요지
도로와 교량을 관리하고 유지보수 하는 일은 전 세계의 도로 관리자들에게는 중요한 문제이며, 차량 주행의 안전성을 확보하고 도 로유지 비용의 증가를 막기 위하여 세계의 여러 나라에서 다양한 시책이 이루어지고 있다. 아시아에서도 이러한 유사한 노력을 해왔 으며 최근에는 차량 중량에 대한 시책이 한국과 일본 등에서도 본격화 되고 있다. 본 연구에서는 이러한 여건에 기여하기 위해서 불균 등 간격으로 막대 모양 센서(Piezo Quartz 방식)를 설치하여 높은 정확성으로 동적 축중량 계측을 가능하게 하는 기술을 개발하였으 며, 실제 도로에서 축중량과 총중량 등의 계측 정확도를 평가하였다. 축중량과 총중량 등의 계측 정확도는 센서의 배치 수에 따라서 차이가 있다. 본 연구에서는 자동단속을 실현하기 위하여 총중량 계측 정확도의 오차범위를 ±5% 이하의 목표로 개발을 하여 8- point 계측 시스템에 의해 그 목표를 달성했다. 그러나, 이 시스템이 널리 이용되기 위해서는 용이하게 보급되어 질 수 있도록 적합한 시스템 규모로 사이즈를 소형화하는 것이 무엇보다 시급하다. 따라서, 계측의 정확성과 시스템 규모(계측점 수)와의 관계를 평가하였 고, 최적의 계측점 수로써 3-point 측정을 제안하여 그 성능을 실제의 도로상에서 평가를 하였다. 또한, 본 연구에서는 대형 차량의 성능 향상에 따른 고속화에 대하여 평가 및 검토를 하였다.
핵심용어
주행차량계측, 과적차량관리, 축중량관리, 도로포장관리, 교통관리
고속축하중측정시스템의 개발과 평가
Development and Evaluation of High Speed weigh-in-motion system
김 주 현 Kim, Ju-hyun 정회원·안양대학교 도시정보공학과 교수 (E-mail : [email protected])
ABSTRACT
Maintenance of the roads and bridges is a major issue for all road administrators around the world, and various initiatives are being implemented in each region for the purpose of controlling the ever increasing road maintenance cost while ensuring the safety of the vehicles driving. Efforts for such initiatives have also been made in Asia and initiatives for managing heavy-weight vehicles have recently gained momentum in Korea and Japan. We have developed a technology for unevenly installing bar-shaped sensors (piezo quartz sensors) to enable dynamic axle load measurement at a highly accurate level, and have estimated our measurement accuracy of axle load/gross weight, etc. on an actual road. The measurement accuracy of the axle load/gross weight varies significantly depending on the number of sensors installed. In our implementation, the target accuracy was set to below ±5% for gross weight measurement so that automatic regulation can be applied. We have achieved our target by installing 8-point measurement system. However, to have this technology widely accepted, it was necessary to reduce the system size so that it can be easily implemented. Therefore, we have estimated the relationship between the measurement accuracy and the system size (number of measurement points), and have come up with the proposal of 3-point measurement as an optimum number of measurement points, and have estimated its performance on an actual road. Additionally, we evaluated the relationship between the measurement accuracy and vehicle velocity.
KEYWORDS
weigh in motion, heavy vehicle management, axle load management, pavement management, traffic management 한국도로학회 논문집
제12권 제3호 2010년 9월 pp. 17 ~ 26
1. 서론
1.1. 연구의 배경 및 목적
도로 인프라 정비가 불충분한 고도 성장기에는 경제발전을 지지하는 중요한 테마로써 교통 용량의 확대나 효율적인 활용 이 중점적으로 다루어져 교통관리에 필요한 교통량, 평균속도, 점유율(주로 시간 점유율) 등의 계측이 필요하게 되었다. 한편, 최근에는 도로 활용의 최대화를 실현하기 위해서 지금까지와 같이 교통정보의 수집은 지속적으로 필요로 하지만, 구축된 도 로 인프라의 유지관리라고 하는 새로운 과제가 도로관리자에게 중요한 문제로 대두되고 있다. 도로의 유지관리는 도로관련 사 회간접자본과 국가경제적 측면, 교통류에의 영향, 도로안전 등 의 다양한 측면에서 영향을 미치고 있다. 따라서 도로상에서 운행하는 대형차량의 중량을 계측하여 도로를 효율적으로 유지 관리하는 것이 필요하게 되었다.
