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• 자율주행의 내일을 설계하다 ▲ 윤덕근 KICT 도로교통연구본부 선임연구위원 (자율협력주행 지원 인프라 연구팀) 앱 하나로 불러 타는 자율주행 셔틀, 골목길을 따라 조용히 배달 중인 무인 차량. 이제 자율주행은 뉴스 속 기술이 아니라, 일상에서 마주치는 새로운 교통 수단이 되고 있다. 자율주행 기술이 일상 속으로 스며드는 이 전환점에서, 한국건설기술연구원 도로교통연구본부는 새로운 해답을 제시하고 있다. 복잡한 도로에 질서를, 자율주행 인프라 가이던스(IG) 자율주행차가 일상 속으로 스며드는 시대, 다양한 차량과 보행자가 혼재된 복잡한 도로환경에서 ‘어떻게’ 안전하고 효율적으로 움직일 수 있을까? 도로교통연구본부 연구진은 이 질문에 해답을 제시한다. 도로 인프라에 설치된 AI가 도로 상황을 실시간 분석해 각 차량에 최적의 주행 경로와 속도, 차로 등을 맞춤형으로 제공하는 IG 기술은, 단순한 정보 제공을 넘어 주행 전략을 ‘권고’하거나 ‘지시’하는 수준까지 나아간다. 이는 자율차 간 기술 격차, 예측불가한 돌발 상황 등 미래도로 환경의 난제를 해결할 열쇠로 주목받는다. 하지만 기술의 발전만큼 법제도와 사회적 수용성 확보도 중요하다. 연구팀은 통신표지 도입을 위한 법 개정, 국내외 표준화 활동, 시민 체감형 IG-Nomad 서비스 개발 등 다방면에서 연구를 확장 중이다. 오랜 실도로 실증과 정책지원, 국제표준화 경험을 바탕으로 팀워크를 발휘하며 기술적 완성도를 높여가고 있는 이들의 도전은, 결국 모두를 위한 ‘똑똑한 도로’를 현실로 만드는 여정이다. 사용자 중심으로 진화한 대중교통, ‘가치타요’의 도전 복잡한 도심 한복판에서도 사용자의 요구에 따라 유연하게 이동하는 자율주행 셔틀 서비스가 등장하고 있다. 도로교통연구본부에서 개발 중인 ‘가치타요’는 미래형 대중교통의 새로운 모델로, 고정된 노선 없이 이용자의 통행 패턴과 실시간 교통 상황을 반영해 최적 경로로 운행하며, 합승 기능까지 가능한 스마트한 시스템을 갖췄다. 레벨 4 수준의 자율주행 기술과 인프라 협력 기반의 제어 시스템이 적용된 이 서비스는, 셔틀 차량 자체 개발은 물론 동적 경로 생성 알고리즘, 통합 관제, 서비스 검증 체계까지 전 과정을 아우른다. 특히 불특정 다수를 대상으로 하는 대중교통 서비스 특성상, 신뢰성과 안전성 확보는 핵심 과제로, 연구진은 새로운 검증 기준과 평가 기법을 마련하고 있다. 가치타요 연구진은 자율주행, 교통안전, 시스템공학 등 다양한 전문성을 지닌 인력으로 구성되어 있으며, 다수의 표준화 활동과 실증 경험을 바탕으로 기술의 완성도를 높여왔다. 차량 개발 과정에서 기관 변경 등 예기치 못한 어려움도 있었지만, 유기적인 협력과 빠른 대안 모색으로 문제를 해결해왔다. 연구진은 기존에 없던 서비스를 개척한다는 사명감으로 소통과 협력을 이어가며, 국내 자율주행 대중교통 기술의 새로운 이정표를 세워가고 있다. 기계와 사람이 함께 달리는 길, 인프라를 바꾼다 자율주행차가 일상이 되는 미래를 앞두고, 도로 인프라 역시 새로운 기준을 요구받고 있다. 도로교통연구본부에서 자율차의 주행 특성과 운영 환경을 반영해, 도로 공간을 새롭게 설계하고 인프라의 안전성을 평가하는 기술을 연구하고 있다. 자율차와 기존 차량이 공존하는 도로 상황에서 발생할 수 있는 다양한 변수에 대응하기 위한 제도와 기준 마련 역시 함께 추진 중이다. 연구진은 기존 도로 인프라가 사람 운전자를 기준으로 설계되어 있다는 점에 주목했다. 자율차는 예기치 못한 상황에 대응하는 방식 자체가 다르기 때문에, 같은 도로를 달리더라도 완전히 다른 조건이 된다. “지금까지의 도로가 사람을 위한 공간이었다면, 앞으로는 기계와 시스템을 함께 고려해야 합니다.” 자율차 도입이 교통 안전성과 이동성, 환경성 전반에 미칠 영향을 정량적으로 분석하고, 이에 적합한 도로 설계와 평가 방식을 연구하고 있는 이들은 기술 개발과 더불어, 개발된 연구 성과가 제도화될 수 있도록 관련 기준 마련에도 적극 나서고 있다. 자율주행 기술이 빠르게 진화하면서 도로교통 환경 역시 새로운 전환점을 맞이하고 있다. 도로교통연구본부 연구진은 각자의 전문 분야에서 이 변화에 선제적으로 대응하며, 기술과 사회가 함께 나아갈 수 있는 길을 설계해 나가고 있다. 이들의 연구가 축적될수록, 우리는 더욱 체계적이고 사람 중심적인 교통 환경에 가까워질 것이다. 앞으로도 한국건설기술연구원이 기술을 넘어서 제도와 사회적 공감대를 아우르는 미래 교통의 해답을 만들어가길 기대한다. 도로교통연구본부 게시일2025-04-24 조회수 67
• 첨단 건설 재료 설계기술 확보를 위한 나노 스케일 소재 평가 방법 연구 첨단 건설 재료 설계기술 확보를 위한 나노 스케일 소재 평가 방법 연구 ▲ 윤태영 KICT 도로교통연구본부 연구위원 첨단 분야에서의 소재 개발 연구 방법 소재 개발 기술 경쟁력에서 정확성과 신속성이 핵심적인 요소로 평가되는 바이오, 화학, 반도체나 배터리를 포함하는 첨단소재 분야에서는 과거 실험적 시행착오에 의존하는 방법에서 벗어나 계산과학과 소재정보학(material informatics)을 활용한 소재 개발 방법이 적극 활용되고 있다. 이러한 방법은 소재의 명칭이나 조성과 소재의 물성 사이의 연관성을 확인하는 기존의 단순한 회귀 분석 방법이 물질을 구성하는 분자구조의 특성, 조성, 상호작용을 활용하여 소재의 물성을 예측하는 정량적 구조-물성 상관관계(Quantitative Structure and Property Relationship, QSPR)를 정립하는 방법으로 대체된다. 회귀 분석을 활용하는 방법은 회귀모형 개발을 위한 데이터베이스를 구축하는 데 활용되지 않은 소재는 물성 예측 대상이 될 수 없으나, QSPR을 활용하는 방법은 데이터베이스 구축에 활용되지 않은 소재이더라도 유사한 분자구조를 가지고 있거나 분자결합 특성이 데이터 베이스 구축에 활용되었다면 물성 예측이 가능하다는 큰 차이가 있다. 그림 1은 소재 개발을 위한 전통적 연구 개발 방법론과 최근 활용되고 있는 연구 개발 방법론의 차이와 관련성을 개념적으로 나타낸다. 최근 소재 개발 연구는 과거와 다르게 실험을 통해 제한적으로 얻어진 자료만을 활용하지 않는다. 소재 개발에 활용될 대상 소재의 분자구조와 조성을 활용하여 분자 사이의 결합과 분리에 필요한 에너지를 분자동역학이나 양자역학을 활용하여 계산하며, 이들 역학적 이론은 밀도, 탄성계수, 점도, 용해도, 부착력 등의 역학적 물성 계산에도 활용될 수 있다. 그림 2는 분자동역학이나 양자역학을 활용하는 경우, 소재 내 비결정구조와 결정구조 사이에서 발생하는 상호작용의 결과로 나타나는 용해도나 부착력을 나타낸다. 건설 소재에 대한 나노 스케일 소재 개발 방법 활용 최근 안전에 대한 높아지는 요구 수준에 따라 건설 재료의 구조적 또는 기능적 적정성을 평가하는 방법은 더욱 세분화되고 있다. 또한 건설 재료가 환경에 미치는 영향이나 건설 재료의 성능 향상에 대한 관심도 증가하여 새로운 재료를 개발하기 위한 과정이 복잡해지고 있다. 예를 들어, 과거 도로포장에 사용되는 재료인 아스팔트 바인더를 평가하는 방법으로 간단한 공학적 물성이 활용되었지만, 1987년 미국의 연구 프로그램이 제안된 이후에는 복잡한 장비나 이론적 이해를 요구하는 점탄성이나 탄성 회복력과 같이 역학적 물성이 활용되고 있다. 또한 도로에서 융설 기능 확보를 위하여 탄소나노튜브나 흑연과 같은 발열 소재들이 첨가제로 고려되는 등 향후 소재나 부재의 성능을 평가하기 위한 실험의 복잡도는 더욱 높아질 것으로 예상된다. 다양한 기능을 포함하는 복잡도 높은 소재는 실험 방법이나 절차에 따라 평가 물성이 민감하게 달라지는 경향이 있다. 따라서 이러한 방법이나 절차에 따른 문제를 보완하기 위한 노력으로 실물 크기의 부재에 대한 실험적 평가가 선호되는 등 평가를 위한 시간과 비용이 크게 증가하고 있다. 소재의 나노 스케일 분자 구성과 조성을 활용한 계산 데이터를 중심으로 물성을 예측하는 나노 스케일 소재 평가 방법은 시간과 비용 측면에서 상대적으로 효율성이 매우 높은 방법이다. 그림 3은 도로포장에서 사용되는 아스팔트 혼합물에 대하여 분자동역학을 활용할 때 재료와 첨가제의 종류 및 노화 영향과 수분 함량 등 고려할 수 있는 다양한 정성적 변수를 나타낸다. 이러한 정성적 변수는 분자구조의 조성 등 특수한 정량적 정보로 세분화되고 용해도, 부착에너지, 인장강도, 점도, 탄성계수 등의 물성과 함께 기계학습에서 활용되어 학습에 활용되지 않은 새로운 건설 소재를 설계하거나 새로운 설계의 물성을 예측하는 데 활용된다. 나노 스케일 건설 소재 개발 방법과 건설 소재 기술의 미래 과거 우리나라의 건설 기술 개발 전략은 당시 선진국의 기술을 빠르게 받아들여 내재화하는 빠른 추종자(fast follower)전략을 활용하였다. 이러한 빠른 추종자 전략은 빠른 결과나 성과를 기대하는 국내 문화 특성, 국가 예산 규모의 제약과 문화 특성에 따른 경제성 중심의 선택과 집중 논리, 국내 건설 시장의 확장성 한계에 따라 앞으로도 유지될 것으로 예상된다. 그러나 정보의 일반화와 융합적 과학기술 개발 방법론의 보편화에 따른 분야별 장벽이 낮아지고 있는 상황에서 건설 분야 기술 개발에서 여전히 시스템 통합 역할만이 강조될 수는 없다. 주로 국가를 대상으로 수행되는 건설 분야에서 시민에게 필요한 핵심 기술을 적시에 효율적이고 안정적으로 제공하기 위해서는 부가가치가 높지 않거나 전문성에 대한 진입장벽이 높아서 다른 분야에서 접근하기 어려운 건설 분야에서의 기술 개발이 필요하다. 균질성이 낮고 복잡한 환경에서 활용되어 다른 분야에서 접근하기 어려운 나노 스케일 건설 소재 개발 기술이 성공적으로 구체화되면 건설 분야에서 핵심 기술을 포함한 시스템 통합의 좋은 사례가 될 수 있을 것으로 전망된다. 참고자료 윤태영(2024) 도로포장 재료 개발을 위한 소재정보학과 분자동역학 활용 연구 방법 고찰(I). 한국도로학회 v.26, no.4, pp.45-58. 윤태영, 문재필, 심승보, 주현진(2024) 유전자 알고리즘-PLSR 모델 기반 아스팔트 바인더의 분자 표현자와 밀도 관계 정립. 한국도로학회 v.26, no.4, pp.69-78. I Jeon, J Lee, T Lee, T Yun, S Yang (2024) In silico simulation study on moisture-and salt water-induced degradation of asphalt concrete mixture, construction and building materials v.417. 도로교통연구본부 게시일2025-02-24 조회수 251
