저속추돌사고에 의한 차량거동 및 탑승자 목상해 예측에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 차대차 저속추돌에 의한 피추돌차량의 차량거동 및 탑승자 목상해와 관련하여 저속추돌 재현시험을 실시하였고, 시험결과의 활용성 검토를 위해 지도학습 및 테스트를 실시하였으며, 목상해 판단을 위한 출력변수 예측을 위해 선형회귀함수를 도출하였다. 아울러, 피추돌차량 범퍼 부품의 손상유형을 확인하여 탑승자의 목상해 발생여부 판단이 가능한지 고찰하였다. 실험적 연구로서 인체모형(BioRID-II더미)의 착좌 또는 자원자가 탑승한 상태로 59회의 저속추돌시험을 수행하였으며, 차체 가속도 측정과 함께 인체모형 또는 자원자를 통해 목상해 지수(NIC: Neck Injury Criterion)를 측정하였다. 추돌사고 재현시험은 보험개발원 자동차기술연구소에서 수행되었으며, 실차를 이용한 대량의 차대차 저속추돌시험을 실시한 국내 유일 사례로 경미 추돌사고에 대한 이해를 높이는데 기여할 것이라 기대된다. 다양한 추돌시험 조건에 따른 차량거동(속도변화(∆V), 평균가속도, 최대가속도) 및 목상해 지수 예측을 위해서 지도학습을 수행하여 선형회귀함수를 도출하였다. 또한 차량 사고 후 피추돌차량의 손상 정도를 직관적으로 확인하여 목상해 가능성이 매우 낮음을 판단할 수 있는 기준도 제시하였다. 차량 저속추돌시험에서는 추돌 및 피추돌 차량으로 경형, 소형, 중형, 대형 승용차와 SUV(Sports-Utility Vehicle) 차량을 사용하였다. 승용차 8개 모델은 차량 크기, 배기량 및 등록대수를 기준으로 국내 도로에서 주행하는 차량들을 대표할 수 있는 모델로 선정하였다. 추돌시험의 조건은 추돌사고 블랙박스 데이터를 분석하여 도출한 추돌-피추돌 차량의 겹침량(overlap ratio)과 피추돌차량에 경미손상수리기준[1]의 손상유형(경미손상 1, 2, 3유형 및 교환 유형)이 시험으로 재현될 수 있는 범위의 충돌속도(3~16 km/h)를 선정하였다. 차량거동 데이터를 획득하기 위해서 3축 가속도 센서를 차량 무게중심(Tunnel)과 좌/우측 센터필러 하단 차체에 부착하여 시험을 실시하였다. 인체모형 더미는 추돌시험 시 탑승자의 목 거동을 가장 잘 반영하는 BioRID-II 더미를 선정하였고, 더미를 시트에 착좌하는 기준은 IIWPG의 시험기준서[2]를 따랐다. 자원자 또한 BioRID-II 더미 착좌 기준과 동일한 기준으로 탑승시켰고 머리 측면 중앙부위 및 1번 흉추에 가속도 센서를 부착하여 더미에서 측정 가능한 목상해 지수(NIC)를 동일하게 획득하였다. 또한 피추돌차량의 범퍼 손상을 경미손상수리기준에 따라서 분류하였다. 저속추돌 시험결과를 분석하기 위해서 선형회귀분석 기법을 사용하였다. 독립변수의 선정 및 독립변수-종속변수 간의 상관관계를 확인하기 위해서 단순선형회귀분석을 이용하였고, 결정계수(R2) 및 P-value를 산출하였다. 한편 여러 추돌시험 조건(추돌/피추돌 차량 질량, 차량 간 겹침량, 충돌속도)을 독립변수로 하고 속도변화, 평균가속도, 최대가속도, NIC 중 하나의 값을 종속변수로 하는 경우에는 다중선형회귀함수를 사용하였다. 시험조건에 따른 속도변화, 평균가속도, 최대가속도, NIC를 예측하기 위해서 지도학습에 파이썬(Python) 라이브러리 Scikit-learn[3]을 사용하였다. 결과적으로 시험조건에 따른 종속변수가 속도변화(∆V)일 때, 다중선형회귀함수의 결정계수(R2)는 0.87(수정 결정계수 0.86)로 가장 높게 나타났으며, 평균가속도는 0.79(0.78), 최대가속도는 0.78(0.77), NIC는 0.69(0.66) 순이었다. 속도변화(∆V), 평균가속도, 최대가속도 각각을 독립변수로 두고 목상해 지수를 종속변수로 둘 때에는 평균가속도-NIC의 경우 결정계수가 0.78로 설명력이 가장 높았고 속도변화-NIC는 0.75, 최대가속도-NIC는 0.74 순이었다. 이때 NIC 값은 BioRID-II 더미 시험(50회) 결과만을 사용하였다. 하지만 BioRID-II 더미 시험을 학습데이터로, 자원자 시험(9회)을 테스트 데이터로 사용할 때에는 회귀함수의 결정계수가 0.12~0.23으로 설명력이 낮았다. 이는 추돌 시 피추돌차량 탑승 자원자의 거동이 개인별로 큰 차이를 보이는 것이 그 원인이다. 즉 인적 요인(Human factor)에 따른 목상해 지수 편차가 선형회귀함수의 적합도를 낮추었다. 한편, 저속추돌시험에 따른 피추돌차량의 손상 정도를 경미손상 1/2/3 유형 카테고리와 교환 카테고리로 구분하여 차량거동 및 NIC 값들의 범위를 나타내었다. 그 결과, 경미손상 1/2/3유형 카테고리의 속도변화 최대값은 6.72km/h로 이전 연구사례에서 목상해 무해의 한계(the limit of harmlessness)로 제시한 속도변화 10-15km/h[4], 속도변화 10km/h까지[5]라는 결과에 비해 현저히 낮은 것으로 확인됨에 따라 목상해 가능성이 매우 낮은 것으로 나타났다. 기존 연구결과와의 비교에서도 경미손상 카테고리는 목상해 가능성이 매우 낮은 영역이었다. 또한 9회의 자원자 탑승 추돌시험에서 속도변화의 범위가 5.29-9.74km/h로 나타났고, 자원자 시험 전∙후 MRI 촬영 및 의사 검진결과, 경직 등의 초기증상도 나타나지 않은 결과를 볼 때, 경미손상 1/2/3유형 카테고리는 목상해 가능성이 매우 낮은 기준으로서 그 효용성이 클 것으로 판단된다. 마지막으로 기존 연구결과 조사내용과 본 연구의 자원자 시험 결과를 이용하여 ‘목상해 미발생 문턱치(Threshold)’로 속도변화(∆V) 8-10km/h를 제시하였다. 또한 앞서 언급한 경미손상 카테고리를 목상해 무발생 영역으로 지정하는 ‘경미사고인체상해기준’ 제도화의 필요성을 제시하였다. 노약자를 비롯하여 교통약자, 기왕증이 있는 피해자 등은 본 연구의 범위를 벗어나므로 ‘목상해 미발생 문턱치’ 및 ‘경미사고인체상해기준’을 절대적으로 적용하는 데에 무리가 있으며 추가적인 연구가 필요하다. 본 연구의 결과를 바탕으로 추돌조건에 따른 속도변화 값을 예측하거나, 차량에 장착된 사고기록장치(EDR: Event Data Recorder)에서 속도변화 값을 추출하여 목상해 가능성을 예측할 수 있다. 