수학
과학탐구실험 주제탐구보고서- 자율자동차에 사용되는 수학적 원리는 무엇이며 그로 인한 사고는 무엇이 있는가
물리와 수학을 끄적이다.
2024. 5. 20. 21:07
자율자동차에 사용되는 수학적 원리는 무엇이며
그로 인한 사고는 무엇이 있는가.
*4년전에 쓴 글이라 현재와 맞지 않는 부분이 있을수도 있습니다. 유의바랍니다*
목차
Ⅰ. 서론
Ⅰ.주제
Ⅱ. 탐구 동기
Ⅲ. 탐구 목적
Ⅱ. 본론
Ⅳ. 벡터와 자율주행
Ⅴ. 베이즈 정리 자율주행
Ⅶ. 자율주행의 사고 사례
Ⅷ. 사고 원인 분석
Ⅸ. 통신 기술 방안
Ⅱ. 결론
Ⅹ. 결론
Ⅺ. 느낀 점
Ⅲ. 출처
1. 서론
1. 주제
자율자동차에 사용되는 수학적 원리는 무엇이며 그로 인한 사고는 무엇이 있는가.
2. 탐구 동기
'자율주행’이란 운전자나 승객 없이 스스로 운행이 가능한 자동차를 일컫는 말로 4차 산업혁명이 본격적으로 도래되면서 급격하게 발전하였다. 편리와 안전함을 추구하면서 자율주행에 관한 우리의 관심은 급속하게 늘어났고, 자율자동차의 문제에 대한 우리의 관심 역시 급속하게 늘어났다. 나 역시도 평소 자율자동차와 관련된 다양한 문제들에 관심을 가졌고, 진로분야와 관련시켜 ‘자율자동차의 안전 문제에서 수학적으로 해결할 수 있는 것이 무엇이 있을까’라는 호기심이 생겨 탐구를 시작하게 되었다.
3. 탐구목적
관심 분야인 수학과 자율 주행의 안전과 관련지어 자율자동차의 안전에 사용되는 수학적 원리를 알아볼 것이다. ‘자율 주행 원리의 대부분 수학으로 이루어져 있으므로 아주 복잡한 계산이 이루어질 것이다. 때문에 수학적 오류 중 계산이나 상수의 측정 실수에 의해 사고가 발생했을 것이다.’라는 가설로부터 결론을 이끌어내는 것이 탐구 목적이다. 이후 만약 수학적 오류가 있다면 그 오류를 개선한 방법을, 혹은 결과에 따라 추후 추가 적인 탐구를 해나갈 것이다.
자율 주행 중 인식하는 사물들 (출처 uber)
2. 본론
Ⅳ. 벡터와 자율주행
자율주행의 가장 핵심 중 하나 벡터라고 할 수 있다. 벡터(Vector)의 대중적인 정의는 ‘크기와 방향’을 가진 물리량을 가리킨다. 자율주행에서 자동차는 초(second)보다도 더 짧은 매 순간 움직이는 자신을 포함하여 주변의 수도 없이 많은 사물의 움직임을 동시에 인식해야 한다. 이 때문에 물체의 방향에 대해 표현할 수 있는 벡터는 자율주행과 뗄 수 없는 관계이다. 다음의 아래 사진은 자율자동차에서 벡터가 어떻게 사용되는지 간략하게 도식화한 사진이다.
점 A를 중심으로 교차로가 있는 상황이고, 점 C는 자신의 현재 위치로 C에서 D를 향하는 화살표를 따라 이동하고 있으며 나머지의 화살표들은 물체 각각의 움직임을 의미한다.
예를 들어 점 A에서 점 E의 벡터가 정의되는 방법은 다음과 같다. 점 A에서 점 E를 발견한 순간의 시간을 t=0 이라고 하자. 그리고 1초 후 점 E가 화살표(EF)만큼의 거리를 갔다고 하면 시간에 따른 점 E의 좌표를
으로 표현할 수 있다.
각각 t에 대해 표현을 해주면 다음과 같다.
결국, 마지막 식이 의미하는 것은 점 E가 지나갈 자취이다. 이러한 방법을 통해 다양한 궤도를 움직이는 수 많은 물체의 자취를 구하게 되고, 모든 벡터 요소를 고려하여 자율주행이 이루어지게 된다. 이때 신호등, 도로의 차선, 다른 자동차 등 모든 요소를 변수로 바꾸는 것이 때로는 변수가 50개가 넘는 10차 다항식이 되어 이것을 풀어야 할 때도 있다. 즉, 엄청나게 복잡한 다항식을 짧은 시간 내에 풀어내야 하므로 만약 이 부분에서 다항식을 풀지 못한다면 오류의 가능성을 생각해 볼 수 있다.