• 미래 대중교통의 아이콘, 자율주행 기술 기반 실시간 수요 대응 모빌리티 서비스 개발 미래 대중교통의 아이콘, 자율주행 기술 기반 실시간 수요 대응 모빌리티 서비스 개발 ▲ 장지용 KICT 도로교통연구본부 전임연구원 들어가며 2022년 11월, 서울시는 청계천에서 자율주행버스 운행을 시작으로 2023년 12월 합정역과 동대문역을 잇는 심야자율주 행버스를 운행하고 있다. 두 사례는 모두 운전석이 있고 운전자가 탑승한 상태에서 한정된 고정 노선을 따라 대중교통 서비스를 제공한다는 공통점이 있으며 지자체 차원에서 자율주행 기술을 활용해 대중교통 서비스를 상용화한 사례이다. 이전에도 현대자동차의 '셔클', 경기도 판교의 '제로셔틀', 시흥시의 '마중' 서비스가 있었으나 모두 시범 운영에 가깝다. 이렇게 지금까지 활발히 진행된 자율주행 기술은 이제 대중교통을 만나 가장 먼저 우리에게 한 걸음 더 가까워지고 있다. 시민의 발이기도 한 대중교통은 일반적으로 서비스 제공 영역이 넓을수록 시민 편의성이 증대될 것으로 예상되나 인력과 예산 등의 문제로 인해 일정 수준 이상의 서비스 영역 확장은 한계가 있다. 이에 대한 하나의 대안으로 대중교통 분야에서는 대중교통 서비스의 질과 효용성 제고를 위해 수요 응답형 서비스라고 일컬어지는 DRT(Demand Responsive Transit) 서비스를 확대해 나가고 있다(한국운수산업연구원, 2024). 그러나 DRT 기반의 서비스 역시 운용 인력과 재정 문제에서 완전히 자유로울 수 없기 때문에 대안으로 서울시 등의 지자체 사례와 같이 자율주행 기술과 대중교통 서비스의 결합을 통해 기존 대중교통이 가지는 한계를 해소하려는 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 고도화된 자율주행 기술은 운전자를 필요로 하지 않아 적어도 운용 인력과 이에 대한 재정 부분에서 기존 대중교통이 가지는 한계를 일부 극복할 수 있기 때문이다. 한국건설기술연구원은 2021년 4월부터 자율주행 기술을 활용한 대중교통 모빌리티 서비스를 개발하기 위해 ‘실시간 수요 대응 자율주행 대중교통 모빌리티 서비스 기술 개발’이라는 국가연구개발사업(연구책임자: 문병섭 선임연구위원)을 수행하고 있다. DRT를 포함한 기존 대중교통의 서비스 개념을 확장하는 콘셉트로 실시간 수요 대응형 자율주행 대중교통 서비스를 개발하는 것이 목표이다. 기존 서비스와 차별화되는 것이 무엇인지, 또한 필자는 왜 미래 대중교통의 아이콘 이라고 하는지를 소개하고자 한다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스 정의 본 서비스는 자율주행 기술에 기반한 실시간 수요대응 대 중교통 모빌리티 서비스로 미국 자동차공학회(Society of Automotive Engineers: SAE)가 정의한 자율주행 레벨 4 수준의 자율주행차량으로 고정된 노선 없이 이용객이 원하는 목적지까지 운송을 담당하는 First-and-last mile 서비스 를 목표하고 있다(그림 1). 안전한 대중교통 서비스를 제공하기 위해 자율주행 4단계 수준의 자율주행 시스템을 탑재한 소형 자동차를 제작해 수요 대응형 서비스를 개발하고 있다. 종전의 유사한 수요 대응형 서비스와의 차별화를 위해 개별 이용자의 통행 패턴을 기억하고 학습한 상태에서 실시간으로 변화하는 도로 및 교통상황을 고려해 최적의 동적 경로를 생성하고 이용객을 운송하는 서비스다. 본 서비스를 제공하기 위해 9인승 규모의 소형 차량을 제작 중이고 사전에 할당된 경로와 이동시간 허용 범위 내에서 합승이 가능하다. 본 서비스에서 개개인의 통행 패턴을 학습해 사전에 이용 수요 및 선호 경로를 예측하고 이용객에게 제안하는 기능과 합승이 가능한 자율주행버스라는 점은 분명 기존 서비스와 확연히 차별화되는 새로운 미래 대중교통의 아이콘이다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스 구성 및 기능 자율주행 4단계 수준의 자율주행 시스템을 탑재한 소형 버스를 이용해 안전하고 쾌적한 수요 대응형 대중교통 서비스를 제공하기 위해 서비스의 운행/관제를 담당하는 센터시스템이 필요하다. 또한, 자율주행 기술에 기반한 대중교통 서비스이므로 서비스 공공성과 운영 효율성을 평가하기 위한 평가 시스템이 요구된다. 자율주행 소형 버스, 센터시스템, 평가 시스템 외에도 차량 보관 및 충전을 위한 시설이 필요 하다. 실시간 수요 대응 자율주행 대중교통 모빌리티 서비스 제공을 위한 시스템 구성은 그림 2와 같다. 실시간 수요 대응 자율주행 모빌리티 서비스를 제공하기 위한 핵심 기능은 각각 센터시스템과 차량, 사용자 모바일 앱에 포함된다(그림 3). 먼저 운전자가 없는 레벨 4 자율주행 시스템에 기반한 대중교통 서비스를 제공하기 위해 사용자 모바일 앱이 필요하다. 모바일 앱은 서비스 호출, 사용자 인증, 과금 기능을 포함하고 예약 및 운행 정보를 확인하는 장치이다. 센터시스템은 실시간 수요 대응 서비스 제공을 위한 핵심 기능을 담당한다. 여기에는 이용객의 통행 이력을 분석해 호출 수요를 예측하고 서비스 제공 지역에 필요한 차량 대수를 사전에 배차하는 알고리즘과 호출 지점부터 가장 인접한 가상 정류장을 선택하는 알고리즘이 포함된다. 또한, 실시간 도로 및 교통 상황을 반영하여 출발지부터 목적지까지 최적의 동적 경로를 생성하고 합승 수요 발생시 최소 우회 시간 내에서 경로를 갱신하는 기능을 포함한다. 차량은 자율주행 시스템 및 사용자 인증을 위한 차내 단말기, 안전을 위해 차량에 탑승하는 안전요원과 자율주행 시스템 간의 상호작용을 위한 시스템(Human-machine interface)을 포함한다. 센터시스템과 차량은 실시간으로 교통 정보 메시지(TIM; Travel Information Message)와 웨이포인트 메시지 (Waypoint message), 개별 차량 주행 정보(PVD; Probe Vehicle Data)를 송수신하며 서비스를 제공한다. 여기에서 PVD는 자율주행 소형 버스의 주행 궤적정보를 포함해 차량 상태 정보를 포한한 메시지이다. 웨이포인트 메시지는 운 전자가 없는 자율주행 대중교통 서비스를 구현하기 위한 핵심 메시지이다. 차량의 이동 경로를 의미하는 글로벌 패스 (Global path) 정보를 포함하며 기본적으로 차량이 경유하는 노드 좌표와 노드 간 예상 도착 시간(ETA; Estimated Time of Arrival)을 필수로 포함한다. 미래 대중교통 서비스를 개발하기 위한 다양한 노력 자율주행 레벨 4 수준은 운전자 관여 수준이 ‘Mind-off’ 인 상태로 운전자는 주변 상황인지, 주행 판단 및 차량 제어에 관여하지 않고 책임지지 않는 상태이다. 운전자가 없는(Driverless) 자율주행 기술을 적용한 대중교통 서비스는 다수의 이용자를 대상으로 하기 때문에 서비스 개발도 중요하나 서비스에 대한 철저한 검증 기술 개발도 필요하다. 지금까지 수행된 자율주행 기술을 활용한 수요 대응 서비스 (Autonomous Mobility-on-Demand: AMoD) 관련 연구를 보면 대부분의 연구에서 개발 시스템의 성능 확인만을 수행했다(Zhang et al. 2016; Barbier et al. 2019). 이용객의 안전을 보장하고 대중교통 서비스로의 성공적인 안착을 위해 개발이 불가피한 검증 기술에 대해 필자는 교통공학 이론을 접목하여 새로운 서비스 검증 기법을 개발하고 있다(장지용 외, 2023). 대중교통임에도 세계 최초로 개개인의 통행 패턴을 학습해 사전에 이용 수요 및 선호 경로를 예측하고 이용객에게 제안하는 신개념 서비스, 고정된 노선 없이 동적 경로를 따라 주행하며 합승이 가능한 자율주행 대중교통 서비스, 여기에 공공의 안전을 고려한 자율주행 대중교통 서비스 검증 기술 개발은 곧 우리에게 다가올, 우리가 경험할 새로운 미래 대중교통을 선도하는 기술이 될 것으로 기대한다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국운수산업연구원(2024), 버스교통, Vol 81 pp 24~37. • Barbier M Renzaglia A., Quilbeuf, J., Rummelhard, L., Paigwar, A., , Laugier, C., Legay A., Ibanez-Guzman, J., and Simonin, O. (2019, June). “Validation of perception and decision-making systems for autonomous driving via statistical model checking.” In 2019 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV), Paris France pp 252 259. • Zhang R., Rossi, F., and Pavone, M. (2016, May). “Model predictive control of autonomous mobility on demand systems.” In 2016 IEEE international conference on robotics and automation (ICRA), Stockholm, Sweden, pp.1382-1389. •장지용, 문병섭, 하정아. (2023). Lv. 4 자율주행 기술 기반 수요 대응 모빌리티 시스템 성능 검증 방법론 개발. 한국도로학회논문집, 25(6), pp 357~367. 도로교통연구본부 게시일2024-08-28 조회수 870
