자율주행차

왜 배우는가: 자율주행차는 운전 주체가 사람에서 시스템으로 옮겨 가는 기술이어서 도로교통 제도와 사고 책임 체계를 함께 바꾼다. 실무에서는 자동화 수준의 구분과 안전 기준 적용이 핵심이 되고, 시험에서는 정의와 레벨 구분을 묻는 문항이 여러 교시에 걸쳐 나온다.

출제 이력: 제135회 3교시 5번, 제102회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자율주행차는 센서와 판단·제어 기술로 운전자의 조작 없이 주행 환경을 인식하고 스스로 달리는 자동차다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 자동화 수준과 도로교통에 미치는 영향을 붙인다. 자율주행차는 차량이 주변을 인식하고 목적지까지의 주행 작업을 스스로 수행하는 자동차를 가리킨다. 자율주행차를 구분하는 기준은 동적 운전 작업을 누가, 어느 조건까지 맡는지다.

핵심 키워드

• 자율주행차(Autonomous Vehicle, AV)
• 자율주행 기술레벨
• 환경인식
• 위치인식
• 판단
• 제어
• V2X
• 운행 설계 영역(ODD)

여덟 개 키워드 중 환경인식, 위치인식, 판단, 제어는 자율주행 기능을 이루는 단위다. 자율주행 기술레벨은 기능이 어디까지 맡는지를 나타내고, V2X는 외부와 정보를 주고받는 통신 기능을 나타낸다. 답안에서는 기능 단위를 먼저 나열하고, 수준과 통신을 뒤에 붙이면 구조가 잡힌다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 운전자가 핸들과 페달을 계속 잡지 않아도 차가 길과 주변을 살펴 스스로 움직이는 차다. 운전자의 역할이 직접 조작에서 감시와 준비로 점차 옮겨 간다는 점이 이 개념의 핵심이다.

정식 정의는 차량 안에서 동적 운전 작업(Dynamic Driving Task, DDT)의 일부 또는 전부를 시스템이 수행하는 자동차다. 동적 운전 작업은 횡방향과 종방향의 차량 제어, 주변 객체와 사건의 감지, 그에 대한 대응으로 이루어진다.

SAE J3016은 자동화 수준을 레벨 0~5의 여섯 단계로 나눈다. 레벨 0은 자동화가 없는 단계이고 레벨 5는 모든 조건에서 시스템이 주행하는 완전 자동화다.

자율주행 기술레벨은 시스템이 맡는 작업의 범위와 운전자가 맡을 책임을 기준으로 한 분류다. 레벨 1과 2에서는 운전자가 계속 주변을 주시해야 한다. 레벨 3(조건부 자동화)은 운전자가 경고에 따라 차량을 제어할 준비를 해야 하지만 상시 감시는 필요 없다. 레벨 4(고도 자동화)는 특정 조건에서 모든 주행 기능을 수행한다.

운행 설계 영역(Operational Design Domain, ODD)은 자율주행 시스템이 작동하도록 설계된 도로, 속도, 기상, 교통 조건의 범위다. 이 범위를 벗어나면 시스템이 기능을 유지할 수 없으므로 ODD는 자율주행 가능 구간을 정하는 기준이 된다.

환경인식은 라이다, 레이다, 비전 카메라 같은 센서로 정적 장애물, 동적 장애물, 도로 표식을 찾아내는 기능이다. 위치인식은 위성항법장치(Global Positioning System, GPS), 관성항법장치(Inertial Navigation System, INS), 엔코더로 차량의 절대 위치와 상대 위치를 파악하는 기능이다.

판단은 인식 결과로 주행 경로와 속도를 정하는 기능이고, 제어는 그 결과에 따라 조향, 가속, 제동 명령을 실행하는 기능이다. 판단이 틀리면 제어가 아무리 정확해도 사고로 이어지므로 두 기능은 함께 검증해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

자율주행차가 주목받는 첫 번째 이유는 운전자 실수로 생기는 사고를 줄일 수 있다는 기대다. 시스템은 피로나 부주의 없이 일정하게 주변을 살피므로 사람의 인지와 판단 오류를 보완할 수 있다.

기대 효과는 다음과 같이 정리된다.

• 교통효율성 증가와 연비 향상
• 교통사고 감소에 따른 사회적 비용 축소
• 운전자의 시간 활용과 삶의 질 개선
• 고령자와 이동약자의 이동권 확대
• 자동차, 반도체, 소프트웨어 등 신규 산업 창출

기술적 배경으로는 센서 융합, 인공지능 기반 판단, 정밀지도의 발전이 있다. 정밀지도와 센서 정보를 함께 쓰면 차량 위치를 정확히 맞출 수 있어 자율주행 기능의 정확도가 높아진다.

그러나 센서만으로는 한계가 있다. 카메라, 레이더, 라이다가 고도화되어도 시야가 가려진 상황이나 주변 차량이 갑자기 차선을 바꾸는 상황은 미리 알기 어렵다. 그래서 차량이 다른 차량, 보행자, 인프라와 정보를 주고받는 V2X(Vehicle to Everything, 차량 사물 통신) 기술이 함께 요구된다.

국제적으로는 SAE가 2014년 J3016 분류 체계를 발표했고 2016년에 개정하였다. 이 분류는 유엔 유럽경제위원회(UNECE)의 UN 규정 제157호에 반영되었다. UN 규정 제157호는 2021년 1월 발효되었다. 미국 고속도로교통안전국(NHTSA)도 SAE 분류를 채택했다.

