2.1 눈부심과 시인성의 관계

전통적인 도로 조명 기준은 야간 도로의 시인성을 향상시키기 위해 노면의 휘도를 높이는 방법을 채택하고 있으며, 이러한 이유로 비교적 높은 평균노면휘도를 기준값으로 제시하고 있다^[4]. 이와 더불어 장애물의 휘도대비 확보 및 플리커 방지를 위한 종합 균제도(overall uniformity, $U_{O}$) 및 차선축 균제도(longitudinal uniformity of road surface luminance, $U_{l}$), 도로 조명에 의한 불능 글레어(disability glare) 수준을 제한하기 위한 임계치 증분(threshold increment, $TI$)을 병기하여 제시하고 있다^[5-6].

반면 ANSI(2005)^[7]는 장애물과 노면의 휘도대비를 근거로 시인성을 평가하는 STV(small target visibility) 기반 도로조명기준을 제시하고 있다. 전통적인 도로 조명 기준이 도로조명에 의한 눈부심을 시인성 저하의 요인으로 고려하고 있는 반면 ANSI(2005)는 대향차량 전조등에 의한 눈부심을 운전자의 시인성 저하의 주요 요인으로 고려하고 있다(Table 3). ANSI(2005)는 대향차량의 전조등에 의한 눈부심 정도를 중앙분리대의 폭에 따라 구분하고 있으며, 중앙분리대의 폭이 좁아 눈부심이 더 많이 발생하는 경우에는 평균노면휘도를 높이도록 규정하고 있다.

Cho(2017)^[8]은 피험자 실험을 통해 대향차량 상향등의 유무별로 운전자가 전방 선형변화를 확인하기 위해 필요로 하는 적정 노면휘도 수준을 피험자 실험을 통해 도출하였다. Cho(2017)는 각 노면휘도 수준에서 직선부를 주행하는 피험자가 전방 선형변화, 즉 곡선부의 존재를 확인한 거리를 분석하기 위해 노면휘도 및 대향차량 상향등 조건 구현이 가능한 가상주행 시뮬레이터 및 전조등 시뮬레이터를 활용하여 대향차량이 상향등을 켜고 주행하는 도로상황을 묘사하였다. 대향차량 상향등에 의한 눈부심 정도는 대향차로 10～110m 거리에서 10m 간격으로 측정․분석된 실제 RV 차량 2종의 상․하향등 TI 중 최댓값인 730%를 적용하였으며, 이를 가상주행 시뮬레이터에 표출된 도로 영상의 대향차량 위치에 설치된 전조등 시뮬레이터를 이용하여 동일한 수준으로 구현하였다(Fig. 1). 피험자는 국내 연령대별 운전면허소지자 비율을 적용하여 구성하였으며, 각 운전자별 브레이크 작동 시점 자료를 이용하여 노면휘도별 전방 선형(곡선부) 확인거리를 분석하였다. 브레이크 작동 후 핸들조작 여유시간 1초 동안의 주행거리에 해당하는 22m(80kph)를 적정 노면휘도 결정 근거로 활용하여 분석한 결과, 전체 피험자 중 85%가 전방 선형의 변화를 22m 이상의 거리에서 확인하기 위한 최소의 노면휘도는 상향등 영향을 받는 경우 0.42$cd/m^{2}$, 영향을 받지 않는 경우 0.13$cd/m^{2}$임을 제시하였다(Fig. 2).

2.2 인지반응시간

인지반응시간(perception-response time, PRT)은 “어떤 물체나 조건이 운전자의 시야에 처음 들어왔을 때부터 운전자가 브레이크 페달에 발을 올리거나 핸들을 조향하기 시작하는 등의 응답을 시작할 때까지의 시간 간격”^[9]으로 인지(detection), 확인(perception), 판단(decision), 반응(response)의 순서로 연결되는 일련의 과정에 소요되는 시간의 합으로 정의된다. 인지는 운전자의 시야내로 들어온 위험요소를 운전자가 알아채는 단계, 확인은 알아챈 위험요소가 어떤 종류의 위험인지를 구분하는 단계, 판단은 위험의 수준과 취해야 할 행동을 결정하는 단계, 반응은 결정한 행동을 실행에 옮기는 단계이다. 일반적으로 인지시간은 인지, 확인, 판단에 소요되는 시간의 합으로 정의되며, 인지반응시간은 인지시간과 반응시간의 합으로 정의된다.