• 2050 탄소중립을 위한 전기도로(electronic road) 건설 2050 탄소중립을 위한 전기도로(electronic road) 건설 ▲ 백남철 KICT 도로교통연구본부 선임연구위원 탄소를 줄여야 산다 도시의 삶이 30년 뒤에 크게 달라지는 것은 무엇일까? 교통과 에너지 부문만큼은 크게 변화될 것 같다. 2030년 전기·수소차 450만 대 보급 등 교통 부문 전동화(electrification)가 급속히 추진되고 있기 때문이다. 장기적으로 탄소중립 전동화의 전제 조건은 그린허싱(Greenhushing)(*1) 없는 전주기 탄소배출 정보의 투명성 확보다. 내연기관을 전동화하는 것은 최종 목표가 아니라 시작점일 뿐이다. 전기차에 공급하는 전력원 전체가 탄소중립이 되어야 전기차는 탄소중립 대안이 될 수 있다.단기적으로 극복해야 할 문제는 전기차 대중화의 상승세(모멘텀)가 약화되고 수요가 급격히 둔화하는 케즘존(*2)이 나타났다는 것이다. 전기차 수요 감소의 주요 원인은 ▲ 충전 후 주행 거리가 짧을 것이라는 불안, ▲ 제한된 충전 인프라 등이다. 이를 종합하면 배터리 용량에 대한 ‘범위 불안’이라고 할 수 있다. 범위 불안은 전기차 에어컨과 난방 사용, 사용 년수 증가 및 충전 인프라 부족에 따라 증폭되는 경향이 있다.이 글에서는 ‘범위 불안’을 해소하기 위한 전기도로 기술을 소개하고 그 필요성을 검토하고자 한다. 이를 위해 먼저 전기차 등 모빌리티 친화적 인프라 관련 국가 계획을 검토하였다. 다음으로, 설문조사를 실시하였다. 설문조사는 도로교통 인프라 건설 부문 전문가 50인에 대해 인터뷰 및 온라인 조사를 실시하였다. 또한, 2023년 ITS 학술 대회에 참여한 관련 전공자 등 50인에 대하여 대면 조사를 실시하였다. 조사 기간은 2023년 11월 13일부터 동년 11월 30일까지였다. 관련 문헌 검토 전기차 범위 불안을 해소하기 위한 충전 인프라 관련 계획을 검토하였다. 구체적으로 스마트도시 종합계획, 교통 인프라 계획, 전력망 계획에 관한 국가 계획을 검토하였다. 1. 도시 부문: 제4차 스마트도시 종합계획(안, ’24. 1. 25.) 제4차 스마트도시 종합계획(안)을 검토해 보면, 전기차 충전 인프라 부문이 다소 부족하다. 물리적 공간-디지털 데이터–충전 서비스 차원에서 부족한 부문을 보완할 수 있다.첫째, 전기차에 사용되는 전기는 무탄소 전력(CF100)이어야 한다. 둘째, 내연기관에서 e-mobility로의 교통수단 전환을 증빙하는 데이터를 수집하고 탄소 크래딧(credit)화해야 한다. 셋째, 도시와 지역을 연결하는 전기도로(electric road)계획이 필요하다. 스마트도시 개념만으로는 전력망 공급이 지역 민원에 의해 차질이 생긴다. 도시와 지역을 하나의 거대한 인프라 공동체로 묶는 스마트 지역(smart region) 개념이 필요하다. 전기차의 범위 불안을 해소하기 위해서는 시민들이 도로를 따라 지역을 넘어서 전기충전 선형 서비스(linearservices)를 체감할 수 있어야 하기 때문이다. 2. 교통 부문: 관련인프라 관련계획 (1) 제2차 국가 도로망 종합계획(2021~2030년): 10×10, 6R2 제2차 국가도로망 종합계획에서는 전기차 충전 시설 등 모빌리티 친화적 인프라도 정비될 예정이다. 10×10 6R2 국가도 로망은 기존 간선 도로망(고속도로, 일반 국도, 국지도, 지방도 총 31,686 ㎞)에 연계해서 이루어진다. 매년 약 7조 원 수준의 국가 재정이 투입될 예정이다. 도로망을 건설하면서 전기차 충전 인프라를 동시에 건설한다면 상당한 비용 절감이 예상된다. (2) 제4차 국가철도망 구축계획(2021~2030) 도로에서 철도로 교통 정책 중심이 이동하고 있다. 2030년까지 철도망을 2배로 확충할 계획이다. 제4차 국가철도망 구축 계획에 확정된 사업 연장만 1,448 km(58.7조 원)이다. 복선 전철화되는 철도망과 결합된 무탄소 전력 공급계획, 철도역의 전기차 충전소 서비스가 필요하다. 3. 전력 부문: 제10차 장기 송변전 설비계획(2022~2036) 최근 국가 에너지 안보를 목표로 하는 제10차 장기 송변전 설비 계획이 발표되었다. 여기서는 전력망을 고속도로처럼 간선-지선을 체계화하는 계획이 포함되었다. 안정적 전원을 확보하기 위한 초고압직류송전(HVDC) 등이 제안되었다.초고압직류송전(HVDC)은 서해안의 해상 풍력 무탄소 전력을 수도권으로 끌어오기 위한 것이다. 수도권 도시부도로의 HVDC 매설과 전기도로(electric road)의 시공 테스트 베드 구축이 필요하다. 4. 관련계획 시사점 스마트도시 계획, 교통 인프라 계획, 국가전력망 계획을 아우르는SOC 건설 계획이 미비하다. 스마트도시와 교통 인프라를 건설할 때 전력망을 동시에 건설한다면 관련 비용을 크게 절감할 수 있다. 첫째, 제10차 장기 송변전 설비계획의 ‘직류 전력망(HVDC)’은 지하 매설이 가능하므로 국가 간선 도로와 철도망 개설 사업과 병행할 수 있다. 지하 매설을 한다면 콘크리트 구조물 초기 비용은 조금 들겠지만, 전주기적으로 상당한 비용 절감 및 국가 경쟁력 강화가 예상된다. 또한, 무엇보다도 전기차 충전소 등에 신재생에너지의 효율적인 송배전이 가능하다. 이러한 이유로 미국 교통부에서는 도로에 매설하는 직류전력망(HVDC) 연구 개발을 통해 전기차 대중화 시대를 앞당기고 있다. 우리나라에서도 해상풍력 무탄소 에너지를 도시로 끌어오는 직류전력망과 10×10 국가간선도로 건설 확장 계획을 연계 결합할 수 있다. 둘째, 국가전력망과 국가간선도로망 건설이 지역 민원으로 인하여 적시에 건설되지 못하고 있다. 전력망 사업을 도로망 사업과 병합하면, 전력망 개별 사업으로 추진할 때보다 건설시기가늦춰지는 것을 막을 수 있다. 전력망이 수도권으로 적시에 연결되지 못해서 생기는 사회적 비용과 산업 발전 정체를 해소해야 한다. 교통 용량과 동시에 무탄소 전력의 송배전 능력도 늘릴 수 있어야 전기차를 미래산업 성장동력으로 키울 수 있다. 제4차 스마트도시 종합계획을 스마트 그린지역(smart greenregion) 개념으로 개선하고, ‘제2차 국가도로망 종합계획’과 ‘제10차 장기 송변전 설비계획’을 융합한다면 전기차를 미래 성장동력으로 계속 키울 수 있다. 또한, 도로, 전력망 개별 구축 비용을 절감하면서, 각종 민원을 해소할 수 있을 것이다. 셋째, 도시와 지역을 연결하는 도로, 철도 사업을 ‘플랫폼’으로 연결하고 이용자 데이터 수집 인증(MRV: Monitoring, Reporting,Verification)을 통해서 기본사업 대비 옵션사업의 탄소중립 크래딧을 확보할 수 있다. 2026년부터는 우리나라 기업이 유럽에 제품을 수출하고자 한다면 탄소세에 해당하는 크래딧을 구매해야 한다. 이왕이면 국내에서 만들어진 크래딧을 구매하는 것이 기업과 국가에게 모두 이익이 될 수 있다. 국내에서 매년 약 14조 원의 정부 재정을 투입하여 수행하는 인프라 사업에서 자발적 탄소 크래딧을 확보할 수 있다. 대안 분석 1. 미래 10x10, 6R2 기반 모빌리티 인프라 기술 10x10, 6R2을 활용한 모빌리티 친화적 인프라 구축 방안을 검토하였다. 먼저, 1차 사전인터뷰 전문가 조사를 통하여 모빌리티 친화적 인프라 기술 종류에 대하여 조사하였다. MicroMobility 전용도로, 전기차 충전 인프라, 수소차 충전 인프라,미세먼지 저감도로, 탄소포집 녹화도로 등이 제시되었다.2차 설문조사에서 도로교통 부문 탈탄소화를 위해 초단기적(3년 이내)으로 긴급한 부문에 대하여 조사하였다. 탈탄소화(CO2 배출량 감소 부문)를 위해서 초단기적으로 긴급한 부문은 전기차 충전 인프라의 기술 개발이라는 답이 46.7%였다. 2. 전기차 충전인프라 구축 대안 검토 1차 사전 조사를 통하여 전기차 충전 인프라 구축의 한계를 밝혔다. 전기차의 충전시간을 낮추면서 전기차 주행거리를증가시키는 방법은 전기차 배터리의 무게를 줄이는 것이다.이를 위해서는 도로에 충전시설을 매설하는 방법이 있다. 이는 도로건설산업, 전력산업, 전기차 산업, 교통운영관리 사업을 융복합하는 것이다. 2차 설문조사에서 전기차 보급의 장벽인 ‘충전 인프라 부족과배터리 수명의 한계’를 보완하는 도로 인프라 기술로서 ‘무선충전도로’ 개발이 게임체인저가 될 수 있을지에 대하여, 응답자의 60.0%가 무선충전도로 개발이 필요하다고 응답하였다. 대안 평가 1. 기존 주유소의 고속충전기: 지점서비스(point service)형 충전인프라 지점서비스형은 전기차 교통량을 중심으로 전기차 충전 인프라를 운영하는 것을 말한다.한국에는 약 2,500만 대의 차량이 등록(2022년 기준)되어 있으며, 이 중에서 승용차가 약 2,000만 대가 등록되어 있다.2023년 현재 전국에 전기차는 47만여 대, 전기차 충전기는 24만여 기다. 이 중 급속 충전기는 2만 5,000기, 완속 충전기는 21만 5,000기다. 정부는 2030년까지 수송 부문 국가 온실가스 감축 목표에 따라 전기차 총 420만 대, 충전기 123만 기를 보급하기로 했다. 2030년 기준 급속 충전기(50~100 kW,30~60분)는 14만 5,000기, 완속 충전기(40 kW 미만, 4~8시간)는 108만 5,000기가 보급되어야 한다. 초급속(100 kW 초과, 30분 이내)는 순수한 민간사업자가 진행하고 있다. 지점 서비스형 충전 인프라의 경우에는 고속도로 휴게소 초급속 충전이 필요하다. 고속도로 이용 차량 100대 당 1대의 초급속 충전(350 kWh급의 슈퍼차저)이 필요하다. 차량 2,000만 대가 운행된다면, 20만 대의 슈퍼차저가 필요하다. 1기당 1억 원이 소요된다면 20조 원 수준의 금액이 필요하다. 여기서 고속 충전소(소위수퍼차저)는 120 kW급을 가정하였고, 스웨덴 Lund대학에서 제시한 충전 용량 킬로와트당 약 80만 원을 기준으로 하였다.지점 서비스의 경우에는 전기차는 80 kW 용량의 배터리를 장착해야 하며, 선형 서비스에 비해서 타이어 소모와 도로포장 파손이 더 많아서 시민, 기업, 국가 모두에게 비용이 가중된다. 배터리 용량은 2024년 기준 LG에너지솔루션에서 생산하는 순수 전기차 80 kWH를 기준으로 산정하였다. 지점 서비스형 충전 인프라를 구축한다면 전기차는 80 kWh의 배터리 용량이 필요할 것이다. 선형 서비스(linear service)형 충전 인프라, 즉, 무선충전 도로를 기반으로 한 충전 인프라를 구축한다면, 전기차 용량은 20 kWh이면 충분하다.골드만삭스의 2025년 전기차 배터리 가격 전망을 보면 kWh당 약 10만 원 수준으로 예측한다. 2. 전기도로(electric road) 건설: 국가 간선도로망의 전동화 전기도로는 도로에 무선충전기를 매립하는 것을 말한다. 즉,전기차와 함께 국가 간선도로망을 전동화하는 것이다. 