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• 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 1573
• 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 1594
• 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 2331
• 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 1555

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