자동차부품의 설계 및 다목적 평가를 위한 실시간 주행모니터링 시스템

한범석ㆍ양인범ㆍ신민경 자동차부품연구원

1. 서론

세계 자동차산업에 ‘친환경차’와 ‘스마트카’의 붐이 일고 있는 가운데, 친환경 스마트카 부품 및 시스템의 성능검증을 위한 새로운 다목적 시험평가체계에 대한 요구도 증가하고 있다. 새로운 다목적 시험평가체계는 전형적인 오프라인 방식을 내재하면서 온라인 방식으로 데이터 전송을 하는 기능을 포함하고 있다.
이는 기존의 방식인 일정기간 데이터를 수집한 후 별도의 저장장치로 저장, 분석하는 오프라인 방식에서 탈피하여 데이터 측정과 동시에 전송 및 분석이 가능할 뿐만 아니라 온라인 상으로 측정항목 및 주기의 조정이 가능하다. 오프라인 방식은 단기간의 데이터 모니터링은 가능하나, 장시간의 대규모 데이터 처리를 위해서는 데이터 로거의 메모리 한계, 대량 데이터 분석 시간 및 인력 소요, 시험 중 측정 항목 또는 측정 주기 등의 셋업 변경을 위한 전문인력 투입 등의 어려움이 있다.
반면 온라인 방식은 많은 수의 차량을 동시 모니터링 하는 경우(전기차의 실증 주행 등) 측정하는 데이터를 무선통신망을 통하여 전송함으로써 시간 및 공간의 제한 없이 실시간으로 주행모니터링이 가능하며, 측정 셋업 변경이 필요할 경우 인터넷으로 변경된 셋업 파일만 업로드 하면 차량 재시동 시 자동으로 셋업이 변경된다.
이러한 시ㆍ공간의 자유로움은 그린카 부품의 다목적 평가를 가능하게 하였다. 일례로 미국의 Advanced Vehicle Testing Activity(AVTA) 프로젝트에서 실시간 주행모니터링 시스템을 PHEV 차량과 Electric Grid 간의 상호 연계 방법과 차량 모니터링을 통한 실증평가 및 PHEV 상용화 촉진에 활용하고 있으며 일반 운전자들을 대상으로 하여 다수의 차량에 Shadow monitoring을 수행함으로써 동일 차종의 연비 및 주행 패턴 등을 분석하는 목적으로도 사용하고 있다.
실시간 주행모니터링 시스템은 그린카뿐만 아니라 모든 차종에 적용 가능하며 데이터 로거 및 진단포트를 통해 차량 데이터를 수집한 후 실시간 무선 전송 단말기를 활용하여 CDMA망을 거쳐 서버로 전송한다. 따라서 자동차부품업체가 활용할 경우 부품의 차량 적용 단계에서의 주행성능 검증 및 신뢰성 평가에 드는 시간과 비용을 절감하고 부품단위 실차시험의 편의성과 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