국가간선도로망(2022년 현재 약 31,200 km)은 남북 10축, 동서 10축으로 개편된다. 간선도로망의 도로포장 덧씌우기 공사는10년에 1번 정도 이루어진다. 전기도로(electric road)는 전기차 배터리의 무게를 1/5로 줄이면서 전기차를 더 오래 더 멀리 달리게 할 수 있다. 국가 간선도로망의 목표는 전국 어디에서는 30분 이내에 간선도로망을 이용할 수 있게 하는 것이다. 국가 간선도로망을 전기도로로 개발하자는 관점에서 본다면 전기차는 30분 이상만 유지할 수 있는 배터리를 장착하면 된다. 즉, 차량의 무게가 감소하는 만큼 도로 관리 비용이 절감되며 탄소가 절감될 수 있을 것이다. 미래 국가 간선도로망은 전동화를 중심으로 무선 충전되는버스전용차로와 화물트럭 도로 자율주행 전용차로 등 모빌리티 전동화 서비스가 급속히 확산될 것이다. 전기차 배터리를 작고 가볍게 하는 전기도로 건설은 2050 탄소중립의 신성장동력이 될 수 있다. 전기도로는 1개 차로당 1 km당 약 13억 원으로 추산된다. 우리나라 간선 도로 중에서 약 20,000 km(고속도로와 일반국도 도로 연장)에 양방향 설치한다면 총 52조 원이 소요된다. 단, 2022년 미국에서 무선충전도로 시험연구에서는 1.6 km 설치에 약 170억 원이 소요되었다고 한다. 시험차량에 설치되는 고가의 무선충전기 등 각종 시험장비와 전력망 공급, 시험차량 제작 및 연구개발 비용이 포함된 금액이다. 전기도로는 전기차가 도로를 달리면서 주기적으로 충전해 주기 때문에 지점 서비스에 비해 1/4의 용량을 가진 배터리를 운영해도 된다. 전기도로를 보유한 국가와 시민 전기차 대중화를 위해서는 범위 불안을 해소해야 한다. 그 근본적 해소방법은 전기도로(electric road)다. 전기도로는 전기차 이동 중 자동으로 무선 충전되는 기술이다. 전기도로 없는 전동화는 어떻게 될까? 먼저, 당국은 고속도로 휴게소마다 많은 수의 고속 충전기를 설치해야 할 것이다. 시민들은 장거리 주행을 위해 배터리 용량이 큰 차량을 선호하게 될 것이다. 그만큼 도로포장은 더 파손되어 세금이 도로보수에 사용되고, 폐배터리는 크게 늘어나 사회적 비용은 증가하게 될 것이다. 반면, 전기도로를 보유한 국가의 시민들은 보다 싸고 가벼운 전기차를 보유할 수 있게 된다. 전기도로가 있으면, 전기차배터리 용량이 전기도로가 없을 때보다 25% 이하로 감소하기 때문이다. 도로는 덜 파손되고, 폐배터리는 그만큼 감소하게 될 것이다.지금처럼 전기차 도입 초기에는 고속충전기를 도입하는 것이 타당하지만, 일정 수준으로 전기차가 증가하면 전기도로도입을 고려해야 한다. 전기도로 없이 충전기 지점 서비스만으로는 교통정체 상습구간이나 정체시간대에 전기차 충전 수요를 감당하기 어려울 것이다. 전기도로는 전기차 충전소의 지점 서비스가 부족하거나 어려운 구간을 보완하는 기술이다. 전기도로는 도시부의 특정 상습 정체 구간의 탄소중립을 위해 경쟁적 우위를 점유할 수 있다.(참조: Stefan Tongur, 2018)또한, 전기도로는 도시와 지역을 연결하면서 탄소를 감축하는 ‘스마트 지역(smart region) 사업모델이다. 예를 들어, 평택항과 서울 간 상시 정체 구간에 전기도로를 건설한다면, 수도권 전역에 관련산업을 키울 수 있다. 즉, 시민에게 인센티브를 지급하고, 도로관리자는 비용을 절감하며, 전력공급자는탄소중립 ESS(에너지저장시스템)를 확보하고, 기업들은 탄소감축 크래딧도 확보하는 ‘전기도로 신산업’이 탄생하게 될 것이다. 또한 전기도로는 고속도로 통행료 시스템과 함께 운영할 수 있다. 도로 유지관리에 드는 막대한 예산을 사용자 부담 원칙으로 합리화할 수 있다는 장점도 있다.따라서, 전기도로는 기업에는 새로운 기회, 국민에게는 교통비 절감, 국가에는 탄소중립 NDC 달성에 기여하게 될 것이다. 전기도로는 교통의 전동화와 함께, 동시에 노후화된 도로를 정비하고, 미래 성장 동력 개발에 일조할 수 있다. ――――――――――――――――― 참고자료 관계부처합동(2021) 2050 탄소중립 시나리오(안). • 국토교통부(2022) 모빌리티 혁신 로드맵. • 관계부처합동(2023) 탄소중립 녹색성장 국가전략 및 제1차 국가 기본계획. • 국토교통부(2021) 제2차 국가도로망종합계획(2021~2030). • 국토교통부(2021) 제4차 국가철도망구축계획(2021~2030). • 국토교통부(2024) 제4차 스마트도시 종합계획(2024~2028) 수립을 위한 공청회 자료. • 백남철(2022) 시간을 잡는 방법, 대학신문. • 백남철, 류승기(2023) 미래 첨단 모빌리티 인프라 구축, 2023 ITS 학술대회. • Stefan Tongur (2019) The role of business models in the transition toElectric Road Systems, https://www.nordicenergy.org. • Stefan Tongur (2018) Preparing for takeoff: Analyzing the developmentof electric road systems from a business model perspective (Doctoraldissertation, KTH Royal Institute of Technology). • Intelligent Transport (2020) Electric road systems and theSwedish evolution, https://www.intelligenttransport.com/transportarticles/106866/electric-road-systems-and-the-swedish-evolution. • The Loop Team (2020) Overcoming electric vehicle range anxiety 도로교통연구본부 게시일2024-04-29 조회수 1236
• 지속가능한 도로 이용을 위한 솔루션! 박층연속철근콘크리트 덧씌우기 포장 공법 지속가능한 도로 이용을 위한 솔루션! 박층연속철근콘크리트 덧씌우기 포장 공법 ▲ 전성일 KICT 도로교통연구본부 수석연구원 우리나라 노후 도로포장 연장의 증가와 함께 도로포장 유지보수 비용이 급증하고 있다. 또한 노후 도로에서는 움푹 팬 형태의 파손들이 있는데 이것이 교통사고 위험성을 증가시키고 있다. KICT 도로교통연구본부 전성일 수석연구원은 안전한 도로주행과 지속가능한 도로 이용을 위해 노후화된 도로를 효과적으로 보수할 수 있는 기술을 소개한다. 안녕하세요, 개발 기술에 대한 소개를 부탁드립니다. “안녕하세요. 운전하다 보면 교통량이 많은 곳은 노후화가 빨리 일어나서 도로 중간중간에 움푹 팬 자국을 많이 보실 겁니다. 아스팔트 포장에서는 이것을 포트홀이라 하고, 콘크리트 포장에서는 이것을 스폴링이라 부릅니다. 포트홀과 스폴링은 자동차가 도로를 주행함에 있어 큰 위험 요소로 다가오니 보완이 필수적입니다. 해당 기술은 이러한 노후화 도로를 상대로 개발되었습니다. 노후화된 시멘트 콘크리트 포장도로를 효과적으로 유지보수할 수 있는 공법이며, 크게 두 가지 기술로 나누어져 있습니다. 첫 번째 기술은 콘크리트 재료 기술로 콘크리트 배합 과정에서 고흡수성수지(SAP: Super Absorbent Polymer)를 첨가하여 내부 양생 효과를 얻게 하는 기술입니다. 내부 양생은 콘크리트 내부 습도가 낮아질 때 물을 미리 흡수한 SAP가 다시 물을 방출하여 콘크리트 내부 습도를 높게 유지하는 것을 말합니다. 저희는 이걸 SAP 콘크리트라고 불러요. 이 내부 양생 효과로 인해 SAP 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 상대적으로 안정적인 수화반응을 하고, 수축이 저감되며 표면부 마모 저항성이 크게 향상되는 장점이 있습니다. 두 번째 기술은 철근을 자동 배근하면서 콘크리트를 포설하는 시공 기술입니다. 저희는 이 시공 기술을 구현하기 위해 3번의 시행착오를 거쳐 국내외적으로 유일한 전용 포 설 장비를 개발하였습니다. 본 시공 장비의 가장 주요한 특징은 콘크리트 공급용 스프레더(spreader), 철근 자동배근용 튜브(tube), 콘크리트 포설용 오거(auger), 다짐용 진동판, 그리고 마감용 롤러튜브(roller tube)와 슈퍼스무서(super smoother)를 하나의 장비에 일체화했다는 것입니다. 이와 같은 일체화 장비를 사용할 경우 공용 중인 도로에서 교통차단을 최소화하고 시공 효율성을 극대화할 수 있는 장점이 있습니다. 이 두 가지 기술을 조합한 ‘박층 연속철근콘크리트 덧씌우기포장 공법(UT-CRCP)을 개발했습니다.” 해당 기술을 개발하게 된 배경이 궁금합니다. “2022년 우리나라 도로포장 유지보수비용이 1조 원을 초과한 사실을 알고 계신가요? 2013년 대비 약 2배 정도 증가한 수치입니다. 한국도로공사의 경우 전면적인 유지보수가 필요한 노후 도로포장 연장이 현재 약 300 km입니다. 그런데 2040년엔 약 3,000 km 까지 급증할 것이라는 거죠. 2040년 고속도로 전체 노선에 약 60%가 노후 도로포장이 된다는 의미입니다. 이와 같은 노후 도로포장 연장의 증가는 국가 재정에 상당한 부담을 줄 수밖에 없어요. 장기적으로 도로 이용자의 안전에도 영향을 미칠 수 있습니다. 또 하나는, 우리나라 시멘트 콘크리트 포장의 형식은 대부분 줄눈 콘크리트 포장입니다. 이 포장 형식은 6 m마다 가로 방향줄눈(joint)을 설치하는데, 오래 사용하면 줄눈부를 중심으로 파손이 발생합니다. 파손이 시작되면 연쇄적으로 파손 부위가 확대되고 급속도로 노후화가 진전되겠죠. 이 때문에 도로 이용자들이 많은 불편을 호소하기도 합니다. 공학적 관점에서 적절한 보수를 통해 노후화 진전을 억제하는 것이 궁극적으로 예산을 절감할 수 있는 유일한 방법입니다. 그러나 그 동안 우리나라에서 적용된 보수 방법들은 열화된 콘크리트를 제거하고 새로운 콘크리트를 타설하는 방식으로 이어져 왔습니다. 타설 후에는 기존 포장과 동일한 위치에 줄눈을 설치하는데 일정한 공용기간이 지나면 이 줄눈 부위를 중심으로 재파손이 발생하게 되어, 충분한 공용수명을 확보하지 못하는 단점이 있었습니다.이러한 문제를 극복하고자 줄눈 콘크리트 포장(JPCP) 위에 연속철근 콘크리트 포장(CRCP)을 설치하는 설계 개념을 고안했어요. 기존 열화된 콘크리트를 일부 제거한 후 새로운 콘크리트로 덧씌우기할 때 종방향 철근을 배근해요. 