[테마특강] 차량항법시스템(CNS)

지속적인 도로망 확충에도 대도시의 자동차 정체현상은 날로 심화되고 있다. 이에 따른 우리나라의 연간 교통혼잡 비용은 95년 기준 11조6천억원으로 GNP 대비 3.6%에 달했다. 교통사고로 인한 사상자 수도 매년 1만여명을 넘어서는 등 손실비용이 7조9천억원에 이르고 있다. 특히 90년대 들어 전세계적으로 환경보호가 강조되면서 자동차의 효율적인 관리가 중요해지고 있다.

결과적으로 날로 심화되는 교통문제를 해결하기 위해서는 이제 제3의 새로운 해결방법이 절실히 요구되고 있는 것이다. 제3의 새로운 해결방법은 기존 도로망에서 많은 자동차를 효율적으로 운행시켜 병목현상을 최소화하고 도로이용률을 최적화하는 것이라 할 수 있다.

전자와 컴퓨터기술의 발전으로 고성능 장비를 저렴한 가격으로 활용할 수 있게 되고 그동안 산발적으로 진행됐던 디지털 지도제작, CAD시스템, 자동운송위치시스템(AVLS), 차단관리(Fleet Management), 차량항법시스템(CNS), 위치측정시스템(GPS) 등을 통합한 지능형 교통시스템(ITS)이라는 새로운 분야가 등장하게 됐다. ITS의 전신은 지능형 운송하이웨이시스템(IVHS)으로 운전자에게 최적의 도로정보를 제공해 교통체증과 이에 따르는 보조적인 손실(시간, 오염, 불필요한 기름낭비)을 막아 도로라는 사회간접자본을 최대한 활용하는 것이 주된 목적이다.

차량항법시스템이라고 불리는 CNS(Car Navigation System)는 ITS분야 중 가장 먼저 상용화 단계에 있는 분야이다. 이 시스템은 차량내 단말기(일종의 특수컴퓨터로 on Vehicle Control Unit이라 함)에 전자수치지도, GPS, 항법소프트웨어 등을 혼합한 것으로 전자지도상에 운전자의 현재 위치를 표시해 주는 것은 물론 필요할 경우 최단경로, 최적경로로 목적지를 안내해 줄 수도 있다. 뿐만 아니라 실시간 교통정보를 수신하여 쾌적한 운전환경 제시는 물론 더 나아가 도로이용의 효율화를 구현할 수 있다.

현재 CNS를 가장 활발히 이용하는 국가는 일본이다. 지난 94년부터 3년 연속 10대 히트상품으로 CNS가 선정된 것에서도 잘 알 수 있다. 지난 96년 시장규모만도 약 1백만대(1조∼1조 5천억엔 규모)에 달했다. 국내에서는 쌍용정보통신을 비롯 현대, 만도, 삼성, 대우 등 대기업이 경쟁적으로 개발중에 있으며 이르면 올 4월중 첫 모델이 선보일 것으로 예상된다.

CNS는 여러가지 기술이 복합된 것이기 때문에 요소기술 확보뿐 아니라 전체적인 시스템 통합능력이 요구된다. 이중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것이 전자수치지도(DRM;Digital Road Map)인데 이는 CNS 자체가 지리정보시스템(GIS)에 기반을 두고 있기 때문이다. CNS용 전자지도는 제한된 하드웨어 환경에서 작동할 수 있도록 콤팩트하고 빠르며 호환성이 있어야 한다. CNS용 전자수치지도는 속성데이터, 그래픽 데이터, 위상(Topology) 데이터로 구분되는데 특히 위상데이터는 결로탐색(Routing), 지도배합(Map Matching) 등 CNS 핵심기능에 직접 영향을 미치므로 이를 어떻게 설계하고 구축하느냐가 제품 성공과 직결된다. 이는 측지측량의 시각에서 구축되는 관념적인 지도와는 달리 응용성을 고려한 컴퓨터적인 측면에서 지도가 설계 구축되어야 함을 의미한다.

