내·외 열환경 변화결과 ···34
제 2절 여름철 운전 시 운전자의 생리적 변화결과 고찰 38 1. 피부온도 측정 결과 ···38
2. 맥파 측정 결과 ···40
3. 뇌파 측정 결과 ···43
제 3절 여름철 운전 시 운전자의 심리적 변화결과 고찰 46
제 4절 여름철 운전 시 운전자의 열적쾌적성 평가 ··· 49
제 5 장 겨울철 난방 실험결과 ···51
제 1절 겨울철 자동차 실내·외 열환경 변화결과 ···51
제 2절 겨울철 운전 시 운전자의 생리적 변화결과 고찰 55
1. 피부온도 측정 결과 ···55
2. 맥파 측정 결과 ···57
3. 뇌파 측정 결과 ···60
제 3절 겨울철 운전 시 운전자의 심리적 변화결과 고찰 64
제 4절 겨울철 운전 시 운전자의 열적쾌적성 평가 ··· 67
제 6 장 결 론 ···69
References ···72
Nomenclatures
CI : Concentration index CLV : Concentration level vote EEG : Electroencephalogram HF : High frequency (Hz) HRV : Heart rate variability
HVAC : Heating, ventilation, and air-conditioning LF : Low frequency (Hz)
LVT : Lover vent discharging temperature (°C) MST : Mean skin temperature (°C)
PMV-PPD : Predicted mean vote-Predicted percentage of dissatisfied PPG : Photoplethysmography
RHi : Average indoor relative humidity (%) RHo : Outdoor relative humidity (%)
RMSSD : Root mean square of standard deviation SDNN : Standard deviation of N-N interval TSV : Thermal sensation vote
TCV : Thermal comfort vote TCZ : Thermal comfort zone
Ti : Average indoor temperature (°C) To : Outdoor temperature (°C)
UVT : Upper vent discharging temperature (°C)
Greeks
α : Alpha wave (Hz) β : Beta wave (Hz) γ : Gamma wave (Hz) δ : Delta wave (Hz) θ : Theta wave (Hz)
List of Figures
Fig. 2.1 Configuration diagram of biosignal analysis ···8
Fig. 2.2 Temperature change in 30°C and 20°C of ambient temperature ···9
Fig. 2.3 PPG conversion for analysis ···11
Fig. 2.4 Location of each lobe of the cerebral hemispheres ···12
Fig. 2.5 Variety basic waveform of EEG bands ···13
Fig. 3.1 Thermocouple for measuring temperature ···17
Fig. 3.2 Temperature measuring point of indoor vehicle ···18
Fig. 3.3 Skin temperature measuring points ···19
Fig. 3.4 Hygrometer for measuring relative humidity ···20
Fig. 3.5 PPG measuring device ···21
Fig. 3.6 EEG measuring device ···22
Fig. 3.7 Measuring sites of EEG ···23
Fig. 3.8 Solar radiation measuring device ···24
Fig. 3.9 Schematic diagram of water cooling seat process ···25
Fig. 3.10 Thermal image of water cooling seat ···26
Fig. 3.11 Time table of experiments ···27
Fig. 3.12 Driving route on campus map ···28
Fig. 3.13 Example of sentiment evaluation in Valence & Arousal model ···32
Fig. 4.1 Variation of upper and lower vent temperature, and indoor and outdoor temperature and relative humidity with time in summer ···35
Fig. 4.2 Variation of cabin indoor temperature at each part and solar radiation with time in summer ···37
Fig. 4.3 Variation of skin temperature on the body and mean skin temperature with time in summer ···39
Fig. 4.4 Variation of driver’s PPG indexes with time in summer ···42
Fig. 4.5 Variation of driver’s CI value of EEG in prefrontal lobe with time in summer ···43
Fig. 4.6 Variation of driver’s Valence and Arousal of EEG in frontal lobe with time in summer ···44
Fig. 4.7 Variation of subjective questionnaires with time in summer ···48
Fig. 5.1 Variation of upper and lower vent temperature, and indoor and outdoor temperature and relative humidity with time in winter ···52 Fig. 5.2 Variation of cabin indoor temperature at each part and solar radiation
with time in winter ···54 Fig. 5.3 Variation of skin temperature on the body and mean skin temperature
with time in winter ···56 Fig. 5.4 Variation of driver’s PPG indexes with time in winter ···59 Fig. 5.5 Variation of driver’s CI value of EEG in prefrontal lobe with time in
winter ···61 Fig. 5.6 Variation of driver’s Valence and Arousal of EEG in frontal lobe
with time in winter ···63 Fig. 5.7 Variation of subjective questionnaires with time in winter ···66
List of Tables
Table 2.1 Subjective questionnaires ···15
Table 3.1 Specification of vehicle ···16
Table 3.2 Specification of thermocouple ···18
Table 3.3 Specification of hygrometer ···20
Table 3.4 Specification of PPG measuring device ···21
Table 3.5 Specification of EEG measuring device ···23
Table 3.6 Specification of solar radiation measuring device ···24
Table 3.7 Cooling and heating mode in summer and winter ···28
Table 3.8 Conditions of Subjects ···29
Abstract
Study on thermal comfort based on biosignals of driver using local air conditioning system
Yeonghun Kim
Advisor : Prof. Honghyun Cho
Department of Mechanical Engineering, Chosun University
In this study, to conduct research on thermal comfort during actual driving in summer and winter, biological signals such as skin temperature, heart rate variability, and electroencephalogram of the driver were measured and subjective questionnaires such as thermal sensation vote, thermal comfort vote, and concentration level vote were investigated. Furthermore, HVAC cooling mode, HVAC with ventilation seat cooling mode, and HVAC with water seat cooling mode were used as indoor cooling methods in summer, and HVAC heating mode, seat heating mode, and HVAC with seat heating mode were used. Besides, biological changes of the driver with time were studied experimentally.
When HVAC cooling mode was used during actual driving in summer, it was effective in improving the indoor thermal environment, activating the driver’s parasympathetic nerve, and improving the Valence of brain waves, but the driver’s response to the HVAC cooling effect decreased. And although the thermal comfort was increased, it did not maintain for a long time. When HVAC cooling mode and
ventilation seat were used simultaneously, it contributed to maintaining skin temperature, activating parasympathetic nerves, increasing concentration level, properly maintaining Valence and Arousal, and improving the driver’s thermal comfort. Within a short period of time, using HVAC cooling mode and water seat were used, it contributed to decreasing skin temperature, activating parasympathetic nerves, and improving concentration level, Valence, and Arousal, but these indicators and thermal comfort were reduced when it used for a long time.
In winter, when HVAC heating mode was used during actual driving, it was effective in improving the thermal environment in a short period of time, increasing the driver’s skin temperature, activating parasympathetic nerves, and improving Valence and Arousal, but when used for a long time, the driver became thermally discomfort. When the seat heating mode was used, the thermal environment could not be greatly improved, but the driver’s skin temperature was increased, parasympathetic nerves were activated, and concentration level and Valence increased, and these conditions were continued. However, the Arousal of the driver could not increase. When HVAC with seat heating mode was used, the thermal environment was greatly improved, and the driver’s skin temperature increased, parasympathetic nerves were activated, and concentration level, Valence, and Arousal were improved, but thermal comfort was reduced due to excessive heating when this mode was used for a long time.