그런데 완성된 도로포장 보수단면은 별도로 줄눈을 설치하지 않아도 됩니다. 이건 기존 콘크리트 포장의 가장 큰 약점을 제거했다는 의미가 됩니다. 일반적으로 CRCP는 균열 발생을 허용하는 포장 형식으로 균열 폭이 1 mm 이하로 유지되어 장기 공용성능이 우수한 것으로 알려져 있어요. 이 UT-CRCP 공법을 적용할 경우 도로 포장체가 JPCP 거동에서 CRCP 거동으로 전환된다는 사실을 장기 계측을 통해 확인했어요. UT-CRCP 공법이 우수한 장기공용성능을 나타낼 수 있다는 직접적인 증거가 되죠. 기존 기술들의 한계를 극복하고 신설 도로포장에 준하는 성능을 확보할 수 있다는 점. 또 장기적으로 국가 예산을 절감할 수 있는 기술이라고 말씀드릴 수 있습니다.” 기존에도 이와 같은 포장 공법이 있었나요? “미국에서 10년 전에 이와 유사한 형태로 시험시공이 된 사례가 있습니다. 최근에도 텍사스주 패리스(paris) 인근 도로에 적용되기도 했죠. 그러나 설계, 재료, 시공 방법에 큰 차이가 있어요. 이번에 KICT에서 개발한 이 공법은 ’CRCP on JPCP’ 개념을 구현할 수 있는 최적화된 기술이라고 감히 말씀드립니다.” 해당 기술은 현재 성능을 검증받은 상태입니다. 이 기술이 건설 신기술 인증을 받기까지 수많은 노력이 있었을 텐데, 앞으로의 계획이 궁금합니다. “저희는 이 기술을 도로포장 유지보수 분야에 적용될 수 있도록 개발하였습니다. 이 공법은 2년의 기획과 5년의 연구개발을 통해 나오게 되었죠. 연구개발 단계에서 네 번의 시험시공을 거쳤어요. 이 중 두 번은 공용 중인 국도에 적용했습니다. 이를 통해 연구 기간 내에 공법을 완성해 중소기업에 기술이전을 한 상태입니다. 말씀하신 바와 같이 건설 신기술 인증까지 마친 상태죠. 물론 연구자로서 여전히 부족한 부분이 있다는 것을 인정합니다. 향후 본 기술이 실질적인 적용 과정에 다다를 때 부족한 부분을 지속적으로 개선하여 공법의 완성도를 꾸준히 높여가겠습니다.” 앞으로 이루고자 하는 연구성과나 목표가 있을까요? “개발 기술과는 조금 다른 이야기이긴 하지만, 포틀랜드 시멘트는 지구온난화의 주범으로 취급당할 때가 있습니다. 포틀랜드 시멘트 생산과정에서 다량의 탄소가 발생한다는 것은 너무나 잘 알려진 사실이죠. 그런데 포틀랜드 시멘트의 주원료인 석회석에 열을 가할 때 그 자체에서 탄소가 발생한다는 사실은 많이 알려지지 않았어요. 인류가 석회석을 가공하여 결합재로 사용한 것이 약 9,000년을 넘었습니다. 가장 값싼 방법으로 결합재를 생산할 수 있기에 건설재료로 여전히 활용되고 있는 것입니다. 최근 탄소저감을 위한 시멘트 대체 재료 연구들이 있었지만, 실제 현장에 적용할 수 있는 방안은 아직 마련되지 못했습니다. 저는 탄소 발생량을 저감시키기 위해 포틀랜드 시멘트 사용량을 줄이는 것에 동의해요. 하지만, 이를 해결하기 위해 ‘대체 재료 사용’이 아닌 ‘장수명’이 대안일 수 있다고 생각합니다. 오래 사용하여 시멘트 사용량을 줄이자는 것입니다. 물론 이와 같은 논의가 과거에 없었던 것은 아니지만, 구체적인 액션 플랜을 만들지는 못하였습니다. 저는 이에 대한 노력이 다시 시작될 필요가 있다고 생각합니다. 현재 콘크리트 포장도로 설계수명은 20년입니다. 실제 공용 수명은 이보다 짧을 때도 있습니다. 이에 50년 성능, 아니 100년 성능을 목표로 한 콘크리트 포장도로를 구현할 수 있는 개념 및 공법이 필요하다고 생각하며, 이에 대한 연구 개발을 이어가고 싶습니다.” 도로교통연구본부 게시일2024-01-29 조회수 1156
• 해외 탄소배출 감축을 위한 아스팔트 포장 분야의 저탄소 기술 변화 해외 탄소배출 감축을 위한 아스팔트 포장 분야의 저탄소 기술 변화 ▲ 김영민 KICT 도로교통연구본부 연구위원 들어가며 지구 온난화로 폭염, 폭설, 태풍, 산불 등 이상기후 현상이 세계 곳곳에서 나타나고 있다. 높은 화석연료 비중과 제조업 중심의 산업구조를 가진 우리나라도 최근 30년 사이에 평균 온도가 1.4℃ 상승하며 온난화 경향이 더욱 심해졌다. 국제사회는 기후변화 문제의 심각성을 인식하고 이를 해결하기 위해 선진국에 탄소배출 감축 의무를 부여하는 ‘교토의정서’ 채택(1997년)했다. 이어 선진국과 개도국이 모두 참여하는 ‘파리협정’을 2015년 채택하여 탄소배출을 위한 범세계적인 목표 이행을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2100년까지 지구 평균온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 제한하기 위해서는 전 지구적으로 2030년까지 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 최소 45% 이상 감축하여야 하고, 2050년에는 탄소중립(Net-zero) 달성을 목표로 제시하였다. 이에 따라, 세계 각국은 2016년부터 자발적으로 온실가스 감축 목표를 제출했고, 모든 당사국은 2020년까지 ‘파리협정 제4조 제19항’에 근거해 지구 평균기온 상승을 2℃ 이하로 유지하고, 나아가 1.5℃를 달성하기 위한 장기 저탄소 발전 전략(LEDS)과 국가 온실가스 감축 목표(NDC)를 제출하기로 합의하였다. 아스팔트 포장 분야에서도 이산화탄소 배출 저감을 위한 노력이 진행되고 있으며, 미국 아스팔트포장협회(NAPA, National Asphalt Pavement Association)는 아스팔트 포장 산업의 Net-zero 탄소 배출을 위한 목표 및 전략을 발표하였다. 우리나라도 마찬가지로 관계부처 합동으로 ‘2050 탄소중립 추진 전략’을 마련하고, 에너지 주공급원을 화석원료에서 신재생에너지로 전환 및 확충은 에너지 전환 가속화와 철강, 석유화학 등 탄소 다배출 업종의 기술 개발 지원을 통해 고탄소 산업구조 개혁을 추진하고 있다. 이 글에서는 세계 여러 나라에서 추진하고 있는 아스팔트 포장 분야의 탄소배출 감축을 위한 저탄소 기술을 살펴보고, 우리나라의 저탄소 아스팔트 산업이 나아갈 방향을 모색하고자 한다. 해외 Net-Zero 추진 전략 (1) 영국(Net zero highways) 영국은 전체 가정의 80%가 자동차를 소유하고 있고, 화물의 79%가 도로를 이용하여 운송이 이루어지므로 많은 인적·물적 자원들이 도로 운송체계에 의존하고 있다(Transport Statistics Great Britain, 2020). 그러므로, 파리협약에 따른 영국의 탄소배출 저감 전략에 도로 분야의 탈탄소화 전략이 높은 비중을 차지하고 있다. National Highway는 영국 교통부의 지원을 받아 고속도로와 간선도로의 설계, 운영, 유지관리 등의 표준을 설정하는 정부기관으로서, 영국 도로의 운송 및 건설에 관한 Net-Zero Highway 2050 계획을 발표하였다. Net-Zero Highway 2050 계획은 2030년까지 전체 고속도로를 관리하고 운영하는 데 필요한 각종 자체 시설물(가로등, 관리 사무실 포함)의 조명을 LED 제품으로 전환하여 기업 탄소 배출량의 75% 감소하고, 유지관리 및 도로 순찰용 차량의 70%를 전기 또는 하이브리드 차량으로 전환하는 등 기존의 자체 시설물에 감축 가능한 모든 탄소를 줄이는 데 계획을 제시하였다. 또한 2040년까지 고속도로의 포장 수명을 장기간 유지하고 도로포장 재료(아스팔트, 시멘트, 콘크리트 등)의 생산을 포함하여 자재 운송, 유지 관리 및 포설 작업 시에 발생하는 배출량의 Net-Zero 하는 것을 목표로 하고 있다. 2050년까지 도로를 이용하는 운송수단(대중교통, 화물차 등)의 전기 에너지 활용을 지원하는 EV 충전 서비스 및 에너지 저장시설 확충을 통해 운송 수단의 탈탄소화를 추진할 계획이다. (2) 미국(The Road Forward) 2022년 1월, 미국 NAPA는 2050년까지 Net-Zero 탄소 배출을 달성하기 위한 아스팔트 포장 산업 목표로 ’The Road Forward’ 비전을 발표하였다. NAPA는 기후 관리를 위한 아스팔트 포장 산업의 Net-Zero 탄소배출을 위해 4가지 산업 목표와 이를 이행하는 각각의 전략을 제시하였다(NAPA, 2023). 먼저, 산업 목표 ①은 2050년까지 아스팔트 생산 및 건설 과정에서 Net-Zero를 달성하며, 이를 위해 아스팔트 공장에서 대체 및 재생 가능 연료의 사용과 아스팔트 혼합물의 생산온도를 낮추는 WMA(Warm-Mix Asphalt) 기술의 사용을 장려한다. 산업 목표 ②는 장수명포장 기법의 채택을 확대하여 도로포장의 내구성을 증대함으로써, 잦은 유지보수 공사로 인한 건설장비 및 교통체증으로 인한 작업구간 내 차량의 탄소배출을 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 그리고 산업 목표 ③은 BMD(Balanced Mix Design)와 공용성능 지표를 연계한 LCA를 활용하여 모든 재활용 아스팔트(RAP)를 관리함으로써 2050년까지 Net-Zero 자재 공급망을 구축한다. 또한 저온 중앙 플랜트 재생기술과 저온 및 고온 현장 아스팔트 재활용 기술을 발전시켜 RAP 함량을 40% 이상 증가시키는 것을 목표로 하고 있다. 산업 목표 ④는 아스팔트 혼합물 생산과정에서 필요한 전력을 재생 가능한 에너지로 전환해서 전기 집약도를 줄이고 전기 에너지 효율성을 높여 아스팔트 산업의 자체 탄소배출량을 줄여 탄소상쇄(carbon offset)를 확보하도록 권장하고 있다. 바이오 오일 아스팔트(Bio oil-asphalt) 바이오 아스팔트란 바이오 오일(목질 섬유형, 돼지분뇨형,폐유형)을 증류, 추출 산화 과정을 거쳐 중합 처리한 제품으로 아스팔트의 개질제, 희석제 또는 대체 재료로 사용된다(Zhangqi, 2022). 바이오 오일의 주요 성분에는 에테르,에스테르, 알데히드, 케톤, 유기산 등이 포함되어 있어, 석유아스팔트를 바이오 바인더로 대체하거나 개질이 가능하다(Cao et, al,. 2014). 바이오 바인더는 석유 아스팔트를 직접 대체(100% 대체율)하거나, 석유 아스팔트를 개질하기 위한 개질제(대체율은 10% 미만)로 활용되며, 석유아스팔트를 혼합하기 위한 희석제(대체율 25%~75%)로 사용된다. 또한 바이오 아스팔트는 석유 아스팔트에 첨가하여 개질 또는 혼합한 것으로 천연 아스팔트보다 아스팔트 바인더의 전단강도 및 저온성능과 내노화성이 높은 것으로 평가되고 있다. 