1. 연구의 배경과 목적

 

현재의 시뮬레이션에는 교통류 시뮬레이터, 전파 전송 시뮬레이터, 통신 시스템 시뮬레이터 등, 각각의 전용 시뮬레이터가 다수 존재하지만, 이를 종합하고, 실제로 자동차가 주행하는 실제 환경에 가까운 상태에서의 전파 전송․통신의 평가를 실시하는 환경은 아직 정비되어 있지 않다.

안전 운전 지원의 애플리케이션이 유효하게 작동되는지를 평가하기 위해서는, 개개의 운전자의 행동까지를 평가할 수 있는 것이 바람직하다. 그러기 위해서는, 교통류 뿐 만 아니라, 운전자 한 사람 한 사람의 행동까지 시뮬레이션 할 수 있는 환경이 요구된다.

이에, 교통류 시뮬레이터, 전파 전송 시뮬레이터, 통신 시뮬레이터, 안전 운전 지원 애플리케이션, 그리고 운전자의 인지․판단․행동 모델의 모두를 통합하고 시뮬레이션을 실시할 수 있는 환경 구축을 목적으로, 실제로 이러한 시뮬레이터의 구축을 통해 시뮬레이션의 성과상의 과제 및 구축상의 과제 등을 정리하였다.

 

2. 통합 시뮬레이션 환경 구축 단계

 

가. 통합 시뮬레이션 환경 구축의 진행방식

안전 운전 지원을 위한 애플리케이션의 평가 환경 구축을 위해서, 교통류 시뮬레이터, 통신 시뮬레이터, 안전 운전 지원의 통신 애플리케이션 모델, 전파 전송 모델, 운전 행동 모델을 통합해 그 실현 가능성을 검증하는 것을 목표로 한다.

우선 통합 시뮬레이터 구축의 제1단계(Phase 1)에서는 기존의 사용 가능한 툴을 구사해, 빠른 시간 내에 통합․동작하는 시험제작품을 구축하는 것을 목표로 한다.

다음 제2단계(Phase 2)에서는 제1단계에서 구축한 통합 시뮬레이션 환경에서 축적한 노하우나 성과에 관한 보틀넥 등을 고려한 다음, 통합 시뮬레이터의 최적화를 도모한다. 또, 2009년에 총무성에서 행하였던 대규모 실증 실험에서의 패킷 수신율이나 수신 전기장 강도 등의 실측 데이터를 기초로, 대규모 실험 환경과 같은 환경을 시뮬레이터 내에 구축해, 시뮬레이션에 의한 패킷 레벨로의 수신 특성 결과와 실측 데이터와의 비교, 전파 전송 모델과 실측 수신 전기장 강도와의 특성 비교 등도 실시한다. 최종적으로, 통합 시뮬레이터 구축에 관한 과제나 범용성(Scalability)에 관한 과제, 실측 데이터와의 비교에 의한 결과의 유효성에 관한 과제 등을 정리한다.

 

나. 통합의 제1단계 : 통합 환경의 실현과 과제의 추출

제1단계에서는 기존 소프트웨어를 최대한으로 활용하여, 차량 간 통신 시스템을 종합적으로 시뮬레이션 할 수 있는 환경을 가능한 한 빨리 구축하는 것을 목적으로 한다. 따라서 기존의 소프트웨어 가운데, 다음의 소프트웨어를 이용해 통합 환경을 구축하였다.

① Scenargie Base Simulator/Dot Eleven Module

통신 시스템 시뮬레이터

② MATES

도쿄대학에서 개발된 오픈 소스의 교통류 시뮬레이터

③ (Scenargie) Fast Urban Propagation Module

고속 Ray tracing 전파 전송 라이브러리

④ Integrated Simulation Platform(통합 시뮬레이션 플랫폼)

통신 시스템 시뮬레이터, 교통류 시뮬레이터, 애플리케이션 시뮬레이터를 통합해 동작시키기 위한 시뮬레이션 플랫폼

⑤ (Scenargie) External Simulator Connecting Module

외부 시뮬레이터와 Scenargie를 제휴해 동작시키기 위한 접속 모듈

⑥ (Scenargie)Trace Analyzer Scenargie의 이벤트 정보나 출력 결과를 효율적으로 해석하기 위한 소프트웨어

 

또, 다음의 모델 및 시나리오를 계산기 내에 구축하였다.