2. 실시간 주행모니터링 시스템 설계

실시간 주행모니터링 시스템은 자동차부품의 각종 데이터를 실시간으로 수집 및 분석하여 부품의 성능평가, 분석 및 내구신뢰성 향상을 도모하는 주행 시스템으로 차량에 장착된 부품의 정보 및 외부적인 환경을 실시간으로 취득할 수 있다. 이러한 실시간 주행모니터링 시스템은 다음의 기능들을 포함한다.
1) 차량 환경에서 차량 및 부품 정보 수집 기능
2) 진단 포트를 통해 차량의 제어신호 및 부품에 대한 정보 수집 기능
3) 차량 및 부품 정보를 수집장치로부터 수집하여 일부 파싱하고 암호화 및 압축하여 이동통신망을 통하여 실시간으로 수집서버로 전송하는 기능
4) 국내 통신사의 이동통신망을 통해서 수신된 차량정보를 안전하게 서버로 전송하는 기능
5) 수신된 차량정보를 데이터베이스에 체계적으로 저장하며, 업체 또는 특정 사용자가 필요로 하는 부품의 시험데이터와 데이터 분석 환경을 제공
기존 차량정보 모니터링 시스템은 시험차량에서 수집된 데이터를 운영센터로 직접 방문하여 전송하기 때문에 별도의 대용량 정보 수집 장치가 필요하며, 이는 산간 지역 시험이나 장거리 주행 시 데이터 분석 처리의 지연 요소가 될 수 있다. 또한 데이터 측정항목, 측정주기, 시험모드 등의 변동 사항 발생 시 운영센터로 직접 방문 후 변경해야 하며 변경 시 관련 전문가가 필요할 뿐만 아니라 시험 중 데이터 에러가 발생하더라도 현장에서 조치가 불가능하고 운영센터에서 차량의 현 위치 및 주행 상태에 대한 실시간 모니터링이 어렵다는 단점이 있다. 실시간 주행모니터링 시스템은 이동통신을 이용함으로써 시험과 동시에 원격지에서 시험데이터 전송이 가능하여 시험이 진행되고 있는 중에도 수시로 시험데이터 분석이 가능하다. 또한 부품 개발 업체가 원하는 때에 시험 현황 파악이 가능하고 실시간으로 차량 위치, 주행 상태의 모니터링이 가능하며 신뢰성 시험과 같은 장기간 시험일 경우에도 즉시 DB화 할 수 있는 것이 특징이다. 뿐만 아니라 원격제어시스템과의 연동을 통해 무선을 이용한 장비의 상태관리 및 유지보수 기능이 제공됨으로써 시험의 변경 사항 발생 시 운영센터에서 원격으로 설정을 변경하는 것이 가능하다. 이러한 시스템은 차량 운전자가 시험에 대한 부담을 줄이고, 다수의 특정차량을 대상으로 하는 테스트에서 일반 운전자에게 시험 상황의 주지 없이 차량 부품 및 환경 정보를 수집하는 Shadow monitoring이 가능하다.
완성차업체에서 택시회사와 연계하여 주행데이터 및 고장데이터를 수집하여 고장원인을 파악하여 VDS(Vehicle Dependability Study)를 개선하기 위한 목적으로 오프라인 방식의 데이터 수집/분석을 하고 있다. 시간과 인력의 절감을 위하여 블루투스 또는 Wi-Fi를 이용하여 차량이 차고지 등의 특정장소에 도착하면 데이터를 수집서버로 전송하는 시스템을 도입하고 있기도 하지만 측정 셋업의 변경과 데이터 분석을 위해서는 여전히 전문인력의 손길이 필요하다. 실시간 주행모니터링 시스템은 온라인으로 측정셋업부터 분석까지 가능하므로 이러한 차량 고장원인 분석 시스템의 대안으로 손색이 없다.
시스템 구성을 세부적으로 살펴보면, 차량에 장착되어 부품 및 환경 정보를 수집하는 차량정보 수집장치, 차량정보 수집장치로부터 데이터를 전송받아 서버로 전송하거나 서버로부터 장비 관리를 위한 시스템 파일을 다운로드 받아 설정하는 실시간 무선전송 단말기, 이동통신망을 통하여 전송되는 정보를 수집하고 분석하며 무선전송 단말기와 원격 연동이 가능한 네트워크 플랫폼, 시험데이터 저장 및 시험 현황 모니터링, 데이터 분석이 가능한 운영센터로 구성되어 있다. 본 시스템 적용을 통하여 부품업체가 필요로 하는 성능 DB, 주행 DB 및 부품간 연계 즉, 시스템 동작 환경에서 부품의 성능 확인 등이 가능하다. 2-1. 차량정보 수집장치
데이터 로거와 실시간 무선 전송 단말기는 유기적으로 연동되도록 설계되어야 한다. 본 시스템에서는 데이터 로거에서 취득한 정보를 저장함과 동시에 아날로그, GPS, CAN data를 CAN 통신으로 실시간 무선 전송 단말기로 전송하고 실시간 무선 전송 단말기에서는 데이터 로거의 상태를 읽고 데이터 로거로 셋업 파일을 전송하는 것이 가능하다. 또한 실시간 무선 전송 단말기에 의해 로거의 전원이 자동 조정되며 운전자가 없는 밤 시간에도 테스트가 가능하도록 Sleep mode/Operating Mode의 전환이 가능하도록 설계되었다. 데이터 로거에는 다수의 온도, 전압, 전류, 주파수, 진동, GPS, CAN data 등을 측정할 수 있는 하드웨어의 장착이 가능하며 데이터 로거에서 측정 하드웨어의 환경 설정도 가능할 뿐만 아니라 CAN-BUS에 전송되는 데이터를 디코딩할 수 있도록 dbc 파일을 생성할 수 있다. 