KR102130669B1 - 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강풍이 불 때 교량을 주행하는 차량의 전복, 경로이탈 등의 사고가 발생하는 것을 사전에 방지하고 주행 안전성을 보장하기 위하여, 차량의 종류와 주행 차선, 교량에서 차량이 주행하는 구간, 그리고 풍향, 풍속 및 차량의 주행 속도 등을 고려하여, 차량의 사고를 유발할 위험이 있는 풍속을 산정함으로써, 이를 바탕으로 차량의 주행을 허용할 수 있는 제한속도를 하향 조정하거나 또는 차량의 주행 자체를 제한하는 등의 필요한 대응조치를 신속하고 적절하게 수행할 수 있게 하는 "강풍시 교량상 차량의 차량 주행안전성 확보 시스템 및 이를 이용한 차량 주행안전성 확보 방법"에 관한 것이다.

Description

강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템 및 방법{Response system and method to secure running vehicles on a bridge against strong wind}

본 발명은 강풍이 불 때 교량 위를 주행하는 차량의 주행안전성을 확보하기 위한 시스템과 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 강풍이 불 때 교량을 주행하는 차량에 전복, 경로이탈 등의 차량사고가 발생하는 것을 사전에 방지하고 주행안전성을 보장하기 위하여, 차량의 종류와 주행 차선, 교량에서 차량이 주행하는 구간, 풍향, 풍속 및 차량의 주행속도 등을 고려하여, 차량사고를 유발할 위험이 있는 풍속을 산정함으로써, 이를 바탕으로 차량의 주행을 허용할 수 있는 속도를 하향 조정하거나 또는 차량의 주행 자체를 제한하는 등의 필요한 대응조치를 실시간으로 신속하고 적절하게 수행할 수 있게 하는 "강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템 및 주행안전성 확보 방법"에 관한 것이다.

강풍이 부는 상황에서 교량 위를 차량이 지나가는 것은 상당한 위험이 수반된다. 이와 같은 강풍 상황으로 인하여 교량을 주행하는 차량에 위험이 발생하는 것을 방지하기 위해서는 적절한 대응이 필요하다.

이러한 강풍 상황에서 종래에 취해왔던 대응은, 일반적으로 강풍이 부는 지역임을 전광판 등의 교통표지판에 기재하는 정도에 그치거나, 대한민국 등록특허 제10-2007296호에 개시된 것처럼 교량에 방풍벽 등과 같은 구조물을 설치하여 바람을 저감시키는 방안에 그치고 있다. 최근에는 차량의 움직임에 대한 동역학적인 해석만을 수행하여 이를 기반으로 차량 통행을 허용하는 풍속 즉, "통행제한풍속"을 설정하여 이를 교통표지판 등을 통해서 차량 운전자에게 고지하는 방안이 제안되고 있다. 그러나 이러한 종래의 방안은 교량이 아닌 지상에 존재하는 일반도로에서만 적용될 수 있다는 한계가 있다. 교량의 경우, 거더 형상에 의하여 교량 위 도로에서의 풍속분포가 판이해질 수 있으며 이로 인하여 일반도로보다 훨씬 낮거나 높은 통행제한풍속을 적용할 필요성이 생길 수 있는데, 종래의 방안에서는 이러한 풍속분포를 고려하지 않기 때문이다. 예를 들어, 장대교량의 경우 교축의 직각방향 풍향을 가장 위험하다고 판단하고 이를 기준으로 교량의 설계를 진행한다. 그러나 차량의 경우는 교량과는 달리 정지하지 않고 자체속도를 가지고 이동하며, 이로 인한 추가적인 풍하중이 발생하게 되어, 교축의 직각방향으로 부는 바람이 아니라 다른 방향의 바람에서 가장 위험한 상황이 발생될 수 있다. 이와 같이 교량 위를 지나는 차량의 주행방향과, 교량에서 실제로 바람이 불어오는 풍향과의 관계에 따라 차량사고의 위험을 증가시킬 수 있는 차량의 주행속도가 상이함에도 불구하고, 종래의 방안에서는 이를 고려하지 못하는바 강풍 상황에서 차량의 주행안전성을 충분히 담보할 수 없다는 한계가 있는 것이다.

대한민국 등록특허공보 제10-2007296호(2019. 08. 06. 공고).

