A Case Analysis Study on the Development of Snow Removal Equipment Using Smart Mobility

스마트 모빌리티를 적용한 제설장비 개발을 위한 사례분석 연구

Abstract

Purpose: The purpose of this study is to find cases of using information and communication technology and smart mobility technology in snow removal vehicles and equipment for rapid and efficient road snow removal in the event of a snowstorm, and to find ways to utilize them. Method: Cases of domestic and overseas snow removal methods are investigated, and snow removal operation methods incorporating new technologies are presented. Result: Most of the operation of snow removal equipment in Korea uses GPS, CCTV, and road traffic information systems, and in the case of overseas, road weather information systems and road snow removal monitoring systems are used. It is expected that snow removal technology using autonomous snow removal vehicles, which are smart mobility, will be developed in the future. Conclusion: The results of this study can contribute to the policy of using snow removal equipment and snow removal vehicles of local governments and related organizations.

연구목적: 본 연구는 대설 상황 발생시 신속하고 효율적인 도로 제설을 위해 제설 차량과 장비 등에 정보통신기술과 스마트 모빌리티 기술을 활용한 사례들을 찾아보고, 활용방안을 모색하는 것을 목적으로 한다. 연구방법: 국내 및 해외 제설작업 방법에 대한 사례를 조사하고 신 기술을 접목한 제설운영방법을 제시한다. 연구결과: 우리나라 제설장비 운영은 GPS와 CCTV, 도로교통 정보시스템을 활용한 방법이 대부분이며 해외의 경우 도로기상 정보시스템과 도로제설모니터링 시스템을 활용한다. 향후 스마트모빌리티인 자율주행 제설차량을 활용한 제설기술이 개발 될 것을 기대한다. 결론: 본 연구의 결과는 지자체 및 관련 기관의 제설 장비와 제설 차량 활용 정책에 기여할 수 있다.

서론

글로벌 기후변화 현상은 태풍과 집중호우, 대설과 한파 등의 자연재해를 증가시킨다. 자연재해는 피해액과 복구비용은 사회적 비용을 증가시키며, 자연재해에 대비하지 못했던 일부 국가에서는 삶의 질이 심각한 수준으로 떨어진다. 우리나라도 예외는 아니다. 2022년 기준 지난 10년간 자연재해로 발생한 재산 피해액은 무려 3조 7천억원이며, 복구에 소요된 금액은 10조 3천억원을 넘고 있다(Ministry of the Interior and Safety, 2022). 그 중 태풍, 호우, 대설에 의한 피해는 전체 피해액의 약 96%를 차지하며 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 이들은 해가 갈수록 그 비중과 규모가 커져가고 있어 자연재해에 대한 대비가 필요하다.

지구 온난화 현상은 연평균 기온을 지속적으로 상승시키고 있으며 눈에 보이지 않는 심각한 문제를 야기하고 있다. 북극 해빙이 녹아내리면서 해빙 면적을 감소시키고, 태양빛을 반사해 주는 알베도 효과가 줄어들면서 해빙의 악순환이 연속된다. 그 결과 겨울철 한파와 대설이 반복되는 효과를 가져오고 있다. 겨울철 발생하는 자연재해 중 대설은 교통 시스템, 건축물, 시설물 등 도시 전반에 주는 영향력이 막대하여 철저한 대비와 대응이 필요하다. 겨울철 대설상황에 막대한 인력과 장비 등이 동원이 필요하다.

최근 우리나라 산업의 고도화로 인해 4차 산업이 급속도로 성장하고 있으며, 다양한 분야에서 이들을 접목한 기술들이 탄생하고 있다. 4차 산업의 많은 기술 중 정보 통신 기술과 스마트 모빌리티 기술은 우리 생활과 밀접한 연관이 있다. 이들을 활용한 기술개발은 우리의 삶을 보다 편리하고 효율적으로 만들고 있다. 디지털 트윈 기술을 활용한 도시 계획, 교통, 환경, 재해 및 재난과 같은 다양한 도시 문제들을 해결하는 스마트 도시를 구현할 수 있게 되었으며, 자율주행, 전기차, 스마트 커넥티드 시스템 등은 교통의 혼잡을 감소시키고 접근성을 좋게 만들어 주고 있다. 이처럼 고도화 된 기술들이 우리 생활에 다양하게 활용되고 있지만, 발전된 기술에 비해 재난 대비 기술에 아직까지 적극적으로 활용되지 못하고 있다.