Driver’s physiological and psychological reactions were relative and time differences among them could occur. When cooling and heating modes were used during actual driving in summer and winter, the driver’s physiological changes tended to appear later than changes in the thermal environment, and the driver’s psychological changes tended to appear later than the driver’s physiological changes. If appropriate cooling and heating methods are used during driving in summer and winter, it can provide good thermal comfort to the driver in a short time and also reduce the power required by the HVAC system, and then it is effective in terms of energy.
제 1 장 서 론 제 1 절 연구 배경
현대사회가 발전함에 따라 사람들은 삶이 편리해지고, 그에 따른 만족감에 대한 요구도 증가하고 있다. 사람들은 삶의 질을 향상시키기 위해 사람이 활동하는 공간 에서의 편안함과 편리성 등에 관한 관심이 증가하고 있으며 이러한 방향으로 많은 연구가 진행되어 관련 기술들이 급격히 발전하고 있다. 그중, 사람의 열적쾌적성이 주목받고 있는데 열적쾌적성은 열환경에 대해 사람이 느끼는 열적인 편안함에 대한 만족을 표현하고 주관적으로 평가되는 마음을 말한다. 실내 열환경에서 재실자의 열적쾌적성 유지를 위한 공기조화는 건물에서 사용되는 에너지 중 높은 비율을 차 지하기 때문에 에너지 관리 차원에서도 열적쾌적성의 관리는 중요하게 여겨진다.
재실자는 공부나 일 등을 수행하는데 실내환경에 따라 그 효율이 달라지기 때문에 재실자의 좋은 열적쾌적성을 유지할 수 있도록 하는 것이 실내열환경의 조성에 있 어 중요하다고 할 수 있다.
인간의 주요 이동수단인 자동차는 연구 분야 중 많은 주목을 받고 있다. 최근에 는 한 가정 당 한 대 이상이 있을 정도로 현대인의 삶에서 필수적인 요소가 되었으 며 다양한 연구를 통해 첨단기술을 적용한 자동차들이 시시각각 출시되고 있다. 과 거 단순 기계적인 시스템이었던 자동차는 현대에 운전자의 편리하고 편안한 운전을 위해 전기, 전자 그리고 제어시스템의 복합체가 되었다. 특히, 환경문제에 민감한 현재, 내연기관 자동차는 점점 줄어들고 전기와 수소 등 신재생에너지를 이용해 연 료를 얻는 자동차가 주목받고 있다. 그중, 탄소 배출이 없는 전기자동차는 연료 부 족과 대기오염 문제가 심각해지는 상황에서 미래 운송수단으로 유망한 수단이다.
현재 에너지의 소비 대부분은 연료 및 전기로 감당하는 자동차는 건물 내부와 마찬 가지로 실내공간의 효율적인 에너지 관리가 필요하다. 효율적인 에너지 관리를 위 해서는 자동차 실내 운전자와 재실자의 열적쾌적성에 대해 이해하고 좋은 열적쾌적 성을 유지하는 것이 전제적이다 [1]. 자동차의 열적쾌적성에 영향을 미치는 인자 중
측정 가능한 인자로 공기 온도, 속도, 습도, 그리고 복사온도가 있으며 개인적인 인 자로 옷의 단열량, 그리고 인체 활동량이 있다 [2]. 자동차에 탑승한 운전자의 열적 쾌적성을 향상시키기 위해서는 자동차 내부 열환경을 쾌적하게 유지하여야 하는데, 자동차 내부의 열환경 조성에 가장 크게 기여하는 것은 공기조화 (HVAC, Heating, ventilation, and air-conditioning) 시스템이다. 또한, 최근에는 좌석 시트의 열선을 이 용한 난방 및 통풍 냉방을 이용하는 등 다양한 근접공조 방법을 통해 운전자의 열 적쾌적성을 향상시키는데 도움을 주고 있다.
여름철과 겨울철 외부환경에 장시간 노출된 자동차 실내환경은 건물 실내환경이 나 외부환경보다 더 극한의 환경이다. 겨울철 추운 외부환경에 의해 차가워진 자동 차 실내환경과 그로 인해 주변 온도와 같은 온도의 시트 및 핸들 등으로 인해 운전 자는 자동차에 탑승하는 초기에 매우 불쾌적하게 느끼게 된다. 또한, 여름철 더운 실외 환경과 강한 태양일사에 의해 실내환경은 실외온도보다 크게 높아져 안전사고 가 발생할 정도이다. 이러한 환경에서 운전자의 열적쾌적성에 대한 연구가 진행되 기는 하였지만, 대부분 열환경 챔버에서 이루어져 실제와 같은 극한의 환경을 정확 하게 모사하지 못했다. 따라서 실제 여름철 및 겨울철의 실외환경에서 열환경과 운 전자의 열적쾌적성에 관한 연구가 필요하다. 특히, 주관설문조사 등을 통해 주관적 으로만 실시된 자동차 실내열환경에서의 열적쾌적성에 대한 연구는 객관성을 더하 기 위해 다양한 지표가 필요하며, 그 지표로 생체신호를 주로 이용하고 있다. 따라 서 실제 운전하는 운전자의 생체신호인 피부온도, 심박변이도 (HRV, Heart rate variability), 뇌파 (EEG, Electroencephalogram), 그리고 주관설문조사를 통한 운전자의 열적쾌적성에 관한 연구가 절실히 필요하다.
제 2 절 기존 연구
사람의 열적쾌적성에 관한 연구는 가장 기본적으로 주관설문조사를 통해서 실시 할 수 있다. 주관설문조사는 ASHRAE [3]에서 제안하고 있는 열적민감성 및 열적쾌 적성 평가를 7-scale로 사용하는데, 다양한 형태로 변형되어 사용되기도 한다. 그리 고 열적쾌적성을 계산 및 예측하는 방법으로 1974년 Fanger [4]에 의해 제안된 PMV-PPD (Predicted mean vote-Predicted percentage of dissatisfied)를 이용할 수 있다.
사람의 열적쾌적성은 주관적으로 느끼는 것이기 때문에 열환경으로 인한 신체의 변 화와 직접적인 연관이 있다. 이러한 신체의 변화가 생체신호로 나타나기 때문에 기 존 연구에서는 이 생체신호를 측정하여 열적쾌적성을 조사했다.
Shimazaki 등[5]은 실내환경에서 주변 온도에 따른 재실자의 열적쾌적성을 평가하 기 위해 주관설문조사를 실시하여 주변 온도는 사람의 열적민감성과 열적쾌적성에 크게 영향을 주며, 열적민감성이 중립에 가까울수록 열적쾌적성은 높았으나, 열적민 감성이 너무 높거나 낮을 때 오히려 열적쾌적성이 낮게 나타난다고 보고했다.