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 강풍으로 인하여 교량을 주행하는 차량의 안정성 보장이 어려울 경우를 방지하기 위하여, 교량의 제원, 및 풍향과 풍속 등의 풍환경에 맞추어서 차량이 안전하게 교량을 주행할 수 있게 하게 하는 적절한 대응을 취할 수 있도록 함으로써, 강풍이 불 때 교량을 주행하는 차량의 전복, 경로이탈 등의 차량사고가 발생하는 것을 사전에 방지하고 주행안전성을 보장할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 교량이 위치한 지역의 풍환경, 교량 단면에 의하여 차량이 받는 풍하중의 변화, 그리고 차량별 동역학적 특성들을 고려하여 충분한 공학적 근거를 바탕으로 제한풍속을 실시간으로 신속하고 적절하게 도출하여 주행안정성을 확보할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 타겟 교량에 대한 장기 풍속풍향 데이터로부터 방위별 풍향 출현 빈도를 도출하는 방위별 풍향 출연 빈도 산출모듈(1); 도출된 방위별 풍향 출현빈도에서 가장 출현빈도가 많은 풍향을 주풍향으로 선정하는 주풍향 선정모듈(2); 사전에 정해놓은 갯수에 맞추어서 타겟 교량을 복수개의 구간으로 분할하고, 분할된 각 구간 중에서 차량 주행안전성을 검토할 대상이 되는 검토구간을 선정하는 검토구간 선정모듈(3); 타겟 교량의 검토구간 각각에 대하여, 검토구간에 존재하는 차선, 검토구간을 통행하는 차종, 및 풍향에 따른 차량 공기력 계수를 산출하는 공기력 계수 산출모듈(4); 타겟 교량의 검토구간 각각에 대하여, 차량사고를 유발하게 되는 최저 풍속에 해당하는 차종별 위험풍속, 차선별 위험풍속 및 풍향별 위험풍속을 각각 도출하고, 도출된 풍향별 위험풍속 중 최저값을 산출하여 제한풍속으로 도출하는 제한풍속 도출모듈(5); 타겟 교량의 검토구간에 설치되어 정해진 시간 간격마다 풍속과 풍향을 실시간으로 측정하는 풍속풍향 측정센서(6); 및 풍속풍향 측정센서(6)에 의해 측정되어 전송된 풍속 및 풍향을 기초로 풍향별 위험풍속으로부터 구해진 제한풍속이 발생한 것인지의 여부를 판단하여, 측정된 풍속이 제한풍속 이상인 것으로 판정되면 해당 차선을 주행할 해당 차량의 속도 한계를 낮추기 위한 대응조치 명령을 발하게 되는 대응명령 모듈(7)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템이 제공된다.

또한 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 방위별 풍향 출현 빈도 산출모듈(1)에 의하여, 차량의 주행안전성을 확보하기 위한 타겟 교량에 대한 장기 풍속풍향 데이터로부터 방위별 풍향 출현빈도를 도출하는 단계; 주풍향 선정모듈(2)에서, 방위별 풍향 출현빈도 중에서 가장 출현빈도가 많은 풍향을 주풍향으로 선정하는 단계; 사전에 정해놓은 구간 갯수에 맞추어서 타겟 교량을 복수개의 구간으로 분할하고, 검토구간 선정모듈(3)의 동작에 의해, 분할된 각 구간 중에서 차량 주행안전성을 검토할 대상이 되는 검토구간을 선정하는 단계; 공기력 계수 산출모듈(4)에 의하여, 타겟 교량의 검토구간 각각에 대하여, 검토구간에 존재하는 차선, 검토구간을 통행하는 차종, 및 풍향에 따른 차량 공기력 계수를 산출하는 단계; 제한풍속 도출모듈(5)의 작동에 의해, 타겟 교량의 검토구간 각각에 대하여, 차량사고를 유발하게 되는 최저 풍속에 해당하는 위험풍속을 차종, 차선 및 풍향에 따라 각각 도출하고, 도출된 풍향별 위험풍속 중에서 최저값을 산출하여 제한풍속으로 도출하는 단계; 및 타겟 교량의 검토구간에 설치된 풍속풍향 측정센서(6)에 의하여 정해진 시간 간격마다 실시간으로 측정되어 전송된 된 풍속 및 풍향을 기초로 풍향별 위험풍속으로부터 구해진 제한풍속이 발생한 것인지의 여부를 판단하여, 측정된 풍속이 제한풍속 이상인 것으로 판정되면 해당 차선을 주행할 해당 차량의 속도 한계를 낮추기 위한 대응조치 명령을 발하게 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 방법이 제공된다.

