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동희 구
6 years ago
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1 보행자보호시스템 : 연구동향및향후과제 정호기 1) 연세대학교전기전자공학부 1) Pedestrian Protection System: Review and Problems Ho Gi Jung *1) *1) School of Electrical & Electronic Engineering, 134 Shinchon-dong, Seodaemun-gu, Seoul , South Korea Abstract : This paper divides pedestrian protection methods into three categories infrastructure enhancement, passive safety system, and active safety system then summarizes recent research trends and activities. Based on the survey and analysis, this paper proposes two problems, which are not researched but required for our country, as future works. The first topic is acquiring compatibility between traffic calming and recognition systems of intelligent vehicle. As current recognition systems of intelligent vehicle are tuned to the appearance of existing road structures, they could be confused and degraded by roads modified by traffic calming. Therefore, development of recognition systems considering traffic calming and addition of traffic signs to assist automatic recognition systems seem to be required. The second topic is development of communication-based pedestrian detection. The most challenging situation to sensor fusion-based pedestrian detection is when a pedestrian runs into the road from a hidden area. Even in the situation, communication-based can detect the pedestrian. Furthermore, it can provide additional information about the communication module holder. Therefore, core technologies should be developed before related standardization procedures start. Key words : Pedestrian Protection System( 보행자보호시스템 ), Traffic Calming, Pedestrian Detection System( 보행자검출시스템 ), Communication-based Pedestrian Detection( 통신기반보행자검출 ), Active Hood System( 능동적후드시스템 ), Pedestrian Protection Airbag( 보행자보호에어백 ) 1. 서론 * 차선이탈경보 (LDW: Lane Departure Warning), 사각지대감시 (BSD: Blind Spot Detection), 충돌대응안전시스템 (PCS: Pre-Crash Safety), 충돌경보및회피 (CW/CA: Collision Warning/Collision Avoidance) 와같이오랜시간개발해온운전자보조시스템 (ADAS: Advance Driver Assist System) 과능동안전시스템 (ASV: Active Safety Vehicle) 들이 * 정호기, hgjung@yonsei.ac.kr, Homepage: 상품화되면서 1), 2), 3), 연구기관과교통당국의관심이교차로사고방지시스템 4), 지능형주차지원시스템 5), 능동적보행자보호시스템 (APPS: Active Pedestrian Protection System) 등과같은새롭게부각되는기술과선행과제들로이동하고있다. 특히, 교통사고사망자의중요한부분을차지하고사고에취약한보행자와직접적으로연관되어있기때문에, APPS는큰주목을받고있다. 보행자는비교적크기가작고그외양 (appearance) 이다양하면서계속적으로변화하기때문에, ACC, PCS, CW/CA에서사용됐던기술을그대로사용할수는없다. 하지만, 이러한제품들을