최근 주목 받는 바이오 오일은 리그닌을 활용한 제품이다. 리그닌(lignin)은 관속식물(vascular plant)과 일부 조류(algae)의 세포 조직을 지지하는 중요한 구조 물질을 형성하는 유기폴리머(organic polymer) 중 하나이며, 목재나 풀의 20~40%를 차지하고 있다. 유기 폴리머인 리그닌은 일반적으로 점도와 점성이 높고 다른 물질과 혼합이 잘 이루어지지 않아 종이를 만드는 제지공정 과정에서 대부분 폐기 처분하였다. 그러나 최근에는 리그닌의 열분해과정에서 수소 첨가 분해를 통해 점도와 점성을 낮추고 발열량(HHV)을 높인 리그닌 혼합 오일은 기존의 항공유와 유사한 품질기준을 만족시켰으며, 2027년부터 시행되는 항공유 온실가스 감축 규제에 적용할 것으로 기대되고 있다(Kim, et,al., 2020). 리그닌을 활용한 대체 연료의 주요 장점은 산업 활동을 통해 공기 중으로 배출된 이산화탄소를 장기간 격리(sequestration)시키는 특성이다. 네덜란드의 Wageningen University & Research에서는 아스팔트 바인더의 50%를 리그닌으로 대체한 바이오제닉 아스팔트를 통해 기존의 아스팔트에서 배출되는 연간 550 kt의 이산화탄소를 30~60%까지 감소시킬것으로 예상되며, 이는 유럽시간에서 확장되고 있는 연간 아스팔트 1,100만 톤에 적용할 경우, 연간 최대 12,000톤의 이산화탄소 배출을 감소할 것으로 예상하고 있다(Christian, et,al,. 2022). 바이오 숯 아스팔트(Bio-char asphalt) 바이오 숯(char) 아스팔트는 식물성 기름, 바이오매스 재료 및 바이오 기반 폴리머와 같은 재생 자원을 아스팔트에 활용한 기술이다. 바이오 숯은 탄소성 물질로 산소 농도가 낮은 조건에서 농업 폐기물 및 목재 칩과 같은 유기 물질을 연소시킬 때 형성된다. 바이오 숯은 고유한 다공성과 탄소 음성(inherent porosity and carbon negativity)적인 특성으로 인해 아스팔트의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 흡착하고 생산공정에서 발생되는 이산화탄소 배출량을 최대 50%까지 감소시킨다(Zhou et al. 2020). 또한 아스팔트 포장의 내구성을 향상시켜 포장체의 수명을 연장함으로써 재포장 주기를 확대한다(Abe et al., 2022). 이러한 장점으로 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)에서는 바이오 숯을 이용한 아스팔트를 저탄소 기술로 인정하고 탄소 감축을 위한 지속적이고 경제적인 해결책으로 기대된다. 기후변화 시대에 저탄소 아스팔트 포장 기술의 나아갈 방향 전 세계가 기후변화 및 이상기온 현상에 따른 인류 생존의 위협을 받는 현시점에서 모든 산업분야에서 저탄소 및 탈탄소화 정책의 추진은 전 인류의 최대 당면 과제이다. 2015년 파리협약에 따라 선진국뿐만 아니라 개도국도 탄소 감축목표를 설정하고 감축목표 달성을 위해 국가 경제구조의 개혁과 변혁이 요구되고 있다. 우리나라도 향후 5년간(2023~2027년) 약 89.9조 원의 예산 투입을 통해 탄소중립 산업의 핵심기술 개발과 건축 분야의 제로에너지·그린 리모델링를 추진하고, 전기 및 수소차량 보조금 지원을 통한 수송 부문 등의 온실가스 감축 사업 진행을 통해 경제·사회 전반에 걸친 탄소중립과 녹색성장 추진을 위한 ‘한국 2050 탄소중립’ 계획을 실행하고 있다. 지금까지 아스팔트 포장 산업은 많은 이산화탄소를 배출하고 환경에 악영향을 미치는 산업으로 인식되었다. 그러나 재활용 아스팔트 포장(RAP), 중온 아스팔트(WMA), 현장 저온 재생 아스팔트 포장 등과 같이 저탄소 아스팔트 포장 기술 개발을 위한 노력은 계속되어 왔다. 전 지구적인 저탄소 및 탈탄소화가 요구되는 현 시점에서 아스팔트 포장 산업은 기존의 저탄소 아스팔트 기술의 고도화를 통해 100% 재생 아스팔트 기술뿐만 아니라 바이오 기반의 대체 아스팔트 개발과 같은 Net-Zero 신기술 개발에 박차를 가해야 할 것이다. 이를 위해서는 저탄소 아스팔트 포장용 폐기물 및 재생 기술 사용에 관한 기존 연구를 체계적으로 검토하고 과학적으로 평가를 통해 구현 가능한 현장 적용 기술 체계의 마련이 요구된다. 과거 도로포장 건설 산업이 환경 오염 산업이라는 오명을 벗고 인류의 번영과 보존에 기여할 수 있는 친환경 핵심 산업으로 거듭나기 위해서는 아스팔트가 석탄연료인 석유의 부산물을 원재료로 활용하기보다는 근본적으로 원재료 자체가 환경에 무해한 친환경 재료로 탈바꿈할 수 있는 기회가 되었으면 한다. ――――――――――――――――― 참고자료 • Kim Yoonsoo, Shim Jingi, Choi Jae-Wook, Suh Dong Jin, ParkYoung-Kwon, Lee, Ung, Choi Jungkyu, Ha Jeong-Myeong,Continuous-flow production of petroleum-replacing fuels fromhighly viscous Kraft lignin pyrolysis oil using its hydrocrackedoil as a solvent, Energy Conversion and Management,Volume 213, 2020, • Christian Moretti, Blanca Corona, Ric Hoefnagels, Marco vanVeen, Iris Vural-Gürsel, Tobias Strating, Richard Gosselink,Martin Junginger, Kraft lignin as a bio-based ingredient forDutch asphalts: an attributional LCA, Science of the TotalEnvironment, 806(1), 2022 • Zhengqi Zhang, Ying Fang, Jianhua Yang, Xinjun Li, Acomprehensive review of bio-oil, bio-binder and bioasphaltmaterials: Their source, composition, preparationand performance, Journal of Traffic and TransportationEngineering (English Edition), Volume 9, Issue 2, 2022, pp 151-166, • Cao, W. Zhang, X. Qi, X. 2014, Advances in bio-asphaltresearch. Petroleum Asphalt, 28 (5) (2014), pp. 1-5 • Abe, A.A.; Rossi, C.O.; Caputo, P. Biomaterials and TheirPotentialities as Additives in Asphalt binder Technology: AReview. Molecules 2022, 27, 8826. • NAPA, ASPHALT PAVEMENT INDUSTRY GOALS FORCLIMATE STEWARDSHIP: TOWARD NET ZERO CARBONEMISSIONS, https://www.asphaltpavement.org/climate/industry-goals. 2023 • Wang, H., Han, H., Song, H., et al., 2019. Progress in pyrolysisof lignin and its model compounds. Chemical Industry andEngineering Progress 38 (7), 3088e3096. • Zhou, X. Moghaddam, T.B. Chen, M. Wu, S. Adhikari, S.Biochar removes volatile organic compounds generated fromasphalt. Sci. Total Environ. 2020, 745, 141096. • Yaro, N.S.A.; Sutanto, M.H.; Habib, N.Z.; Usman, A.; Kaura, J.M.;Murana, A.A.; Birniwa, A.H.; Jagaba, A.H. A ComprehensiveReview of Biochar Utilization for Low-Carbon FlexibleAsphalt Pavements. Sustainability 2023, 15, 6729. https://doi.org/10.3390/su15086729 도로교통연구본부 게시일2023-12-18 조회수 1549
• AI 도로관리를 위한 객체 인식 기술의 발전방향 AI 도로관리를 위한 객체 인식 기술의 발전방향 ▲ 김형규 KICT 도로교통연구본부 수석연구원 들어가며 교통사고는 인적요인, 차량요인, 도로요인에 의해 발생하기 때문에 해당 요인들을 고려한 개선이 이루어져야지만 교통 사고 발생을 예방할 수 있다. 차량 기술의 비약적인 발전으로 차량 결함 원인으로만 발생하는 교통사고는 극소수인 상황이다. 도로 안전성을 확보하기 위해서는 도로요인과 인적요인에 대한 개선을 집중할 시기이다. 차량요인은 교통사고에 미치는 영향이 최대 12%로 미미한 편이나, 도로요인은 최대 34%까지 영향을 미친다. 도로 및 교통 특성의 변화는 교통사고에 일차적으로 기여하는 요인으로 도로 이용자(운전자, 보행자 등) 모두에게 적용될 수 있다. 우리나라는 국가 교통안전 사업을 지속적으로 추진 중이며, 국내 교통사고 사망자 수는 1996년(12,653명) 이후 지속적인 감소가 이루어져 2022년(2,735명)까지 78.4%가 감소하였다. 하지만 사고 건수 및 부상자 수는 2002년 이후 큰 감소 없이 정체되고 있다. 매년 약 2조 원의 도로교통 안전 사업비를 지출하지만, 2022년 현재 교통사고 건수는 연간 약 21만 건 수준이다. 교통사고 건수가 많이 감소하지 못하는 원인 중 하나는 도로 시설 및 포장 이상 상황에 대한 대처가 신속하지 못한 부분이 있다. 고속도로, 일반국도 등 전문적인 유지관리 및 예산을 투자하는 도로에서는 상대적으로 도로 이상 상황에 대한 대처가 빠른 편에 속하지만, 지방도와 시군도의 경우 지자체의 낮은 재정자립도와 그에 따른 유지관리기관 인력의 부족으로 도로 이상 상황에 대한 대응능력이 저하된다. 