1. 서 론

사고라는 전체 과정에서 사고의 수습이나 복구보다도 사 전예방이 훨씬 중요하다(Lee et al., 2016). 이는 해양 분야에 서도 마찬가지이며, 해양사고가 발생할 때마다 그 사고를 통하여 재발방지를 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 하지 만 이러한 노력에도 불구하고, 중앙해양안전심판원에서 발 표한 자료에 의하면, 국내 해양사고 발생 건수는 Fig. 1에서 보듯이 2014년 이후 5년간 증가하고 있다.

특히 기관사고의 경우, Fig. 2에서 보듯이 지속적으로 증 가하고 있는 추세이다.

선박 운항 중 기관 손상으로 발생하는 해양사고를 예방하 기 위해 기관 정비에 대한 교육 및 훈련의 필요성이 증대되 고 있다. 하지만 장비의 크기 및 장소의 제약 등으로 실제 장비를 통한 실습교육이 현실적으로 어렵다보니 사진, 동영 상을 이용한 좌학 수업 위주로 교육이 이루어지고 있다.

하지만 최근 들어 컴퓨터, 통신, 프로그램 개발 기술 등이 급속히 발달하면서 교육 장비에 대한 개발도 혁신적으로 이 루어지고 있다.

건설현장에서는 안전사고를 예방하기 위한 가상현실 (Virtual Reality: VR) 기술을 접목하여 안전교육 실시를 검토 하고 있으며(Chang and Yang, 2017), 학교 현장에서는 VR을 활용하여 중등대상 환경교육 콘텐츠 및 교육프로그램 개발 을 시도하고 있다(Im et al., 2018). 소방과 관련된 연구에서는 훈련에 많은 시간이 소요되고, 공간과 장소의 제약을 많이 받으므로 VR 교육 장비 도입 시 안전한 교육환경에서 오류 없이, 연습을 할 수 있고 객관적인 평가가 가능하다고 주장 하였다(Chae, 2018).

다양한 분야에서 VR을 이용한 교육 장비와 프로그램이 개발되고 있는데, 이는 해양 분야도 마찬가지이다.

밀폐구역이 많은 선박에서는 다양한 절차 및 조치 때문에 훈련자체가 항상 위험성을 내포하고 있고, 선박의 일정상 훈련 수행이 쉽지 않기 때문에 VR 기술을 활용하여 밀폐구 역에서의 안전작업 훈련 효과를 입증하는 연구가 진행되었 다(Chae et al., 2018). Kil et al.(2018)의 연구에서는 가상의 선 박환경을 구축하여 선박 검사원이 필요 시 가상의 선박 공 간에서 검사에 필요한 규칙과 규정을 확인하고 더 나아가 선임 검사원의 노하우를 함께 훈련할 수 있는 시스템으로 VR을 개발하였다. 또한 시뮬레이션과 같은 가상현실을 통한 선박소화 훈련을 통해 실제 훈련에서는 수행하기 힘든 긴급 상황 대처훈련 및 다양한 시나리오에 의한 반복훈련이 가능 하여 교육효율성 향상에 도움이 된다고 주장하였다(Kim and Kim, 2016).

하지만 대부분의 VR 장비가 안전 교육 및 검사 분야로 개 발되고 있으며, 선박기관 분야에서의 개발은 미비한 수준이 다. 특히, 선박기관 실습교육 장비의 특성상 크기, 장소 및 비용 등의 문제로 효율적인 실습교육이 어렵다.

따라서, 본 논문의 목적은 선박기관 실습장비의 물리적 제약을 대처할 수 있는 효과적인 수단으로써 VR 교육·훈련 시스템을 개발하는 것이다. 개발한 VR 교육·훈련 장비에 의 해 가상의 3차원 공간에서, 선박주기관을 운용함으로써 기 관의 구조와 특징을 효과적으로 이해할 수 있고 다양한 시 나리오를 적용하여기관 운용 교육 등을 실시할 수 있을 것 으로 사료된다. 장비를 이용하여 물리적 제약을 받지 않고 양질의 교육이 가능할 뿐만 아니라 경비 절감의 효과도 얻 을 수 있다. 또한 다중 접속 VR 환경 기반을 통해, 여러 명 의 교육생이 동일한 장소에서 교육에 참여할 수 있어 보다 효율적인 교육 및 훈련이 가능할 것으로 사료된다.