2 양산수준으로발전시킨기반기술과경제적환경은 APPS를현실적으로구현가능하게해줄것으로기대된다. 특히, 고성능내장형프로세서, 모 Traffic calming에사용되는수단은의도하는효과에따라크게두가지로구분할수있다 : 교통량통제및차량속도통제. 놀리틱 밀리파 집적회로 (MMIC: Monolithic 교통량통제수단은주로보행지역을관통하는 Microwave Integrated Circuit) 기반소형레이더, 교통을막고사고를용이하게예방할수있는길로 HDRC(High Dynamic Range CMOS) 카메라와같은전자부품및센서기술들은앞으로도지속적인발전을거듭할것으로기대되기때문에, APPS의상품화에지대한공헌을할것으로전망된다. 최근 Gandhi와 Trivedi가보행자보호시스템에대하여훌륭한 survey 논문을발표한바있다 6). 그들은보행자보호방법을인프라스트럭쳐개선, 우회하도록도로를개선한다. 교통량통제수단에는양방향폐쇄 (full closure), 한방향폐쇄 (half closure), 교차로분할 (diagonal diverter), 중앙분리대 (median barrier) 등이있다. 차량속도통제수단은주로과속을방지하기위하여, 도로의수직, 수평굴곡을삽입하거나도로폭을줄인다. 수직굴곡에는과속방지턱 (speed 차량설계와관련된수동안전시스템, 보행자인식 hump), speed table, 융기 횡단보도 (raised 에근거한능동적안전시스템, 충돌예측과같이네가지로구분하였다. 차량에탑재되는보행자보호시스템은차대-보행자충돌사고발생이전에작동하면능동적안전시스템으로분류되고, 충돌사고발생이후에작동하면수동적안전시스템으로분류된다. 능동적안전시스템에선보행자인식 crosswalks), 융기교차로 (raised intersection), textured pavement 등이있다. 수평굴곡에는 traffic circle, roundabout, chicane, 비틀어진교차로 (realigned intersection) 등이있다. 도로폭축소에는 neckdown, center island narrowing, chocker 등이있다. 시스템이차량에탑재되는데반하여, 충돌예측에 미국 DoT(Department of Transportation) 선인프라스트럭쳐에설치된다. 본논문은보행자보호를위한방법들을인프라스트럭쳐개선, 수동적안전시스템, 능동적안전시스템과같이세가지로분류하고, 각각의최신연구동향을정리한다. 이렇게조사된최신연구동향을근거로우리나라에서아직대응하지못하고있지만, 꼭필요하다고생각되는두가지문제를향후연구주제로제시한다. FHWA(Federal Highway Administration) 는보고서를통해, 잘설계되어설치된 traffic calming 수단들이자전거이용자와보행자에게많은혜택을준다는사실을확인하였다 8), 9). 즉, traffic calming에의한차속감소는차대-보행자, 차대-자전거사고의가능성과위험성을현저히낮춰줬고, 이에따라보행자나자전거이용자는쾌적한교통환경을느낄수있었다. 보행자교통사고사망자가주로밤에발생하기 2. 인프라스트럭쳐개선 때문에, 보행자가시성은도로변조명을개선함으 로써개선될수있다. 또, 도로변에주차된차량들 인프라스트럭쳐개선을통한보행자사고경감노력은보행자보호방법들중에서가장전통적인방법이라할수있다. 이방법은속도제한, 차량 -보행자분리, 보행자에대한가시성 (visibility) 이보행자의시야를방해하고운전자의보행자인지를방해하기때문에, 주택가에불법주차된차량을지속적으로견인하거나대각주차방법을강제함으로써사고를방지할수있다. 특히, 주차된차 및시인성 (conspicuity) 개선 6) 등의수단을동원 량에의한문제점은어린이교통사고와밀접한관 하여, 보행자사고를예방할수있는주행및보 계가있는것으로알려져있다 6). 행환경을구축한다. 속도제한및보행자분리는일종의운동및개 3. 수동적안전시스템 념인 traffic calming 을살펴봄으로써, 쉽게 이해될수있다 7). Traffic calming에대한정의는다양하지만, 공통적으로차량속도경감과보행자 차량-보행자충돌사고에서보행자는주로차량의전면에충돌하는것으로나타났다. 미국 안전증진및삶의질향상을목표로한다. NHTSA(National Highway Traffic Safety