종래의 중량계측은 정지 또는 저속상태에서 계측하는 것을 기본으로 하고 있지만, 효율적인 유지관리를 위해서는 교통류 에 있어서 주행중 차량의 중량을 높은 정확도로 계측할 수 있 는 동적 중량계측(HS-WIM; High speed Weigh-in-motion) 기술의 개발이 필수가 된다. 이러한 기술은 유럽과 미국을 중 심으로 개발이 진행되어 1990년대 초반에 한국과 일본에서도 기술개발이 적용되기 시작하였다. 한국과 일본에서는 당초에 고속도로 영업소에서 동적 중량계측 기술이 활용되어 주로 저 속 차량의 중량계측에 적용되었다. 또한, 본선상의 계측에 대 해서는 일본이 벤딩 프레이트(Bending plate)를 이용한 기술 개발을 실시했던 것에 대해, 한국에서는 유럽의 기술을 채용하 여 피에조 일렉트릭(Piezo electric) 센서에 의한 기술개발을 하여 국도를 중심으로 정비를 해 왔으며, 차량 총중량의 법적 기준을 초과하는 차량의 억제를 위해 노력해 오고 있지만, 당 시의 기술적인 문제는 지금까지도 충분한 성과를 얻고 있지 못 하다. 최근에는 이를 극복하기 위하여 고속도로와 국도 등에서 피에조 퀄츠(Piezo quartz) 센서를 도입하여 개선하려는 연구 및 시험도입을 하고 있으나 센서 설치 방법, 수량 등에 의하여 정확도 및 경제성에 영향을 주기 때문에 아직까지도 실용화를 위한 과제를 남겨놓고 있는 실정이다.
이러한 과제에 대해서 본 연구에서는 Piezo quartz를 이용 한 중량계측 센서를 불균등한 간격으로 배치하여 계측을 최적 화 하는 독창적인 중량계측 기술을 개발하고, 실용화를 하기 위한 방안을 제시한다. 또한, 그 기술의 적응성에 대해 실제 도 로를 대상으로 평가를 실시하고 향후의 과제를 제시하는 것을 목적으로 한다.
2. 기존 방식 고찰
2.1. 벤딩 프레이트 방식의 과제
한국과 일본을 포함해 많은 지역에서 채용되어 온 기술로써
벤딩 프레이트를 이용한 1점 계측 방식이 있다. 이 기술은 고속 도로 영업소 등에서 넓게 채용되고 있지만, 주행 중 차량 진동 의 영향을 크게 받기 때문에 정확도를 향상시키는 것이 곤란하 다. 한국에서는 저속 축중계(LS-WIM ; Low speed Weigh- in-motion)로 이용이 되어 고속도로 요금소의 진입속도를 10Km/h 이하로 유도시 총중량과 축중량의 보증정확도가 10%로 10Km/h 이상의 속도로 진입시는 오차가 10%범위를 초과하여 단속에 실효를 거두기 어려운 실정이다. 일본에서는 총중량 보증 정확도는 ±20%, 축중량 보증 정확도는 ±30%
로 되어 있어서, 중량위반 차량의 단속 등에의 활용은 적용하 기 어려운 상황이다.
또한, 벤딩 프레이트를 본선상에 설치하는 경우는 벤딩 프레 이트의 자체 중량을 지지할 수 있는 도로 구조를 구축할 필요 가 있어서 시공성에 대해서도 큰 과제를 안고 있다.
2.2. 피에조 방식의 채용
압전소자를 이용한 막대(bar) 형상을 나타내는 Piezo 타입 의 측정 장치로는 비교적 저렴한 피에조 일렉트릭(Piezo electric) 타입과 피에조 세라믹(Piezo ceramic) 타입이 있으 며, 정밀도가 높으나 고가인 피에조 퀄츠(Piezo quartz) 타입 등이 있다. Piezo electric 및 Piezo ceramic 센서의 특징은 센 서의 규격에 따라 약간의 차이는 있으나 100km/h 이상의 고 속에서 측정이 가능하며, 온도 및 충격오차가 Piezo quartz 센 서에 비하여 크다. Piezo quartz 센서의 특징은 100km/h 이 상의 고속에서 측정이 가능하며, 구조상 수직하중에 대해서만 반응하므로 측방향 충격하중의 영향이 거의 없고, 소자가 수정 체이므로 온도변화에 매우 둔감하다.
한국에서는 주로 국도 WIM 시스템에 적용이 되어 유럽에서 실적이 있는 피에조 일렉트릭 센서에 의해 2점 계측이 실현되 고 있다. 피에조 센서는 벤딩 프레이트에 비해서 소형이며, 도
그림 1. 벤딩 프레이트 방식WIM
로 표층에 설치하는 것이 가능하기 때문에 시공성에 대해서는 벤딩 프레이트 방식에 비해 개선되어 있다. 이 두 방식은 센서 폭과 타이어 접지면의 대소 관계의 차이로부터 중량을 계측하 는 원리가 크게 다르다. 벤딩 프레이트 방식의 경우에는 타이 어는 플레이트상에 모두 올라가기 때문에 계측치의 최대치가 축중량이 된다.
