[오토저널] 자율주행차 개발을 위한 가상 V&V 플랫폼
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글 : 원선웅(mono@global-autonews.com) ㅣ 사진 : 원선웅(mono@global-autonews.com)|
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승인 2020-09-09 15:13:34 |
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자율주행차의 개발 현황
자동차는 1885년 독일에서 Karl Benz가 발명한이후 지금까지 100년이 넘는 역사동안 인류와 함께 했다. 자동차는 인간과 함께하며 이동의 자유, 운전의 재미, 멋진 자동차를 소유함에 따른 기쁨 등을 인류에게 안겨주고 있다. 그에 더해 최근에는 스스로 운전하는 자동차에 대한 우리의 갈망도 컸음을 알고 있다. 필자는 어린 시절 “전격 Z작전”이라는 TV 드라마를 통해 보던 스스로 운전하고 인간과 교감할 수 있는 자동차는 언제쯤 만날 수 있을까 기대했던 기억이 난다.
지금까지 자동차는 엔진에서 만들어진 동력이 변속기를 통해, 타이어에 전달되어 지면과의 마찰력에 의해 앞으로 나아갈 수 있으며, 스티어링 휠을 통해 방향이 조종되고 브레이크 페달을 밟는 힘을 통해 속도를 늦추는 원리로 동작된다. 파워트레인과 조향장치, 제동장치 그리고 타이어라는 기본 구성은 크게 변하지 않고 발전되어 왔다. 앞서 언급한 스스로 운전하는 자동차도 이러한 기본 구성에 더해지는 장치들, 예를 들어, 사각지대감지장치, 차선이탈경보/유지장치, 긴급제동장치 등 다양한 운전자보조장치와 함께 점점 스스로 운전할 수 있는 능력을 높여가고 있다. 이미 일부 제조업체와 기술업체는 자율주행차를 시범적으로 운행하고 있으며, 안타깝게도 사고로 인한 인명피해도 발생하였다.
가상 환경에서의 개발과 검증의 필요성
자동차와 인간의 관계에 있어서 가장 중요한 것은 누가 뭐라해도 안전이다. 안전이 확보되지 않은 자율주행차는 시장에 출시될 수 없다. 이를 위해 여러 법규와 표준이 준비되고 있다.
운전자가 운전하고 차량을 통제하는 수준에서는 사고의 책임이 운전자에게 있으나, SAE 기준 레벨 3이상의 자율주행 상황에서는 주위환경을 모니터링 하는 의무가 주행 시스템에 있기 때문에, 사고 시 책임이 제조사에 있다. 이러한 문제를 미리 검토하고, 안전을 최대한 확보하기 위한 프로세스를 ISO/PAS 21448(Road Vehicles–Safety of intended functionality, 이하 SOTIF)에서 다루고 있다.
차량의 안전을 위한 SOTIF은 SAE 자율주행 레벨 1~2 수준의 안전보조시스템(예를 들어, 차선이탈경보장치, 긴급제동장치 등)에서 도출되는 의도된 기능에 적용하기 위한 것으로, 자율주행에 대한 경험 부족을 채우기 위한 안전과 관련된 표준으로 ISO 26262와 구별된다. 자율주행의 개발을 위해서는 SOTIF를 통한 가상 환경에서의 인증과 검증이 필수적이다. 향후 더 높은 수준의 자율주행 레벨을 고려할 수 있겠지만, 현재 버전에서는 다루고 있지 않다. 앞으로 많은 자율주행차를 개발하고 제조하는 업체들은 SOTIF 프로세스를 따라야 한다. SOTIF는 개발을 통해 최대한 안전한 시나리오를 많이 확보하는 데 목적이 있다.
차량의 가상 V&V(Validation & Verification)가 중요한 이유는 여기서 찾을 수 있다. SOTIF에서 요구하는 잔류 위험(Residual Risk)를 줄이기 위해 평가하는 방법을 살펴보면, <표 1>과 같으며 상당한 항목이 가상 검증을 통해 이루어질 수 있음을 알 수 있다.
자율 주행을 위한 가상 V&V 플랫폼의 구성
복잡해지는 차량 내 시스템과 자율주행의 안전성을 검증하기 위해서는 다양한 속성(Multi-attribute)의 인증과 검증 플랫폼이 필요하다. 여기서 얘기하는 속성이란, 시뮬레이션으로 구현할 수 있는 자율주행에 필요한 센서 모델, 차량 시스템 모델, 교통 시나리오 뿐만 아니라 날씨, 주야간 상황, 여러 노이즈 모델 등 자율주행 기능에 영향을 줄 수 있는 여러 속성을 의미한다. 이는 하나의 소프트웨어 플랫폼으로 구현할 수는 없으며, 소프트웨어 뿐 아니라 실제 하드웨어, 제어 알고리즘 나아가 실제 차량까지도 포함할 수 있는 플랫폼이어야만 가능하다.
여러 기술기업에서 이러한 플랫폼을 제공하기 위해 계속 개발중이며, 이번 지면을 통해서는 AVL에서 제공하는 자율주행을 위한 가상 V&V 플랫폼을 살펴보겠다.
자율주행차의 검증은 크게 세단계로 구분할 수 있으며, 모든 프로세스는 가상 환경을 기반으로 구축되어야 한다.