2. 선박주기관 VR 교육·훈련 시스템 개발

선박주기관의 원리, 구조, 부속장치 등에 대한 교육·훈련 을 VR 시스템을 이용하여 실시할 수 있으며, 실제 선박 디 젤 주기관을 보는 것 같은 교육환경을 제공해줌으로써 교육 생의 흥미를 유발하고 집중력 향상을 도모할 수 있다. 가상 현실 공간에서 어지러움 방지 및 현실감 극대화를 위해 공 간 오차율을 보정하고 렌더링 엔진 최적화 기술을 적용하여 개발하였다. 커리큘럼별 교육 진행 상황 및 내용 확인이 가 능한 사용자 환경(UI)을 고려하였다.

VR 교육·훈련 장비의 기능으로, 주기관의 분해 및 조립 과정을 구현하였고, 연소에 필요한 공기, 연료유의 흐름을 컬러로 표현하였다. 주요 장치에 대해서는 시스템에서 필요 에 따라 명칭이 표시되고 컬러가 변화도록 하였으며, 피스 톤의 움직임에 따라 P-V (Pressure-volume)선도가 그려지도록 구성하였다. 학습 동기 부여 및 교육 효과 증대를 위해 기초 적인 분해와 조립 과정 대해, 수행평가를 하거나 2인 이상이 서로 시합할 수 있는 기능을 고려하였다.

교육 커리큘럼 및 시나리오를 부여하는 기능 이외에 필요 에 따라서 주요 부속 기기 활성화 기능과 투명화 지정 기능, 주기관 크기 및 회전 속도 조절 기능 등을 추가하였다. 또한 주기관 사이클에 따른 유체 및 기체의 흐름 표시가 선택 기 능에 의해 나타날 수 있도록 하였다. 실시간 교육생 상태 확 인 및 음성 메시지 전달을 통해 교육생 관리가 가능하도록 설계하였다.

강사가 설정한 커리큘럼과 시나리오를 제공받아 학습을 하거나 테스트를 받을 시, 실제와 비슷한 환경이 구성되도 록 설계하였다. 또한 여러 사람이 동시 접속하여 역할을 분 담하여 학습과 테스트가 이루어질 수 있도록 구성하였다.

Fig. 3은 본 연구에 적용한 VR기반 교육·훈련 시스템 개발 개념을 정리한 개요도이다.

3. VR 교육훈련 시스템 프로그래밍

3.1 VR 교육 시스템 엔진 모델 선정

첫 번째로, 교육 대상은 지정교육기관의 3급 ~ 4급의 초급 해기사로 선정하였다. 교육 대상이 실습할 실습선이나 졸업 후 근무할 국내 해운사의 대형 선박에 설치된 주기관은 대 부분 저속 2 행정이고 발전기관은 4 행정을 탑재하고 있다. 저속 2행정 기관의 주요 제조사로는 MAN ES(Man Energy Solution)사와 WINGD사가 있으며 이들 업체에서 제작한 디 젤엔진을 모델로 참고하였다. 그리고 Table 1과 같이 시장 점유율, 교육 과목의 비중, 내용의 중요도, 최신 기술 등을 고려하여 MAN ES사의 6S50ME-C 엔진을 참고용 기본 엔진 모델로 선정하였다.

3.2 VR 구현 핵심 기술 적용 모듈

교육생들이 VR 기어 착용 시, 2행정 주기관과 유사한 느 낌을 받기위한 환경을 설계하는 것이 중요하다. 그래서 선 정된 엔진의 기초 데이터를 토대로 3D 모델을 제작하였다. Fig. 4는 대상 엔진을 3D 모델링 하는 과정이고 Fig. 5는 완 성된 모습이다.

Unity Engine, Maya, SteamVR, Mixed Reality Portal과 같은 전문 프로그램을 통해, 입력되는 데이터가 실시간으로 VR 장비로 동기화 되는 기술과 실제 엔진과 같은 몰입감이 느 껴지도록 렌더링 엔진 프로그램 최적화 기술을 개발하였다.

Fig. 6은 프로그램 전체 과정에 대한 흐름도이다. Unity 3D 를 이용하여 VR 교육·훈련 장비를 구현하기 위해, 다중 교 육을 위한 RPC 데이터를 사용하여 설계하였다. 기본 구조는 Network Identity, Network Transform, RPC Call Method가 있다. Network Identity는 네트워크 활용을 원활하게 하고 네트워크 를 초기화 시켜준다. Network Transform는 컴퓨터, 강사, 교육 생간의 명령, 작동, 움직임 등이 공유될 수 있도록 한다. 마 지막으로 RPC Call Method는 서버가 클라이언트에게 메시지 를 보낼 때 사용되는 함수이다. 이를 통해 선박주기관을 가 상 콘텐츠로 구현하여 VR 착용하여 교육·훈련을 실시할 경 우, 실제와 같은 느낌을 받을 수 있도록 하였다.