우리나라 겨울철 대설 상황에서 수행하는 제설 방법은 아직 과거의 전통적인 방식을 따르는 경우가 대부분이며, 첨단 기술이 접목된 제설 시스템의 운영이 잘 이루어지지 않고 있다. 우리가 사용하는 대부분의 제설 방법은 제설차량 또는 제설 장비들을 차량에 장착하여, 정해진 루트(route)를 따라 일정 횟수 반복하여 제설을 하는 것이다. 눈 예보가 발생하면 적설량을 고려하지 않고 제설제를 우선 살포한다. 이는 환경적 측면이나 재난 관련 예산 측면에서 효율적이지 못하다. 고도화된 정보통신기술과 스마트 모빌리티 기술을 활용한다면, 제설에 투입되는 인력이나 장비, 제설제, 차량에 있어 보다 효율적인 도로 제설이 가능하다.

따라서 본 연구는 대설 상황 발생시 신속하고 효율적인 도로 제설을 위해 제설 차량과 장비 등에 정보통신기술과 스마트 모빌리티 기술을 활용한 사례들을 찾아보고, 활용방안을 모색해 보고자 한다. 겨울철 재난 상황에 이들 기술을 활용하는 것은 신속하고 효율적인 제설 작업을 수행 할 수 있다. 본 연구의 사례 분석은 향 후 지자체 및 관련 기관의 제설 장비 및 차량 활용 정책에 도움을 줄 수 있다.

정보통신기술을 활용한 제설 시스템 운영현황

GPS연동 제설장비 운영사례

우리나라 제설장비 운영은 GPS와 CCTV를 활용한 운영방식이 대부분이다. 제설 작업 차량에 GPS를 부착하여 제설본부에서 제설장비 및 차량의 제설 진행현황을 파악하고, 작업 경로 파악이 가능하다. 기상상황에 따라 적절한 대처와 작업 지시가 가능하다. GPS를 활용한 제설 작업의 기본 구조는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Basic structure of snow removal work with GPS

제설작업 차량에 GPS와 단말기를 연동하면 Fig. 2와 같이 제설차량의 현재 위치와 작업, 주변 제설 현장상황을 실시간으로 알 수 있는 장점이 있다. 제설대책본부의 관리 시스템에는 제설 차량의 작업 현황이 분석되어 있으며, 제설차량의 위치와 현재 작업 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. 따라서 제설 작업이 우선되어야 할 지역과 제설 취약 구간 주변으로 제설차량을 이동 지시 할 수 있어 제설 차량을 분산하여 배치가 가능하다.

Fig. 2. Real-time positioning of a snow removal vehicle installed with GPS

도로교통 정보 시스템을 활용한 제설사례

GPS를 제설차량에 부착하는 방법과 동시에 정보시스템을 활용한 실시간 제설차량을 운영하는 방법이 있다. 도로교통정보시스템(Urban Traffic Information System)을 활용하는 방법이다. 한국도로교통공단과 각 지역의 자치단체가 공동으로 구축하고 있는 첨단 교통정보시스템이다. 이는 전국 지자체의 교통정보센터, 교통정보 수집 제공 장치, CCTV, 교통정보 전광판 등의 시설들을 확충하고, 각 지자체의 교통 정보를 표준화하여 전국 단위 광역 교통정보를 제공한다.¹⁾

각 지자체에 설치된 교통정보시스템을 활용하면 실시간 제설차량의 위치와 제설 작업 지시에 용이하다. 기존에 구축된 교통정보 모니터링 시스템과 제설차량 실시간 모니터링프로그램을 결합하여 겨울철 대설 상황 발생시 실시간 교통 상황보고 및 교통정보 통합 단말기를 사용하여 실시간 제설차량 위치정보 시스템을 구축하였다.