Qingquing 등[6]은 실내환경에서 주변 온도의 변화에 따른 재실자의 열적쾌적성 변 화를 연구하기 위해 냉방 및 난방 시 재실자의 열적쾌적성, 열적민감성, 그리고 피 부온도를 조사했다. 그 결과 피부온도의 변화율은 열적민감성과 공기 온도 변화율 에 영향을 받으며, 주변 온도가 증가할 때보다 감소할 때 온도에 대한 적응이 늦게 나타나는 것으로 보고했다. Ciuha 등[7]은 열적으로 편안하게 느끼는 열쾌적구역 (TCZ, Thermal comfort zone)을 조사하기 위해 난방 및 냉방을 실시했으며, 그 결과 난방조건의 TCZ가 냉방조건의 TCZ보다 낮은 온도에서 형성됨을 보고했다. Liu 등 [8]은 다양한 온도의 실내환경에서 재실자의 피부온도와 열적쾌적성에 대한 연구를 위해서 평균피부온도 (MST, Mean skin temperature)를 계산하는 26가지 방법을 분석 하여 신뢰도 높은 MST 계산법을 제안했다. Choi 등[9]은 실내환경에서 재실자의 심 박수에 대한 주변 온도의 영향을 조사하여 동일한 활동 수준에서 심박수가 추운 환 경보다 따듯한 환경에서 현저히 높게 나타남을 보고했다. Zhu 등[10]은 실내환경에 대한 재실자의 HRV를 측정 및 분석하여 LF/HF (Low frequency/high frequency)와 열 적민감성 및 열적쾌적성의 관계를 연구했다. 그 결과 LF/HF가 1에 가까울수록 재실
자는 환경에 대한 만족을 보였으며, 주변 환경의 인자 중 주변 온도가 LF/HF 변화 에 가장 큰 영향을 준다고 보고했다. Son 등[11]은 온도 변화에 따른 열적쾌적성 변 화와 EEG의 변화의 관계를 실험적으로 연구했으며, 그 결과 열적쾌적성이 증가할 때 전두엽 중앙부의 상대 Theta파가 증가하고, 전두엽과 두정엽 중앙부의 상대 Beta 파가 감소한다고 보고했다. Yao 등[12, 13]은 실내공간에서 재실자의 열적쾌적성 연 구를 위해 생체신호인 피부온도, HRV 그리고 EEG를 측정하여 분석했으며, 재실자 가 덥거나 춥게 느낄수록 LF/HF가 높게 나타나고, 쾌적하게 느낄수록 나게 나타남 을 확인했으며, 긴장된 상태에서 주로 발생하는 Beta파는 LF/HF와 같은 경향을 보 이고, 안정된 상태에서 발생하는 Alpha파는 주관설문조사 결과와 같은 경향을 보였 다고 보고했다. 또한, Choi 등[14]은 온도에 따른 주의집중도를 평가하기 위해 다양 한 온도조건에서 피험자의 EEG를 분석하여, 초기에는 낮은 온도조건에서 주의집중 도가 높게 나타났지만, 30분 이후에는 높은 온도조건에서 주의집중도가 높게 나타 난 것을 확인했다. Zhu 등[15]은 실내공간에서 주변온도와 상대습도가 사람의 인지 활동에 끼치는 영향을 조사하기 위해 EEG를 측정하여 분석했으며, 그 결과 온도와 상대습도가 높을수록 Delta파가 높게 나타났다.
자동차 실내환경에서의 열적쾌적성에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. Shin 등 [16-18]은 열환경 챔버에서 자동차 시뮬레이션 시스템을 구축하여 겨울철 및 여름철 HVAC 시스템을 이용한 난방 및 냉방을 통해 운전자의 열적쾌적성을 개선시키기는 연구를 위해 주관설문조사와 생체신호인 피부온도, HRV, 그리고 EEG를 측정 및 분석했으며, 그 결과 피부온도, HRV 그리고 EEG가 열적쾌적성을 평가하는 지표로 적절함을 확인했다. Danca 등[19]은 여름철 실내에 자동차를 두어 HVAC 시스템을 이용한 냉방을 실시하여 인체모형을 이용한 PMV-PPD를 예측했으며, 그 결과 운전 석과 차량의 중심에서 PMV가 다르게 나타나는 것을 확인했다. 또한, 자동차와 같 이 균일하지 않은 열환경에서 열적쾌적성을 정확하게 평가하기 위해서는 단일 지점 의 환경적인 요인을 측정하는 것은 충분하지 않으며 실내환경의 열적쾌적성을 예측 하는 PMV-PPD가 자동차 실내환경에서는 맞지 않을 수 있다고 보고했다. Alahmar 등[20]은 자동차 실내온도 및 상대습도의 일시적으로 불균일한 시간 변화와 이마, 손, 그리고 발의 피부온도 변화를 측정하여 실험적 및 해석적으로 분석했으며, HVAC 시스템의 냉난방 과중 중에 상대습도를 제어했을 때 운전자에게 빠른 시간
안에 좋은 열적쾌적성을 제공할 수 있음을 확인했다. Ikenishi 등[21]은 자동차에서 운전하는 동안 운전자의 EEG를 분석하기 위해 시뮬레이션 장치를 이용해 운전자가 운전하는 동안 인식에 관한 연구를 했으며, 운전자는 상황에 따라 차량의 거리 및 움직임에 대한 정보보다 모양 및 색상을 우선으로 인식함을 확인했다. 또한, Nilsson [22]은 건물 및 자동차 실내환경에서 운전자의 열적쾌적성에 영향을 주는 요인을 시험적 및 해석적으로 조사했다. Kristanto 등[23]은 자동차 실내환경의 열적 쾌적성, 공기의 질, 그리고 에너지 소비량에 대해 분석하기 위해 수학적 모델을 사 용하여 분석했으며, 주차된 자동차의 앞 유리 투과율을 5% 주이면 PMV가 0.9% 감 소함을 확인했으며 자동차 운전 중 공기 공급량은 5% 낮추어 PMV를 20.4% 감소 시킬 수 있지만, 공기 공급량을 5% 증가시킬 경우 실내 이산화탄소 농도를 0.7%
감소시킬 수 있다고 보고했다. Yang 등[24]은 운전자의 행동인식을 연구하기 위해 서는 운전자의 운전 행동 데이터와 EEG 데이터를 동시에 수집하여 주관설문조사와 함께 분석했으며 이를 통해 운전자의 정신상태를 평가했다.
자동차 실내 열환경은 태양열사와 같은 주변 환경에 영향을 크게 받아 불규칙한 환경의 변화가 발생할 수 있어 정확하게 모사하여 실험하는 것이 불가능하는 등의 이유로 열환경에 대한 연구와 재실자의 열적쾌적성에 대한 연구가 어렵다[19]. 게다 가, 자동차처럼 균일하지 않은 열환경에서는 열적쾌적성을 정확하게 평가하기 어려 우므로 모든 환경적 요소를 고려할 필요가 있다[25]. 이러한 문제로 인해 실제 외부 및 자동차 실내환경에서 운전자의 열환경 변화에 따른 열적쾌적성에 관한 연구가 진행되기도 했다. Kim 등[26]은 겨울철 외부환경에 주차된 승용차에서 운전자의 생 체신호인 피부온도, HRV, 그리고 EEG 측정을 통해 난방 모드와 시간에 따른 운전 자의 열적쾌적성에 관한 연구를 했으며, 그 결과 열적민감성에 대한 생리적 반응은 EEG 변화와 같은 경향을 보였으며, 건조함에 대한 생리적 반응은 HRV의 자율신경 계 변화와 같은 경향을 보이는 것으로 나타났다. Zhou 등[27] 과 Qi 등[28]은 여름 철 실내주차, 실외주차 그리고 실제 주행 상태의 자동차에서 냉방모드를 통한 실내 온도와 운전자의 피부온도 변화를 조사하여 피부온도와 운전자의 열적쾌적성의 연 관성을 연구했다. Zhang 등[29]은 여름철 실외에 주차된 자동차 내부 환경에서 재실 자의 열적쾌적성을 연구하기 위해서 HVAC 냉방모드를 사용하여 다양한 조건에서 실내 내부 열환경의 변화와 재실자의 피부온도를 조사했다.