인지반응시간은 운전자가 판단해야 할 위험요소의 예측 가능성 및 복잡성에 따라 달라진다. 신호등의 황색신호, 전방선형의 변화와 같이 운전자가 예측 가능한 상황(expected)에서는 인지반응시간이 비교적 짧으며, 고속도로에서의 갑작스런 선두차량 정지와 같이 예측이 어려움(unexpected)과 동시에 브레이크등 및 선두차량과의 간격 변화 확인, 차량 감속 필요성의 판단 등 복잡한 인지반응과정이 필요한 경우에는 소요되는 시간이 길어진다. 이러한 상황의 다양성을 포괄하기 위해 국내 도로설계기준은 국외기준에서 다수의 문헌들을 검토한 결과를 통해 거의 대부분(95%)의 운전자가 위기에 대응할 수 있는 시간으로 제시한 2.5초를 정지시거 산정을 위한 인지반응시간으로 정의하고 있으며, 이 값은 인지부터 판단까지 소요되는 인지시간 1.5초, 판단 이후 브레이크에 발을 옮길 때까지의 반응시간 1.0초의 합이다^[10-12].

KoROAD(1998)^[13]는 실도로에서 피험자를 대상으로 장애물 돌발출현 시의 지각시간(perception time) 및 반응시간((response time)을 측정하기 위한 실험을 수행하였다. 지각시간은 실험조건을 미리 알린 경우(alert) 평균 0.29초, 실험조건을 미리 알리지 않은 경우(surprise) 평균 0.57초로 유의한 차이가 발생하였으나, 반응시간은 alert 조건일 때 0.65초, surprise 조건일 때 0.66초로 위험상황을 사전에 예상했는가의 여부와는 상관없이 유의한 차이가 없음을 제시하였다.

Choi, et al.(2017)^[14]은 가상주행 시뮬레이션 프로그램(UC-WinRoad)를 활용하여 운전자 기대심리를 고려한 3가지 다른 제동상황이 발생했을 때의 인지시간 및 반응시간을 구분하여 인지반응시간을 측정하였다. 시나리오 1은 운전자가 전방상황을 어느 정도 예측할 수 있는 상황(expected)에서 진행된 실험으로 교통신호기의 적색등화로의 변경 시 운전자의 인지반응시간을, 시나리오 2는 운전자가 전방상황을 예측할 수 없는 상황(unexpected)에서 진행된 실험으로 선두차량의 갑작스러운 제동에 대한 운전자의 인지반응시간을, 시나리오 3은 운전자를 놀라게 하는 돌발 상황(surprised)에서 진행된 실험으로 갑작스런 낙석 발생에 대한 운전자의 인지반응시간을 측정하였다. 속도 100km/h 조건에서의 시나리오 1(적색 신호등화), 2(선두차량 제동), 3(낙석 돌출) 각각의 85백분위 인지시간은 1.07초, 1.38초, 1.23초이며, 반응시간은 0.63초, 0.64초, 0.55초인 것으로 분석되었다. 백분위수는 전체 자료의 빈도분포에서 각 백분위를 가지게 하는 등분점, 즉 전체 자료의 분포에서 특정 백분위에 해당하는 등분점이다. 예로 어떤 운전자의 인지시간이 1.07초이고, 전체 운전자의 85%가 해당 운전자의 인지시간보다 짧다면, 이 운전자의 백분위(perentile rank)는 85이고, 85백분위수(percentile)는 1.07초이다.

McLean 등(1973)^[15]은 직선부 주행을 위한 운전자 조향제어 행태 관련 연구를 통해 차량이 없는 도로환경에서 차량을 적절히 조향하기 위해 운전자가 미리 확인해야 할 미리보기 거리(preview distance)는 약 21.3m임을 제시하였다. 이 거리는 실험조건으로 설정된 두 가지 주행속도(32km/h, 48km/h)의 차이와는 무관하게 동일하며, 미리보기 거리가 21.3m를 초과하여도 운전자의 조향능력이 개선되지 않음을 제시하였다.

3.1 피험자 주행 실험

피험자 구성을 제외한 실험조건 및 실험장비, 실험절차는 Cho(2017)^[8]의 연구와 동일하며, 다음과 같은 절차로 수행되었다.

가상주행 시뮬레이션 프로그램(UC-WinRoad)을 통해 기하구조 및 노면휘도를 구현하였으며, 전조등 시뮬레이터를 통해 상향등 조건의 대향차량으로 인한 TI를 구현, 피험자 대상 주행 실험을 수행하였다. 실험은 한국건설기술연구원의 암실에서 수행되었다.