첫 번째로 Fig. 7과 같이 3D로 제작한 엔진에 실제 현장에 서 사용되는 색상과 작동 음향을 추가하였고 주요 엔진 부속 기기를 마우스로 클릭하면 명칭이 생성되도록 개발하였다.

두 번째로 Fig. 8과 같이 엔진에 투명화 기능을 부여하여 필요 시, 피스톤의 움직임과 밸브의 작동과정을 확인할 수 있도록 하였다. 또한 연료유의 유체 흐름과 소기의 기체 흐 름을 표시하고 이들이 실린더에서 연소한 후 배기 가스로 배출되는 과정을 컬러로 표시하여 교육 효과를 높이도록 개 발하였다.

세 번째로 Fig. 9와 같이 2 행정 디젤엔진의 베드 플레이 트부터 실린더 헤드까지 조립과 분해되는 과정을 구현하고 이를 게임형태로 테스트가 가능하도록 하였다.

네 번째로 최대 4명까지 동시 접속하여 다중 참여가 가능 한 프로그램으로 제작하였다. 이를 통해 가상 현실속에서 강사가 교육생을 대상으로 수업을 실시하고 교육생간에 협 업을 통한 과제 수행이 가능하도록 하였다.

다섯 번째로 디지털 장비이기 때문에 VR로 교육 시 강사 가 임의적으로 엔진 크기 및 회전 속도의 조정이 가능하도 록 하고, Fig. 10과 같이 운전 중인 엔진 내부에 들어가서 부 속 기기와 작동 상태를 확인할 수 있도록 설계하였다.

여섯 번째로 Fig. 11과 같이 디젤엔진의 흡입-압축-폭발-배 기의 2행정 사이클의 압력 변화를 알 수 있도록 VR을 착용 하여 교육·훈련 시, 엔진 사이드 옆에 가상의 P-V 선도 그래 프가 피스톤 위치에 맞게 그려지도록 개발하였다.

4. 개발 효과 및 고찰

4.1 시스템의 구동

선박주기관 교육·훈련용 VR 장비의 하드웨어 사양은 Table 2와 같다.

강사는 프로그램을 실행시킴으로써 VR 시뮬레이터를 구 동할 수 있으며, 교육생에게는 교육·훈련을 받을 수 있는 모 듈이 제공되는데 이때 HMD를 착용해야 한다. 강사가 소프 트웨어 실행 후 Instructor 모드에서 필요한 설정을 세팅하여 로딩 후, 선박주기관 VR 환경으로 들어간다. 교육생은 제공 된 VR 환경내에서 자유롭게 이동하면서 주기관의 구조와 기능을 관찰할 수 있다.

4.2 수업 적용 효과

Fig. 12은 VR 장비를 가지고 실제 수업 시 활용한 장면이 다. 교육은 해양대학교 승선학부의 기관계열 4학년 학생 45 명을 대상으로 실시하였다. 교육대상은 상선 혹은 실습선에 서 1년의 승선경력을 갖추었다.

실제 장비가 없이 사진이나 동영상 등을 보여주면서 진행 되었던 수업에서 VR 교육·훈련 장비를 이용하여 선박주기 관의 운전되는 모습을 보는 것만으로도 수업에 대한 흥미와 관심이 증가하는 현상이 나타났다. VR 장비를 착용한 교육 생은 실제 같은 주기관에 대해 몰입하게 되면서 교육하는 내용을 쉽게 이해하였다. 그리고 교육생이 VR 장비로 보고 있는 장면을 빔 프로젝트를 통해 나머지 교육생들에게 보여 주었고, 이들 또한 수업 내용에 관심을 나타냈다. 이와 같은 내용은 정량적으로 분석하기 위해 설문 조사를 실시하였다.