기존 연구는 주어진 열환경에서 재실자의 열적쾌적성을 평가하기 위해서 주관설 문조사를 실시하거나 피부온도, HRV 그리고 EEG와 같은 생체신호를 측정하였다.
동일한 환경을 조성하기 위해 열환경챔버를 이용하거나 나아가 건물 실내 열환경에 서 연구를 실시하였다. 자동차 실내 열환경에서 실시한 연구 또한 다수 진행되었지 만, 정지되어있는 정적인 상태 또는 Lab 스케일의 연구만이 진행되었다. 따라서 본 연구 동향을 살펴본 결과, 실제 자동차 운전 중 운전자의 열적쾌적성에 대해서 조 사한 연구는 미비한 것으로 판단된다.
제 3 절 연구 목적
현재 우리의 삶에서 자동차는 필수적인 요소이며 실내환경에서 열적쾌적성은 사 람의 편안함을 만족하게 할 뿐 아니라 에너지적 측면에서도 필수적으로 고려되어야 하는 요소이다. 실내환경에서는 열적쾌적성에 대한 연구가 다수 진행되었지만, 자동 차 실내환경과 같이 특수한 환경에서의 열적쾌적성에 대한 연구는 부족한 실정이 다. 게다가 자동차 실내공간을 대상으로 한 연구라 할지라도 자동차 운전의 경우 대부분 Lab 스케일의 실험실에서 실제 환경을 모사하여 진행된 연구가 대부분이다.
실제 열환경에 대한 운전자의 열적쾌적성에 대한 연구라도 운전을 하지 않는 정차 및 주차된 상태에서의 열환경의 내부 변화와 자동차 내 재실자의 열적쾌적성에 대 한 연구를 시행한 경우가 대부분이다. 그러나 실제 차량의 실내공간과 운전자는 운 전 중에 끊임없이 변화하며, 그로 인해 인간이 느끼는 열적쾌적성은 계속해서 변화 하게 된다. 따라서 실제 운전을 하고 있을 때 자동차 실내공관에서의 열환경의 변 화에 관한 연구와 자동차 실내공간과 운전에 따른 운전자의 열적쾌적성 변화에 관 한 연구가 필요하다. 게다가 실내에서의 열적쾌적성에 관한 연구에 사용되는 주관 설문조사를 통한 주관적 평가와 객관적인 생체신호의 측정을 이용하여 객관적인 지 표를 동시에 분석 및 평가하여 이들의 관계를 종합적으로 나타내는 것이 매우 중요 하다. 또한, 과도한 HVAC 시스템의 작동으로 불쾌적한 실내열환경 조성 및 과전력 소모를 방지하고 운전자에게 빠른 시간 내에 열적쾌적성을 제공하기 위해 근접공조 사용과 열적쾌적성에 대한 연구가 필요하다.
따라서 본 논문에서는 여름철과 겨울철에 실제 운전을 했을 때 다양한 냉방 및 난방 방법을 통해서 나타나는 자동차 실내공간의 열환경을 분석하고 이러한 변화에 따른 운전자의 주관적인 설문조사 평가와 생체신호인 피부온도, HRV, 그리고 EEG 를 분석하여 자동차 실내공간의 열적쾌적성에 대한 평가를 실험적으로 연구했다.
또한, 이러한 자동차 실내 열환경과 운전시간에 따른 운전자의 생체 변화와 신체적 반응, 그리고 심리적 반응을 평가하고 이를 비교 및 분석하고자 한다. 본 연구를 통 해 기존 자동차의 운전조건에 따른 운전자의 열적쾌적성을 향상시키고 나아가 미래 형자동차의 공조시스템에 적용 가능한 정보를 제공하고자 한다.
제 2 장 이론적 배경
제 1 절 생체신호의 특성
ASHRAE [30]에 의하면 열적쾌적성은 열환경에서 사람이 느끼는 열적인 편안함 에 대한 만족을 표현하고 주관적으로 평가되는 마음의 상태를 의미한다. 열환경은 다양한 변수를 통해서 변화되고, 이러한 열환경에 노출된 신체는 가장 먼저 피부를 통해서 열환경을 느끼게 된다. 주어진 열환경에 대해서 신체를 보호하고 이에 적응 하고자 하는 사람의 항상성으로 인해서 뇌는 이를 담당하여 EEG를 통해 HRV와 같은 신체 다양한 활동을 일으킨다. 또한, 신체와 열환경의 열전달 및 신체활동의 결과로 피부온도가 변화하게 된다. 따라서 주관적인 열적쾌적성을 보다 객관적으로 평가하기 위해서 열적쾌적성의 평가가 이루어지는 과정에서 발생하는 생체신호를 측정하여 분석하고 평가할 수 있다. 생체신호는 신호가 일반 장비로는 측정하기 어 려울 정도로 미약하고 다수의 잡음을 포함하고 있어 신호처리 방법을 통해서 순수 한 생체신호만의 데이터를 얻어야 한다. Fig. 2.1은 생체신호 해석의 구성도를 나타 내고 있다. 생체신호는 신호원으로부터 측정하여 디지털화한 후 신호처리를 통해 해석을 진행한다.
Fig. 2.1 Configuration diagram of biosignal analysis
1. 피부온도의 특성
Fig. 2.2 Skin temperature change of human in 30°C and 20°C of ambient temperature
인간의 항상성 중 체온 조절은 체내 중추신경계와 장기 내부의 온도인 심부온도 를 유지하는 것이 목적이다. 심부온도는 안정적인 상태에서 약 37°C로 유지된다.
Fig. 2.2는 주변온도 20°C와 30°C에서의 심부온도를 나타낸다[31]. 이 심부온도를 유 지하기 위해서 시상하부의 조절로 인한 체온조절중추가 작용하고 열손실과 열발생 을 통해서 체온을 조절한다. 체온조절 과정에서 피부는 중요한 역할을 한다. 피부의 역할에는 혈류량 조절을 통한 열발산 조절, 땀 발산, 그리고 열수용체를 통한 열감 각이 있다. 저온자극을 받을 때 피부의 혈류량을 감소시켜 열발산을 억제하고, 고온 자극을 받을 때 피부의 혈류량을 증가시켜 열발산을 촉진한다. 이러한 심부온도와 열환경 사이 열전달의 결과로 피부온도가 나타난다.