또한, 이상 상황에 대한 업무수행방식 측면에서도 인력 중심의 안전관리 업무가 진행되어 도로 이상 상황을 발견하기까지 장시간이 소요된다. AI 기술과 지능형 플랫폼을 활용한 방식으로 바꾸어 업무 효율성 및 신속성을 향상해 도로요인에 의한 교통사고 예방과 안전관리 업무의 효율성을 확보할 필요가 있다. 기존 도로 이상상태 검지 기술은 고해상도 특수 카메라로 촬영된 영상 또는 이미지를 활용하기 때문에 실제 현장에 배치하여 운영하기에는 현실성과 실효성이 낮다. 검지 기술구현의 현실성 및 실효성 향상을 위해, 기존 차량에 많이 보급된 블랙박스와 같은 영상 촬영 기기로도 이상상태를 검지 할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 이는 검지 신속성 및 유지보수 업무 효율에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 기존 이상상태 검지 기술은 고가의 단말장치 및 분석시스템이 사용되고 있다. 이는 민간 부문 및 도로관리청의 활용성 측면에서 더 범용적이고 간편한 기술로 개선되어야 할 필요성이 있다. 이 글에서는 이미지 정제(초해상화)를 통해 일반적으로 보급된 블랙박스 카메라를 통해서도 도로 이상상태를 검지할 수 있는 방안을 소개하고, 전처리 단계에서 도로 이상상태 식별 능력을 향상할 수 있는 발전 방향을 소개하고자 한다. AI 도로 이상 검지 기술 현황 AI 기반 도로 이상상태 검지 기술은 검지 차량을 이용하여 도로 상태를 분석하는 방식이다. 탐지 차량에 장착된 단말기에서 탐지된 도로 이상 정보(포트홀)에 대한 실시간 수집이 가능하다. 수집된 GPS 위도, 경도, 탐지주소, 일시, 크기, 속도, 방향 등이 DB에 저장된다. 또한 차량 내에 블랙박스와 비슷한 형태로 거치된 스마트폰과 유사한 단말기를 활용하여 노면 파손 정보를 수집하는 기술이 있다. 개발된 기술은 CV 카메라를 활용하여 딥러닝 기반으로 분석하고 GPS 정보와 함께 서버로 전송되어 실시간으로 노면 파손 정보를 수집한다. 또한 도로 이상상태를 식별할 수 있는 다양한 알고리즘 기술이 활용되고 있다. 식별 모델링에서는 Mask R-CNN이 주로 사용되고 있으며 이를 제외한 모델로는 YOLOv3, Mobilenet-SSD, Tiny-YOLOv2 등이 있다. 모델 대부분은 Object Segmentation 및 Object Detection 기술이 활용되고 있다. 또한 Augmentation을 통한 학습효과 향상을 위하여, 이미지 전처리기법이 응용되고 있으며, 이를 통해 다양한 환경에서도 더욱 우수한 모델이 생성되고 있다. 하지만, 개발된 기술들은 현장 적용 시 현장에서 수집되는 저화질의 영상 이미지로 인해 인식 불가 또는 오탐의 문제가 발생한다. 차량에 장착된 블랙박스 영상을 이용할 경우 VGA 150만 화소(640*480) 수준의 화질을 인식해야 하므로, 인식 범위 및 정확도가 감소한다. 현장의 저화질 영상을 고화질로 수집하기 위하여 모든 차량에 고화질 영상 장비를 구입 및 설치 운영하기에는 비용이 과다 발생한다. 이 때문에 기존 블랙박스 영상을 이용할 수밖에 없는 상황이다. 포트홀, 균열 등 도로 이상상태는 인프라 노후화 및 기상·기후에 따라 불특정 지역 및 시간에 발생하기 때문에 이상 상태 발생을 발견하고 이미지를 확보하기 어려운 상황이다. 또한, 도로 인프라 및 손상에 대한 전문지식을 보유한 전문가가 레이블링 작업을 진행하여 학습 데이터셋을 확보해야 하지만, 레이블링 단계에서 전문가의 참여가 부족하다. 마지막으로 단순히 탐지하려는 포트홀, 균열 등의 object만을 레이블링하여, 유사한 크기와 모양을 오탐하는 문제가 발생하고 있다. 다양성 측면에서도 도로에서 발생하는 파손의 경우, 다양한 파손의 형태가 있지만 대부분의 파손이 포트홀과 차선 불량 등으로 확인된다. 특히 여름과, 겨울에는 기후변화에 의한 폭우와 폭설로 인하여 최근 다수의 포트홀이 발생하고 있다. 이러한 도로 이상상태는 도시 미관을 해치고 주행 안전성을 저해하기 때문에 빠른 시일 내에 유지보수가 되어야 한다. 이러한 파손들은 교통사고 발생, 사고심각도 증가, 운용 효율성 저하를 일으키기 때문에 이러한 도로 이상 상태를 정의하고 식별에 반영할 필요가 있다. 객체 인식 기술의 발전 방향 도로 위 객체 인식 기술력 향상을 위해서는 전처리 단계에서 영상인식 이전 저화질의 블랙박스 영상을 고화질로 전환할 필요가 있다. 이를 AI 기반의 업스케일링(Upscaling) 기술을 접목하여 인식률 향상이 가능하다. 도로 이상 상태 식별을 위해 딥러닝 모델 사용 시, 학습용 데이터의 해상도가 낮으면 모델이 영상의 특징을 다양하게 학습하지 못하는 정확도 문제점이 따른다. 이에 학습 데이터를 고화질 영상으로 정제하기 위해 딥러닝 기반의 초해상화 기술 적용이 필요하며, 우선적으로 저화질 영상을 고화질로 변환하기 위한 초해상화 알고리즘의 적용이 요구된다. 초해상화 기법으로 SRCNN, SRGAN, ESRGAN, Real-ESRGAN 등의 알고리즘이 있다. SRGAN, ESRGAN 등의 알고리즘에서 사용하는 열화 기법은 단순 Bicubic을 통한 저해상도 이미지를 생성하는 것으로 복잡하고 알 수 없는 열화를 복원할 수 없는 한계점이 있다. Real-ESRGAN은 여러 열화를 중첩하는 High Order Degradation을 통해 복합적 열화에 대한 우수한 성능을 보이는 알고리즘으로 우리가 진행한 연구에서는 Real-ESRGAN 알고리즘을 사용하여 도로 분야에 특화된 초해상화 방식을 선보였다. 그 외에도 검지하고자 하는 object들의 우선순위에 따라 그룹화하고 레이블링하여 인식 정확도 향상이 필요하다. 데이터 수집 및 레이블링 단계부터 도로교통 전문가가 참여하여 레이블링을 수행하고 데이터 증강을 통해 학습 데이터셋을 확보할 필요가 있다. 이러한 현장 적용 시의 검지율 저하를 해결하면, 검지 정확도 향상 외에도 도로상태 정보의 지속적인 수집으로 도로관리에 활용할 수 있는 양질의 데이터셋 증대 효과를 볼 수 있다. 실시간 도로 위험정보 제공, 도로 유지관리 자동화 등 도로교통 분야의 AI기술을 접목 또는 고도화하여 서비스 종류 확대 및 품질 확보가 가능할 것으로 기대된다. 도로교통연구본부 게시일2023-09-26 조회수 1541
• 완전 자율주행을 위한 인프라 가이던스 완전 자율주행을 위한 인프라 가이던스 ▲ 장지용 KICT 도로교통연구본부 전임연구원 들어가며 이제 인프라 가이던스가 필요한 구간에서 전지적 작가 시점으로 도로교통 상황을 인지하고 조율하여 인프라 가이던스 정보를 제공하기 위해 구상한 방법론을 쉽게 풀어 설명하고자 한다. 먼저 인프라 가이던스가 제공되는 도로에는 Edge RSU(Roadside unit)라는 일종의 통신 기능을 갖춘 도로 시설물이 필요하다. Edge RSU는 내부에 영상센서와 라이다가 장착되어 자체적으로 도로의 실시간 동적 정보를 수집하고 필요 시 외부 연계 정보와 융합하여 자율주행차 간의 주행을 조율하는 알고리즘으로 전달한다. 딥러닝 기반의 알고리즘은 교통 흐름의 안전성과 이동성, 환경성(배출가스 저감) 증진을 위한 최적의 주행 방법을 생성하고 이를 자율주행차에 제공한다. 이 결과로 인프라 가이던스 제공 구간에서의 모든 자율주행차는 협력주행을 수행하게 된다. 본 연구의 핵심은 안전성만을 고려하지 않고 혼잡 완화와 같은 이동성, 기후변화에 대응하도록 환경성까지 고려한 인프라 가이던스 기술을 개발하는 것이다. 인프라 가이던스 연구는 현재 국내뿐만 아니라 국외에서도 선제적 연구에 해당하기 때문에 우리가 제안한 방법론은 자율협력주행 부문에서 인프라 가이던스 연구를 선도하고 있다고 볼 수 있다. 그러나 자율주행에 있어 매우 중요한 센서 장비는 인지 가능 영역의 범위가 현재 기술 수준에서 최대 250 m 이내다(Ye, 2022). 인지 가능 영역의 최대 범위는 시정거리가 충분히 확보되는 정상 범위의 기상 조건에서 센서가 발휘할 수 있는 최대 능력으로 안개, 강우 또는 적설 등 시야가 제한되는 환경에서는 인지 능력이 현저히 낮을 수밖에 없다. 더욱이 도로에서는 운전자가 예상치 못한 복잡한 상황이 빈번히 발생한다. 일시적으로 도로를 폐쇄하여 진행되는 도로공사뿐만 아니라 최근에는 전동 킥보드와 같은 퍼스널 모빌리티 이용자가 도로를 점용하면서 더욱 복잡한 도로 환경이 되었다. 이렇게 자율주행 기능이 온전히 발휘될 수 없는 도로, 교통 및 기상 조건에서 현재의 센서 기술만으로 완전한 자율주행을 구현하기에는 아직 해결할 부분이 산재해있다. 결국 차량이 스스로 인지, 처리할 수 없는 부분을 인프라뿐만 아니라 주변 차량을 포함한 도로 이용자들이 상호 협력하여 해결해야 한다. 자율주행 환경에서 센싱 정보에 기반한 인지 가능 영역의 확장을 위해서는 전방의 기상 상황뿐만 아니라 실시간으로 변화하는 도로교통 상황을 지속적으로 자율주행차량에 제공하는 것이 필요하다. 즉, 자율주행차량이 주변의 차량 및 인프라와 통신하며 다양한 도로교통 상황 정보를 획득함으로써 독립형 자율주행 기술의 한계를 극복하고 교통 흐름의 안전성을 증진하는 자율협력주행 시스템이 요구된다(U.S. DOT, 2018). 도로 인프라에서 차량에 필요한 정보를 제공하고 차량이 스스로 인지한 정보와 융합하여 안전하게 도로를 주행할 수만 있다면 완전한 자율협력주행이 가능할 것이다. 한국건설기술연구원에서는 2022년 4월부터 자율주행차량의 Stand-alone 한계를 극복하며 고수준의 자율협력주행을 구현하기 위해 ‘인프라 가이던스를 통한 자율차 주행지원 기술 개발’ 국가연구개발 사업(연구책임자: 양인철 연구위원)을 수행하고 있다. 아직 연구 초기 단계이지만 더 안전하고 편리한 도로 인프라를 실현하기 위한 본 연구의 원대한 항해 시작을 소개하고자 한다. 인프라 가이던스 정의 인프라 가이던스’라는 용어는 사실 생소하고 어려운 표현이며 자율주행 지원 인프라를 연구하는 필자에게도 마찬가지다. 하나의 예시로 인프라 가이던스 개념을 전달하고자 한다. 고속도로의 합류 지점을 떠올려보자. 도심지 내 우회전 전용차로가 설치된 신호 교차로도 좋다. 다른 방향에서 온 자율주행차가 본선(또는 주도로)으로 합류하기 위해서는 합류 예상 지점으로 접근해오는 본선 내 다른 차량의 현재 상태, 그리고 합류 예상 시점에서 해당 차량의 주행상태(예: 속도, 주행차선 등) 정보를 알고 있어야 한다. 