그러나, 피에조 방식은 센서가 소형이기 때문에 센서 폭이 타 이어 접지면보다 작고, 센서에의 하중은 타이어 접지면에서 노면 으로 분산된 축중량의 일부가 된다. 따라서 타이어 통과중의 출 력치를 적분하여, 통과속도를 곱하여 축중량을 산출하여야 한다.
이 때문에 피에조 방식에서는 속도계측이 필요하다. 한국에 서는 2점 계측을 채용하여 속도계측, 차량 진동에의 대응을 실 현하고 있어서, 계측 정확도면에서도 벤딩 프레이트의 1점 계 측 방식을 상회하는 성능을 가지고 있다고 생각할 수 있다.
속도계측은 센서간의 거리와 통과시간으로 산출하는 것이 일반적이지만, 중량계측의 정확도에 직접 영향을 주기 때문에 계측 점수는 많은 것이 좋다. 또한, 단순한 다점식 계측만으 로는 차량 진동과 센서의 설치 간격에 기인하는 계측 정확도 의 저하가 예상된다. 향후 동적 중량계측 기술의 과적단속에 의 활용이 기대되는 가운데 안정된 계측 기술을 검토할 필요 가 있다.
3. 고정확도 동적 중량계측의 개발
본 연구에서 제안하는 중량계측의 특징은 ① 중량계측부에 막대 모양 센서(Piezo quartz 방식)를 채용하고 있는 것, ② 막대 모양 센서를 복수 라인으로 매설하여 다점으로 차량 중량 을 계측하는 것, ③ 막대 모양 센서의 매설 간격을 차량 진동과 차량 속도 등을 고려하여 계측 오차가 작아지도록 배치하고 있 는 것 등에 있다.
압전 방식의 막대 모양 센서는 여러 가지가 존재하지만 본 연구에서 선정하여 적용한 피에조 퀄츠 방식은 온도 안정성, 출력 특성의 직선성 등의 우수한 특징을 가지고 있다. 따라서, 도로에 장기간 매설하여 사용하는 용도에 있어서는 높은 신뢰 성을 기대할 수 있다.
한편 ②, ③에 대해서는 이하에서 종래의 과제를 분석하여 제안 방식의 원리, 시뮬레이션 분석과 테스트 코스에서의 검증 및 실제 도로에서의 평가 등에 대해 기술한다.
3.1. 과제의 분석과 제안
기존 연구에 의하면 주행 중의 차량은 1.5~4.5Hz의 진동을 하 고 있다(Cole and Cebon, 1991). 본 연구에서는 시험차량(3축 차)에 가속도계를 달아 차체 진동을 실측한 결과를 그림 5와 그림 6에 나타낸다. 이 결과로부터도 차체가 5(Hz) 이하의 저주파로 진동하고 있는 것을 확인할 수 있다. 종래의 벤딩 프레이트를 이 용한 일점 계측 방식으로는 그림 6의 결과에 나타나는 주행 차량 의 진동에 의한 하중 변동의 영향을 받기 때문에 계측 정확도가
그림 2. 벤딩 프레이트 방식의 계측 원리그림 3. 피에조 방식의 계측 원리
그림 4. 피에조 방식의 센서 배치 이미지
타이어 시간
센 서 출
력 축중량
축중센서 (Bending plate)
Plate위에 타이어가 모두 올라감 센서출력=축중량
타이어
축중센서 (Piezo방식)
시간 센
서 출 력
고속시
저속시
분산된 하중
축중∝Σ센서출력×속도
크게 저하하게 된다. 이러한 개념을 그림 7에 나타내고 있다. 본 연구에서는 이 문제에 대해 복수의 센서를 이용해 각 센서로부터 의 출력의 평균을 산출하는 것으로 차량 진동의 영향을 저감 하는 방법을 채용했다. 제안 방식의 원리를 그림 8에 나타낸다.
다만, 단순하게 다점계측을 실시하면 차량 진동의 진폭의 관 계로부터 센서 각 점에서의 계측 결과의 평균화만으로는 정확도 를 향상시킬 수 없다. 일례로서 그림 9에 센서 배치와 차량 진동 의 파장과 위상이 일치했을 경우의 계측 오차에 대하여 개념도 에 나타내고 있다. 다점계측에 의한 평균화에서는 참값 부근에 서의 계측 정확도의 향상은 기대할 수 있다. 그러나 그림 9와 같 은 요인에 의해 계측 정확도의 오차는 커질 것으로 예상된다.