본 발명에서는 교량 위를 지나는 차량의 주행방향과, 교량에서 실제로 바람이 불어오는 풍향과의 관계에 따라 차량사고의 위험을 증가시킬 수 있는 차량의 주행속도가 상이하다는 점을 감안하여 교량이 위치한 지역의 풍환경, 교량 단면에 의하여 차량이 받는 풍하중의 변화, 그리고 차량별 동역학적 특성들을 고려하되, 교량을 주행하는 차량의 차종, 주행 차선, 주행 구간 및 차량의 주행 속도에 맞추어서 교량에 불어오는 바람의 다양한 풍향에 대한 위험풍속을 산출하고 이에 근거하여 각 차량에 대한 제한속도를 도출하며, 이러한 제한속도에 맞추어서 차량 통행속도 저감, 차량 통행 제한 등의 필요한 대응조치를 실시간으로 신속하게 취할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의하면 교량의 단면형상 및 도로조건과 현장의 풍환경을 고려한 맞춤식 강풍대응 운영전략을 구축할 수 있으며, 실제 강풍이 불어올 때 교량을 주행하는 차량의 차종, 주행 차선, 주행 구간, 차량의 주행 속도 등에 따라 위험대응을 할 수 있게 되고 이를 통해서 강풍시 교량상 차량의 사고 발생 위험을 대상교량마다 적절하고 구체적으로 저감할 수 있게 되는 효과가 발휘된다. 즉, 본 발명에 의하면 교량의 제원, 및 풍향과 풍속 등의 풍환경에 맞추어서 차량이 안전하게 교량을 주행할 수 있게 하게 하는 적절한 대응을 취할 수 있게 되며, 그에 따라 강풍이 불 때 교량을 주행하는 차량의 전복, 경로이탈 등의 차량사고가 발생하는 것을 사전에 방지하고 주행안전성을 보장할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 차량 주행안전성 확보 시스템의 구성을 보여주는 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량 주행안전성 확보 방법의 전체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제한풍속 도출모듈에서 풍향별 위험풍속을 도출하는 구체적인 과정을 보여주는 개략적인 흐름도이다.
도 4 및 도 5는 각각 풍향별 위험풍속을 그래프로 표현한 풍향별 위험풍속그래프의 일예를 보여주는 그래프도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. 특히, 청구범위를 포함한 본 명세서의 개시내용에서 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다. 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들(실행 엔진)에 의해 수행될 수도 있으며, 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 그리고 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다. 또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능하다. 예를 들면, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다. 특히 본 명세서에서 사용되는 '…모듈', '…유닛', '…부', '…기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 전자회로, 집적회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들 또는 기계적 요소들로 이루어진 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1에는 본 발명에 따른 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템(100)의 구성을 보여주는 개략적인 블록도가 도시되어 있고, 도 2에는 상기한 차량 주행안전성 확보 시스템(100)을 이용한 본 발명의 차량 주행안전성 확보 방법의 전체적인 과정에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼 본 발명의 차량 주행안전성 확보 시스템(100)은, 방위별 풍향 출현빈도 산출모듈(1), 주풍향 선정모듈(2), 검토구간 선정모듈(3), 공기력 계수 산출모듈(4), 제한풍속 도출모듈(5), 풍속풍향 측정센서(6) 및 대응명령 모듈(7)을 포함하여 구성된다. 아래에서는 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 차량 주행안전성 확보 시스템(100)의 각 모듈과, 이에 의해 진행되는 본 발명에 따른 차량 주행안전성 확보 방법의 각 과정에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 차량 주행안전성 확보 시스템(100)에는 방위별 풍향 출현빈도 산출모듈(1)이 구비되어 있다. 방위별 풍향 출현빈도 산출모듈(1)에서는 타겟 교량에 대해 장기간(예를 들면, 5년 이상의 장기간)의 풍속 및 풍향을 측정하여 수집해놓은 데이터("장기 풍속풍향 데이터")로부터 <방위별 풍향 출현빈도>를 도출한다(단계1). 방위별 풍향 출현빈도는 바람이 불어오게 되는 각각의 방향(풍향) 마다 바람이 불어온 경우의 수를 의미한다. 관리자는 풍향을 복수개의 방향으로 미리 세분화해놓을 수 있으며, 방위별 풍향 출현빈도 산출모듈(1)에서는 세분화된 각각의 풍향에 해당하는 바람이 불어온 경우의 수를 장기 풍속풍향 데이터로부터 추출함으로써 방위별 풍향 출현빈도를 도출할 수 있다. 방위별 풍향 출현빈도 산출모듈(1)이 장기 풍속풍향 데이터의 데이터베이스를 자체적으로 보유할 수도 있지만, 방위별 풍향 출현빈도 산출모듈(1)이 통신 기능을 가지고 있어서 외부의 관측기관 등으로부터 장기 풍속풍향 데이터를 전송받을 수도 있다.

주풍향 선정모듈(2)은, 방위별 풍향 출현빈도 산출모듈(1)에 의해 도출된 방위별 풍향 출현빈도를 이용하여 출현빈도가 가장 많은 풍향을 <주(主)풍향>으로 선정하게 된다(단계2). 이 때, 필요한 경우 주풍향 선정모듈(2)에서는 어떤 관측지점에서 어느 기간 동안 방위별 풍향 및 풍속 등급을 분석하여 방사형태로 형상화하는 "바람장미(Wind Rose)"를 작성할 수 있으며, 관리자는 바람장미를 이용하여 주풍향을 직관적으로 파악할 수도 있다. 이 때, 주풍향 선정모듈(2)에서는 바람장미를 작성하기 위하여 <풍향별 풍속계급 빈도>를 도출할 수도 있다. 관리자는 풍속의 정도에 따라 복수개의 등급(계급)으로 구분해둘 수 있는데, 주풍향 선정모듈(2)에서는 장기 풍속풍향 데이터로서 입수한 것에서, 세분화된 각각의 풍향으로 불어온 바람을 사전에 정해진 계급에 따라 분류하여 각각의 계급에 해당하는 바람이 불어온 경우의 수를 추출함으로써 풍향별 풍속계급 빈도를 도출하고 이를 바람장미의 작성에 이용할 수도 있는 것이다.

본 발명에서는 타겟 교량을 교축방향으로 소정 길이를 가지는 복수개의 구간으로 분할하게 되며, 분할된 각 구간에 대해서는 주풍향과 차량주행 방향 사이의 각도가 산출된다. 관리자는 교축방향의 전체 길이 등의 제원을 알고 있는 타겟 교량을 미리 몇 개의 구간으로 분할할 것인지를 결정하게 되며, 검토구간 선정모듈(3)에서는 사전에 결정해둔 구간 갯수에 맞추어서 타겟 교량을 소정 길이를 가지는 복수개의 구간으로 분할하고, 각 구간에 대해 정해져 있는 차량주행 방향과, 주풍향 선정모듈(2)에 의해 선정된 주풍향 사이의 각도를 연산하게 된다. 그리고 검토구간 선정모듈(3)에서는 각각의 구간에 대해 주풍향과 차량주행 방향 사이의 각도를 산출한 결과, 산출된 각도값이 사전 설정된 각도 범위(예를 들면, 30 내지 60도) 내에 존재하는 경우에는 해당 구간을 <검토구간>으로 선정한다(단계3).