CNS용 전자수치지도에서 빼놓을 수 없는 것이 업데이트의 용의성과 확장성이다. 업데이트의 용의성이란 이미 구축된 전자수치지도를 최소비용과 노력으로 신속하게 유지, 보수할 수 있는 것으로 우리나라처럼 신규 도로건설이 많은 나라에서 특히 요구되는 기술이다. 확장성은 전자수치지도에 단순한 항법기능만을 부여하는 것이 아니라 교통정보 수용, CNS 이외의 다른 ITS분야에 활용될 수 있어야 한다는 것이다. 이는 전자수치지도를 구축하는 데 많은 시간과 비용이 소요되기 때문이다.

차량항법시스템에서 전자지도만큼 중요한 것이 차량위치 추적시스템이다. 차량위치 추적에는 GPS와 추측항법(DR;Dead Reckoning) 등 2종의 기술이 사용된다. GPS는 지구 상공에서 주기궤도를 선회하고 있는 24개 저궤도 인공위성과 삼각측량 원리를 이용하여 차량의 절대 위치를 측정해내는 시스템이다. 미국 국방부가 군사목적으로 개발한 이 시스템은 현재 일반 분야에서 활용이 적극적으로 검토되고 있다. 다만 일반 분야의 경우 군사용과 달리 50∼3백m의 측위오차를 가지고 있다.

DR시스템은 관성항법장치 원리를 이용한 것으로 자이로(GYRO)센서, 휠(Wheel)센서, 스피드센서, 가속도센서 등을 이용하여 차량의 상대위치를 측정해내는 시스템이다. DR시스템 역시 미사일 추적 등과 같은 군사목적으로 개발된 것이지만 GPS보다 훨씬 이전부터 일반 항법분야(항공기나 선박)에 활발히 이용된 기술이다.

GPS와 DR시스템을 비교할 때 어느 것이 더 좋은 위치측정시스템인지 단언하기란 매우 어렵다. 이들 시스템은 각각 절대 측위시스템과 상대 측위시스템으로 근본 성격이 다르기 때문이다. 최근 GPS의 한계를 극복하기 위한 오차보정위치 측정시스템(DGPS)이 활발히 연구되고 있으며 GPS와 DR시스템의 단점을 상호 보완할 수 있는 하이브리드형 위치확인시스템도 활발히 연구, 적용되고 있다.

차량항법은 4∼6인치의 작은 화면을 사용하기 때문에 종이 지도와는 달리 자유로운 확대, 축소와 이동이 가능해야 한다. 따라서 전자수치지도는 타일이라는 일정한 물리 규격으로 잘라 관리되며 이를 화면에 출력하기 위해서는 최소 4개, 최대 9개의 타일을 메모리에 로드한다. 또 한번에 모든 지형 속성을 화면에 출력하는 것이 아니라 사용자가 선택적으로 필요한 요소를 출력할 수 있도록 설계한다.

차량항법에서 필수적인 기술이 헤딩업(Heading Up)기술과 노스업(North Up)기술이다. 헤딩업이란 자동차 진행방향을 항상 화면 상단으로 고정하는 기능으로 그 결과 지도가 마치 나침반 같이 방향에 따라서 좌우로 회전한다(일반적으로 1도 단위로 회전). 노스업이란 헤딩업과 상반된 개념으로 화면 상단을 북쪽으로 고정한 후 자동차 위치가 이동하는 것을 뜻한다. 예를 들어 서울에서 부산을 찾아갈 때 헤딩업이 적용되면 부산이 화면 상단방향이고 자동차 역시 동일한 방향으로 이동하지만 노스업이 적용되면 부산이 화면 하단방향이므로 자동차 역시 화면 하단쪽으로 이동한다. 헤딩업은 구현이 어렵지만 가장 큰 장점은 운전자의 방향성을 일관성있게 유지시켜 준다는 것이다. 운전자가 핸들을 오른쪽으로 꺾을 때 항법시스템에 출력된 지도에서 차량이 동일한 방향으로 이동한다(노스업의 경우에는 남쪽 방향일 경우에는 반대로 작동함). 이 두 기능 중 헤딩업이 더 진보된 기술이지만 일반적으로 사용자 편의를 위하여 두가지 기능이 모두 제공된다.