Ⅴ. 베이즈 정리와 자율주행
자율주행은 벡터를 이용한 위치 계산 이외에도 운전하면서 생기는 다양한 경우에 대처할 수 있어야 한다. 때문에 생길 수 있는 사고의 인과 관계를 학습하는 것이 필요한데 이때 사용되는 것이 베이즈 정리이다.
베이즈 정리의 간단한 예로 SUV 중 흰색 자동차일 확률을 구하려고 한다. 이때 흰색 자동차인 경우의 사건을 A, SUV 자동차인 경우를 S라고 하면 구하는 과정은 다음과 같다.
즉, 베이즈 정리는 우리가 어떤 상황에 대해 일단은 가정하고(SUV 중 흰색일 경우는?), 실제로 경험한 뒤 이후의 결과를 토대로 다시 가정을 변경하면서 학습하는 확률론적 아이디어이다. 그리고 이 알고리즘을 AI의 상황 판단에 그대로 적용하면 스스로 판단하고 학습한 뒤 다시 생각을 수정해 인간처럼 사고하게 할 수 있게 된다. 그로 인해 위에서 언급했듯이 다양한 상황에 대처하게 하는 최적의 정답을 찾을 수 있게 해준다.
벡터의 상황과 마찬가지로 입력값이 잘못되거나 계산이 잘못된다면 사고가 날 가능성있으므로 이부분으로 인한 사고를 생각해 볼 수 있다.
Ⅶ. 자율 주행의 사고 사례
1. 2016년 5월, 미국 플로리다의 한 고속도로에서 자율주행으로 도로를 달리던 승용차가 좌회전 중인 냉장 트럭을 들이받는 일이 일어났다. 그로 인해 위의 덮개가 날아가고 운전자는 그 자리에서 즉시 숨졌다. 트럭을 감지하지 못한 것은 인식 오류이었을 수도 있고, 시스템이 작동하지 않은 오류이었을 수도 있다. 어떤 부분인지는 우리가 확실히 알 방법이 없기에 원인을 판단하기는 어렵지만 이보다 더 큰 문제는 다음에 있었다. 이 차량은 유리가 박살 나고 덮개가 뜯겨 나간 상태에서도 약 500미터가량 속도를 줄이거나 방향을 바꾸지도 않은 채로 시신을 태우고 혼자 주행했다. 테슬라 측은 이 사고에 대한 원인을 ‘단지 인식 오류이었을 뿐’이라고만 밝히고 그 외의 추가적인 내용은 언급하지 않았다.
2. 2016년 5월 테슬라 차량이 자율주행을 하던 중 영화를 보던 운전자가 사망하는 사고가 일어났다. 중앙분리대로 분리된 고속도로의 교차로에서 대형트럭이 테슬라 앞을 가로질러 지날 때 테슬라가 멈추지 못하고 충돌한 것이다. 테슬라 측은 좌회전하는 하얀색 트레일러를 햇빛의 반사로 인해 하늘과 혼동하면서 그대로 충돌한 것이 원인이라고 하였다.
3. 2021년 7월 30일 니오 차량 운전자가 추돌 후 차량의 연소로 사망하는 사건이 발생하였다. 니오 측은 자율주행기술의 결함인지 운전자의 과실인지 사고의 원인을 정확하게 파악하지 못했다고 발표했다. 하지만 유족들의 변호사 측에서는 사고 현장에 나온 니오 측 기술자가 사건 당일 데이터를 조작했을 수도 있다는 의혹을 제기하고 있다. 당일 니오 측 기술자가 사고 차량에서 노트북으로 무언가 작업을 하고 있는 장면이 공개공개됐기 때문이다. 니오 측은 당일 전기 차단 등의 작업을 했고 이는 차량 내 데이터 조작과 무관한 작업이라고 밝혔다.
Ⅷ. 사고 원인 분석
위의 사고들을 포함하여 조사한 15개의 사고 중 12개의 사고에서 공통적으로 회사 측은 사고 원인을 인식 오류로 규명하였다.
현재 우리의 AI 기술은 너무나도 잘 발달 되어있기 때문에 수학적 오류로 인한 사고는 거의 일어나지 않는다고 한다.
그렇다면 현재 발생하는 자율자동차의 사고 중 가장 많은 부분을 차지하는 인식 오류를 해결 할 수 있는 방법은 무엇이 있을까?
Ⅸ. 통신 기술 방안
최근 5G 기술이 도입되면서 인터넷 속도가 기존 LTE보다 약 2~8배 빨라졌다고 한다. 따라서 5G를 통한 통신 기술을 이용하여 짧은 시간 동안 오차 없이 정확한 정보를 실시간으로 정보 할 수 있게 되었다.