필요한 경우에는 사고발생 위험의 우려가 큰 구간을 검토구간에 더 추가할 수도 있다. 교량의 주경간이 검토구간에 포함될 수 있으며, 주경간은 아니지만 횡구배가 존재하거나 복층교량일 경우와 같이 사고발생 위험이 높은 대상에 해당할 경우에도 <검토구간>이 될 수 있다. 따라서 관리자가 직접 위와 같이 사고발생 위험이 높은 구간을 검토구간으로 입력할 수도 있고, 미리 검토구간의 대상으로 설정해두어서 검토구간 선정모듈(3)에서 이를 포함하여 검토구간을 선정하게 만들 수도 있다.

타겟 교량의 검토구간이 선정된 후에는 검토구간의 각각에 대하여 검토구간을 주행하는 차량에 대한 <차량 공기력 계수>를 산출하게 된다(단계4). 실험실에서의 풍동실험 또는 공지의 CFD(Computational Fluid Dynamics) 분석을 기반으로 하여 공기력 계수 산출모듈(4)에서는, 타겟 교량의 검토구간을 주행하는 차량에 대한 <차량 공기력 계수>를 산출하는 것이다. 차량에 작용하는 풍력은 바람의 입사각, 차량이 위치하고 있는 차선, 및 차종(車種)에 따라 다르다. 따라서 검토구간 각각에 대하여, 검토구간에 존재하는 차선과 검토구간을 통행하는 차종, 그리고 사전에 분류해놓은 풍향 전부에 대해 차량 공기력 계수를 산출하게 된다. 즉, 타겟 교량의 검토구간에 존재하는 편도차선의 수와, 검토구간을 주행하게 되는 차종의 수와, 세분화해놓은 풍향의 수를 곱한 수의 경우 모두에 대해 각각 차량 공기력 계수를 산출하게 되며, 이러한 차량 공기력 계수의 산출 작업을 검토구간 전부에 대해 각각 수행하는 것이다. 예를 들어, 타겟 교량의 검토구간에 존재하는 편도차선이 3차선이고, 검토구간을 주행하는 차량의 종류가 5개이며, 풍향을 16개(N, NNE, NE, ENE, E, ESE, SE, SSE, S, SSW, SW, WSW, W, WNW, NW, NNW)로 세분화했다고 가정하면, 240개(= 3차선 ㅧ 5개 차종 ㅧ 16개의 풍향)의 경우 각각에 대해 차량 공기력 계수를 산출하는 것이며, 검토구간이 5개라면 5개의 검토구간 전부에 대해 위와 같은 차량 공기력 계수 산출 작업을 수행하는 것이다.

차량 공기력 계수에는, 차량의 항력 계수(

), 차량의 횡력 계수(

), 차량의 양력 계수(

), 차량의 롤링(rolling) 모멘트 계수(

), 차량의 피칭(pitching) 모멘트 계수(

) 및 차량의 요잉(yawing) 모멘트 계수(

)가 포함된다. 충분한 레이놀즈 수(Reynolds number)가 확보된다면 차량 공기력 계수는 풍속에 크게 좌우되지 않으므로, 관리자가 미리 풍속을 정하여 차량 모형을 이용한 풍동실험을 수행하거나 또는 공지(公知)된 CFD 분석 기법을 이용함으로써 차량 공기력 계수를 산출할 수 있다.

풍동실험을 수행하는 경우, 풍동실험 결과를 관리자가 직접 공기력 계수 산출모듈(4)에 입력하거나 또는 풍동실험에 사용된 시험기로부터 풍동실험 결과가 공기력 계수 산출모듈(4)로 전송되고, 공기력 계수 산출모듈(4)에서는 위에서 설명한 방법에 의한 연산을 수행함으로써 타겟 교량의 검토구간을 주행하는 차량에 대한 차량 공기력 계수를 산출하게 된다. 물론 공기력 계수 산출모듈(4)에서는 CFD 분석 기법을 이용하여 차량 공기력 계수를 산출할 수도 있다.

제한풍속 도출모듈(5)에서는, 타겟 교량의 검토구간 각각에 대하여, 모든 차종과 차선, 그리고 세분화해놓은 풍향에 따른 <위험풍속>을 각각 미리 도출하게 되고(단계5), 도출된 위험풍속은 DB로 만들어 놓게 된다.