이 시스템은 트렁크에 장착이 용이하도록 작고 가벼우며 일부 측정부는 엔진룸에 장착할 수 있도록 모듈화 되어 있다. 2-2. OBD-II Transfer Linker Module(OTL) OBD는 내장된 컴퓨터로 운행 중 배출가스 제어 부품이나 시스템을 감시, 고장을 진단하여 운전자에게 알려 정비하도록 유도하는 장치로 배출가스 관련 장치뿐만 아니라 엔진 ECU의 입출력 센서 및 액추에이터를 모니터링하여 자가 진단에 의한 DTC(Diagnostic Trouble Code-고장코드)와 서비스 데이터를 스캔 장비를 통해 확인하여 정비성을 향상하기 위하여 고안되었다. OBD-II의 통신 방식은 CAN으로, OBD-II 스캐너(OTL)를 활용하여 데이터를 읽을 수 있으며 읽어 들인 데이터는 데이터 로거와 마찬가지로 실시간 무선 전송 단말기로 전송한다. OBD-II 스캐너는 ECU 항목 중 읽고자 하는 신호를 선택하는 것이 가능하며 내부에서 데이터를 파싱한 후 RS-232로 실시간 무선 전송 단말기로 전송한다. 2-3. 실시간 무선 전송 단말기 실시간 무선 전송 단말기는 차량 및 부품 정보를 데이터 로거 및 OTL로부터 수집하여 수집한 데이터를 일부 파싱하고 암호화 및 압축하여 이동통신망을 통하여 실시간으로 수집서버로 전송하는 기능을 한다. 외형상으로는 운전자로 하여금 시스템 이상 여부, 데이터 정보, 전송 현황 등을 모니터링 할 수 있도록 차량 대시보드에 장착 가능한 온보드 단말기 형태로 되어 있다. 주요 기능은 데이터 로거의 환경 설정 파일 및 dbc 파일을 서버로부터 무선으로 다운로드 받아서 CAN으로 들어오는 신호를 파싱, 데이터 로거의 상태를 모니터링하고 컨트롤 신호로 로거 설정파일 전송을 위하여 USB 포트를 On/Off 제어 한다. CAN을 통하여 데이터 로거 및 OBD-II 스캐너와 연동하여 실시간 차량정보 수집이 가능하며 수집한 데이터를 저장과 동시에 서버의 요청에 따라 선택적으로 수집서버로 송신한다. 또한 수집한 데이터의 저장 및 이동통신망 통신속도를 고려한 전송 버퍼링 기능을 지원하며 수집데이터의 보안을 위하여 암호화 및 압축기능을 지원한다. 또한 사용자의 편의성을 고려하여 차량 정보 수집장치와 단말장치의 정보 및 상태를 표시하는 터치 스크린 방식의 GUI를 제공하며 전원스위치 통합장치와 연동하여 차량 및 부품정보 수집장치에 대한 전원 제어가 가능하도록 설계하였다. 본 시스템의 특징 중 하나는 자동 On-Off 기능이다. 이는 운전자가 없는 상태에서 동작이 가능하도록 Key-off 테스트가 가능하며, 시동이 꺼지더라도 전원 오프가 아닌 슬립 모드(Sleep mode) 상태로 전환되어 사전 예약된 스케줄에 의해 웨이크업(Wake-up)한 후 데이터 로거 및 모뎀을 활성화 시켜 데이터 수집 및 전송이 가능하도록 고안한 기능이다. 예를 들어 추운 겨울밤의 차량 온도 변화 등을 모니터링 할 수 있다. 2-4. 네트워크 플랫폼 네트워크 플랫폼은 국내 통신사의 이동통신망을 통해서 수신된 차량정보를 서버로 전송하기 위한 기능을 한다. 본 네트워크는 실시간 모니터링 시스템의 주목적인 부품업체 활용을 극대화하기 위해서 부품업체 간 또는 부품업체 내부간, 해외 경쟁업체 간의 핵심기술 유출 및 핵심부품의 데이터 유출을 막기 위한 보안이 매우 중요하다. 또한 해당 무선 전송 단말기의 상태 및 네트워크, 시스템을 양방향 모니터링 하여 오류 발생시, 어느 부분에서 발생한 문제인지를 바로 파악하고 단말기의 기능 설정 또는 Firmware 파일 등을 관리하여 원격지에서 신속한 장애해결을 가능케 하는 OTA기능을 포함하고 있다. 본 네트워크 플랫폼의 보안기능은 그림2에서 보는 것처럼 End-to-End 보안방식으로, 크게 이동통신망의 CDMA보안과 전용회선보안, 2가지 부분으로 구성되어 있으며, 운영센터 내 서버에 자체 방화벽과 SMS인증을 통한 서버 접속 등 3중 이상의 보안 시스템을 고려하였다. 2-5. 운영 시스템 운영센터는 실시간 주행모니터링 데이터를 수집하는 데이터베이스 서버와 차량 및 시험 시스템 관리, 외부 접속을 위한 웹서버, 네트워크 보안을 위한 방화벽으로 구성되어 있다. 데이터베이스 서버는 시험 차량으로부터 전송받은 데이터를 파싱하여 체계적으로 저장/관리하며, 웹서버는 관리자모드와 일반모드로 구분되어 관리자에 의해 차량관리, 무선전송단말기 및 데이터 로거 설정관리, Key-off 테스트를 위한 스케줄관리, 시험 프로젝트 생성 및 관리 등을 설정할 수 있고, 일반모드는 일반 업체 담당자에 의해 진행 중인 시험에 대한 진행도, 차량상태 및 위치, 시험데이터 접근 등의 조회가 가능하다. 데이터는 보안 인증을 거친 후 부품업체 담당자가 인터넷을 통하여 실시간으로 접근가능하며 웹 환경에서의 데이터 분석도 가능하다.