GPS나 시스템오차보정 위치측정시스템(DGPS;Differential GPS) 또는 DR시스템이 아무리 정확한 위치를 파악한다 하더라도 오차가 발생하는 것은 어쩔 수 없다. 또한 항법용으로 특수 제작된 지도 역시 여러가지 이유 때문에 기본적인 오차가 발생하게 된다. 이럴 경우 사용되는 기술이 맵매칭(Map Matching)기술이다. 이 기술은 다양한 시스템으로부터 획득한 차량의 위치를 추적하여 전자지도상의 정확한 도로와 연결시켜 주어 추측항법을 가능하게 해주는 것이다. 맵매칭은 추측항법 알고리듬의 개발뿐 아니라 전자지도 데이터베이스와의 접목, 각종 센서장비와의 상관관계, 헤딩업과의 연계가 가장 중요한 요소로 작동한다.

차량항법 소프트웨어에서 빼놓을 수 없는 것이 경로탐색(Rounting)이다. 경로탐색의 기본개념은 이미 오래 전부터 수학적인 측면에 많은 연구가 되었지만 제한된 하드웨어 성능, 전자수치지도라는 특수한 데이터 베이스 환경과 밀접한 관계를 가지고 있어 단순히 수치적인 알고리듬 적용은 불가능하며 전자수치지도 데이터베이스의 위상구조 설계, 알고리듬의 애플리케이션 접목기술 등이 선행되어야 한다. 경로탐색의 기술난이도는 최단경로(Static Routing), 다중경로(Alternative Routing), 최적경로(Dynamic Routing) 순으로 결정되는데 특히 최적경로는 실시간 교통정보를 무선망을 통하여 전달받아 현재 최적의 운전상황을 운전자에게 전달하게 된다. 국내에서 차량항법시스템에 많은 관심을 가지는 이유도 바로 차량항법시스템의 이러한 기능 때문으로 이것이 국내 교통상황을 획기적으로 진전시킬 것으로 기대되고 있다.

차량단말기는 크게 일체형과 분리형으로 구분된다. 일체형은 설치가 간단하며 이동성이 뛰어난 반면 크기의 제약을 받게 된다. 반면 분리형은 이동성은 없지만 컨트롤 유닛의 크기에 제약을 받지 않는다는 장점을 가지고 있다. 향후 기술발전 추이를 볼 때 일체형은 PDA와 같은 개인용 휴대단말기로 발전할 가능성이 높으며 분리형은 차량 전용컴퓨터로 발전할 것으로 예견된다.

19세기에 인간이 달나라에 갈 것이라고 그 누구도 상상하지 못했었다. 마찬가지로 불과 10년전만 해도 손바닥만한 486컴퓨터가 나오리라 그 누구도 예견하지 못했다. 그만큼 현대 기술수준은 핵 폭발과 같은 힘으로 발전해 나가고 있다. 차량항법시스템도 예외는 아니어서 2000년에는 운전자에게 없어서는 안될 필수적인 제품군으로 자리잡을 확률이 높다. 이러한 예견은 약 1조원 이상으로 기대되는 거대한 시장뿐 아니라 국내, 국제적인 교통상황(차량의 증가, 물류비용 증가, 사회간접자본 증가율 둔화, 환경과 화석연료의 고갈)을 효율적으로 대처할 수 있는 제품이 바로 차량항법시스템이기 때문이다.

또한 차량항법시스템 기술에서 파생되는 첨단물류정보시스템(CVO;Comercial Vehicle Operarion), 첨단대중교통시스템(APTS;Advanced Public Transportation System), 첨단교통관리시스템(ATMS;Advanced Traffic Management System), 첨단교통정보시스템(ATIS;Advanced Traveler/Traffic Information System) 등의 기술도 이러한 문제를 해결하는 데 한몫 할 수 있기 때문이다.

丁允基

89년 파리 13대학 컴퓨터 응용공학 학사

90년 파리 6대학원 컴퓨터 산업공학 석사

91년 파리 6대학원 컴퓨터 산업공학 박사

91년 Artifitial Vision(Robotics) 한글과 라틴 문자 인식연구

94년 쌍용정보통신 입사

현재 쌍용정보통신 자동화사업부 ITS사업팀 파트리더

주요활동

한국이동통신 ATIS프로젝트, 쌍용 CNS프로젝트, 기타 ITS 프로젝트 다수 수행