경기도 안산시에서는 종합 재난 상황실에 실시간 모니터링 시스템을 구축하였다. 기존 기상청날씨 정보에 의존하거나 각 구청 및 행정동 보고, 또는 소방서나 경찰서에서 제공받는 정보를 이용하여 인지할 수 있었던 강설량과 대설 상황을 실시간 모니터링 구축을 통해 실시간으로 파악 후 보다 신속하게 제설 작업 지시와 상황 대처를 가능하게 되었다. 현장에 대한 긴급 대응도 가능하다. 안산시 제설차량에는 Fig. 3, Fig. 4와 같이 GPS뿐만 아니라 도로교통정보를 제공하는 단말기가 함께 부착되어 노변 기지국을 통해 실시간으로 모니터링이 가능하며, GIS 기반 제설차량 위치, 제설차량정보, 날짜, 시간, 제설차량 노선과 이동 경로를 표시하여 실시간 모니터링이 가능하다. 상황실에서는 이들의 위치를 파악하여 제설 작업이 시급한 곳으로 차량을 이동 할 수 있도록 지시하는 등의 상황별 대응이 가능하다.

Fig. 3. A system of location information system for snow removal vehicles using road traffic information system

Fig. 4. Real-time traffic information information system

영상정보는 Fig. 5와 같이 현장에서 수집된 CCTV 자료들을 영상처리 시스템에 전송되어 교통정보시스템에서 처리된다. 여기에는 실시간 수집된 영상 정보, 전자지도를 이용하여 재난 상황통합실에 영상 정보로 제공된다. 노변 기지국은 교통정보 무선 통신서버에서 제설차량의 위치를 수집하고 이를 전송하여 제설차량 위치를 파악가능 할 수 있게 한다. Fig. 6과 같이 실시간 CCTV, 제설차량 위치 정보, 영상 정보 등을 통하여 차량위치를 파악하여 효율적인 작업차량 지시가 가능하다.

Fig. 5. Provision of image information of road traffic information system

Fig. 6. A case of monitoring snow removal vehicle

미국 연방 고속도로 관리국(FHWA)의 도로기상정보시스템

미국은 대설과 관련하여 지속적으로 연구를 추진해왔다. 대설 상황과 관련된 기관은 눈 및 산사태 연구 기관인 Center for Snow& Avalanche Studies의 연구사업과 교통부(DOT) 연방고속도로 관리국(FHWA: Federal Highway Administration)이 있다. 또 주 정부 교통국의 대설 위험 구간 정보 연구사업, Natural Hazard 센터의 RESCUE ITR 사업, 연방재난관리청(FEMA: Federal Emergency Management Agency) 재난위험 감소 사업 등이 있다. 미국은 Fig. 7과 같이 재난 저감계획(Disaster Mitigation Plan)을 수립할 때HAZUS-MH 소프트웨어를 이용하여 지난 30년의 강설 자료를 분석한 후대설 위험 지도를 작성한다. 이를 활용하여 제설 대응과 제설 장비 운영에 활용한다.

Fig. 7. Snowfall risk map in winter using HAZUS-MH software

미국은 IT기술을 활용한 도로 기상정보 시스템과 도로 제설 모니터링 시스템으로 제설장비를 운영하고 있다. 도로기상 정보 시스템(Road Weather Information System)과 센서를 활용한 도로적설 및 결빙정보 모니터링 시스템을 통해 실시간 적설 정보와 결빙 정보를 수집하여 제설장비를 운영한다. 도로 적설 및 결빙 정보 모니터링 시스템은 Mobile rensor, MPTS, CCTV 등으로 구성되어 있는데, Mobile Frensor는 도로의 적설량과 도로의 노면온도를 측정하여 도로기상정보시스템으로 전송하는 역할을 한다. CCTV는 도로 적설 정보를 수집하여 전송한다.

미국은 대설상황시 연방 고속도로 관리청(FHWA)의 도로 기상정보시스템을 적극 활용한다. 센서를 활용한 데이터 수집하고(correct), 수집된 데이터를 분석할 수 있는 곳으로 전송하며(transmit), 분석된 데이터를 이용하여 도로 결빙 위치 정보 등 의사결정에 필요한 정보로 처리하며(process), 처리된 결과물을 정보로 제공하는(disseminate) 모든 절차가 시스템에 포함되어 있다. 이들 시스템이 수집하는 정보는 대기 내 온도와 습도, 사정거리, 풍속과 풍향, 강수량, 강수형태, 도로의 노면 온도와 노면상태, 결빙 온도, 땅속 온도, 주변 강이나 호수의 수위 등의 데이터이며, 이들 정보를 데이터 형태로 수집하고 전송하여 현재의 상황을 도로 관리자와 도로 운전자에게 실시간으로 제공한다.