3. 실시간 주행모니터링 시스템 구축

사진1의 좌는 OBD-II 단자로부터 ECU의 정보를 수집하는 OBD-II Transfer Linker Module 이며 우는 데이터를 무선으로 전송하는 무선전송 단말기 세트이다. 사진2는 운영 센터화면으로 화면을 통해 차량 이동 경로 및 실시간 데이터, 전송 현황, 서버 접속 현황 등의 관측이 가능하며 그림3 등의 형태로 사용자 목적에 맞는 데이터 분석도 가능하다. 서버 접근의 보안을 위하여 해당 업체의 관리자, 즉 사용자 정보를 저장하여 ID, Password, 연락처 등을 관리하며, 이를 기반으로 접속이력, 데이터 접근이력을 저장한다. 또한 보다 높은 보안을 위하여 위의 사용자 정보 이외에 SMS 보안코드 전송을 통하여 모든 정보가 일치하여야 서버 접근이 가능하도록 보안을 강화하였다.

4. 결 론

자동차부품 및 시스템 개발과 시험평가에 적용하기 위한 새로운 다목적 시험평가체계인 실시간 주행모니터링 시스템 개발을 통하여 자동차부품의 주행성능 검증 및 신뢰성 평가에 드는 시간과 비용을 절감함으로써 현재 패러다임의 주축인 그린카 핵심부품 개발 및 기술경쟁력 기반 확보가 가능할 것으로 기대된다. 또한 시스템 활용 및 수집 DB 분석을 바탕으로 업체에 대한 다양한 기술지원을 함으로써 자동차부품의 설계, 최적화, 평가, 신뢰성 검증에 기여하여 부품업계의 차세대 기술개발 추진능력 제고에 이바지할 것으로 예상된다.