때문에 나는 통신 기술 도입의 상용화를 제안한다. 통신 기술을 이용하면 자동차와 자동차, 자동차와 신호등 사이에서 통신이 이루어질 것인데, 이때 각 사물들은 ‘신호’ 그 자체를 주고받을 것이다. 때문에 비 오는 날, 안개가 끼는 날 등, 날씨에 의해 오류가 생길 수도 있는 인식 시스템과 달리 통신 시스템은 이 부분에 대해 걱정을 할 필요가 없을 것이다.
하지만 그렇다고 해서 자율주행의 사고를 다 막을 수 있는 것은 아니다. 자율주행차끼리 서로 통신을 함으로써 인식할 사물의 수를 줄이고 정확성을 높일 수 있지만, 모든 자동차가 자율자동차가 아니고 사람들을 인식해야만 하는 이상 여전히 인식 센서는 필요하다. 때문에 여전히 인식에 의한 사고는 낮은 확률로 존재한다. 그뿐만 아니라 통신 장애로 인한 사고도 있을 수 있다.
현재 우리나라는 전기 인프라가 아주 잘 구축되어있으나 누구나 한 번쯤은 정전을 경험해봤을 것이다. 아주 드물게 정전이 일어나는 경우가 있기 때문이다. 같은 맥락으로 5G를 통한 통신 인프라를 아무리 잘 구축했다고 하여도 통신 인프라에 문제가 생기는 경우가 분명히 있을 것이다. 그런데 통신에 문제가 생기는 경우에는 짧은 순간으로도 많은 생명을 위협할 수 있으므로 정전과 달리 전국적으로 엄청난 위험이 발생할 수도 있다. 이러한 문제 때문인지는 몰라도 아직 기억들은 통신 시스템을 적극활용하고 있지는 않다.
Ⅲ. 결론
Ⅸ. 결론
자율자동차가 수학적 원리에 의해 움직이므로 사고의 원인도 수학적 오류로 인한 것일거라고 생각했다. 하지만 현재는 인식 오류로 인한 사고가 가장 많은 부분을 차지하고 있고 수학적 오류로 인한 사고는 거의 일어나지 않는다고 한다. 이에 인식으로 인한 자율 주행의 사고를 줄이기 위해 인식 시스템 대신 통신 시스템의 도입을 제안했다. 하지만 여전히 통신의 불안정으로 인한 사고의 가능성이 남아 있기에 국가와 기업은 더 나은 방법을 모색하거나 자율 주행 기술 때문에 일어날 수 있는 상황에 대처하기 위해 적극적으로 힘을 써야만 한다.
Ⅹ. 느낀 점
머지않은 미래에는 인간의 편리를 위해 완전한 자율 주행 시스템이 도입될 것이 분명하다. 언제나 완벽한 안전이라는 것은 없다. 우리의 목표는 자율 주행이 도입되었을 때 가능한 한 안전하게 하는 것이다. 이 과정에서 국가와 기업의 역할이 중요한데, 기술개발에 힘을 쓰거나, 기술의 속도에 맞추어 각종 일어날 수 있는 상황에 대처 할 수 있는 방법을 적극적으로 모색해야 한다.
기업은 인식 시스템이나 통신 시스템 등 신기술을 개발하기 위해 힘을 써야 하고, 자율자동차를 시중에 판매하기 전에 충분한 실험과정을 거쳐야만 한다. 또한 국가는 기술개발을 위해 기업을 지원하거나 통신시스템 같은 인프라를 구축하고 관리 해야 한다.
Ⅲ. 출처
백터 관련(벡터 사진은 직접 수식입력)
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B2%A1%ED%84%B0
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=4389885&cid=60217&categoryId=60217
베이즈 정리 관련(수식 직접 입력)
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B2%A0%EC%9D%B4%EC%A6%88_%EC%A0%95%EB%A6%AC
http://expertchoice.co.kr/bayes_theorem.html
https://www.youtube.com/watch?v=euH9C61ywEM
수학책, 확률과 통계 개념원리
자율자동차:
나무위키
https://namu.wiki/w/%EC%9E%90%EC%9C%A8%EC%A3%BC%ED%96%89%20%EC%9E%90%EB%8F%99%EC%B0%A8
AI타임즈
http://www.aitimes.com/news/articleView.html?idxno=138745
과학기술정부통신부
https://now.k2base.re.kr/portal/trend/mainTrend/view.do?poliTrndId=TRND0000000000033417&menuNo=200043&pageIndex=
논문 / 법학전문대학원 박세민 교수님- 자율주행자동차와 법적 이슈
한겨례
https://www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/948344.html
네이버 백과사전
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6201384&cid=43667&categoryId=43667
차이나랩<중앙일보와 네이버의 투자 콘텐츠>
우버 사고 관련 자료
https://blog.naver.com/china_lab/222474810362
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