2. 맥파의 특성
사람의 심장은 근육으로 이루어져 있으며 수축할 때 대동맥을 통해서 체내에 혈 액을 공급하고 이완할 때 대정맥을 통해 체내의 혈액이 심장으로 돌아온다. 심장에 서 방출된 혈액은 운동에너지와 혈관 벽의 탄력에 의해 생기는 위치 에너지의 상호 작용을 통해 전달되어 손, 발 그리고 말초 세동맥까지 전달된다. 혈액이 심장에서 혈관을 통해 전파되는 파장을 맥파 (PPG, Photoplethysmography)라고 한다. 맥파의 측정에는 심전도, 광전맥파, 혈압계, 심음도를 사용하는 방법들이 있다. 본 연구에서 사용된 방법은 광전맥파 방법 중 투과형 맥파 측정방법인 광용적맥파 측정방법으로 발광 센서가 적외선 및 적색광의 550 nm 대역의 빛을 조사하여 손가락을 투과한 후 수광 센서로 투과된 빛의 양을 감지한다. 혈액이 지나가면서 발생하는 혈관의 용적 변화를 파형으로 표현한 것이다. Fig. 2.3은 맥파를 이용하여 맥파를 측정하고 이를 2차 미분한 가속도 맥파를 나타내고 있다. 이를 이용해 손가락 끝이나 귓불 등과 같이 빛이 투과하기 쉬운 부분을 통해서 HRV를 분석할 수 있다.
심장의 박동을 지배하는 신경은 자율신경계로서 부교감신경과 교감신경으로 나뉘 는데 부교감신경은 안정된 상태에서 나타나고, 교감신경은 흥분, 긴장상태에서 나타 난다. 이 두 신경의 균형에 따라 맥파의 파형이 변하고 맥박수의 표준편차, 평균편 차 등을 통해서 신체 항상성 지수, Stress index 등을 평가할 수 있다. Stress index는 25 이하일 때 스트레스가 거의 없는 상태라고 할 수 있으며, 25~35일 때 일시적인 스트레스 상태, 35~45일 때 초기 스트레스 상태, 45~60일 때 반복된 스트레스로 인 해 스트레스의 내성이 약해진 상태를 나타내며 60 이상일 때 만성 스트레스 상태로 해석된다. LF (Low frequency)는 교감신경이 활성화될 때 나타나는 지표로 0.04~0.15 Hz의 주파수 대역이며, HF (High frequency)는 부교감신경이 활성화될 때 나타나는 지표로 0.15~0.4 Hz의 주파수 대역이다. 이 두 지표를 통해서 LF/HF를 계산하여 자 율신경계균형을 판단하는 근거로 사용할 수 있다. LF/HF가 높을수록 교감신경의 작 용이 활발해지며 각성 또는 긴장되는 상태가 됨을 뜻한다. 외부 환경에 대한 적응 정도를 판단하는 맥박의 표준편차 (SDNN, Standard deviation of N-N interval)와 항 스트레스성과 항상성 등을 평가하는 평균편차 (RMSSD, Root mean square of
standard deviation) 또한 맥파 분석을 통해서 얻을 수 있다. RMSSD의 상대적인 증 가는 안정된 상태가 됨을 뜻한다.
Fig 2.3 PPG conversion for analysis
3. 뇌파의 특성
Fig. 2.4 Location of each lobe of the cerebral hemispheres
신경계는 중추신경계와 말초신경계로 나뉘어 뇌와 척수로 구성된 중추신경계에서 말초신경계로 명령을 전달하거나 말초신경계에서 느낀 외부자극을 뇌로 전달하는 역할을 한다. 열적쾌적성이 주관적인 평가를 통해서 나타나는 것이기 때문에 뇌와 긴밀한 연관이 있다. 열환경으로 인한 자극을 뇌로 전달하기도 그에 대한 명령을 전달하거나 감정을 느끼기도 한다. 뇌는 인간 신경계에서 중추가 되는 기관으로 뇌 파를 통해서 개체의 사고, 감정, 행동 등을 할 수 있도록 한다. 뇌는 회백질, 백질, 뇌실 그리고 뇌혈관계로 이루어져 있으며, 이중 회백질이 대뇌피질, 소뇌피질 그리 고 핵으로 구성되어 있으며 가장 많은 신경세포가 존재한다. 뇌실은 척수액으로 차 있어 외부의 충격을 보호하는 역할을 수행한다. 이 중 대뇌반구는 뇌의 가장 상부 에 위치하여 뇌 전체 무게 중 가장 큰 부분을 차지하고 있으며 중추신경계에서 가 장 중요한 역할을 한다. 대뇌의 표면은 주름이 있으며 크게 4개의 엽으로 구성되어 전두엽 (Frontal lobe), 측두엽 (Temporal lobe), 두정엽 (Parietal lobe) 그리고 후두엽
(Occipital lobe)로 나뉜다. Fig. 2.4는 각 대뇌엽의 위치를 나타내고 있다. 전두엽은 1 차 운동피질로 근육운동을 통제하고, 언어 및 사고활동을 담당하며 각성, 주의집중 을 할 때 활성화된다. 측두엽은 1차 청각령으로서 청각정보를 수신하고, 후각 자극 을 인지하는 것으로 알려져 있다. 두정엽은 1차 감각령으로 지각, 인지 정보 통합 및 기억력 통제 이외에 촉각, 통각 그리고 위치감각 등의 감각 인식 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 후두엽은 1차 시각령으로서 시각적 자극을 인지하고 시각정 보를 담당하는 것으로 알려져 있다.
EEG는 대뇌피질의 신경세포들이 서로 신호를 전달하면서 생겨난 전기적 파동으 로 두피의 특정 지역에 위치시킨 표면 전극들 사이의 전위 차이를 측정하는 EEG를 통해서 측정할 수 있다. EEG의 지표는 표면 전극 밑에 있는 무수히 많은 대뇌피질 신경세포들의 전기적 활성을 뜻한다. EEG는 주파수와 진폭에 따라 분류하는데 Delta 파 (δ), Theta 파 (θ), Alpha 파 (α), Beta 파 (β) 그리고 Gamma 파 (γ)로 구분 하며, Fig. 2.5에 뇌파의 종류에 따른 파형을 나타내었다.
Fig. 2.5 Variety basic waveform of EEG bands
δ파는 0~4 Hz의 주파수 대역과 평균 100~200 μV의 큰 진폭을 보이는 파형으로 일반적으로 정상인의 깊은 수면 상태에서 발현된다. θ파는 4~8 Hz의 주파수 대역 과 20~100 μV의 진폭을 보이는 파형으로 명상을 하거나 심신이 안정된 상태일 때, 또는 얕은수면 상황에서 주로 발현된다. α파는 8~13 Hz의 주파수 대역과 평균 50 μV의 진폭을 보이는 파형으로 눈을 감은 안정된 상태에서 일정하게 나타나며, 정신 활동을 수행하거나 각성상태에서는 억제되는 경향이 있다. β파는 13~30 Hz의 주파 수 대역과 2~20 μV의 진폭을 보이는 파형으로 불규칙한 파형에 속한다. 정신활동 을 수행하거나 몸을 움직이는 신체활동, 긴장이나 흥분상태 등 인간의 감각을 사용 하는 모든 의식활동에서 우세하게 나타나는 뇌파이다. γ파는 30 Hz 이상의 주파수 대역으로 베타파보다 빠른 파형으로 뇌의 전체부위에서 발견되며 각 뇌의 처리 신 호를 조화 및 통일시키는 역할을 한다. 주로 격렬한 운동을 하거나 고도의 집중을 요구하는 복잡한 활동을 할 때 발현되며 극도의 불안, 흥분 및 스트레스 상태일 경 우에도 발현된다.