–시뮬레이션
–가상 테스트
–실제 테스트
●시뮬레이션
시뮬레이션에서는 시나리오 개발, 적절한 환경 모사, 시나리오 DB 생성의 과정이 필요하다. 시나리오 개발에는
–설계단계에서 필요한 인증 계획이 반영된 시나리오(법규, KPI 등)
–실 도로 주행 환경에서 발생할 수 있는 시나리오(과거 사례 참조)
–사고 발생을 고려하여 생성된 시나리오(미래 상황)
등을 고려하여 시나리오가 개발되어야 하며, 이를 실제와 유사하게 모사된 가상의 시뮬레이션 환경이 제공되어야 한다. 여기서는
–주야간 / 일조량 / 눈, 비, 안개 등 상황
–도로 인프라 / 교통 신호 체계 / 교통 정보 등
–보행자 / 상대 차량 / 건물 등
과 같은 요소들이 정량적으로 제어되는 고정밀 지도 환경이 필요하다. 이런 요소들은 모두 파라미터화되어야 하며, 논리적으로 정리되어 DB로 구축되어 활용될 수 있다.
●가상 테스트(MiL, SiL, HiL, ViL)
시뮬레이션 단계에서 설정된 시나리오는 시뮬레이션 자체로도 활용될 수 있겠지만, 실제 차량의 주행을 모사하기 위해서는 단독으로 사용되기 보다는 확장하는 개념이 필요하다. 가상 테스트는 여러 시스템의 통합을 통한 분석이 목적이며 시뮬레이션만으로 검증하지 못하는 오작동, 시스템 오류 등을 찾아내어 개선하는 데 목적이 있다.
<그림 4>의 Desktop 수준의 MIL, SIL 뿐만 아니라 실제 센서나 제어기 하드웨어를 포함한 HIL 시스템 그리고 최종적으로 차량을 시험대상으로 하여 시뮬레이션 플랫폼과 연결된 VIL 시스템의 최종 가상 테스트 환경이 될 수 있다. <그림 5>는 AVL의 VIL 시스템인 Driving Cube 시스템으로 샤시 다이나모 혹은 파워트레인 다이나모 상에서 자율주행을 모사할 수 있는 테스트 플랫폼이다. 하나의 시뮬레이션 소프트웨어 환경에서 필요한 요소들을 모두 재현할 수 없으므로 이를 하나로 묶어줄 플랫폼이 무엇보다 중요하다.
AVL의 Testbed.Connect/Model.Connect는 서로 다른 차원의 시뮬레이션 모델 및 하드웨어를 하나로 통합해주는 Cosimulation 소프트웨어로 가상 V&V 구축에 필수적이다.
●실제 테스트
실제 테스트는 규정에 따라 철저히 통제된 환경에서 실행되어야 한다. 차량을 계획한 시나리오대로 통제할 수 있어야 하며, 테스트하는 동안 발생되는 이벤트는 기록되고 관리 되어야 한다. 실제 테스트라 할 지라도 가상 검증 플랫폼과 자연스럽게 연결이 되어 있다. 테스트를 위한 시나리오 준비, 실제 테스트 결과에 대한 평가 및 분석 등은 클라우드 기반에서 이루어질 수 있기 때문이다.
자율주행 개발, 검증 그리고 출시를 위한 승인까지 받는 과정은 험한 길이다. 또한 자율주행차의 대중화 시대를 맞이할 준비가 더불어 이루어져야 한다. 준비해야 할 사항들에 대해 살펴보면, 첫째로, 공공 관점에서 보면 사고 발생 시 공공사회가 수용할 수 있는지 여부, 고객의 반응, 보안 문제, 윤리적 문제 및 사회적 책임 등이 검토되어야 하고, 둘째, 법률적으로는 안전에 관한 인증 법규, 제조물 책임에 관한 문제 등에 대한 법제화가 이루어져 있어야 한다.
마지막으로 기술적으로는 자율주행을 위한 소프트웨어, 센서, 액추에이터 등에 대한 기능 안전, 모든 운전 상황에서의 안전 확보, 복잡한 여러 가지 상황에 대한 검증, 새로운 기술 시스템의 장착으로 인한 기존 시스템들과의 융합, 인공지능 알고리즘에 대한 검증, 개발에 필요한 시간 및 비용 압박 등 해결해야 할 난제들이 많다. 이러한 부분들을 모두 해결하고 넘어야 하는 과정에 검토되어야 할 모든 사항을 실제 물리적으로 개발하고, 검증하는 것은 불가능하며 인증 및 검증(Validation and Verification) 또한 가상의 환경에서 소프트웨어와 함께 구현되어야 하는 것은 지극히 당연하다. 기업들마다 다르겠지만, 독일의 Bosch의 한 Executive Director는 자율주행을 위한 오토파일럿 시스템이 오작동이 발생하는 경우를 테스트하기 위해서는 기존의 방법으로는 2억 5천만 Km를 주행하는 테스트가 필요하다고 했다. 또한, 일본의 도요타 자동차의 Akio Toyoda 회장은 자율주행차를 개발하는 데, 시뮬레이션을 포함하여 142억 Km의 테스트가 필요하다고 했다. 아무쪼록 가상 개발 플랫폼이 자율주행차를 개발하는 완성차 업체에 적용되어 하루빨리 자율주행차가 일반 도로에서 안전하게 운행할 수 있는 날을 기대해 본다.
글 / 손민혁 (한국에이브이엘)
출처 / 오토저널 2020년 4월호 (http://www.ksae.org)