피험자와 운영자의 공간은 칸막이로 구분되어 시뮬레이터 영상을 제외한 피험자의 시각순응에 영향을 미치는 요인은 모두 차단되었다.

실험을 위해 설정된 조건은 다음과 같다.

- 기하구조 조건 : 길이 약 700m의 직선과 반지름 약 300m의 평면곡선이 연결된 9개 단위구간(unit section)으로 구성

※ 평면곡선 반지름 300m는 설계속도 80km/h 도로의 최소 평면곡선 반지름(280m)과 유사

- 노면휘도 조건 : 0.05, 0.1, 0.25(M6), 0.5(M5), 1.0(M3), 1.5(M2), 2.0(M1) $cd/m^{2}$의 노면휘도를 단위구간별로 순차 적용

※ 단위구간 1～3은 노면휘도 0.05$cd/m^{2}$가 동일하게 적용되었으며, 이 중 단위구간 1～2는 피험자의 암순응 및 시뮬레이터 조작감에 순응하기 위한 구간으로 설정(분석 제외)

- TI 조건 : 곡선 전방 500m～곡선 시작점까지 상향등 최댓값(TI 730%) 유지

※ TI는 불능 글레어 발생 원인이 되는 광원을 가린 상태의 대상물의 임계휘도에 대하여 불능 글레어가 있을 때 대상물의 임계휘도의 증분을 백분율(%)로 나타낸 것으로, 자세한 계산식은 KS A 3701(2014) 부속서 B.8.4에 따름. TI의 측정 및 분석을 위해 LMK 및 Labsoft (TechnoTeam 社)가 활용되었음.

- 피험자 조건 : 60～70대의 피험자 31명 대상

※ 연령대별 피험자수 : 60대 29명, 70대 2명

실험은 다음과 같은 절차로 진행되었으며 피험자가 어두운 실험실 환경에 충분히 순응된 상태에서 실험이 시작되었다.

① 피험자는 80km/h 정속으로 주행 중 전방 곡선부가 보일 경우 곡선방향을 실험운영자에게 제시함과 동시에 브레이크를 작동

② 실험운영자에게 제시된 곡선부 방향이 맞을 경우 가상주행 시뮬레이션 프로그램에 기록되는 브레이크 작동 시점의 위치정보를 활용하여 전방 곡선부 시작점까지의 거리를 산정

③ 각 피험자는 대향차량의 상향등이 없는 조건과 상향등이 있는 조건을 각 1회씩 총 2회 주행

3.2 자료분석 및 결과

운전자는 곡선부 시작점에 진입하기 전 인지부터 반응까지의 절차를 모두 완수하여야 안전하게 곡선부에 진입할 수 있다. 일반적인 경우 인지-확인-판단-반응의 과정은 순차적으로 발생하며, 전방에 곡선부가 출현한 경우의 인지반응 과정 또한 운전자가 시야(visual field) 내에 들어온 전방상황의 변화를 알아채는 단계(인지), 그 변화가 선형의 변화임을, 즉 전방에 곡선부가 있음을 확인하는 단계(확인), 전방 곡선의 굽은 정도를 가늠한 후 전방 곡선을 통과하기 위해 어느 정도 핸들을 꺽어야 하는지, 속도는 어느 정도 줄여야 하는지 등의 의사결정을 하는 단계(판단), 이를 실행에 옮기는 단계(반응)의 일반적인 인지반응의 절차를 수행한다. 그러나 본 실험에서의 인지반응 과정은 실제 도로에서 운전자가 수행하는 일반적인 과정과는 차이가 있다. 본 실험에서는 피험자가 전방 곡선부를 확인하는 즉시 확인된 곡선의 방향을 제시함과 동시에 브레이크를 밟도록 실험이 설계되었으며, 이로 인하여 인지반응 과정 중 행동결정을 위한 판단의 단계는 생략된 것으로 볼 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서 가상주행 시뮬레이션 프로그램을 통해 기록된 각 운전자별 브레이크 작동 지점으로부터 전방 곡선부 시작점까지의 거리는 전방 선형(곡선부)에 대한 판단 단계가 제외된 인지, 확인, 반응의 과정이 완료된 지점으로부터 곡선부 시작점까지의 남은 거리, 즉 피험자가 전방 곡선부 진입 시의 행동 판단 단계를 수행하기 위해 소요할 수 있는(운전자에게 제공되는) 잔여거리(이하 ‘제공판단거리(Supplied Decision-Distance, $D_{S}$)’)로 정의될 수 있다. 실험을 통해 수집된 제공판단거리 자료 중 노면휘도 조건의 변화에도 불구하고 제공판단거리에 거의 차이가 없는 경우 등 실험목적 및 과정을 잘못 이해한 것으로 판단된 피험자의 자료는 제외되었으며, 피험자가 곡선부를 확인하였음에도 불구하고 실수로 브레이크를 밟지 않았음을 운영자에게 고지한 경우의 자료 또한 제외되었다. 총 341건의 제공판단거리($D_{S}$) 자료가 수집되었으며, 수집된 자료의 분포는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6의 자료를 활용하여 대향차량 상향등 및 노면휘도 조합 조건에 따른 제공판단거리($D_{S}$) 백분위수(percentile)를 도출하였으며, 분석결과는 Table 4, 5와 같다. 제공판단거리($D_{S}$)의 백분위수는 개별 피험자를 통해 수집된 제공판단거리($D_{S}$)를 오름차순으로 정렬한 뒤 백분위 값을 산정한 것으로 백분위(percentile rank)가 낮을수록 제공판단거리($D_{S}$)는 짧아진다.

