| 연구개발개요 |
？ 연구목표: 신속하고 편리한 버스 승하차를 위해 지향각이 ±7°로 매우 우수한 초지향성 스피커에 사운드 태그를 접목하고 교통카드 대신 승객의 스마트폰을 이용한 1:N 방식의 Cardless 시스템을 개발 및 상용화(TRL 7, 세계최초)？ 연구내용- 초음파 사운드 태그 기법을 적용한 통신프로토콜 및 아키텍처 설계(40kHz의 반송파, 18kHz ~ 20kHz 내의 사운드 통신프로토콜)- 초음파 특성을 이용한 초음파 거리 감지, 초음파 음향 송출, 초음파 사운드 태그 알고리즘 구현- 안내방송, 사운드 태그 통신, 공간 및 사람인지를 위한 통합형 하드웨어 제작(세계최초)- 다기능 DSP 기반 SSP(Smart Sound Platform) 보드 설계 및 제작- 사운드 교통결제를 위한 Smart Device 상의 사운드 태그용 신호처리 기술 SDK 구현- 결제를 위한 User Interface 및 통신용 SDK 구현- 시내버스 환경상의 다양한 검증 테스트 및 최적화를 통한 환경 강인성 확보？ 파급 효과- Cardless 방식으로 버스 승？하차 시 추가적인 카드 태그가 필요 없어 사용자의 편의성이 향상- 1:N 방식의 결제로 혼잡도가 높은 버스정류장에서 승하차 속도를 향상시켜 교통 혼잡 감소- 지하철 등 타 대중교통으로 시스템을 확대 적용하여 하이패스와 같은 승하차 결제 환경구축○ 연구개발 배경？ 도시교통난 해소를 위한 시내버스 활성화 필요: 도시 대중교통 수단으로 대표적인 것으로 시내버스와 지하철이 있으며 오랜 건설기간 및 막대한 경비가 드는 지하철보다 시내버스는 현재의 여건에서도 교통정책을 전개함으로써 도시교통난을 효율적으로 해소 할 수 있음？ 승ㆍ하차시 RFID 태그의 불편 증대: 현재 버스에서 사용하고 있는 RFID는 1:1 방식으로 0.5초의 결제 시간이 요구되며 승ㆍ하차 시에 버스결제 단말기에 직접 태그를 해야 하기 때문에 혼잡도가 높은 구간의 경우 승객뿐 아니라 정류장에서의 혼잡도 발생하고 있음(서울연구원 “2016 정류장 혼잡도 고려 중앙버스 전용차로의 수송용량 산정 방안)？ 5G시대 Cardless 스마트 결제요구 증가: 전 세계적으로 스마트폰 인프라가 구축되면서 스마트폰을 이용하여 고객이 다양한 결제 수단을 결제 시점에 선택할 수 있는 스마트 결제가 증대되고 있으며 최근 5G 시대가 도래함에 따라 Cardless 스마트 결제가 더욱 확대 적용되기를 요구하고 있음(지형 공간정보체계 용어사전 2016. 1. 3)？ 버스환경에 적합한 Cardless 결제시스템 필요: Cardless 결제 서비스는 스마트폰의 발전과 온라인 쇼핑 등의 전자거래 활성화로 지속 증가하고 있으나 버스환경 등 불특정 다수를 대상으로 하는 대중교통에 대한 Cardless 결제기술은 선결제 시스템 등 예약을 통한 결제 방식에 의존적임？ 신뢰성이 향상된 사운드 태그 기술요구: 사운드 태그는 들리지 않은 소리(Ultra Sound)를 사용해 정보를 전달하는 서비스로 일반 스피커로 신호를 내보내 타겟 유저의 스마트폰에 콘텐츠를 전달 할 수 있는 사용자 친화적 기술이나, 주변 소음 및 거리에 따라 인식률이 저하되며, 사방으로 퍼지는 소리로 인해 원하는 특정 영역에 지향된 인식 등에 문제를 갖고 있어 기능개선이 절실히 요구됨？ 