제 2 절 주관설문조사의 특성
주관설문조사는 열적쾌적성 연구에서 주관적인 평가방법으로 주로 사용된다. 주 관설문조사를 사용할 경우 다른 평가방법과 비교하여 피험자의 주관적인 판단을 시 간, 노력 그리고 노력을 적게 들여 얻을 수 있고 큰 표본에도 쉽게 적용할 수 있다.
Table 2.1은 본 연구에서 사용된 열적민감성 설문조사 (TSV, Thermal sensation vote), 열적쾌적감 설문조사 (TCV, Thermal comfort vote) 그리고 주의집중도 설문조사 (CLV, Concentration level vote)를 나타내고 있으며 본 연구뿐만 아니라 다양한 열적 쾌적성 연구에 사용되었다. TSV, TCV 그리고 CLV는 모두 –3부터 +3까지의 7개의 척도로 나뉜다. TSV는“매우 춥다, 춥다, 서늘하다, 중립이다, 따뜻하다, 조금 덥다, 그리고 덥다”로 구분되어 열적인 감각을 평가하는 방법이며, TCV는 “매우 불쾌적 하다, 불쾌적하다, 조금 불쾌적하다, 중립이다, 조금 쾌적하다, 쾌적하다, 그리고 매 우 쾌적하다”로 구분되어 열적인 쾌적감을 평가하는 방법이다. 또한, CLV는 “집중 이 매우 어렵다, 집중이 어렵다, 집중이 조금 어렵다, 중립이다, 집중이 조금 된다, 집중이 잘 된다, 그리고 집중이 매우 잘 된다”로 구분되어 피험자가 느끼는 주의집 중도를 평가하는 방법이다.
Thermal sensation vote
-3 -2 -1 0 +1 +2 +3
Very cold Cold Cool Neutral Warm Slightly
hot Hot Thermal comfort vote
-3 -2 -1 0 +1 +2 +3
Very
uncom* Uncom Slightly
uncom Neutral Slightly
com** Com Very com Concentration level vote
-3 -2 -1 0 +1 +2 +3
Very hard to con***
Hard to con
Slightly hard to
con
Neutral
Slightly good to
con
Good to con
Very good to
con
*Uncom: Uncomfortable, **Com: Comfortable, ***Con: Concentrate Table 2.1 Subjective questionnaires
제 3 장 실험장치 및 방법
제 1 절 실험장치
본 연구의 실제 자동차 운전 시 운전자의 열적쾌적성에 대한 실험은 대한민국 광 주광역시에 있는 조선대학교에서 진행되었다. 실험에 사용된 자동차는 한국산 1,600 cc 소형 승용차가 사용되었으며 Table 3.1에 자동차의 제원을 나타내었다. 본 연구에서 피험자는 자동차 실내에서 HVAC 시스템과 더불어 근접공조를 위한 다양한 시트가 적용되었다. 시트의 종류로는 겨울철의 경우 자동차에 내장된 온열시트를 사용했으 며, 여름철의 경우 자동차에 내장된 통풍시트와 휴대가능한 냉수시트를 사용했다.
피험자는 운전하는 동안 피부온도, PPG, 그리고 EEG를 측정장비를 착용했다.
Item Specification
Displacement 1,591 cc
Length 4,560 mm
Width 1,780 mm
Height 1,435 mm
Weight 1,255 kg
Limit of people 5
Table 3.1 Specification of vehicle
1. 온·습도 측정 장치
자동차 실내외 온도를 측정하기 위해서 원격으로 온도를 측정할 수 있는 Be Interactive 사의 Hysor TAS 모델을 사용했으며 Fig. 3.1에 열전대를 나타내었으며, Table 3.2에 열전대의 사양을 나타내었다. 실내온도는 Fig. 3.2에 나타난 것과 같이 자동차 실내의 상부, 하부, 좌측, 우측 그리고 가운데 부분에 부착했으며, HVAC 시 스템에서 토출되는 공기 온도를 측정하기 위해 상부 벤트와 하부 벤트에도 설치했 다.
피험자의 피부온도를 측정하기 위해 Liu 등[8]이 제안한 26가지 MST 계산 방법을 고려하여 대표적인 10곳의 신체 부위를 선택하여 각 부분의 피부온도를 실시간으로 측정해 평균피부온도(MST, Mean skin temperature)를 계산하였다. 선정된 신체 부위 는 Fig. 3.3과 같이 이마, 가슴, 등, 상박, 하박, 손목, 앞 허벅지, 뒤 허벅지, 정강이, 그리고 발목이다. 피부온도의 측정은 자동차 실내온도를 측정하기 위해 사용된 열 전대와 동일한 열전대를 사용했다.
Fig. 3.1 Thermocouple for measuring temperature
Item Specification Temperature Range -25°C~80°C
Resolution 0.1°C
Accuracy ±4°C
Interval 10 sec
Table 3.2 Specification of thermocouple
Fig. 3.2 Temperature measuring point of indoor vehicle
Fig. 3.3 Skin temperature measuring points
자동차 실내외 습도를 측정하기 위해서 습도를 측정 및 저장할 수 있는 All&Sun 사의 EM506B 모델의 데이터 로거를 사용했으며 Fig. 3.4에 나타내었으며, Table 3.3 에 습도 데이터 로거 사양을 나타내었다.
Fig. 3.4 Hygrometer for measuring relative humidity
Item Specification
Measuring Range 0~100% RH
Resolution 0.1°C
Accuracy ±4.5% RH
Interval 10 sec
Table 3.3 Specification of Hygrometer
2. 맥파 측정 장치
운전 중 피험자의 HRV를 분석 측정하기 위해 Fig 3.5와 같은 BioSense Create 사 의 uBio Macpa 모델의 PPG 측정장비를 사용했다. 피험자는 이 장비는 오른손 손가 락 끝에 착용하여 오른손 움직임을 최소화하고 왼손을 이용하여 운전할 수 있도록 했다. PPG 측정을 위해 사용된 측정장비의 자세한 사양은 Table 3.4에 나타나 있다.
Fig. 3.5 PPG measuring device
Item Specification
Measurement range 40~200 BPM
Measurement error ±2%
Band pass filter 0.15~4Hz Table 3.4 Specification of PPG measuring device
3. 뇌파 측정 장치
운전 중 피험자의 EEG를 측정하기 위해 Laxtha 사의 QEEG-64FX 모델을 사용했 다. Fig. 3.6에서 나타난 것과 같이 QEEG-64FX 기기와 16채널 EEG Cap을 연결하여 사용했으며, EEG 측정기기의 상세사양은 Table 3.5에 나타내었다. Fig. 3.7에서 나타 난 것과 같이 A1과 A2를 기준으로 사람 두뇌의 16개 부위에서 동시에 EEG를 측정 할 수 있다. 피험자는 EEG Cap을 착용한 후 모든 전극이 있는 곳에 전극풀을 이용 하여 두피와 전극 사이의 인피던스가 안정적인 상태가 되도록 했다. 16개의 채널을 이용하여 측정한 측정 부위는 전전두엽 (Fp1 그리고 Fp2), 좌전두엽 (F3 그리고 F7), 우전두엽 (F4 그리고 F8), 두정엽 (C3, C4, P3 그리고 P4), 좌두정엽 (P7), 우두 정엽 (P8), 좌측두엽 T7), 우측두엽 (T8), 후두엽 (O1 그리고 O2)이다.