3 Administration) 의보행자부상사고의충돌부위에대한분석결과에의하면, 71.1% 의보행자가차량전면에충돌했다. 또, 보행자사망사고의경우, 80% 정도의보행자가차량의전면에충돌했다. 더욱이, 나머지의대부분도보행자가도로바닥에쓰러진경우여서, 보행자가차량과직접충돌할경우, 대부분보행자가차량전면에충돌함을알수있었다 10). 차량-보행자충돌사고에서, 보행자신체부위중머리가부상에가장많이노출됐고, 그결과도가장치명적인것으로나타났다 11), 12). 차량-보행자충돌사고에서보행자는흔히팔, 다리, 머리등에부상을입는것으로나타났다. 하지만, 사망자의 62% 는머리부상에의한것으로, 머리부상이얼마나치명적인지를보여주었다. 충돌사고발생시, 보행자머리는딱딱한차체로부터직접적인충격과함께매우큰회전가속도를받는다 13). 머리부상을일으킨차체부위별분석에의하면, 44.3% 가 A-pillar를포함한 windshield에의한것으로나타났다. Windshield 부위는보닛에비해두배많은머리부상을일으켰고, 심각한부상의경우만고려하면세배많은부상을일으켰다. 특히, 다른부위들은비교적경미한부상을일으킨데반해, 심각한부상의 82% 는 A-pillar가일으킨것으로나타났다 13). 이러한조사결과를근거로, 수동안전시스템들은보행자머리가주로충돌하는후드 ( 보닛 ), windshield 하단부, A-pillar와같은차량전면에충돌에너지를흡수할수있는기구를설치하는방식으로개발되어오고있다. 수동안전시스템에는충격경감전면구조, active bumper, active hood (hood lifting 또는 active bonnet), 보행자에어백등이포함된다. Active bumper는충격을흡수하기적합하도록강도를낮추는동시에, 무릎관절이좌우로구부러지는것을방지하기위하여다리의여러부위를지지해주도록설계된다 14). Active bumper의충격흡수를위해서, foam energy absorber, molded plastic energy absorbers, air-filled energy absorber, flexible plastic beam, bumper deploying, crush can, 외부추가구조물, foamencapsulated metal, 철제 energy absorber 등이사용된다 14). Active hood system은범퍼안에내장된보행자충돌센서와가속도센서를사용하여차량-보행자충돌을감지하고, 보닛뒤쪽을두개의구동기를사용하여 60-70ms 이내에약 100mm 들어올린다 15). 보행자보호에어백은이렇게들어올려진보닛과 windshield 사이공간을통하여, 에어백을전개시킨다 17). 이때, 에어백은 windshield 하단부와 A- pillar를감싸기위하여 U자모양으로전개된다. 이렇게, active hood와보행자보호에어백을동시에사용할경우에, 한가지만사용했을경우에비하여월등히우수한보행자보호성능을보였다. 이것은차량전면이보행자머리부상에치명적이고그부위가넓기때문에, 한가지대응책만으론완전히해결할수없기때문이다 13). Active bumper, active hood, 보행자보호에어백을하나의세트로동시에개발한 IVSS 프로젝트는좋은예라고할수있겠다 17). Autoliv 역시 active hood와보행자보호에어백을하나의체계로서동시에개발하여제공하고있다 18), 19). 앞서언급한수동안전시스템의개발들은강화된차량-보행자충돌관련규정에많은영향을받고유도된것으로보인다. EEVC(The European Enhanced Vehicle Safety Committee) WG(Working Group) 10과 WG 17은차량전면의보행자보호성능에대한평가방법을개발하였다. EEVC WG 17의보고서에근거하여, 새롭게제정된법적요구사항 European Directive (2003/102/EC) 는머리충격, 상박충격, 하박충격에관하여규정하고있다. 이는 2005년과 2010년두차례에걸쳐단계적으로적용되었다 20). EU 평가규정은후드표면의 2/3에대하여 HIC(Head Injury Criteria) 1000이하, 나머지 1/3에대하여 HIC 2000이하를요구하고있다. 이때, HIC는국제적으로사용되는머리충격평가지표로서, 머리에가해지는가속도를기준으로계산된다. HIC가 1000이하란, 생명을위협하는부상의위험이 15% 이하임을의미한다. 참고로, HIC에대한생명을위협하는부상의위험은매우급격하게증가하는데, HIC가 2000인경우, 생명에대한위험은 90% 에이른다 18). 4. 능동적안전시스템능동적안전시스템은보행자검출시스템과충돌