⑦ UDM(Universal Driver Model)

시바우라(芝浦)공업대학의 후루카와 오사무(古川修敎) 교수가 고안한 운전자의 행동 모델

⑧ 안전 운전 지원 애플리케이션

근방의 차량 위치를 통신에 의해 교환해, 운전자에게 충돌 회피 행동을 재촉한다.

⑨ 시뮬레이션 시나리오

건물 등을 배치해 시야 확보가 나쁜 교차로를 작성해, 안전 애플리케이션이 동작하지 않는 경우 충돌사고가 일어나도록 차량의 발생 빈도와 타이밍을 조정하는 시나리오

 

통합 환경 구축의 제1단계에서는 구체적으로 다음 작업을 실시하였다.

 

(1) 안전 운전 지원 애플리케이션의 작성

차량의 위치 정보교환, 브레이크, 좌우 회전 시 등의 정보를 통신상에서 교환하는 애플리케이션 모델을 작성한다.

(2) MATES로의 UDM 기본 기능 편입 작업

교통류 시뮬레이터 MATES에 UDM의 기본이 되는 기능의 편성 작업을 실시한다.

(3) 전파 전송 라이브러리를 이용한 전망 계산과 UDM와의 연계부 작성

레이 트레이싱(Ray tracing)의 전파 전송 라이브러리를 계산에 이용해, 이를 UDM와 연계해 이용하기 위한 인터페이스를 작성한다.

(4) 시뮬레이션 시나리오 및 지도의 작성

전망이 나쁜 교차로에서의 충돌사고가 발생하는 환경을 조성하기 위해서, 지도 데이터, 건물 데이터, 애플리케이션, 차량의 발생 빈도 등을 조정해, 시뮬레이션 시나리오를 작성한다.

(5) 시뮬레이션 실행․해석 작업

작성한 시나리오로 시뮬레이션을 실행해 결과 해석을 실시한다.

 

다. 통합의 제2단계(Phase 2) : 통합의 최적화

제2단계(Phase 2)에서는 제1단계(Phase 1)의 실행 성능 해석에 의거해, 통합 시뮬레이터의 실행 성능 최적화를 실시한다. 제2단계에서 실시하는 내용은 구체적으로 다음의 5개이다.

 

(1) MATES에의 UDM 편입 작업

제1단계의 UDM를 전망 계산 라이브러리나 애플리케이션과 제휴해 동작하도록 확장한다.

(2) 시뮬레이터간의 연계 인터페이스의 최적화 작업

Scenargie가 직접 외부 시뮬레이터와 연계해, 전체의 실행 성능을 최적화한다.

(3) 전망 계산 라이브러리의 구축

독자적으로 전망한 계산 라이브러리를 구축해 전망 계산의 고속화를 도모한다.

(4) 실험 데이터에 의거한 전파 전송 모델의 작성

실증 실험의 통계 데이터에 의거한 전파 전송 모델을 작성한다.

(5) 시뮬레이션 실행․해석․실험 데이터와의 검증 작업

개발한 통합 시뮬레이터 환경, 및 시나리오를 이용해 시뮬레이션을 실행해 실험 데이터와의 검증 작업을 실시한다.

 

3. 종합실행 성능평가

 

안전 운전 지원 애플리케이션을 평가하기 위한 시뮬레이션 환경 구축으로서 교통류 시뮬레이터, 통신 시뮬레이터, 전파 전송 모델, 운전 행동 모델, 전망 계산 라이브러리, 안전 운전 지원 애플리케이션의 모두를 통합한 통합 시뮬레이션 환경 구축을 통해 문제점이나 과제를 정리하였다.

 

 

 

통합 시뮬레이션 환경 구축의 제1단계(Phase 1)에서는, 기존의 툴을 최대한 활용해, 조기에 통합 시뮬레이션 환경을 구축하기 위해, 통합 시뮬레이션 체제를 이용하고, 교통류 시뮬레이터(MATES), 통신 시뮬레이터(Scenargie)를 조합하여 통합 시뮬레이션 환경을 구축하였다. 구축한 통합 시뮬레이션 환경에서, 차량 간 통신 시뮬레이션을 실시해, 전체의 성과의 프로파일링을 실시하여, 어느 처리 부분이 보틀넥이 되고 있는지를 밝혀, 통합 시뮬레이션 환경 구축의 최적화를 위한 지표를 명확히 하였다.