다음으로 계측 오차에 대해 검토한다. 계측 오차에 대한 일 반적인 방법으로는「참값으로부터 차이를 평가하는 방법」과
「계측 오차의 최대치를 평가하는 방법」등이 있다. 과적위반 차 량의 단속에의 활용에 있어서는 제한치를 초과한 차량을 특정 하여 경고 혹은 행정 지도를 실시하는 것이 목적이 된다. 따라 서 주행하는 여러 차량 중에서 위반 차량을 가능한 한 정확하 게 특정하는 것이 중요하기 때문에「계측 오차의 최대치가 작 아지는 것」이 필요하다고 판단된다.
따라서 이하에서는 계측 오차의 최대치를 최소로 하기 위한 센서 배치간격에 대하여 검토한다.
3.2. 진동의 모델화와 최적 배치
진동의 요인은 도로의 평탄성, 차량속도, 차량의 서스펜션 구 조 등이 상호 작용하기 때문에 다루는 것이 간단하지는 않다.
진동의 최단파장을 정의하여, 샘플링 정리를 만족하도록 다수 의 센서를 도로 전면에 빈틈없이 설치하여 실시간으로 샘플링 을 하면, 다양한 주행 행태나 노면 상황에 대응하는 것도 가능 하기는 하지만 현실적으로는 실용적이지 않다. 본 연구에서는 포장의 평탄성 확보를 전제로 도입 비용과 신뢰성, 보수성 등의 실용면을 고려하여, 앞에서 기술한 차체의 진동 성분에 기인하 는 계측 오차에 대해 최소화를 검토하는 수법을 제안한다.
차량 진동은 차체의 진동과 축의 진동으로 구분 할 수 있으 며, 또한 축의 진동은 단독축과 조축의 진동으로 구분할 수 있 다. 이미 진동의 모델화(Stergioulas 등, 2000)가 여러 가지 검토되어 있지만, 본 연구에서는 단독축의 진동 모델을 차체 진동에 적용하여, 차량 진동의 저주파 성분(1.5~4.5Hz)에 기
그림 5. 차체 진동 실측을 위한 가속도계 부착위치그림 6. 차체 진동 계측 결과(3축차)
그림 7. 1점 계측 경우의 계측 포인트
그림 8. 제안 방식의 원리
그림 9. 센서 설치 간격과 차량 진동이 일치했을 경우의 개념도
인하는 계측 오차를 줄일 수 있는 방법을 검토한다.
단독축 모델에 의하면 진동은 차량 서스펜션의 용수철 정수 에 기인하는 어느 일정한 고유주파수로 진동을 하고 있다. 따 라서 정하중을 , 차량 진동주파수를 로 두면, 진 동 가중 는 식 (1)로 나타낼 수 있다.
(1)
단, ：임의의 위상각
：시간
：진동계수
계측구간과 계측구간 상류의 노면에 대해서 평탄성을 규정하 는 것으로써, 차량 진동의 고주파 성분은 무시할 수 있는 정도 까지 감쇠시키는 것이 가능하다고 생각할 수 있기 때문에 식 (1)은 다음과 같이 간이화 할 수 있다.
(2)
차량 진동 파장을 , 차량 속도를 로 하면 식 (3)을 얻을 수 있다.
(3)
식 (2)를 도로 진행 방향에 따른 장소 의 함수 로서 두고, 식 (3)를 대입하면 식 (4)를 얻을 수 있다.
(4)
여기서, 는 노면 재질, 노면 요철, 차량의 서스펜션 특성 등에 의해 정의되며, 구할 수 있는 방법이 연구되어 있다 (Stergioulas 등, 2000；Sainte-Marie, 2002). 본 연구에서 는 서스펜션의 진동 특성을 조사하여 진동 파장 의 제곱근에 비례한다고 가정했다.
(5) 식 (5)를 식 (4)에 대입하여 식 (6)을 얻을 수 있다.
(6)
다점 계측의 센서 설치지점을 으로 하면 는 센서 설치지점에서의 진동 하중을 나타낸다. 이상으 로부터 개의 센서를 이용한 다점식 계측의 계측 오차 는 다음의 식 (7)로 계산할 수 있다.