강풍에 의한 차량사고는 크게 "차량전복 사고"과 "경로이탈 사고"로 구분할 수 있는데, 위험풍속은 이중 하나 이상의 차량사고를 유발하는 풍속값 중 가장 작은 값 즉, 차량전복 사고나 경로이탈 사고를 유발하는 가장 낮은 풍속값을 의미한다. 위험풍속은 불어오는 바람의 입사각 즉, 풍향에 따라 다르다. 따라서 위험풍속은 사실상 <풍향별 위험풍속>이 된다. 즉, N방향(북쪽방향)의 위험풍속, NW방향(북서쪽방향)의 위험풍속 등과 같이 풍향별 위험풍속이 존재하는 것이다. 이러한 풍향별 위험풍속은 타겟 교량의 검토구간을 주행하는 차종(車種)과 차선(車線)에 따라 달라지는 바, 차종과 차선을 달리하면서 각각의 풍향별 위험풍속을 도출하게 된다. 풍향별 위험풍속 및 후술하는 제한풍속의 연산과 도출은 제한풍속 도출모듈(5)에 의해 수행된다.

도 3에는 제한풍속 도출모듈(5)에서 풍향별 위험풍속을 도출하는 구체적인 과정을 보여주는 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 위험풍속의 산출을 위해서 우선 검토구간을 주행하는 차량의 속도가 설정된다. 예를 들어 교량의 법정 최고속도 또는 법정 최고속도의 50%를 차량의 속도로 설정할 수 있다. 이러한 위험풍속의 산출을 위한 차량의 속도는 관리자에 입력에 의해 제한풍속 도출모듈(5)에 전달된다. 제한풍속 도출모듈(5)에서는 설정된 차량의 속도, 및 이전 단계에서 도출해놓은 차량 공기력 계수를 이용하여, 검토구간을 주행하는 차량에 대하여 <차량 바퀴의 반력>과 <차량의 변위>를 산출한다(단계5-1). 설정된 차량의 속도 및 이전 단계에서 도출해놓은 차량 공기력 계수를 이용하여 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위를 산출하게 되는데, 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위는 풍속에 따라 달라지는 것이고 위험상황이 발생하게 되는 풍속을 위험풍속으로서 찾아내는 것이므로, 제한풍속 도출모듈(5)에서는 풍속을 변화시켜가면서 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위를 산출하게 된다. 풍속을 변화시키면서 연산을 수행할 때 "시간에 따른 풍속이력"을 생성하여 이를 이용할 수 있는데, 시간에 따른 풍속이력을 생성함에 있어서는 공지된 Von Karman Spectrum을 활용할 수 있다. 차량의 무게 등의 제원들과 검토구간의 편경사 및 곡률등과 같은 도로선형조건들을 제한풍속 도출모듈(5)에 입력하여 해석을 수행하게 되며, 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위를 산출함에 있어서는 공지된 동적차량해석 방법이나 준정적차량해석 방법을 이용할 수 있다. 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위를 산출하기 위하여 이용되는 동적차량해석 방법이나 준정적차량해석 방법의 구체적인 내용은 공지된 것인 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제한풍속 도출모듈(5)에서는, 산출된 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위 각각의 값을 사전에 설정해놓은 위험판단기준과 대비하여 위험상황 해당여부를 판단한다(단계5-2). 즉, 산출된 차량 바퀴의 반력이 위험판단기준으로 설정해놓은 반력에 해당하는지, 그리고 산출된 차량의 변위가 위험판단기준으로 설정해놓은 변위에 해당하는지를 판단하는 것이다. 예를 들어, 하나 이상의 바퀴에 작용하는 수직반력값 0(zero)을 차량전복 사고의 위험판단기준으로 설정해두어서, 하나 이상의 바퀴에 작용하는 수직반력값이 0이 되면 차량전복 사고로 간주할 수 있다. 또한 차량의 무게중심 수평이동거리 또는 회전각도를 경로이탈 사고의 위험판단기준으로 설정할 수 있는데, 예를 들어 동적차량해석을 수행하여 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위를 산출하는 경우에는, 차량의 무게중심이 0.5m 이상 수평이동하거나 0.2 radian으로 회전한 경우에는 경로이탈 사고로 간주할 수 있다. 그리고 두 가지 상황 즉, 차량전복 사고와 차량 경로이탈 사고 중 어느 하나의 사고가 발생하게 되면 "위험상황"으로 판단할 수 있다. 위의 숫자는 예시에 해당하며, 필요에 따라서는 다른 값을 각각의 기준으로 설정할 수 있다. 준(準)정적차량해석 방법을 이용하는 경우에는 하나 이상의 차축 마찰력이 최대정지마찰력 수준에 도달한 경우를 경로이탈 사고로 간주할 수도 있다.

제한풍속 도출모듈(5)에서는 이와 같이 "위험상황"으로 판단되는 경우, 그 때의 풍속을 "타겟 교량의 검토구간을 설정된 속도로 해당 차선을 주행하는 해당 차량에 특정 방향의 바람이 불 때의 <위험풍속 후보>"로 분류한다(단계5-3). 제한풍속 도출모듈(5)에서는, 풍속을 변화시켜가면서 상기한 과정을 반복하여 각각의 풍속이 위험풍속 후보에 해당하는 지의 여부를 판단하여 분류하게 되며, 이렇게 분류된 위험풍속 후보 중에서 가장 작은 값을 "해당 차선을 주행하는 해당 차량에 특정 방향의 바람이 불 때의" <위험풍속>으로 간주하게 된다(단계5-4).