전술한 바와 같이 본 실험의 피험자 인지반응 과정에는 판단의 단계가 누락되어 실제 상황에서 요구되는 것과 다르며, 이 차이는 보정될 필요가 있다. 일반적으로 저규격의 연속류 구간에는 중앙분리대가 설치되지 않아 대향차량 상향등의 영향을 받을 가능성이 높다. 이러한 저규격의 연속류 도로를 주행하는 운전자는 빈번한 선형의 변화를 사전에 예상할 수 있으며(expected), 따라서 전방 곡선의 인지로부터 판단까지의 일련의 과정 중 인지 및 확인에 소요되는 시간은 판단에 소요되는 시간과 비교하여 매우 짧을 것으로 판단된다. 특히 본 실험에 참여한 피험자는 이미 실험의 목적을 알고 있는 상황이었으며, 전방 곡선부 출현을 확인하기 위해 상당히 집중하였을 것임을 감안 시 인지 및 확인은 거의 즉각적으로 발생하였을 것으로 판단된다. 따라서 본 실험의 인지반응 과정 및 이에 소요되는 시간 보정을 위한 참조값은 인지와 확인과정에 영향을 주는 운전자의 상황 예측 가능성보다는 판단 과정의 복잡한 정도를 기준으로 그 유사성을 검토하여 결정되어야 한다. 이를 감안 시 곡선부의 굽은 정도 및 핸들조향 정도, 속도 결정 등 곡선부로 진입 시의 행동결정을 위한 판단 과정에 소요되는 시간은 Choi, et al.(2017)^[14]의 연구결과 중 선두차량의 제동에 따른 후행차량의 제동여부 결정 판단시간과 관련한 시나리오 2(unexpected)에서 도출된 결과와 유사하다고 판단하는 것이 합리적이다. 시나리오 1(적색 신호등화, expected)은 운전자가 판단해야 할 위험요소의 예측 가능성 측면에서 본 연구와 유사하며 따라서 인지 및 확인시간은 유사할 수 있으나, 인지반응시간 중 상당 부분을 차지하는 판단시간에는 큰 차이가 있을 것으로 예상되어, 본 연구에 적용하는 것은 합리적이지 않을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구는 Choi, et al.(2017)^[14]의 연구결과 중 시나리오 2(선두차량 제동)에서 제시한 85%-tile 운전자의 인지-확인-판단시간 1.38초를 운전자가 곡선부에 안전하게 진입하기 위해 필요한 인지반응시간 중 본 연구의 피험자 실험과정 중 고려되지 않은 판단시간으로 적용하였다. 일반적으로 선형변화 대응 상황보다 선두차량 제동 상황에서 요구되는 인지-확인-판단시간이 더 길며, 본 연구의 실험 과정에서 이미 인지 및 확인시간이 고려되었음을 감안 시 필요 판단시간 1.38초는 안전여유가 충분히 고려된 것으로 판단된다. 운전자의 곡선부 진입을 위한 준비과정인 직선부에서의 사전 핸들조향에 소요되는 시간은 실험과정 중 곡선부의 확인이 종료된 직후부터 브레이크로 발을 옮기기까지의 시간과 동일하다고 가정하여 이를 위한 추가시간은 별도로 고려되지 않았다. 최종적으로 운전자가 곡선부에 안전하게 진입하기 위해 필요한 판단거리(이하 ‘필요판단거리(Needed Decision-Distance, $D_{N}$)’)는 80km/h의 속도로 주행하는 운전자가 곡선부에 안전하게 진입하기 위해 요구되는 판단시간 1.38초 동안 주행하는 거리 30.7m로 적용되었다.