(7)
계측 오차는 각 센서의 계측치의 평균과 정하중과의 차이로 나타내고 있다. 예를 들면, 센서의 배치 간격을 결정하고 진동 주파수 , 위상 와 통행 차량의 속도 를 식 (7)에 대입하 면, 계측 오차 를 계산할 수 있다. 따라서 진동주파수 , 차 량속도 를 일정 범위내에서 변화시키면 어느 센서 배치간격 에 있어서의 계측오차 의 최대치 를 구할 수 있다. 센 서 배치간격을 변화시키면서 같은 순서로 계측 오차의 최대치 를 구해가면, 계측 오차의 최대치 가 최소가 되는 센서 배치간격을 얻을 수 있다.
3.3. 시뮬레이션 분석
본 연구에서 제안하는 원리에 대하여 구체적으로 평가를 하 기 위해서 도출한 식 (6), 식 (7)로부터 계측점 수마다의 최적 매설간격의 산출, 계측점수와 오차와의 관계, 최적 배치와 균 등 배치와의 정확도 비교 등을 분석하였다.
3.3.1. 계측점 수마다의 최적배치 산출
계측점 수마다의 최적인 센서 배치간격 산출을 컴퓨터로 시 뮬레이션하였다. 시뮬레이션의 조건을 표 1에, 결과를 그림 10 에 나타낸다. 이 결과로부터「계측 오차의 최대치를 최소로 한 다」경우의 최적 배치간격은 불균등하게 되는 것을 알 수 있다.
예를 들면, 3점 계측의 경우 1~2점 사이의 간격은 4.5m이지 만, 2~3점 사이의 간격은 2.7m가 된다. 또한, 각 점의 배치
표 1. 시뮬레이션 조건
파라미터 설정값
[점] 계측점 수 2~8점
정하중 상대적 정확도를 구하기 위하여 1을 설정
진동주파수 실험에 의해 1.5~4.5Hz를 설정
[。] 위상 0~360。
차량속도 10~80km/h
진동파장 =v/f=600~15,000mm
진폭계수 상대적 정확도를 구하기 위하여 1을 설정
위치는 ±30cm의 폭을 가지고 있지만, 이것은 설치 오차를 고 려하여 이 범위내에서 설치를 하면 오차에의 영향은 무시할 수 있을 정도인 것을 확인하여 나타내고 있다.
3.3.2. 계측점 수와 오차의 관계
계측점 수마다의 오차를 그림 11에서 나타내고 있다. 이것은 그림 10에서 나타낸 배치간격에서의 를 나타내고 있다.
오차값은 2점 계측으로의 오차 1로 한 경우의 상대값으로 하고 있다.
그림 11에 의하면 계측점 수가 3, 4점에서 크게 오차가 저하 되고, 5점 이상에서는 효과가 완만하게 되는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 고정확도나 장기간의 신뢰성, 안정성이 요구되는 경 우에는 5점 이상을 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 6점을 배치하여 센서가 고장이 생겼을 경우에는 고장난 1점을 제외하 고 계측이 지속적으로 가능하게 설계를 해두면, 시스템에의 영향 을 최저한으로 억제하여 운용을 계속하는 것이 가능하다.
3.3.3. 최적 배치와 균등 배치와의 정확도 비교
위의 3.3.1의 결과로부터 제안한 산출 방법으로 얻을 수 있 는 센서 배치간격은 불균등인 것이 나타났다. 여기에서는 불균 등과 등간격으로 센서를 배치했을 경우의 오차에 대하여 차이 를 비교한다.
방법은 3.3.1과 같은 시뮬레이션이다. 속도와 진동주파수, 위상의 조합에 의해 2144가지의 계측오차 를 산출한다. 그 크기를 일정 구간으로 나누어 그 구간에서의 빈도를 구한다.
센서수는 실제 운용을 고려하여 비용 대비 효과가 가장 기대되 는 3개의 계측점 수로 하였다. 센서 배치는 표 2를 이용한다.
그 결과를 그림 12에 나타낸다.
산출한 센서 간격으로 시뮬레이션한 계측오차의 분포는 계측 오차가 0(참값) 부근의 빈도는 작지만, 빈도가 0%가 되는 계 측오차의 분포폭은 등간격 배치보다 작아지는 것을 알 수 있 다. 따라서 산출한 센서 간격에 의한 계측 정확도(오차의 최대 치)는 등간격 배치보다 작아지는 것이 시뮬레이션으로부터 얻 을 수 있다. 즉, 제안 방식이 정확도가 높게 중량초과 차량을 검출할 수 있다는 것을 나타낸다.
3.4. 실험 평가
본 절에서는 테스트 코스에서의 실험 평가와 실제 도로에서 의 평가 결과에 대하여 기술한다.