Fig. 3.6 EEG measuring device
Item Specification
Sampling rate 256 Hz
Resolution 12 bit
Band pass filter 0.5~60 Hz Notch filter 50~60 Hz Table 3.5 Specification of EEG measuring device
Fig. 3.7 Measuring sites of EEG
4. 태양일사량 측정 장치
여름철 및 겨울철의 자동차에 가해지는 태양일사량을 측정하기 위해 TES Electrical Electronic 사의 TES-132를 사용했다. Fig. 3.8과 Table 3.6에 본 연구에서 사용된 일사량계의 사진과 제원을 나타내었다.
Fig. 3.8 Solar radiation measuring device
Item Specification
Range 2000 W/m2
Resolution 0.1 W/m2
Accuracy ±10 W/m2
Interval 1 min
Table 3.6 Specification of solar radiation measuring device
5. 운전자의 근접공조를 위한 시트
본 연구에서 겨울철 및 여름철 운전 중 사용되는 근접공조 방법으로 겨울철에는 온열시트를 사용했으며, 여름철에는 통풍시트 또는 냉수시트를 사용했다. 겨울철 사 용된 온열시트와 여름철 사용된 통풍시트는 사용한 자동차에 내장된 시스템을 사용 했으며, 온열시트의 세기와 통풍시트의 풍량 세기가 각각 3단계로 나뉘어 있어 가 장 센 세기를 사용했다. 여름철 사용한 냉수시트는 휴대할 수 있도록 펠티어 소자 를 이용하여 제작했다. Fig 3.9과 같은 시스템으로 제작했으며, 펌프와 펠티어 모듈 의 총 소요동력은 320 W이며, 펠티어 모듈의 냉방효과는 약 300 W로 나타났다. 또 한, 주변온도 35°C에서 냉수시트를 작동시키고 시트 내부에 냉수가 흐르는 유로를 열화상 카메라로 촬영했으며 이를 Fig. 3.10에 나타내었다.
Fig. 3.9 Schematic diagram of water cooling seat process
Fig. 3.10 Thermal image of water cooling seat
제 2 절 실험방법 및 분석방법 1. 실험 방법 및 조건
Fig. 3.11 Time table of experiments
본 연구의 실제 자동차 운전 시 운전자의 열적쾌적성에 대한 실험은 대한민국 광 주광역시에 위치한 조선대학교 교내에서 진행되었다. 실제 실험의 여러 가지 어려 움 때문에 겨울철에는 실외온도가 낮고 일사량이 높은 날, 여름철에는 실외온도가 높고 일사량이 높은 날을 선정하여 교내에서 운전 가능한 피험자를 대상으로 실험 을 실시했다. 실험환경인 자동차 실내환경을 최대한 동일하게 만들기 위해서 실험 전에 여름철의 경우 2시간 이상 그늘이 없는 주차장에 주차하고 차량 문을 열어 차 량 내부온도와 엔진 온도가 주변의 온도와 도일해 지도록 준비했고, 겨울철의 경우 2시간 이상 그늘진 주차장에 주차하고 차량 문을 개방하여 차량 내부온도와 엔진 온도가 주변의 온도와 같아지도록 했다. Fig. 3.11에 실험 순서를 나타내었다. 피험 자는 60분간 23°C의 preparation room에서 대기하는 동안 신체에 온도센서를 부착하 고, EEG 측정을 위한 Electrodes Cap과 HRV 측정을 위한 PPG 장치를 착용했으며 실험 시작 직전에 5분간 생체신호를 측정하여 안정된 상태를 확인했다. Fig. 3.12에 본 연구에서 실험이 진행된 교내 캠퍼스맵과 운전 주행 경로를 표시했으며 피험자 는 실험이 끝날 때까지 계속해서 운전 주행 경로를 따라 3번 반복하여 약 9 km를 주행했다. 피험자는 약 30초간 이동하여 차량에 탑승하고 탑승 직후 EEG 및 PPG 측정 장치와 노트북을 연결한 후 차량 시동을 걸고 냉방모드 및 난방모드를 켜고 바로 운전을 실시했다. Table 3.6에서 여름철 및 겨울철에 적용된 냉방모드 및 난방 모드의 종류를 나타내었다. HVAC의 냉방모드 및 난방모드는 설정온도를 23°C로
설정한 후 AUTO 모드를 사용했다. 피험자는 운전을 시작한 직후부터 총 30분간 운 전을 했으며, 운전 중 2분 30초마다 PPG와 EEG를 측정하고 동시에 주관설문조사를 실시했다. 주관설문조사는 TSV, TCV 그리고 CLV를 실시했으며 차량을 탑승한 직 후를 포함하여 총 13번의 주관설문을 질문을 통해서 실시했다. 실험 중 안전을 고 려하여 피험자는 교내 규정 속도인 20 km/h를 준수하여 주변 상황이 잘 보이는 안 전한 길에서 운전을 실시했으며 보조 차량을 활용하여 피험자의 안전을 확보하고 실험을 실시했다.
Fig. 3.12 Driving route on campus map
Season Mode
Summer
① HVAC cooling
② HVAC with ventilation seat
③ HVAC with water cooling seat
Winter
① HVAC heating
② Electric heating seat
③ HVAC with Electric heating seat Table 3.6 Cooling and heating mode in summer and winter
2. 피험자 조건
피험자는 대학생과 대학원생 20명을 모집하여 피험자의 뇌질환, 심장질환 등의 병력이 없는 피험자로 총 17명을 선정하여 실험을 진행했다. 선발된 피험자는 실험 전에 사전 교육을 통해 실험과정 및 방법에 대해서 숙지하고, 사전 운전을 통해 교 내 운전 주행 경로를 숙지했다. 실험 하루 전날은 8시간 이상 충분한 수면을 할 수 있도록 지시했고, 실험 24시간 전부터 카페인, 알코올, 담배 등 신체활동과 신진대 사에 지장을 줄 수 있는 약물 복용을 제한했다. 피험자의 평균 나이, 몸무게 및 키 등 신체조건을 Table 3.7에 제시했다. 피험자들의 의복 단열조건은 동일하게 적용하 기 위해 여름철에는 반팔 티셔츠 그리고 반바지를 입었으며, 겨울철에는 반팔티셔 츠, 긴팔 티셔츠, 후드 자켓, 그리고 긴 면바지를 입고 실험을 실시했다.
Item Specification
Age 26±1.0
Weight 81.4±13.3 kg
Height 174.4±2.5 cm
Clothing insulation Summer 0.25 clo
Winter 1.03 clo
Metabolism 1.8 met
Table 3.7 Conditions of Subjects
3. 데이터 분석 방법
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.
(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.
(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.
(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].
(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.