4 회피수단으로구성된다. 다양한종류의센서와알고리즘들을활용한보행자검출시스템연구가수행되어오고있다. 보행자검출시스템은관찰영역내에보행자가있는지를계속적으로주시하다가, 보행자가검출되면자차의운동을고려하여충돌위험성을평가한다. 이렇게계산된충돌위험성은운전자에게경보를주거나능동제동을활성화시키는데사용된다 6). 능동적안전시스템의충돌경보및회피제어는수동적안전시스템을조기에준비시키는신호로활용될수있다. 자동제동의의한충돌회피가실패한경우에도, 차량속도저하에따라머리에가해지는가속도를줄일수있고충돌지점을가장위험한 windshield 하단부보다아래쪽으로이동시킬수있기때문에, 보 전경추출, 및외양기반객체분류단계는차량검출경우와매우유사하다 22). 전경추출또는후보생성에는지식기반 (knowledge-based), 스테레오비전기반, 움직임기반등의기술이사용된다. 외양기반객체분류에는 SVM(Support Vector Machine), AdaBoost, 신경망과같이대중적으로검증된학습알고리즘들이사용된다. 계속적으로변화하는보행자외곽선과외양에강인하도록개발된다소특이한접근방법으론, D. Gavrila가개발한 contour tree-based template matching과 part detection-based 등이있다. 아직까지, 어떤종류의특징과분류기가보행자검출문제에서최적인가하는문제에대한격렬한논의가진행되고있다. Mohamed Hussein 등은최근까지가장유망한두가 행자의피해를경감시킬수있을것으로기대된다. 지특징인 HOG(Histograms of Oriented Gradients) 능동제동에의한충돌회피제어가이미 PCS, CW/CA, full-range ACC 등의시스템을통하여구현된점을고려할때 1), 2), 능동적보행자보호시스템의핵심기술은보행자검출기술이라고할수있겠다. 보행자검출기술은사용되는센서에따라다섯가지로구분될수있다 : 원적외선카메라기반, 근적외선대역을포함한가시광카메라기반, 밀리파레이더기반, 통신기반, 센서융합기반. 스캐닝레이저레이더의경우, 보행자검출시스템에서자주사용됐지만, 단독으로사용되기보단가시광카메라와융합되어사용되는것이일반적이기때문에, 별도의항목으로분류하지않았다. 원적외선카메라기반기술은 night vision을위한야간보행자검출에특화되어있다. 이기술은일반적으로보행자의신체온도가대기온도에비하여높다는점에이용하기때문에, 어두운조명조건하에서보행자를비교적용이하게검출할수있다. 하지만, 주간에사용할수없고, 모든차종에적용하기엔비용이높다는단점이있다. David Gernóimo 등은최근가시광카메라기반보행자검출에대하여훌륭한 survey 논문을발표하였다 21). 그들은가시광카메라기반보행자검출시스템의구조를 6단계로설명하였다 : 전처리 와 COV(Region Covariance) 를사용하고, boosted feature region에대한 rejection cascade로구성한보행자검출기의성능을비교하였다 23). Markus Enzweiler와 D. Gavrila는최근까지가장유망한네가지보행자검출시스템을비교하였다 : wavelet 기반 AdaBoost cascade, HOG를사용한 linear SVM, LRF(Local Receptive Field) 를사용한신경망 (NN: Neural Network), 텍스쳐기반 NN/LRF 분류기를활용한계층적모양정합 (hierarchical shape matching) 24). Hamburg 기술대학의 Hermann Rohling 교수팀은자동차용밀리파레이더만을사용한보행자검출시스템을개발하였다 16), 25). 그들은보행자에의해반사된레이더에코신호는승용차나트럭과같은다른종류의배경과는다른특성을지님을발견하였다. 자동차용레이더센서는대상물체까지의정확한거리뿐만아니라 cm/s 단위의정밀도로속도도측정할수있다. 대상물체의위치와속도를측정해보면, 보행자는비교적크기가작기때문에위치값들은매우좁은영역에존재하고, 팔, 다리를움직이기때문에속도값들은매우넓은영역에존재하는것으로나타난다. 차량의경우엔, 위치값은넓은영역에존재하고, 속도값은좁은영역에존재하는것으로나타난다. 보행자와혼돈하기 (preprocessing), 전경 추출 (foreground 쉬운도로변기둥들의경우엔, 위치값과속도값 segmentation), 객체 분류 (object 모두좁은영역에존재하는것으로나타난다. 더욱 classification), 검증 (verification), 추적 이보행자속도는걸음걸이움직임과연관되어저 (tracking), 및응용 (application). 이중전처리, 주파로진동함을알수있다. 이러한특징은전체