3.4.1. 장치 구성과 개요
그림 13은 실험을 위하여 도로에 설치된 장치의 구성을 나타 내고 있다. 상류부와 하류부에 설치된「루프 센서」에 의해 계측 구간으로의 차량 진입과 진출을 검지한다. 루프 센서에 의해
그림 10. 계측점 수와 배치 간격그림 11. 계측점 수와 오차의 관계
표 2. 센서 배치
항 목 센서
1~2간 간격
센서 2~3간 거리 제안하는
센서 간격 배치 4500 2700
등간격 배치 3400 3400
(단위 :mm)
그림 12. 계측 오차 분포
차량이 검지되고, 그 사이의「막대 모양 센서(Piezo quartz)」
로부터의 신호는「중량 연산부」에서 1대의 차량 데이터로서 통 합되어 총중량, 축중량, 축간거리, 속도 등을 연산하여 중량 위 반 판정과 데이터 축적 등을 한다.
3.4.2. 테스트 코스에서의 평가
앞에서 기술한 이론에 근거하여 테스트 코스에서 검증을 실 시했다. 시뮬레이션에 의해서 구해진 최적 간격으로 센서를 3 점 배치하고, 시험 차량의 적재 중량과 주행속도 등을 변화시 켜서 평가를 실시했다. 테스트 차량 제원을 표 3과 표 4에, 시 험 조건을 표 5에 나타낸다.
주행속도와 정확도의 관계를 총중량은 그림 14에 축중량은 그림 15에 나타내고 있다. 이 결과로부터는 시험 조건의 속도 범위에서 참값과 비교를 하면 총중량은 ±6% 이내, 축중량은
±10% 이내의 계측 정확도인 것을 확인할 수 있다.
총중량의 계측 오차 분포는 그림 16에 나타내고 있다. 시뮬 레이션으로 얻었던 결과에 가까운 분포인 것을 알 수 있다.
한편, 축간 거리의 계측 결과에 대해서는 그림 17에 나타낸 다. 그림으로부터 알 수 있듯이 최소 분해가능 정도의 고정확 도로 계측되어 있는 것을 알 수 있다. 본 실험의 경우에서는
그림 13. 장치 구성표 3. 차량 제원(중량)
차 종 총중량 [t] 축중량[t]
1축 2축 3축
3축 차량(공차) 11.44 4.71 3.52 3.21
3축 차량(적재) 20.15 5.50 7.54 7.11
표 4. 차량 제원(축거)
차 종 1-2 축거[m] 2-3 축거[m] 1-3 축거[m]
3축 차량 3.19 1.30 4.49
표 5. 시험 조건
주행속도대 3축 차량
(공차)
3축 차량
(적재) 합 계
10~15 km/h 21 26 47
15~25 km/h 20 62 82
25~35 km/h 21 55 76
35~40 km/h 20 34 54
합 계 82 177 259
그림 14. 속도와 계측 정확도(총중량)
그림 15. 속도와 계측 정확도(축중량)
그림 16. 계측 오차 분포(총중량)
1~2축이 3.19m에 대해 0.01m의 오차이며 0.5% 이하의 정 확도이다. 이것은 동시에 속도계측 정확도가 매우 높은 것을 나타내고 있다. 센서가 소형인 피에조 방식으로는 속도계측 정 확도가 직접 중량계측의 정확도에 영향을 미치는 것은 앞에서 도 기술했지만, 본 결과로부터 고정확도로 중량계측이 실현된 것을 나타내고 있다.
3.4.3. 실제 도로에서의 평가
적응성을 검토하기 위하여 실제도로를 대상으로 2007년 12 월 11일에 평가를 실시했다. 평가 사이트는 서해안고속도로 매 송IC에서 경기도 안산시내 방면에 위치한 주요 간선도로이다.
계측 구간은 신호제어가 없는 직선도로이며, 교통류의 평균 속
도는 80km/h정도가 된다. 또 평가 사이트가 공단지역과 인접 하여 있어 대형차량의 혼입율도 비교적 높다. 평가 사이트의 센서 배치간격과 설치조건은 테스트 코스와 같은 조건으로 구 축하였다. 테스트 현장의 사진을 그림 18에 나타내고 있다. 시 험 차량의 제원은 표 6에 나타내고 있다.
도로의 특성은 하중에 대한 변형저항이 강하며, 내유동성이 우수하고, 고온영역의 소성변형 저항성이 강한 폴리머 개질 아 스팔트(Ⅱ형)로 계측장치 설치구간과 상류부와 하류부를 포함 하여 833m구간에 포장을 하였다. 노면상태는 포장시공 3일후 에 실시하였으므로 소성변형은 없는 상태이며, 평탄성은 종단 구배 -2%의 조건이다.