제한풍속 도출모듈(5)에서는, 세분화해놓은 풍향별로 상기한 바와 같은 <위험풍속>의 도출 과정 즉, 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위의 산출, 위험상황 여부 판단 및 위험풍속 후보 중의 최저값 산출의 과정을 반복함으로써 각각의 풍향에 대한 위험풍속을 도출함으로써 <풍향별 위험풍속>을 제시하게 된다.

검토구간의 1차선에 트럭이 주행하고 N방향의 바람이 부는 경우를 예시하여 상기한 내용을 좀 더 상세히 설명하면, 우선 앞서 설명한 것처럼 풍동실험 등을 통해서 차량 공기력 계수를 산출한다. 그리고 미리 설정해놓은 차량의 속도와, 산출해놓은 차량 공기력 계수를 이용하여 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위를 산출하되 풍속을 변화시켜가면서 <차량 바퀴의 반력>과 <차량의 변위>를 산출한다. 이렇게 산출된 <차량 바퀴의 반력>과 <차량의 변위>는, 미리 설정된 차량의 속도로 트럭이 1차선 주행하고 N방향의 바람이 불 때 차량 바퀴에 작용하는 반력과, 차량에 발생하는 변위가 된다. 각각의 상이한 풍속에 대해 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위가 산출되면, 산출된 각각의 값을 위험판단기준과 대비하여 위험상황 해당여부를 판단하여, "위험상황"으로 판단되는 경우에는 그 때의 풍속을 <위험풍속 후보>로 분류하게 되고, 분류된 위험풍속 후보 중에서 가장 작은 값이 <위험풍속> 즉, "N방향의 바람이 부는 타겟 교량의 1차선을 트럭이 설정된 속도로 주행할 때의 <위험풍속>"으로 되는 것이다. 그리고 풍향을 달리하여 상기한 과정을 반복 수행함으로써, 타겟 교량의 1차선을 트럭이 설정된 속도로 주행하는 상황에 대한 "풍향별 위험풍속"이 도출된다.

한편, 위험풍속은 차종과 차선에 따라서도 달라지므로, 제한풍속 도출모듈(5)에서는, 차종은 특정한 채로 상기한 과정을 타겟 교량의 검토구간 차선별로 반복하여 "차종에 따른 풍향별 위험풍속"을 도출할 수 있고, 차선은 특정한 채로 상기한 과정을 차종별로 반복하여 "차선에 따른 풍향별 위험풍속"을 도출할 수도 있다. 더 나아가, 위험풍속을 산출할 때 관리자가 차량의 속도를 설정하게 되는 바, 제한풍속 도출모듈(5)에서 차량의 속도를 달리하여 상기한 과정을 반복 수행하게 되면 "차량 속도에 따른 풍향별 위험풍속"이 도출될 수도 있다.

도 4 및 도 5에는 각각 풍향별 위험풍속을 그래프로 표현한 것 즉, 풍향별 "위험풍속그래프(Critical Wind Speed Curve/ CWC)의 일예를 보여주는 그래프도가 도시되어 있다. 도 4 및 도 5의 위험풍속그래프에서 가로축은 풍향을 나타내며, 세로축은 각각의 풍향에 대해 산출된 위험풍속의 값 즉, 풍향별 위험풍속을 나타낸다. 도 4 및 도 5의 풍향별 위험풍속그래프는 타겟 교량의 검토구간에 일반 트럭이 3차선으로 주행할 경우에 대한 것으로서, 도 4의 위험풍속그래프는 차량의 속도를 법정 제한속도인 70km/h로 설정한 경우의 것이고, 도 5의 위험풍속그래프는 차량의 속도를 40km/h로 설정한 경우의 것이다.

제한풍속 도출모듈(5)에서는, 풍향별 위험속도를 도출한 후 이를 이용하여 <제한풍속>을 도출하여 정한다(단계6). 제한풍속보다 큰 풍속의 바람이 불어올 경우에는 적절한 대응이 필요한 상황으로 간주하게 되어, 사전에 설정해둔 대응조치가 취해진다. 즉, <제한풍속>은 대응조치가 취해지게 되는 풍속을 의미한다.

본 발명에서 <제한풍속>은 풍향별 위험풍속 중의 최저값으로 정해진다. 차량의 속도가 70km/h일 때의 풍향별 위험속도를 그래프로 예시한 도 4를 참조하여 설명하면, 도 4에서 NE의 풍향(북동쪽의 바람)일 때 위험풍속은 47m/s이다. 즉, 검토구간에 일반 트럭이 3차선으로 70km/h로 주행할 때의 NE 방향으로 47m/s 이상의 바람이 불어온다면 위험상황이 된다는 것이다. 그런데 W방향(서쪽)으로는 18.5m/s 이상의 바람만이 불어오더라도 위험상황에 놓이게 된다. 이러한 사정을 감안하여 제한풍속 도출모듈(5)에서는 풍향별 위험풍속 중 최저값을 제한풍속으로 설정하게 되는데, 위에서 설명한 도 4의 경우에는 18.5m/s가 제한풍속으로 설정되는 것이다. 제한풍속보다 큰 풍속의 바람이 불어올 경우에는 미리 정해놓은 대응조치가 취해진다.