(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
2. 맥파 측정 결과
여름철 자동차 실내에서 냉방모드에 따른 운전자의 HRV를 분석하기 위해서 피험 자의 PPG를 측정했다. Fig. 4.4는 운전자의 PPG를 이용한 HRV의 분석 결과를 보여 주고 있다. 우선 Fig. 4.4 (a)의 LF/HF 분석 결과, HVAC 냉방모드를 사용했을 경우, LF/HF는 실험 시작 초기에 소폭 감소했으나 다시 증가하여 실험 전체적으로 보았 을 때 증가하는 경향을 보였다. HVAC with 통풍시트 냉방모드를 사용했을 때 LF/HF는 초기에 증가했다 감소한 후 다시 증가하는 경향을 보였다. 그리고 HVAC with 냉수시트 냉방모드를 함께 사용했을 때, LF/HF가 초기에 안정적이다가 급격하 게 증가하여 일정한 값을 보였다. LF/HF는 교감신경과 부교감신경 활성화의 균형을 나타내어 사람의 긴장상태를 나타내는 지표이다. HVAC 냉방모드를 사용했을 때 실험 초기 10분 정도까지 뜨거운 실내공기로 인해 교감신경이 부교감신경에 비해 활성화되었으나 그 정도가 일정하여 피험자는 점차 적응하는 단계에 있었으나, 이 후에도 꾸준히 교감신경의 활성화되는 정도가 커진 것으로 보아 피험자가 쾌적해지 지 못한 것으로 판단된다. HVAC with 통풍시트 냉방모드를 사용했을 때 교감신경 이 부교감신경에 비해 활성화되었으나, 10분 이후 부교감신경이 활성화 된 것으로 보아 피험자는 쾌적한 상태가 되었음을 알 수 있다. 하지만, 그 이후 다시 교감신경 이 활성화 된 것으로 보아 통풍시트의 사용으로 인한 쾌적함이 크게 증가하지 않은 것으로 판단된다. HVAC with 냉수시트 냉방모드를 사용했을 때, 초기에 교감신경 과 부교감신경의 활성화 정도가 적절하여 쾌적한 상태가 되었으나 12.5분 이후 교 감신경이 점차 활성화 되며 그 정도가 일정하게 유지 되었다. 이는 냉수시트의 사 용으로 인해 실험 초기에 쾌적감을 주었으나, 일정시간이 지난 이후 오히려 피험자 에게 시트가 차갑게 느끼도록 하여 쾌적성이 감소한 것으로 판단된다.
측정한 데이터를 기반으로 바탕으로 피험자의 Stress index 분석했으며 이를 Fig 4.4 (b)에 제시했다. HVAC 냉방모드만을 사용했을 때 실험시작 후 일시적으로 Stress index가 증가했으나 10분까지 감소하여 거의 일정하게 유지되었으나 실험 종 료 직전에 다시 증가하여 실험 시작 전과 비슷한 정도를 나타내었다. 이는, HVAC 냉방모드로 인해서 운전자의 스트레스가 감소했으나 냉방이 되지 않은 시트 부분에
서 불쾌적성을 느끼게 되어 Stress index가 증가한 것으로 판단된다. HVAC 냉방모 드와 통풍시트를 함께 사용했을 때 Stress index는 실험 초기 소폭 증가했으나 그 정도가 크지 않았으며 실험이 종료될 때 까지 어느 정도의 변동성은 있었으나 크게 나타나지 않았다. HVAC with 통풍시트 냉방모드를 사용했을 때 운전자는 쾌적하게 느낄 수 있지만, 운전자의 스트레스 개선에 크게 영향을 주지 못한 것으로 판단된 다. HVAC with 냉수시트 냉방모드를 사용했을 때 Stress index가 초기 10분 만에 감 소했으며 실험이 종료될 때까지 비교적 낮은 상태가 유지되었다. 이는, 냉수시트의 이용이 운전자의 스트레스 감소에 크게 기여한 것으로 판단된다.
또한, 측정된 맥파를 기반으로 RMSSD를 분석했으며 이를 Fog. 4.4 (c)에 제시했 다. RMSSD 분석 결과, HVAC 냉방모드만을 사용했을 때, 운전자 심장박동의 RMSSD는 시간이 지남에 따라 감소하다가 실험 시작 20분 이후 변동성이 나타났으 나 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 HVAC 냉방모드의 사용으로 인해 운 전자가 안정적인 상태가 되지 못함을 의미하고, 쾌적감 또한 감소한 것으로 판단된 다. HVAC with 통풍시트 냉방모드를 사용했을 때 운전자 심장박동의 RMSSD가 감 소와 증가를 반복했으나 실험 종료 시까지 감소하는 경향을 보였다. HVAC with 통 풍시트를 사용하여 운전자의 심박수가 불안정과 안정을 반복했으나 HVAC 냉방모 드만을 사용했을 때와 비교하여 비교적 운전자에게 안정적인 상태를 제공할 수 있 음을 알 수 있다. HVAC with 냉수시트 냉방모드를 사용했을 경우, 통풍시트를 사 용했을 때와 비슷하게 RMSSD가 감소와 증가를 반복했으나 실험 종료 시에 어느 정도 감소한 것을 확인할 수 있었다. HVAC with 냉수시트 냉방모드를 사용했을 때 HVAC with 통풍모드를 사용할 때와 마찬가지로 운전자의 심박수가 불안정과 안정 을 반복했으나 HVAC 냉방모드를 사용했을 때와 비교하여 운전자에게 안정적인 상 태를 제공할 수 있음을 알 수 있다. 통풍시트와 냉수시트의 사용이 운전자 심장박 동의 RMSSD 개선에 도움을 주는 것으로 나타났다.
(a) LF/HF
(b) Stress index
(c) RMSSD
Fig. 4.4 Variation of driver’s PPG indexes with time in summer
3. 뇌파 측정 결과
Fig. 4.5는 운전자의 주의집중도를 평가하는 CI를 전전두엽 위치에서 측정한 EEG 를 이용하여 여름철 냉방모드에서 운전시간에 따라 나타내었다. HVAC 냉방모드를 사용했을 때, 실험 초기에 CI는 최대 36% 감소했으나 다시 증가하여 일정한 정도 를 유지하다 실험 종료 시에 크게 증가했다. HVAC with 통풍시트 냉방모드를 사용 했을 때 실험 시작 7.5분 후까지 CI가 감소했으나 점차 증가하여 실험 시작 25분 후에 가장 작을 때와 비교했을 때 181%가 증가했다. HVAC with 냉수시트 냉방모 드를 사용했을 때 CI가 실험 초기 증가 후 감소했으나 실험시작 12.5분 이후 크게 증가하여 그 정도가 가장 높은 상태로 유지되었으나 실험 종료 시에 다시 감소했 다. HVAC 냉방모드 사용으로 운전자의 집중도를 향상시키는데 크게 기여할 수 있 지만, 통풍시트를 함께 사용했을 때 집중도를 더 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 냉수시트를 사용할 경우에는 일정 시간까지는 집중도를 크게 증가시키지만, 장시간 이용할 경우 집중도가 오히려 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 4.5 Variation of driver’s CI value of EEG in prefrontal lobe with time in summer