실제 도로에서의 평가는 넓은 주행속도(진동 파장) 범위에서 정확도에의 영향과 다양한 중량에 의한 계측 정확도의 안전성 을 확인하기 위한 직선성에 대하여 보다 광범위하게 데이터를 수집하여 평가를 실시하는 것이다. 시험 조건을 표 7에, 결과를 그림 19와 그림 20에 나타내고 있다.
그림 17. 속도와 계측 정확도(축거)
그림 18. 설치 현장(경기도 안산시)
표 6. 시험 차량의 제원
No 차 종 총중량[t] 축중량[t]
1축 2축 3축
1 2축 차량 5.65 2.72 2.94 -
2 3축 차량 13.46 5.12 4.32 4.02
3 3축 차량 18.77 5.68 6.59 6.5
4 3축 차량 29.35 - - -
표 7. 시험 조건
주행 속도대 No.1 No.2 No.3 No.4 합 계
20 Km/h 5 5 5 5 20
40 Km/h 5 5 5 5 20
60 Km/h 5 5 5 5 20
80 Km/h 10 10 5 5 30
합 계 25 25 20 20 90
그림 19. 계측 오차(총중량)
그림 20. 계측 오차 분포(총중량)
결과로부터 계측 오차의 분포에 있어서 속도 의존성은 확인 할 수 없었다. 이것은 불균등 배치에 의해 진동 파장의 변화를 효과적으로 흡수하고 있다고 판단할 수 있다. 한편, 평균치에 대해서는 속도가 빠르게 되면 중량이 가벼워지는 경향이 확인 되었다. 현장은 완만하기는 하지만 오르막 구배로부터 내리막 구배로 변화하는 장소에 있기 때문에 노면 곡률에 의한 원심력 의 영향으로 생각할 수 있다. 원심력은 속도의 자승에 비례하 기 때문에 본 실험에 있어서의 속도 범위와 곡률로 부터 수%
정도의 변화가 생길 가능성이 있다.
전 테스트 차량의 최악치는 ±8% 이하의 계측 오차이며, 차 량 마다(중량 마다)의 오차 분포에 차이가 없는 것으로부터 직 선성도 매우 좋은 것으로 확인할 수 있었다.
한편, 축중량에 대한 일례로서 차량 No.3의 결과를 그림 21 과 그림 22에 나타내고 있다.
1축에 대해서는 평균치에 속도 의존성이 있지만, 분포는 총 중량의 경우와 동일한 정도이며 계측 정확도의 안정성이 확인 되었다. 2, 3축에서는 계측 오차의 분포가 약간 커지는 결과가 되었다. 이것은 진동 모델에 있어서 단독축을 베이스로 하고 있는 것에 기인하는 것으로 생각된다. 2, 3축은 조축이며, 동일 한 서스펜션에 고정되어 있다. 따라서 각 축의 진동이 상호작 용하는 것에 의한 영향이라고 생각할 수 있다. 이 점에 대해서 는 조축의 모델화를 검토하여 시뮬레이션에 의해 검증을 진행
시켜 나갈 필요가 있다.
4. 도로의 조건과 시간변화
고정확도의 주행차량 중량계측을 실현하기 위해서는 계측의 알고리즘 이외에 도로조건과 포장 등이 시간변화에 대응하는 것이 중요하다. 도로의 기하구조에 대한 요구사항에 대해서는 COST323 프로젝트(유럽)에서 사양화 되어 있으며, 이것을 참고로 검토를 하였다. 도로조건에 의하여 발생할 수 있는 오 차는 다음과 같다.
① 도로의 종단/횡단구배에 의한 차량중심의 변화
② 도로의 요철에 의한 차량진동
①의 도로구배에 관해서는 설치지점 선정조건으로 둠으로써 영향을 일정 범위내로 제한하는 것이 가능하며 종단, 횡단구배 모두 ±2% 이내의 장소를 선정하는 것이 바람직하다.
②의 노면요철은 차량의 고유진동과 상호 영향을 주는 항목 이다. 계측구간의 전후를 포함하여 노면의 평탄성을 σ값
2mm 로 유지를 하면 일정 이하의 오차로 중차량의 총중량, 축중량 계측을 가능하게 한다.여기에서 노면의 평탄성 유지를 하나의 조건으로 들고 있지 만, 포장공사 직후의 평탄성은 통상의 공사에서도 σ값 2mm 를 유지하는 수준이다. 그러나, 대상노선의 중차량 통행량에도 영향을 받지만 시간변화를 고려하는 것은 간단하지는 않다. 또 한, 도로포장에 대한 노반조건, 연도환경으로부터의 요구 등이 있어 일률적으로 단면구성 기준을 두기는 어렵다. 그러므로, 계측장치 설치지점마다의 포장단면구성의 검토, 내구성 있는 아스팔트 재료의 채용, 특수한 표면처리의 채용 등의 강구를 하여 장기간 노면 평탄성 유지를 할 수 있도록 하여야 한다.