기존 RFID 결제 방식의 한계: RFID는 근접 센서로 오차 문제가 발생하지 않지만 신호 도달범위가 대체적으로 짧아 1:N방식의 결제 방식에는 적합하지 않으며, 운전자 단말기에 해당 정보가 저장되고 차고지 도착 후 집계서버로 정보를 전송해야 하는 등 사용 및 관리의 어려움을 갖고 있음- 전국버스운송사업조합연합회에서 2018년에 발간된 “버스통계편람(2017)”에서 서울에서 시내버스를 2017년에 이용한 고객은 1,532,997,573명이며 이를 1일평균인 365일로 나누면 약 4,200,000명이 서울에서 버스를 이용하고 서울시의 시내버스는 7,400대가 운행중이여서 버스 한 대당 일일 평균 승객은 약 568명임- RFID를 이용한 기존 결제 방법은 결제시간은 0.5초로 짧지만 1:1의 단독결제만 가능하여 승객의 대기시간은 약 3초정도 걸리고 있으나, sound tag를 이용한 개발 결제 방법은 대기시간 없이 1:n의 다중결제가 가능해서 연속적으로 대기 없이 약 1초의 시간만 필요하여 일일 총 19분의 시간을 단축할 수 있음- 24시간중에 19분은 약 1.3프로를 단축하는 효과이지만, 승객의 80%가 밀집되는 3시간 동안 19분은 11%의 단축을 보임 - 교통혼잡비용은 차량운행비용과 시간가치비용의 합으로 이루어지며 이중 시간가치비용은 수단별, 목적별, 재차인원의 시간 가치비용을 적용함- 교통혼잡비용은 2005년부터 시간이 흐를수록 총비용과 전년대비 증가율이 증가되고 있으며 이는 규모면에서 GDP의 2.2%에 달할 정도이며, 교통혼잡은 국가 경제활동에 큰 영향을 미치므로 교통혼잡을 완하하기 위한 지속적인 노력이 필요함
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| 최종목표 |
최종 목표？본 연구는 신속하고 편리하게 버스 승하차가 가능하도록 지향각이 ±7°로 매우 우수한 초지향성 스피커에 사운드 태그를 접목하고 교통카드 대신 승객의 스마트폰을 이용하여 1:N 방식으로 실시간 버스 결제가 되는 시스템을 세계 최초로 개발 및 상용화하고자 함세부목표？초지향 안내방송, 사운드태그 통신, 공간 및 승하차객 인지가 가능한 DSP 기반의 SSP 보드 설계 및 개발？DSP 기반의 SSP 알고리즘 설계 및 구현？대중 교통 운용 시스템용 통신 아키텍처 설계？Skeleton Type 통합형 시스템 개발？Android 기반 사운드 태그용 SDK 기능 및 CDMA 기반 보안 기능 구현？성능 고도화 및 시내버스 환경상의 최적화연차별 목표1) 1차 연도 ① 개발 목표 - 주관연구기관((주)제이디솔루션): 사운드 기반 교통결제시스템 설계 및 검증 단계 ？ 하드웨어 및 소프트웨어 시스템 설계 ？ 스피커 및 센서 융합 처리 알고리즘 설계 ？ 테스트용 보드 제작 및 기능별 검증 ？ 버스/지하철 등 대중교통 운용 시스템 분석 및 통신 아키텍처 설계 ？ CDMA 기반 통신 보안 기술 검토 및 확보 2) 2차 연도 ① 개발 목표 - 주관연구기관((주)제이디솔루션): 사운드기반 교통결제시스템 기능 통합용 시제작 및 검증 단계 ？ Skeleton형 통합 하드웨어 제작 및 알고리즘 기능 통합 구현 ？ Android 기반 사운드 태그용 SDK 기능 및 CDMA 기반 보안 기능 구현 ？ 