5 가한덩어리로움직이는차량과매우다른특성으로, 보행자를차량과구별해내는중요한특징으로사용된다. 측정된위치및속도값의분산, 속도의저주파특성을활용함으로써, 레이더만으로대상물체의종류를판단할수있다. 통신기반보행자검출은새롭게개발되고있는방법으로, 전파를사용하는통신의경우직접적인가시권이아닌지역에서도정보를주고받을수있기때문에, 보이지않는영역에서갑자기뛰어나오는보행자도인식할수있을것으로기대되고 이있는지방정부가주도적으로도입을시도하고있다. Passive safety와인식시스템을포함한 active safety의개발에는지식경제부가주체이고, 그검증에는국토해양부가관여하고있다. 이렇게상이한목적을가지고있는여러주체가관련되어있기때문에파생되는문제가예상된다. 지능형자동차인식시스템은기존도로모양에적합하게개발되었기때문에, traffic calming이적용된도로상에서많은문제를발생시킬수있다. Traffic calming은직선모양도로를굽게만들고, 평평한 있다. GSM(Global System for Mobile 도로를높이차이가지게만든다. 이와같은조치 communication) 이나 UMTS(Universal Mobile 가운전자의주의를집중시키고자연스럽게차속을 Telecommunication) 와같은모바일통신을사용할수있는지에대한연구가진행되었지만, 보행자를 감소시켜사고를예방할수는있지만, 인식시스템의난이도를증가시키는문제점이있다. 예를들어, 포함한 모든 노드들이 정밀한 GPS(Global 대부분전방차선및장애물인식시스템은도로를 Positioning System) 을가지고있어야하고, 반응속도요구사항 (latency requirement) 을만족시키기위해서일대일통신 (peer-to-peer) 을추가해야된다는문제점이발견되었다 26). EU 프로젝트 WATCH-OVER와독일프로젝트 AMULETT는단거리통신을보행자검출에활용하는방법을개발하고있다 27), 28). 차량이계속적으로질의 (interrogation) 를발송하면, 학생용가방, 자전거, 오토바이등사람의소지품에내장된소형발신기가이에대답한다. 차량에장착된다중안테나를사용하여, 응 평면으로가정한다. Speed table과같은수직굴곡은이러한가정을만족시키지않기때문에, 장애물의위치추정등의성능을심각하게저하시킬것으로예상된다. Textured pavement는도로표면의 texture가일반적으로균일하다는가정을무너뜨리고, traffic circle 같은수평굴곡은진행차로인식시스템의최대곡률보다큰곡률을갖는다. 따라서, 이러한문제점을해결하기위하여, 1) traffic calming이적용된상황을고려한인식시스템의개발, 2) 자동인식을위한표시추가등인식 답한발신기까지의거리와방향을추정할수있다. 시스템을고려한 traffic calming 개발이필요할 더욱이, 질의에대한응답엔, 민첩성, 연령대, 이동경향등발신기를소유한사용자에대한정보를포함시킬수있다. 이러한단거리통신용으로 IEEE (Zig-Bee), RFID(Radio Frequency Identification), IEEE a UWB(Ultra Wide Band) 라디오등이고려되고있다. 것으로예상된다. 두번째과제는통신기반보행자인식에대한연구이다. 기존의센서융합기반보행자인식시스템의계속적인발전에도불구하고, 대중화엔아직많은장벽이있다. 중요장애요인은인식시스템의불완전한신뢰성과시야밖에서뛰어들어오는보행자 에대한인식지연이었다. 비록완벽한상용화가 5. 전망및과제 완성되지는않았지만, 통신기반보행자인식기술은 이러한문제들에대한좋은해답이될것으로전망 위연구동향을근거로지능형자동차인식시스템과관련된두가지과제를제기하고자한다. 첫번째과제는 traffic calming과지능형자동차인식시스템과의호환성확보이다. 우리나라의경우, 위에서언급한세가지접근법을추진하는주 된다. 따라서, 우리나라에서도세계제일의 IT기술을십분활용하여관련핵심기술개발에나서야할것으로생각된다. 특히, 통신기반보행자인식과관련된물리계층및프로토콜등의표준화과정에서소외될경우, 기술종속과원가부담을피할수없 체가 상이하다. Traffic calming과 같은 을것으로보인다. infrastructure 기반방법은도로의건설, 유지의 책임이있는국토해양부나주거환경관리에책임

6 Acknowledgement 이논문은 2010년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (No ). References 1) Muamer Hodzic, Distronic Plus and Brake Assist Plus Reduce Rear-end collisions by 20%, available at c-plus-and-brake-assist-plus-reduce-rearend-collisions-by-20/, accessed on 30 May ) The Motor report (TMR), 2010 Toyota Prius To Ship With advanced Safety Gear, available at -toyota-prius-to-ship-with-advanced-safetygear, accessed on 30 May ) Egil Juliussen, Driver Assist Systems, available at ctronics/driver_assist_systems.htm, accessed