특히 겨울철을 위해 겨울 도로관리 지원 시스템(MDSS: WInter Road Maintenance Decision Support System)이 구축되어 취약구간 또는 특정한 도로의 기상정보와 도로상태의 정보, 제설 최적시간과 제설제의 양과 종류 등을 제공한다. 겨울철 MDSS는 기상청과 기상관측 센서에서 기상 정보를 수집하고, 도로 기상 예측 센서로 데이터로 전송하여 노면 온도 예측과 제설제 살포 모델을 처리하기 위해 알맞은 데이터로 가공처리를 실시하여 예측 결과로 보여주고 적절 제설제와 제설제 살포량을 제시한다. 도로노면 정보 수집 센서는 도로의 어는점과 노면 온도의 차이를 계산하여 살포하는 제설제의 양을 결정하는데 기여한다. 도로 노면 정보 수집 센서는 두종류가 있는데 하나는 도로에 설치하는 센서와 휴대용 센서로 나뉜다. 센서에서 제공하는 정보를 활용하여 이를 그래프 형태로 도출하고 제설제 살포 시점에 관한 정보를 제공한다.

스마트 모빌리티를 적용한 제설 방안

자율주행 기능을 적용한 제설차량

4차 산업을 맞이하여 자율주행기술이 발전하고 있다. 자율주행기술은 운전자가 가속이나 브레이크 등을 조작하지 않고 GPS와 지도, 각종 센서와 레이다로 상황을 파악하여 스스로 목적지까지 찾아가는 기술이다. 자율주행은 자동차 뿐 만 아니라 항공, 철도, 해운 등 다양한 분야에서 기술개발을 하고 있으며, 발전해나가고 있다. SAE J3016 표준에서 정의하고 있는 레벨별 자율주행 기능은 다음과 같다. 레벨 0(No Driving Automation)은 어떠한 자율주행 기능도 지원하지 않는 단계, 레벨 1(Driver Assistance)은 차량의 방향 전환(횡운동) 또는 감가속(종운동) 기능을 지원하는 단계, 즉 운전자는 직접 운전을 하고 시스템은 조향 또는 감속과 가속만 한 가지만 하는 단계이다. 레벨 2(Partial Driving Automation)는 자동차의 방향 전환(횡운동) 및 감가속(종운동) 기능을 지원하는 단계로 운전자는 운전을 하며 시스템이 조향과 감속 및 가속을 모두 수행하는 단계다.²⁾ 2023년 기준 우리나라는 레벨 2단계에서 상용화 되고 있으며 그 이상의 단계인 레벨 3단계부터는 다양한 환경과 변수를 적용해야 하기 때문에 현재 기술 개발과 실용화를 위한 테스트를 진행중에 있다.

자율주행 기능을 적용한 기술은 차량 뿐만 아니다. 다양한 산업에 걸쳐 자율 주행 기술이 발전하고 있다. 그 중 한가지 예로 농업 분야에 이 기술이 사용되고 있다. 미국 존 디어사의 자율주행 트랙터와 스마트 농업기술 모니터링 시스템이 바로 그것이다. 자율주행 트랙터를 이용해 농경 자동화를 하였고 여기에 클라우드 기반의 농장관리시스템을 연동하여 모든 것이 최소한의 인력으로 농장운영이 가능하게 한다. 자율주행 트랙터는 농장관리시스템의 통제를 받아 파종을 하고 센터로부터 데이터를 전송받아 적절한 양의 비료와 물 등을 살포한다. 미국 존 디어사가 해당 기술에 독보적이지만 Fig. 8과 같이 국내의 ㈜대동(구 대동공업), LS엠트론, TYM(구 동양물산) 등의 국내 회사들도 해외 기술 못지않은 기술을 보유하고 있다.