통합 기능 검증 및 성능 확인 3) 3차 연도 ① 개발 목표 - 주관연구기관((주)제이디솔루션): 사운드 기반 교통결제시스템 성능 고도화 및 제품화 단계 ？성능 고도화 및 버스 운용 환경 상의 최적화 구현 ？통합 시나리오 플랫폼 기능 검증 및 성능 확인 연차별 정량적 연구성과 목표 1차년도 2차년도 3차년도 계 특허출원 국내 1 1 2 국외 1 1툭호등록 국내 1 1 2 등록/기탁 소프트웨어 1 1 대상 성과물 기타 시제품 1 1 성과홍보 1 1 일자리창출 1 1 연차별 세부 연구목표1차년도(2019) : 사운드 태그 기반 자동 교통결제 시스템 설계 및 검증- 1, 2분기 하드웨어 및 소프트웨어 시스템 설계- 1,2,3 분기 스피커 및 센서 융합처리 알고리즘 설계- 3,4 분기 테스트용 보드 제작 및 기능별 검증- 2,3,4분기 대중교통 운용 시스템 분석 및 통신 아키텍처 설계2차년도(2020): 사운드 태그기반 자동 교통결제 기능 통합용 시제작 및 검증- 1,2,3분기 스켈레톤형 통합 하드웨어 제작 및 알고리즘 기능 통합 구현- 1,2,3분기 안드로이드 기반 사운드 태그용 SDK 기능 및 CDMA rlqks qhdks rlsmd rngus- 3,4분기 통합 기능 검증 및 성능 확인3차년도(2021): 사운드 태그 기반 자동결제 시스템 성능 고도화 및 제품화-1,2,3,4분기 성능 고도화 및 버스 운용 환경 상의 최적화 구현-1,2,3,4분기 통합 시나리오 플랫폼 기능 검증 및 성능 확인
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| 연구내용 및 범위 |
1) 1차 연도 ？ 하드웨어 및 소프트웨어 시스템 설계 본 개발은 정류장 혼잡을 해결하기 위한 하이패스 형태의 버스 사운드 태그 결제 시스템을 개발하는 것으로 보다 강인성을 위해 초지향성 음향 및 사운드 태그 송출을 위한 초음파 스피커를 도입함결재 시스템을 위한 시스템 기능으로는 승하차 인원의 유무 확인을 위한 SoDAR(Sound Detection & Ranging), 승하차 시 특정 영역의 버스 안내 방송, 승하차 시 사운드 태그 결제 승인 요청, 승차 중 버스 정차 안내 방송이 있음핵심 구성 기술은 SoDAR, 초음파를 이용한 사운드태그, 일반 오디오 및 초지향 음향 송출로 나누어지며, 시스템의 기능과 핵심 기술에 기반한 세부기능을 정의(세부 기능 명세서)하고 하드웨어 구성 및 소프트웨어의 아키텍처 설계(하드웨어 구성도, 소프트웨어 아키텍처 설계도)를 수행하며 설계 시 다음과 같은 사항을 고려 함 ？ 스피커 및 센서 융합 처리 알고리즘 설계 기존 지향성 스피커 상의 음원 재생용만으로는 가능했던 FPGA 시스템은 본 사업의 목적인 사운드 태깅 기술 접목을 통한 통신 및 결제, 방송 등의 다목적 기능을 적용하기에는 한계를 가지고 있음즉, 사람의 유무를 확인 과 특정 영역으로 만의 지향성 음원과 버스 정보 및 정류장 정보 등의 사운드 태그를 동시에 제공하는 목적에서 FPGA 기반 솔루션은 DSP 기반 솔루션에 비해 개발의 유연성과 알고리즘의 모듈화 등의 관점에서 모두 떨어짐본 사업에서는 DSP 기반 솔루션 플랫폼인 SSP(Smart Speaker