그리고 충돌 없이 안전하게 합류하기 위해서는 서로 상황을 공유하며 일련의 선약을 해야 한다. 다시 말해 합류가 예상되는 지점에 누가 먼저 진입할지 결정하고 결정된 정보를 공유해야 한다. 만약 이러한 약속 없이 온전히 센서 정보에만 의지해 자율주행차 스스로가 주행한다면 위험한 상황이 발생할 우려가 크다. 그렇다면 이러한 정보를 누가, 어떻게 만들 수 있을까. 삼인칭 전지적 작가 시점에서 해당 구간을 내려보며 자율주행차 각각의 통행을 조율하는 주체가 필요하다. 여기에서의 ‘조율’이 가이던스이고 ‘삼인칭 전지적 작가’가 인프라이다. 인프라 가이던스란 인프라가 자율주행차의 주행 정보와 도로교통 상황을 인지/융합하여 교통 흐름의 혼선을 막고 사고를 예방하도록 자율주행차에 최적의 주행 방법을 제공하는 기술이다. 이러한 인프라 가이던스는 운전자가 필요 없는 레벨 4 이상 수준의 고고도 자율주행차량을 대상으로 한다. 그림 1은 지금까지 설명한 인프라 가이던스 개념을 도식화한 것이다. 인프라 가이던스 구현 방안 인프라 가이던스는 완전한 자율협력주행 시대로 가기 위해 없어서는 안 될 존재이다. 자율주행차가 통행하는 전국 방방곡곡 도로에서 인프라 가이던스가 제공되도록 하는 것이 가장 좋은 시나리오이다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 기존 도로에 인프라 설치가 필요하다. 무엇이든 새로 구매해서 설치하는 것은 비용이 들고 자원은 한정적이기에 전국 모든 도로에 인프라 가이던스를 제공할 수 없다. 그렇다면 우선하여 설치 및 운영할 곳을 정할 필요가 있다. 연구단은 인프라 가이던스 정의 설명에서 예시로 든 고속도로 합류부나 신호 교차로, 일반 운전자도 주행 난이도가 있고 사고가 빈번한 회전교차로와 같이 자율주행차 단독으로 주행함에 한계가 있을 것으로 예상되는 도로 및 교통상황을 복수의 유스 케이스(Use-case)로 정의하였으며 주요 케이스를 그림 2에 제시하였다. 이제 인프라 가이던스가 필요한 구간에서 전지적 작가 시점으로 도로교통 상황을 인지하고 조율하여 인프라 가이던스 정보를 제공하기 위해 구상한 방법론을 쉽게 풀어 설명하고자 한다. 먼저 인프라 가이던스가 제공되는 도로에는 Edge RSU(Roadside unit)라는 일종의 통신 기능을 갖춘 도로 시설물이 필요하다. Edge RSU는 내부에 영상센서와 라이다가 장착되어 자체적으로 도로의 실시간 동적 정보를 수집하고 필요 시 외부 연계 정보와 융합하여 자율주행차 간의 주행을 조율하는 알고리즘으로 전달한다. 딥러닝 기반의 알고리즘은 교통 흐름의 안전성과 이동성, 환경성(배출가스 저감) 증진을 위한 최적의 주행 방법을 생성하고 이를 자율주행차에 제공한다. 이 결과로 인프라 가이던스 제공 구간에서의 모든 자율주행차는 협력주행을 수행하게 된다. 본 연구의 핵심은 안전성만을 고려하지 않고 혼잡 완화와 같은 이동성, 기후변화에 대응하도록 환경성까지 고려한 인프라 가이던스 기술을 개발하는 것이다. 인프라 가이던스 연구는 현재 국내뿐만 아니라 국외에서도 선제적 연구에 해당하기 때문에 우리가 제안한 방법론은 자율협력주행 부문에서 인프라 가이던스 연구를 선도하고 있다고 볼 수 있다. 인프라 가이던스 기반의 미래 모빌리티 글로벌 시장에서는 테슬라, 구글과 같은 거대 IT 공룡기업과 벤츠, 현대자동차 같은 글로벌 완성차 업체가 더 높은 수준의 자율주행차를 개발하기 위해 무한 경쟁 중이다. 그럼에도 불구하고 최근까지 레벨 3 이하의 자율주행 상용차에 의한 사고가 간헐적으로 발생하고 있다. 다양하고 복합적인 원인이 있겠지만, 인프라의 도움 없이 현재 자율주행 기술만으로는 완전 자율주행 시대 개막은 한계가 있음을 보여주는 사례이다. 지금까지 소개한 인프라 가이던스 기술은 자율주행차의 Stand-alone 한계를 극복하고 완전한 자율협력주행 시대로 가기 위한 교두보 역할을 할 것으로 기대된다. 도로교통연구본부 게시일2023-05-26 조회수 2305
• 기대수명 20년 목표 유지보수형 콘크리트 포장 덧씌우기 실용화 기술 개발 기대수명 20년 목표 유지보수형 콘크리트 포장 덧씌우기 실용화 기술 개발 ▲ 남정희 KICT 도로교통연구본부 연구위원 들어가며 국토교통부 도로현황조서 ( 2020)에 따르면 2000년 이후 시멘트 콘크리트 포장 연장은 지속적으로 증가하여 고속도로 ( 1차로) 연장의 약 65.63% ( 12,956 km)에 해당되나, 노후화가 진행되어 리모델링 중장기 계획 ( 안)에 포함된 연장도 무려 19.51% ( 2,528 km)에 해당되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 시멘트 콘크리트 포장 노후화의 증가는 필연적으로 유지보수 예산의 증가로 이어진다. 2001년에 349억 원 규모이던 고속도로 유지보수 예산이 2020년에는 1,547억 원 규모로 무려 4.43배나 증가한 것을 보면 효과적인 유지보수 방안 마련이 절실한 시점이 지금이라는 것을 알 수 있다. 이에 부분 단면 보수의 한계를 극복하고, 기존 노후 시멘트 콘크리트 포장과 동일한 계열의 재료를 사용하여 장수명과 고내구성을 확보할 수 있는 시멘트 콘크리트 포장 계열의 덧씌우기 공법 개발 연구를 지난 4년간 진행하였다. 주요 연구성과로 연속철근 보강을 통해 내구성을 극대화시켜 유지보수로 기대수명을 20년 이상 향상시킬 수 있는 덧씌우기 공법을 실용화하였으며, 현재 기술이전 협상이 진행 중이다. 연속철근 콘크리트 포장 덧씌우기 유지보수 공법 실용화 기술 개발 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법은 열화된 기존 콘크리트 층을 절삭한 후 콘크리트를 덧씌우기하는 것으로서 내구성과 경제성이 우수한 포장 유지보수 공법으로 알려져 있다. 아스팔트 덧씌우기 공법과 비교하여 상대적으로 사용연한이 길고, 교통량 증가 및 중차량에 대한 하중지지 능력이 우수하여 유지보수 빈도 및 유지관리비를 현저히 줄일 수도 있다. 또한 기존 콘크리트 포장과 재료 특성이 유사하여 유지보수 후 포장 파손이 적기 때문에 경제적인 유지보수 대안으로 평가받고 있다. 기존 콘크리트 포장 덧씌우기 공법은 노후화된 줄눈 콘크리트 포장 ( Jointed Plain Concrete Pavement, JPCP) 위에 콘크리트를 덧씌우고 기존 포장에 있는 줄눈 ( joint) 위치와 동일하게 줄눈을 설치하는 방법을 사용하고 있다. 그러나 줄눈 콘크리트 포장에서 가장 취약한 부위가 줄눈부이며, 보수보강 관점에서 줄눈을 그대로 동일하게 설치한다는 것은 궁극적으로 공용성 증진에 한계가 있을 수 있다. 이에 줄눈 콘크리트 포장의 덧씌우기에서 기존 공법보다 공용 수명을 증진시킬 수 있는 혁신적 공법으로 철근 등의 보강재를 사용하여 줄눈부의 거동을 제한하고 줄눈부를 없애는 방식인 연속 철근 콘크리트 포장형식의 박층 유지보수 공법을 개발하였다.연속 철근보강 박층 콘크리트 덧씌우기 유지보수 공법 ( Ultra Thin-Continuously Reinforced Concrete Pavement, 이하 UT-CRCP)은 기존 포장체의 노후화된 표면을 절삭하고얇은 콘크리트로 덧씌우기하는 방식으로 포장체의 두 층 ( 덧씌우기 포장층과 기존 포장층)이 완전히 부착하여 단일화된 거동을 유도하는 공법이다. 본 공법의 핵심 개념은 기존 열화부위를 제거하고 포장 표면을 개량한다는 점과, 보강재를 통해 포장체의 구조적 능력을 증가시킨다는 점이다. 이를 실현시키기 위한 중요한 전제 조건은 기존 포장체는 하중에 대한 지지를 충분히 유지해야 하며 덧씌우기 층은 기존 포장과 완전 부착이 이루어져야 한다는 것이다. 또한 줄눈부 중심으로 콘크리트 포장이 많이 파손되고 있는 국내 현실을 고려할 때, 덧씌우기 시 효과적인 연속 보강근 배치를 통해 기존 줄눈부에 응력이 집중되는 것을 분산시키고, 제한적인 줄눈 폭 거동을 통해 장기 내구성을 증진시키는 것이다. 실용화를 위한 시공 측면의 핵심 개념은 공용 중인 노후화된 콘크리트 도로를 유지보수할 경우 필연적으로 수반되는 차선 차단 및 이에 따른 교통지체 현상을 최소화하기 위해 보강재 설치 시 한 차선만을 이용하여 유지보수가 가능한 한차선 차단 ( One-lane paving) 공법을 개발한 것이다. 주요 연구성과로는 연속 철근보강 박층 콘크리트 덧씌우기 공법의 실용화를 위한 4차에 걸친 대규모 시험 시공을 들 수 있다. 1, 2차 시험 시공은 경기도 연천에 위치한 한국건설기술연구원 SOC실증센터 내 시험 시공 부지에 60 m 규모의 UT-CRCP를 시공하였다. 본 시험 시공을 통해 개발된 한 차선 차단 공법 장비의 시공성을 평가하였으며, 1종 시멘트를 이용한 일반 레미콘의 현장 적용성도 검증하였다. 또한 매립형 계측기를 이용하여 UT-CRCP에 대한 환경하중 및 축하중에 대한 공용성을 평가하였다. 환경하중 변화에 대한 기존 JPCP와 UT-CRCP의 시공 전후 거동 분석을 보면, 기존 JPCP 조인트 거동에 비해 UT-CRCP의 균열 폭 거동은 기존 대비 약 88% 정도 저감되는 효과를 보여주고 있으며 이는 명백히 연속 철근 보강 효과로 판단된다. 이와 같은 현상은 기존 JPCP 줄눈부 거동이 유지보수를 통해 CRCP의 균열거동 형태로 변환될 수 있는 가능성을 보여준 결과라고 말할 수 있다. 또한 2차례의 시험 시공 결과를 바탕으로 3차 시험 시공은 국토교통부와 의정부 국도관리사무소의 협조를 통해 일반국도 37호선 파주 구간 리비사거리에 약 102 m 연장을, 4차 시험시공은 홍천 국도 관내에서 2022년 5월에 시공 완료하였으며, 현재까지 우수한 공용성을 보여주고 있다. 유지보수를 통해 사용자 중심의 고품질 도로 서비스 제공 이 글에서는 노후 시멘트 콘크리트 포장의 유지보수 시 적용할 수 있는 새로운 형식의 유지보수 공법에 대한 특징과 장점을 소개하였다. 이는 시멘트 콘크리트 포장 덧씌우기 유지보수를 통해 노후화된 도로에 대해 구조적 수명연장뿐만 아니라 사용자 중심의 주행 쾌적성 향상, 연속 시공에 따른 노면소음 저감 등의 부가적 서비스 제공이 가능하다는 것을 의미한다. 끝으로 본 연구의 결실이 실용화를 통해 콘크리트 포장의 새로운 미래상을 제시하였으면 하는 바람이다. 도로교통연구본부 게시일2022-12-27 조회수 1522

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