한편, 타겟 교량의 검토구간에 설치된 풍속풍향 측정센서(6)를 통해서 정해진 시간 간격마다 풍속과 풍향을 실시간으로 측정하게 된다. 풍속풍향 측정센서(6)에 의해 측정된 풍속과 풍향은 대응명령 모듈(7)로 전송되고, 대응명령 모듈(7)에서는 측정된 풍속과 풍향을 기초로 풍향별 위험풍속에 의해 구해진 제한풍속이 발생한 것인지의 여부를 판단한다(단계8). 측정된 풍속이 제한풍속 이상인 것으로 판정되면, 해당 차선을 주행할 해당 차량의 속도를 늦출 필요가 있는 바, 해당 차선의 해당 차량이 주행할 수 있는 속도의 한계를 낮추기 위한 대응조치가 취해진다.

위의 도 5에 도시된 경우에는 22.2m/s가 제한풍속으로 설정된다. 도 5에서 W의 풍향(서쪽의 바람)일 때 위험풍속이 22.2m/s로서 위험풍속이 최저값이기 때문이다. 도 4에 도시된 경우와 비교해본다면, 차량의 속도가 70km/h에서 40km/h로 낮아지게 되면 제한풍속이 18.5m/s에서 22.2m/s로 상승한다. 만일 19m/s의 바람이 W방향으로 불어오는 상황이라면 차량의 속도가 70km/h일 때는 위험상황에 놓이게 되지만, 차량의 속도가 40km/h라면 동일한 풍속과 바람(W방향으로 풍속 19m/s로 부는 바람)에서도 위험상황에 놓이지 않게 되는 것이다.

이와 같이 차량의 속도를 낮추면 제한풍속이 상승하게 되는 바, 측정된 풍속이 제한풍속보다 작아지도록 만들기 위하여 주행을 허용할 수 있는 차량 속도의 한계를 낮추기 위한 대응조치가 취해질 필요가 있는 것이다. 차량 속도를 낮추기 위한 대응조치로는 해당 차량에게 주행이 가능한 속도 즉, 차량의 제한속도가 낮아졌음을 시각적인 방식(전광판 표시)이나 청각적인 방식(알람음 발생) 등의 다양한 방식으로 고지하는 방안이 있으며, 필요한 경우에는 차량의 통행 자체를 물리적으로 차단하는 방안 등이 이용될 수 있다. 따라서 대응명령 모듈(7)에서는 측정된 풍속이 제한풍속 이상인 것으로 판정되면, 대응조치 시행명령("대응명령")을 발하여 관리주체 또는 대응조치를 위한 장치로 전송하게 된다(단계9). 대응조치 모듈(7)로부터의 대응명령을 받은 관리주체 등은 적절한 대응조치를 취하게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 교량 위를 지나는 차량의 주행방향과, 교량에서 실제로 바람이 불어오는 풍향과의 관계에 따라 차량사고의 위험을 증가시킬 수 있는 차량의 주행속도가 상이하다는 점을 감안하여 교량이 위치한 지역의 풍환경, 교량 단면에 의하여 차량이 받는 풍하중의 변화, 그리고 차량별 동역학적 특성들을 고려하되, 교량을 주행하는 차량의 차종, 주행 차선, 주행 구간 및 차량의 주행 속도에 맞추어서 교량에 불어오는 바람의 다양한 풍향에 대한 위험풍속을 산출하고, 이에 근거하여 각 차량에 대한 제한속도를 도출하며, 이러한 제한속도에 맞추어서 차량 통행속도 저감, 차량 통행 제한 등의 필요한 대응조치를 실시간으로 신속하게 취할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 강풍이 불 때 교량을 주행하는 차량의 전복, 경로이탈 등의 차량사고가 발생하는 것을 사전에 효과적으로 지하고 주행안전성을 보장할 수 있게 된다.

1: 방위별 풍향 출현빈도 산출모듈
2: 주풍향 선정모듈
3: 검토구간 선정모듈
4: 공기력 계수 산출모듈
5: 제한풍속 도출모듈
6: 풍속풍향 측정센서
7: 대응명령 모듈
100: 차량 주행안전성 확보 시스템

Claims (8)