Platform)를 개발하여 스피커 및 센서 융합형 솔루션으로 제공함으로써 특정영역의 사운드 태깅으로 승하차시 빠른 처리를 하고자 함기존의 초음파를 이용한 초지향성 스피커의 음원 송출 알고리즘인 40kHz 반송파(Carrier)를 실어주는 알고리즘을 공간인지 및 사람유무 판단의 SoDAR(Sound Detection And Ranging)과 음향 결제를 위한 특정 영역 사운드 태깅의 핵심기술을 포함 할 수 있도록 확장 설계더불어 일반 오디오 안내 방송도 수행할 수 있도록 일반오디오, 초지형성 음원 송출을 선택적으로 할 수 있는 구조로 설계함 ？ 테스트용 보드 제작 및 기능별 검증 초지향성 음원 및 일반 오디오 음원 송출을 위한 스피커 송출, SoDAR를 위한 센싱, 결제를 위한 버스 및 정류장 정보를 위한 사운드 태깅 등의 기능 확인 및 테스트를 위한 하드웨어 보드를 제작하고, 테스트용 기본 알고리즘 및 소프트웨어를 개발 ？ 버스/지하철 등 대중교통 운용 시스템 분석 및 통신 아키텍처 설계 버스 및 지하철 등 대중교통 결제 관련 필요한 교통정보 등을 조사 및 분석하고 더불어 승객과 운전자, 운송회사, 정산센터 등의 역할과 승하차 시 시간 단축 및 정산의 효율성 등의 본 사업의 목적을 고려한 통신 소프트웨어 아키텍처 및 통신 프로토콜을 설계 ？ CDMA 기반 통신 보안 기술 검토 및 확보 암호화된 데이터 구조를 통신 보안 수준이 높은 CDMA 통신 기술을 접목하기 위해 조사 및 검토, 솔루션을 확보하여 사운드 태그로 시뮬레이션 구현/검증을 통해 기능과 성능 확인 후 보안 기술 확보2) 2차연도 ？ Skeleton형 통합 하드웨어 제작 및 알고리즘 기능 통합 구현 1차년도에서 구현된 핵심 기술 기반으로 버스 승하차 환경을 고려한 하드웨어 시스템을 Skeleton형으로 개발 ？ Android 기반 사운드 태그용 SDK 기능 및 CDMA 기반 보안 기능 구현 1차년도에 구상된 통신 소프트웨어 및 프로토콜 기반 Android 기반 사운드 태그용 음파 수신 및 신호처리, 데이터 복원을 위한 SDK를 개발 및 버스 ID/정류소 ID/Time Based 프로토콜을 CDMA로 구현하여 보안 기능을 확인 ？ 통합 기능 검증 및 성능 확인 Skeleton으로 구성된 하드웨어 및 기능 구현된 알고리즘, 통신 소프트웨어 기반으로 승하차 조건의 통합 기능을 검증하고 성능을 확인한다. 기능 및 성능을 확인 할 수 있는 테스트용 모니터링 프로그램을 제공하여 가시적으로 볼 수 있도록 함3)3차연도 ？성능 고도화 및 버스 운용 환경 상의 최적화 구현 2차년도에 구현된 기능을 기반으로 실제 버스 운용할 수 있도록 승하객 인지 성능, 안내방송 영역, 교통정보의 사운드 태그 등의 성능을 실제 환경 상에서 검증 및 성능을 고도화 및 최적화를 수행 버스의 운용 환경 및 시스템 설치 공간 등을 고려하여 버스 운용 환경에 대한 최적화 등을 통한 환경 강인성 제공은 물론 다양한 솔루션 SDK 플랫폼을 제공 ？ 통합 시나리오 플랫폼 기능 검증 및 성능 확인 2차년도에 정의된 핵심 기능과 통합 기능에 대한 실제 버스 상에서 검증 및 그 성능을 확인
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