통합 시뮬레이션 환경 구축의 제2단계(Phase 2)에서는, 제1단계에서 구축한 통합 시뮬레이션 환경의 문제점을 개선해, 통합의 최적화를 도모할 수 있도록, 모든 시뮬레이터를 직접 링크해 1개의 바이너리(프로그램)로서 동작하는 밀결합(密結合)의 통합 시뮬레이터를 구축하였다. 또, 각각의 기능 모듈에서 고속화를 도모할 수 있도록, 운전 행동 모델로 사용할 전망 계산 라이브러리의 독자 설계․개발 및 전파 전송 모델의 개발과 그 타당성의 검증을 실시하였다.

통신에서는 전파 전송보다 상위인 물리층 및 데이터 링크층(Medium Access Control： MAC)의 시뮬레이션 특성과 실증 실험에 의해 얻어진 실측 데이터의 패킷 수신 특성을 비교하여, 시뮬레이터의 물리층, 데이터 링크층 모델의 타당성도 검증하였다. 이 평가에서는, 실제로 계측을 실시한 2점간의 노드에 대해 실측 데이터를 그대로 시뮬레이터로 이용하고, 그 외의 노드에 대해서는, 몇 개의 전파 전송 모델에서 평가를 실시하였다. 그 결과, 실측 데이터의 패킷 수신 특성과 시뮬레이션에 의해 산출한 패킷 수신 특성을 비교하여, 전송모델을 바꾸었을 때의 영향이나, 시뮬레이션에 의한 결과와 실측 데이터와의 상관이나 괴리의 비율을 파악할 수 있었다.

종합 평가 실행 성능에서는, 제1단계에서 구축한 통합 시뮬레이터와 제2단계에서 최적화를 실시한 통합 시뮬레이터의 양쪽 모두에서 동작 검증 및 실행 속도의 평가를 실시하였다. 실행 속도의 비교는 시뮬레이션 하는 차량 대수를 변화시키면서, 통신 유무의 상황에서의 시뮬레이션 실행 시간을 비교하였다. 시뮬레이션 실행 시간의 대부분이 통신 시뮬레이터인 점, 차량 대수가 증가함에 따라 통신 시뮬레이터에 걸리는 오버헤드가 커지는 점에 의해, 차량의 대수가 많은 환경에서는 통합 부분에서의 오버헤드의 차이가 크게 나오지 않는다. 그러나 통합 환경의 최적화에 의해, 시뮬레이션 하는 차량 대수가 750대인 경우에서는 5배 정도, 차량 대수가 적게 되면 그 이상의 속도 향상을 실현할 수 있었다.

 

4. 향후 과제

 

가. 시뮬레이션 실행 속도의 과제

통합 시뮬레이션 환경 구축을 실시해, 실제로 동작시켜, 그 실행 속도를 평가․검증을 실시하였다. 시뮬레이션 결과, 2단계에서 최적화를 실시한 후의 통합 시뮬레이터를 이용해도, 750대의 차량으로 1타임스텝(100ms)을 계산하는데 약 74초의 시간을 소요되어 현재의 계산기 능력에서 시뮬레이션 할 수 있는 시간을 파악할 수 있었다. 새로운 고속화를 도모하기 위해서는, 전파 전송 모델이나 통신의 프로토콜 모델 자체의 추출(Abstraction)을 실시하는 것이 필요하다.

 

나. 운전 행동 모델과 사고 발생 시뮬레이션에 관한 과제

이번에 시험 제작한 운전 행동 모델은 n타임스텝에서의 전망 내 차량 상태에 의해 n+1 타임스텝의 이동 위치․속도․가속도를 계산하는 단순한 모델이다. 향후, 실제로 인간이 무의식중에 행하고 있는 다양한 행동 모델을 시뮬레이터 내에 모델화하여, 보다 실제상의 사고 발생 원인과 유사한 사고 발생을 시뮬레이터 내에서 발생시키는 것이 가능할 것으로 보인다. 따라서 세밀한 운전 행동 모델이나 파라미터의 설정이 필요하다.

 

다. 전파 전송 모델에 관한 과제

차량 간에서는 안테나 위치가 송수신 모두 1.5～3m정도로 비교적 낮은 위치에 배치되어 있기 때문에, 전파 전송 환경을 모델화하는 것이 매우 어렵다. 적합한 환경 하에서는 어느 정도 실제와 유사한 전송 결과가 나오는 것을 기대할 수 있지만, 보다 모델을 적절히 선정하기 위해서는 차량 간 통신에서의 실측 데이터량을 축적하는 것이 필요하다.

 

▣ 원문제목 : 安全運転支援システムの統合シミュレータに関する フィージビリティスタディ報告書

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 목적

2. 실시 체제

3. 조사 내용

4. 향후의 과제 및 전개