한편, 3.2절에서 기술한 바와 같이 식(4)의 값은 노면조건으 로부터 결정되는 값이지만 실제로는 센서나 시스템의 오차도 포함이 되어 있기 때문에 시험차량을 주행시켜서 참값으로부터 의 옵셋 오차로써 장치측에서 보정을 하는 방법을 채용하고 있 그림 21. 계측 오차(차량 No.3 축중량)
그림 22. 계측 오차 분포(차량 No.3 축중량)
그림 23. 조축의 상호작용 조축
노면
다. 따라서 정기적으로 시험차량에 의한 보정을 하는 것으로 포장의 시간변화에 대한 대응을 할 수가 있다.
5. 결론
도로와 교량을 관리하고 유지보수 하는 일은 도로관리자들에 게는 중요한 문제이며, 차량 주행의 안전성을 확보하고 도로유 지 비용의 증가를 막기 위하여 고속도로와 국도 등에서 피에조 퀄츠(Piezo quartz) 센서를 도입하여 개선하려는 연구와 시험 도입을 하고 있으나 센서 설치 방법, 수량 등에 의하여 정확도 및 경제성에 영향을 주기 때문에 아직까지도 실용화를 위한 과 제를 남겨놓고 있는 실정이다.
본 연구에서는 이러한 과제에 대해서 불균등 간격으로 Piezo quartz 센서를 설치하여, 높은 정확성으로 동적 중량계측을 가 능하게 하는 기술을 개발하였으며, 실제 도로에서 축중량과 총 중량 등의 계측 정확도를 평가하였다. 총중량과 축중량의 계측 정확도는 센서의 계측점 수와 배치간격에 따라 차이가 있다.
본 연구에서는 고정확도가 요구되는 자동단속을 실현하기 위하 여 총중량 계측 정확도로써 오차범위 ±5% 이하를 목표로 하 여 개발을 하였으며, 배치간격의 최적화로 불균등 간격으로 설 치하여 8-point 계측 시스템에 의해 그 목표를 달성했다. 그러 나 이 시스템이 널리 이용되기 위해서는 용이하게 보급되어 질 수 있도록 적합한 시스템 규모로 사이즈를 소형화하여 경제성 을 확보하는 것이 무엇보다 시급하다. 따라서 계측의 정확성과 시스템 규모(계측점 수)와의 관계를 평가하였고, 최적의 계측 점 수로써 3-point 측정을 제안하여 그 성능을 실제의 도로상 에서 평가를 하였다. 평가 결과는 양호하였으며 본 연구에서 제안한 방법의 유용성을 확인하였다. 대형 차량의 성능 향상에 따른 고속화에 대하여 주행속도의 변화와 정확도의 관계에 대 해서도 평가를 하였으며 고정확도로 중량계측이 실현되었다.
또한, 고정확도의 주행차량 중량계측을 실현하기 위해서 평탄 성 유지를 위한 도로의 기하구조 조건과 도로 요철에 대한 차 량진동에 대한 대응, 장기적으로 시간이 지남에 따른 보정방법 등을 제시하였다.
향후의 연구과제로는 중량초과 위반차량이 갓길 또는 인접차 로 등으로 회피주행 하는 차량에 대한 계측이 가능하도록 센서 의 출력으로부터 주행 위치를 특정하여 회피주행으로 판정되는 경우는 인접차로의 계측 데이터를 결합하거나 2배로 하는 등의
검토를 하고 있다. 이 방법은 일부의 지점에서 시험적으로 실 험을 하였으며 정확도에 있어서도 유용한 것을 확인하고 있다.
또한, 고속주행차량 중량측정시스템을 장기적으로 안정되게 유 지운용하기 위해서는 시험차량에 의한 정기적인 보정이 필요하 다. 그러나 교통량이나 노반의 상황에 따라서 효율적인 최적의 보정 빈도를 검토할 필요가 있다.
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COST323(2002) Weigh-In-Motion road vehicle：Final report of the COST323 Action 1993-1998, eds. Jacob, E.J. O、Brien and Jehaes, LCPC, Boulevard Lefebvre, Paris.
접 수 일 : 2010. 3. 8 심 사 일 : 2010. 3. 9 심사완료일 : 2010. 6. 30