4.3 설문 결과 분석

VR 교육·훈련 장비를 이용한 수업에 대해 5가지 문항의 설문을 실시하였고, Table 3 ~ Table 5와 Fig. 13 ~ Fig. 17에 분 석 내용을 정리하였다. Fig. 14, 15, 16

Table 3은 첫 번째 설문 문항인, 교육 시 VR로 보여지는 주기관의 구조가 실제와 어느 정도 유사한지에 대한 분석 내용이다. 100 %가 유사하다고 답변하고 그중에서도 82 %가 거의 유사하다고 답변하여 VR 교육·훈련 장비가 실제 장비 를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

Table 4는 두 번째 설문 문항인, 교육 시 VR로 보여지는 주기관의 동작과 기능 구현이 어느 정도 유사한지에 대한 분석 내용이다. 96 %가 유사하다고 답변하였지만, 첫 번째 질문 분석 내용과 다르게 29 % 정도만 매우 유사하다고 답 변하였다. 보통 수준이라는 답변도 4 %로 나타났다. 컴퓨터 베이스의 가상 프로그램이기 때문에 일부 교육생들이 실제 와 다른 이질적인 느낌을 가지는 것으로 분석된다.

Table 5는 세 번째 설문 문항인, VR 장비를 수업에 활용 시 교육만족도나 집중도가 향상될 수 있다고 생각하는지에 대한 분석 내용이다. 100 %가 향상될 수 있다고 답변하였다. 그중에서도 89 %가 매우 향상된다고 답변하여 교육 과정에 VR 장비 도입 시 교육 효과 증대가 기대되는 것으로 분석 된다.

Fig. 16과 Fig. 17은 VR 교육·훈련 장비의 세부 기능중에서 가장 효과가 좋다고 생각되는 기능에 대한 선호도 조사 분 석 내용이다. 하나의 기능만 고른 경우와 3개를 고른 경우, 모두에서 주기관 내부 관찰 기능, 조립 및 분해 과정 기능, 연소과정과 P-V 선도 기능의 선호도가 높았다. 이는 사진이 나 동영상 등의 일반적인 멀티미디어 장비만으로는 이해할 수 없는 부분을 VR 장비를 통해 실제와 같은 체험을 통해 이해할 수 있게 되면서 그 기능에 대한 선호도가 높아진 것 으로 분석된다.

5. 결 론

개발한 VR 교육 프로그램을 사용하면 가상의 3차원 선박 주기관 엔진을 실제와 유사하게 경험할 수 있으며 확대 및 축소, 속도 조절 등의 기능을 이용하여 다양한 교육 내용 체 험이 가능하다. 또한 여러 명이 동시에 접속할 수 있는 환경 구축이 가능하여 교수자와 여러 명의 교육생 등이 동일한 가상 공간에서 다양한 교육 과제와 미션 등의 수행이 가능 한 프로그램이다.

VR 교육·훈련 장비는 실제 대형 선박 엔진이 없어도 실제 적인 체험과 실습 교육이 가능하여 작은 예산의 범위내에서 효과적인 교육 과정 설계가 가능하고, 실제상황을 가상현실 로 재현시킴으로써 실습이나 교육 과정을 실제 현장에서 실 시한다면 벌어질 수 있는 오류나 실수 등을 줄일 수 있다. 또한 위험한 상황을 가상 현실에서 반복적으로 연습을 실시 하여 현장에서의 안전 사고 등을 줄일 수 있을 것으로 생각 된다.

장비 가격 및 장소의 한정으로 교육 과정에서 실질적으로 선박 엔진의 유지·보수 교육이 힘들었으나 이번에 개발된 VR 교육 프로그램을 통해 교육이 실시된다면 선박주기관에 대한 유지·보수 능력이 향상되고 해양사고 저감에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

실제 해양대학교 4학년 학생들을 대상으로 이번에 개발된 선박주기관 VR 교육·훈련 장비를 가지고 실시된 수업에서 적은 표본 수이긴 하지만 설문 분석을 통해 앞서 주장한 효 과가 있음을 확인하였다.

본 연구를 통해 4차 산업 및 자율 운항 선박 시대를 맞이 하여 변화가 필요한 교육 시스템에 대해 VR 장비를 이용한 선박 기관 프로그램이 효과적임을 확인할 수 있었다. 또 교 육생들의 설문 조사 분석을 통해 VR 교육 프로그램이 수업 효과를 증대시키고 집중도와 효율성 향상에 기여함을 확인 하였다.

향후 연구로는 이번 선박주기관 VR 교육·훈련 장비를 기 초로 하여 1등 기관사 이상의 수준에서 분해 및 정비와 관 련된 직무교육이 가능할 수 있도록 개발할 계획이다.