1. 타겟 교량에 대한 방위별 풍향 출현 빈도를 도출하는 방위별 풍향 출연 빈도 산출모듈;
   도출된 방위별 풍향 출현빈도에서 가장 출현빈도가 많은 풍향을 주풍향으로 선정하는 주풍향 선정모듈;
   타겟 교량을 복수개의 구간으로 분할하여 그 중에서 검토구간을 선정하는 검토구간 선정모듈;
   검토구간 각각에 대하여, 차선, 차종, 및 풍향에 따른 차량 공기력 계수를 산출하는 공기력 계수 산출모듈;
   검토구간 각각에 대하여 산출된 차량 공기력 계수를 이용하여 풍향별 위험풍속을 도출하고, 도출된 풍향별 위험풍속 중 최저값을 산출하여 제한풍속으로 도출하는 제한풍속 도출모듈;
   타겟 교량의 검토구간에 설치되어 사전에 정해진 시간 간격마다 풍속과 풍향을 실시간으로 측정하는 풍속풍향 측정센서; 및
   측정된 풍속 및 풍향을 기초로 제한풍속이 발생한 것인지의 여부를 판단하여, 측정된 풍속이 제한풍속 이상인 것으로 판정되면 해당 차선을 주행할 해당 차량의 속도 한계를 낮추기 위한 대응조치 명령을 발하게 되는 대응명령 모듈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   주풍향 선정모듈에서는,
   각각의 풍향으로 불어온 바람을 풍속의 정도에 따라 사전 설정된 복수개의 계급에 따라 분류하고,
   각각의 계급에 해당하는 바람이 불어온 경우의 수를 장기 풍속풍향 데이터로부터 추출하여,
   풍향별 풍속계급 빈도를 도출하고,
   도출된 풍향별 풍속계급 빈도를 이용하여 바람장미를 작성하여, 바람장미로부터 주풍향을 선정하는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   검토구간 선정모듈에서는,
   분할된 각각의 구간에 대하여, 사전 설정된 차량주행 방향과 주풍향 사이의 각도를 연산하고,
   산출된 각도값이 사전 설정된 각도 범위 내에 존재하는 경우에 해당 구간을 검토구간으로 선정하는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   제한풍속 도출모듈에서는, 각각의 풍향에 대하여,
   사전에 설정된 차량의 속도 및 산출되어 있는 차량 공기력 계수를 이용하여, 검토구간을 주행하는 차량에 대하여 풍속을 변화시켜가면서 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위 산출하고;
   산출된 차량 바퀴의 반력 및 차량의 변위 각각을 사전에 설정해놓은 위험판단기준에 따른 반력 및 변위와 대비하여 위험상황 해당여부를 판단하며;
   위험상황으로 판단되면, 그 때의 풍속을 타겟 교량의 검토구간을 설정된 속도로 해당 차선을 주행하는 해당 차량에 특정 방향의 바람이 불 때의 위험풍속 후보로 분류하고, 분류된 위험풍속 후보 중에서 가장 작은 값을 해당 차선을 주행하는 해당 차량에 특정 방향의 바람이 불 때의 위험풍속으로 간주하는 과정을 반복 수행함으로써 위험풍속을 도출하여 풍향별 위험풍속으로 제시하는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 시스템.
5. 차량의 주행안전성을 확보하기 위한 타겟 교량에 대한 방위별 풍향 출현빈도를 도출하는 단계;
   도출된 방위별 풍향 출현빈도 중에서 가장 출현빈도가 많은 풍향을 주풍향으로 선정하는 단계;
   타겟 교량을 복수개의 구간으로 분할하여 그 중에서 검토구간을 선정하는 단계;
   검토구간 각각에 대하여, 차선, 차종 및 풍향에 따른 차량 공기력 계수를 산출하는 단계;
   검토구간 각각에 대하여 산출된 차량 공기력 계수를 이용하여 풍향별 위험풍속을 도출하고, 도출된 풍향별 위험풍속 중 최저값을 산출하여 제한풍속으로 도출하는 단계; 및
   검토구간에서 사전에 정해진 시간 간격마다 실시간으로 측정되어 전송된 된 풍속 및 풍향을 기초로 제한풍속이 발생한 것인지의 여부를 판단하여, 측정된 풍속이 제한풍속 이상인 것으로 판정되면 해당 차선을 주행할 해당 차량의 속도 한계를 낮추기 위한 대응조치 명령을 발하게 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 방법.
6. 제5항에 있어서,
   주풍향 선정 단계에서는,
   각각의 풍향으로 불어온 바람을 풍속의 정도에 따라 사전 설정된 복수개의 계급에 따라 분류하고,
   각각의 계급에 해당하는 바람이 불어온 경우의 수를 장기 풍속풍향 데이터로부터 추출하여,
   풍향별 풍속계급 빈도를 도출하고,
   도출된 풍향별 풍속계급 빈도를 이용하여 바람장미를 작성하여, 바람장미로부터 주풍향을 선정하는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   검토구간 선정 단계에서는,
   분할된 각각의 구간에 대하여, 사전에 정해져 있는 차량주행 방향과 주풍향 사이의 각도를 연산하고,
   산출된 각도값이 사전 설정된 각도 범위 내에 존재하는 경우에 해당 구간을 검토구간으로 선정하는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 방법.
8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   제한풍속 도출 단계에서는, 각각의 풍향에 대하여,
   사전에 설정된 차량의 속도 및 산출되어 있는 차량 공기력 계수를 이용하여, 검토구간을 주행하는 차량에 대하여 풍속을 변화시켜가면서 차량 바퀴의 반력과 차량의 변위 산출하는 단계;
   산출된 차량 바퀴의 반력 및 차량의 변위 각각을 사전에 설정해놓은 위험판단기준에 따른 반력 및 변위와 대비하여 위험상황 해당여부를 판단하는 단계; 및
   위험상황으로 판단되면, 그 때의 풍속을 타겟 교량의 검토구간을 설정된 속도로 해당 차선을 주행하는 해당 차량에 특정 방향의 바람이 불 때의 위험풍속 후보로 분류하고, 분류된 위험풍속 후보 중에서 가장 작은 값을 해당 차선을 주행하는 해당 차량에 특정 방향의 바람이 불 때의 위험풍속으로 간주하는 단계를 반복 수행함으로써 위험풍속을 도출하여 풍향별 위험풍속으로 제시하는 것을 특징으로 하는 강풍시 교량상 차량의 주행안전성 확보 방법.

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