Fig. 7은 Table 4, 5의 자료를 활용하여 대향차량 상향등 조건(ON/OFF)에 따른 제공판단거리($D_{S}$)의 15백분위 및 25백분위 추세선을 도출하고 이를 필요판단거리($D_{N}$)와 동시에 도식화 한 한 결과이다. 노면휘도($L_{S}$)와 제공판단거리($D_{S}$)는 자연로그함수의 관계를 가지는 것으로 나타났으며, 노면휘도($L_{S}$)가 높아질수록 상향등 유무에 따른 제공판단거리($D_{S}$)의 차이가 감소하는 경향을 보인다. 노면휘도와 제공판단거리의 관계 추정 적합도를 나타내는 결정계수(R2)의 경우 상향등이 있는 조건에서 0.95 이상으로 비교적 높으나, 상향등이 없는 조건에서는 0.72 이하로 비교적 낮게 나타났다. 상향등이 있는 조건에서는 상향등으로 인한 눈부심 및 노면휘도가 제공판단거리의 변화에 영향을 미치는 주요변수로 작용하여 노면휘도의 증가에 따른 제공판단거리의 증가 추세가 비교적 일관성 있게 나타난 것으로 판단된다. 반면 대향차량의 상향등이 없는 조건에서의 비교적 낮은 결정계수는 노면휘도 0.5$cd/m^{2}$와 1.5$cd/m^{2}$에서의 제공판단거리가 해당 노면휘도 조건을 제외한 다른 노면휘도 조건에서의 제공판단거리 변화와 추세가 달리 나타났기 때문이며, 이는 상향등이 없는 조건에서는 눈부심이 사라져 노면휘도 뿐만 아니라 개별 피험자의 해당 구간 주행 시의 심리적 상태, 전방 주시특성 등 피험자 개인별로 다르게 나타나는 특성 요인들이 전방 곡선부 확인거리에 미치는 영향이 커졌기 때문인 것으로 판단된다. 다만, 노면휘도가 높아지면 운전자가 곡선부를 확인할 수 있는 거리가 증가하며, 노면휘도가 일정수준 이상이 되면 노면휘도 증가에 따른 곡선부 확인 거리의 증가율이 둔화되는 것은 매우 일반적인 현상이다. 따라서 대향차량 상향등의 유무와 관계없이 노면휘도와 제공판단거리의 관계를 자연로그형태의 함수로 추정하는 것은 유효하다고 판단된다.

Table 6은 대향차량 상향등 조건별 15백분위 및 25백분위 제공판단거리($D_{S}$)가 필요판단거리($D_{N}$)와 동일한 경우의 노면휘도($L_{S}$)를 도출한 결과이며, 해당 노면휘도($L_{S}$)는 Fig. 7의 (a), (b)에서 각 추세선과 필요판단거리($D_{N}$)의 교점에서의 노면휘도($L_{S}$)에 해당한다. $x$ 백분위의 제공판단거리($D_{S}$)와 필요판단거리($D_{N}$)가 동일한 경우 해당 노면휘도($L_{S}$)에서 (100-$x$)백분위의 운전자는 안전한 곡선부 진입을 위해 요구되는 인지반응의 모든 절차를 곡선부 진입 전까지 온전히 마무리할 수 있고, 나머지 $x$ 백분위의 운전자는 인지반응에 필요한 거리를 제공받지 못해 위험할 수 있음을 의미한다. 따라서 이때의 노면휘도($L_{S}$)는 곡선부로 진입하는 운전자 중 (100-$x$) 백분위 운전자의 안전 보장을 위한 임계 노면휘도(Critical Road Surface Luminance, $L_{CS}$)이며, (100-$x$) 백분위는 임계 노면휘도($L_{CS}$)를 제공함으로써 확보하고자 하는 목표 안전수준(target safety level)에 해당된다. 예로 대향차량의 상향등에 의해 눈이 부심에도 불구하고 85% 이상의 운전자가 곡선부 진입 전 인지반응 과정을 온전히 수행하고 이를 통해 안전하게 곡선부에 진입할 수 있게 하는 것을 목표로 도로조명을 설치할 경우 0.95$cd/m^{2}$ 이상의 노면휘도가 확보되도록 하여야 한다는 것을 의미한다(Table 6의 (a)).