on 30 May ) safety/intersafe/ 5) BBC News, Self-parking car hits the shops, available at 19.stm, accessed on 31 May ) Tarak Gandhi and Mohan Manubhai Trivedi, Pedestrian Protection Systems: Issues, Survey, and Challenges, IEEE Transaction on Intelligent Transportation Systems, Vol. 8, No. 3, Sep. 2007, pp ) 8) Clarke, A. and M.J. Dornfeld, Traffic Calming, Auto-Restricted Zones and Other Traffic Management Techniques: Their Effects on Bicycling and Pedestrians, National Bicycling and Walking Study, Case Study No. 19, Federal Highway Administration, Washington, D.C., ) Herman F. Huang and Michael J. Cynecki, The effects of traffic calming measures on pedestrian and motorist behavior, Research report FHWA-RD , Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, Aug ) J. R. Crandall, K. S. Bhalla, and N. J.Madeley, Designing road vehicles for pedestrian protection, Brit. Med. J., vol. 324, no. 7346, pp , May 11, ) J. Yao, J. Yang, and D. Otte, Investigation of head injuries by reconstructions of real-world vehicleversus-adult-pedestrian accidents, Saf. Sci., vol. 46, no. 7, pp , Aug DOI: /j.ssci ) W. Koch and M. Howard, Comprehensive approach to increased pedestrian safety in pedestrian - Car accidents, in Proc. Inst. Mech. Eng. Part D: J. Automobile Eng., Jul. 2003, vol. 217, pp ) R. Fröming, V. Schindler, and M. Kühn, Requirement engineering for active safety pedestrian protection systems based on accident research, in Advanced Microsystems for Automotive Applications NewYork: Springer-Verlag, Apr , 2006, pp ) Peter J. Schuster, Current Trends in Bumper Design for Pedestrian Impact, SAE Paper No.: ) Rikard Fredriksson, Yngve Håland, and Jikuang Yang, EVALUATION OF A NEW PEDESTRIAN HEAD INJURY PROTECTION SYSTEM WITH A SENSOR IN THE BUMPER AND LIFTING OF THE BONNET S REAR PART, available at a004ce4f3f8ac68eef594aebdee/pedestrian.pdf?m OD=AJPERES, accessed on 30 May ) Florian Folster, Hermann Rohling, and Marc- Michael Meinecke, Pedestrian Recognition

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untitled 국문요약....,,... 2,,. 3.,. 4. 5. Abstract Demographic change is greatly accelerating owing to the increasingly low birth rate and aging population in Korea. In particular, the increase in the number of elderly