Fig. 8. A case of self-driving agricultural tractor technology in Korea

해당 기술들을 제설 차량에 도입한다면 스마트 모빌리티를 적용한 자율주행 제설 차량도 가능하다. Fig. 9와 같이 제설본부에서는 기후와 적설량을 계산하여 필요한 제설제를 제설차에서 살포할 수 있도록 계산한다. 계산결과를 제설 차량에 전송하고 제설 취약구간을 고려하여 적절 제설제를 살포한다. 제설취약구간에서는 제설제 양을 계산해 추가적으로 살포할 수 있다. 국가표준 node-link 데이터를 이용하여 상황에 따라 노선을 실시간으로 변경이 가능하다. 적설량과 기후에 대한 데이터가 축척된다면 머신 러닝 기술을 이용하여 보다 정확한 제설제 소요량을 예측하고 제설 취약지역에 대한 데이터가 축척되어 이를 활용한 효율적인 제설이 가능하다.

Fig. 9. Conceptual drawing of snow removal using smart mobility technology

결론

본 연구는 대설 상황 발생시 신속하고 효율적인 도로 제설을 위해 제설 차량과 장비 등에 정보통신기술과 스마트 모빌리티 기술을 활용한 사례들을 찾아보고, 활용방안을 모색하는 것을 목적으로 한다. 우리나라의 현재 제설 운영 방법을 요약하면 다음과 같다.

첫째, 우리나라의 제설장비 운영은 GPS와 CCTV를 활용한 운영방식이 대부분이다. 제설 작업 차량에 GPS를 부착하여 제설본부에서 제설장비 및 차량의 제설 진행현황을 파악하고, 작업 경로 파악이 가능하다. 제설작업 차량에 GPS와 단말기를 연동하면 제설차량의 현재 위치와 작업, 주변 제설 현장상황을 실시간으로 알 수 있는 장점이 있다. 제설대책본부의 관리 시스템에는 제설 차량의 작업 현황이 분석되어 있으며, 제설차량의 위치와 현재 작업 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. 따라서 제설 작업이 우선되어야 할 지역과 제설 취약 구간 주변으로 제설차량을 이동 지시 할 수 있어 제설 차량의 분산 배치가 가능하다.

둘째, 기존의 도로 교통 정보시스템을 연동하여 제설에 활용하는 방식이다. 각 지자체에 설치된 교통정보시스템을 활용하면 실시간 제설차량의 위치와 제설 작업 지시에 용이하다. 기존에 구축된 교통정보 모니터링 시스템과 제설차량 실시간 모니터링프로그램을 결합하여 겨울철 대설 상황 발생시 실시간 교통 상황보고 및 교통정보 통합 단말기를 사용하여 실시간 제설차량 위치정보 시스템을 구축하였다.

셋째, 해외의 경우 재난 저감계획에 과거 30년 강설 자료를 분석해서 대설 위험지도를 작성하여 이를 제설 대응과 제설 장비운영에 활용한다. 미국의 경우 IT기반의 도로기상 정보 시스템과 도로제설모니터링시스템을 활용하여 제설장비를 운영 활용하고 있다. 도로기상 정보 시스템과 센서를 활용한 도로적설 및 결빙정보 모니터링 시스템을 통해 실시간 적설 정보와 결빙 정보를 수집하여 제설장비를 운영한다. 도로관리 지원 시스템이 구축되어 취약구간 또는 특정한 도로의 기상정보와 도로상태의 정보, 제설 최적시간과 제설제의 양과 종류 등을 제공한다.

최근 산업 고도화에 따른 다양한 정보통신기술들과 스마트모빌리티 기술을 접목시킨다면 이를 활용한 제설 작업도 가능하다. 제설본부에서는 기후와 적설량을 계산하여 필요한 제설제를 자율주행 제설차에서 살포할 수 있도록 계산한다. 계산결과를 제설 차량에 전송하고 제설 취약구간을 고려하여 적절 제설제를 살포한다. 제설취약구간에서 저 많은 제설제를 살포가 가능하다. 국가표준 node-link 데이터를 이용하여 상황에 따라 노선을 실시간으로 변경이 가능하다. 적설량과 기후에 대한 데이터가 축척된다면 머신 러닝 기술을 이용하여 보다 정확한 제설제 소요량을 예측하고 제설 취약지역에 대한 데이터가 축척되어 이를 활용한 효율적인 제설이 가능할 것이다. 본 연구는 향 후 지자체 및 관련 기관의 제설 장비 및 차량 활용 정책에 도움을 줄 수 있다.