국내에서는 2019년 자율주행자동차 안전기준이 마련되었다. 2020년 하반기부터 자율주행정보기록장치가 의무화되었다. 이로써 사고 원인을 규명할 주행 기록이 남게 되었다. 「자율주행자동차 상용화 촉진 및 지원에 관한 법률」은 상용화 제도의 기반이 되었다.

자율주행이 도입되면 사고 책임의 주체가 운전자에서 시스템 개발, 제조, 운영 주체로 넓어진다. 기존 손해배상 체계와 보험 제도는 이런 사고를 충분히 다루지 못하므로 제도 개선 논의가 이어지고 있다. 사회적으로는 개인정보와 해킹, 윤리 문제도 함께 제기된다. 차량 위치와 주행 기록이 외부 시스템에 계속 전송되므로 정보 보호가 필요하고, 불가피한 사고에서 어떤 판단을 우선할지도 쟁점이다.

4. 구성요소·원리·절차

자율주행차는 운전자가 하던 인지·판단·조작을 차량 시스템이 대신 수행하는 차량이다. 기능은 환경인식, 위치인식, 판단, 제어, 상호작용의 다섯 핵심기술로 나뉜다. 다섯 기술은 한 방향으로 흐르지 않고 주행 중 계속 반복되는 순환 구조를 이룬다.

환경인식은 센서가 주변 상황을 모으는 단계다. 라이다는 거리 측정에 강하고, 레이다는 악천후에서도 물체 속도를 측정하기 유리하며, 카메라는 차선과 표지판 식별에 강하다. 한 가지 센서로는 모든 상황을 감당하기 어려우므로 여러 센서의 데이터를 하나의 객체 목록으로 합치는 센서 융합이 기본 원리가 된다.

위치인식은 GPS 신호가 약한 터널이나 고층 빌딩 사이에서 INS와 엔코더 값으로 위치를 보정하는 방식이 기본이다. 정밀지도와 대조하면 차로 단위의 위치를 얻을 수 있다. 국내 연구진은 위치 오차가 10cm 이내인 수준의 기술을 발표했다.

판단 단계는 장애물의 움직임을 예측하여 경로와 행동을 정한다. 제어 단계는 결정된 값을 조향과 가감속 명령으로 바꿔 차량 제어기에 전달한다. 차량의 움직임은 다시 센서에 관측되어 다음 판단의 입력이 된다. 이 폐루프가 자율주행의 기본 원리다.

상호작용은 운전자에게 주행 상태를 알리는 HMI와, 외부 차량·인프라와 정보를 주고받는 V2X 통신으로 나뉜다. HMI는 시스템이 개입을 요청하는 시점을 운전자에게 미리 알리는 역할을 한다. 센서만으로는 주변 차량이 갑자기 차선을 바꾸거나 시야가 막힌 교차로에서 사고를 피하기 어렵다. 이 때문에 V2X 통신이 센서를 보완하는 기술로 함께 요구된다.

시스템이 고장 나거나 운행 조건을 벗어나면 차량을 안전한 상태로 옮기는 기능이 필요하다. 이를 최소위험상태(Minimal Risk Condition) 도달 기능이라 하며 설계의 기본 요건이 된다.

절차는 다음 순서로 반복된다.

• 센서가 주변 환경과 차량 상태 데이터를 수집한다.
• 센서 융합으로 장애물, 차선, 신호등을 인식한다.
• GPS, INS, 정밀지도를 결합해 자차 위치를 추정한다.
• 목적지까지 경로를 계획하고 주행 행동을 정한다.
• 조향·가감속 명령을 제어기에 전달하고 결과를 다시 센싱한다.

레벨에 따라 운전자 역할이 달라진다. 부분 자동화 단계에서는 운전자가 항상 상황을 주시해야 하고, 조건부 자동화 단계에서는 시스템 요청에 따라 운전자가 제어를 넘겨받을 준비가 되어 있어야 한다. 구성요소의 연결은 아래 구성도와 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

자율주행차의 기준은 국제 분류 체계와 국내 법령이 함께 정한다. SAE International은 2014년에 6단계 분류 체계를 발표했다. 이 분류는 SAE J3016으로 정리되었고, 자동화 수준을 레벨 0~5로 나눈다. UN 규정 제157호는 이 체계를 채택했으며 2021년 1월부터 발효되었다. 미국 NHTSA도 같은 SAE 분류를 받아들였다.

국내에서는 2019년에 자율주행자동차 안전기준을 마련했다. 2020년 하반기부터 자율주행정보기록장치가 의무화되었고, 사고를 전담하는 조사위원회도 설치되었다. 상용화의 기본 법률은 「자율주행자동차 상용화 촉진 및 지원에 관한 법률」이다.

표의 단계 구분은 운전자의 감시 의무와 사고 책임을 가르는 출발점이다. 레벨 4 이상만 운전자 없는 운행이 가능함

운행설계영역(Operational Design Domain, ODD)은 시스템이 작동할 수 있는 운행 조건이다. 도로 종류, 기상, 속도 범위 같은 환경과 교통 특성에 따라 제한되며, 공도 주행 전용이나 광산·항만 같은 사유지 운행이 그 예다. 시스템은 ODD 밖에서 자율 주행을 유지할 수 없으므로 ODD는 허가 범위를 정하는 기준이 된다.