또한 피추돌차량의 손상유형이 경미손상 1/2/3 유형의 경우, 목상해 발생 가능성이 매우 낮다고 판단할 수 있다. |In this dissertation, car-to-car low-speed rear-end collision tests were conducted to predict vehicle motion values and neck injury criteria according to the test conditions and to make a standard for judging the possibility of human injury according to the type of vehicle damage. The author proposes a methodology to predict velocity change, mean acceleration, peak acceleration, and neck injury criterion (NIC) using collision conditions such as the mass of striking and struck vehicles, lateral overlap ratio between vehicles, and impact speed. Moreover, it was confirmed through volunteer tests that minor damage 1/2/3 types of the minor damage repair standard can be applied to human injuries. Supervised learning and testing were conducted using a multiple linear regression function to predict vehicle motion values and neck injury criterion using collision conditions. As a result, when predicting the vehicle motion value as a dependent variable, the coefficient of determination was high (0.78-0.87), confirming that it can be used for prediction. However, the coefficient of determination of the linear regression function in the case of 9 volunteer tests was low (about 0.2) because the variation of NIC values was large. The BioRID-II dummy tests produce a consistent NIC according to test conditions, but the deviation of the NIC measured from 9 adult male volunteers was too large. In addition, the goodness-of-fit of the linear regression function was low when the volunteer tests were used as test data in the prediction of the neck injury criterion using each vehicle motion value. On the other hand, when only BioRID-II test results were used for training, the coefficient of determination was high. Therefore, it is possible to use the neck injury criterion (NIC) as a reference value for the test, however, it was confirmed that there is a limit to presenting it as a criterion for judging the limit of the harmlessness of a victim. The results of previous studies and volunteer tests confirmed that the probability of bodily injury to the occupant of the struck vehicle is very low when the damage type of the struck vehicle is in minor damage 1/2/3 types. Based on this, the 'minor accident personal injury standard' can be adopted to check the bodily injury of the occupants in the struck vehicle with minor damage. However, the standard should include an exception for the vulnerable road users and previously injured victims. In the volunteer test of this study, it was confirmed that no bodily injuries including neck injuries to occupants occurred up to the velocity change 9.74 km/h of the struck vehicle. It has been suggested the velocity change 7.2-18 km/h as the limit of harmlessness according to the literature survey. Therefore, in this study, based on the volunteer test results and previous studies, the 'threshold for no neck injuries' is suggested as the velocity change 8-10 km/h. Of course, it should be stated that the elderly, vulnerable road users, and the previously injured victims could be an exception. Using the above research results, it is possible to predict the velocity change value and to judge bodily injury by entering the collision conditions such as vehicle mass, overlap ratio, and impact speed of a rear-end collision with a linear regression function. In addition, if the 'minor accident bodily injury standard' is adopted, the possibility of bodily injury to the occupant of the struck vehicle can be judged by checking the bumper damage immediately after a minor rear-end collision accident. It is hoped that this study will minimize the dispute between the attacker and the victim in the event of a minor damage collision and will be helpful to researchers who are conducting related research.