증가하는 기관 손상으로 발생하는 해양사고를 예방하기 위해 기관 정비에 대한 교육 및 훈련의 필요성이 증대되고 있다. 하지만 장비의 크기 및 장소의 제약 등으로 실제 장비를 통한 실습교육은 현실적으로 어렵다. 이러한 해결책으로 가상현실(VR)을 이용한 선박주기관 교육훈련 시스템 개발의 필요성이 증대되고 있다. 본 논문의 목적은 기존의 VR 프로그램과 장비를 이용하여 선박주기관 교육과 훈련에 최적화된 시스템을 개발하는 것이다. 이를 위해 수업용으로 적합한 선박주기관과 교육대상을 선정하여 모델링하고 VR 개발 소프트웨어를 사용하여 시스템을 개발하였다. 개발된 VR 교육·훈련 시스템은 교육과정에서 훈련이나 실습하기 어려운 내용들을 가상현실을 통해 실제와 유사하게 체험할 수 있도록 구성하였다. 본 연구에서는 개발된 VR 교육 장비를 활용하여 한국해양대학교 4학년 학생들을 대상으로 주기관 교육을 실시하였으며, 적은 표본 수이긴 하지만 교육 효과가 있음을 확인하였다. 향 후 기관분야에서 VR를 활용한 교육·훈련 시스템이 도입된다면 선박주기관에 대한 유지·보수 능력이 향상되고 해양사고 저감에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
증가하는 기관 손상으로 발생하는 해양사고를 예방하기 위해 기관 정비에 대한 교육 및 훈련의 필요성이 증대되고 있다. 하지만 장비의 크기 및 장소의 제약 등으로 실제 장비를 통한 실습교육은 현실적으로 어렵다. 이러한 해결책으로 가상현실(VR)을 이용한 선박주기관 교육훈련 시스템 개발의 필요성이 증대되고 있다. 본 논문의 목적은 기존의 VR 프로그램과 장비를 이용하여 선박주기관 교육과 훈련에 최적화된 시스템을 개발하는 것이다. 이를 위해 수업용으로 적합한 선박주기관과 교육대상을 선정하여 모델링하고 VR 개발 소프트웨어를 사용하여 시스템을 개발하였다. 개발된 VR 교육·훈련 시스템은 교육과정에서 훈련이나 실습하기 어려운 내용들을 가상현실을 통해 실제와 유사하게 체험할 수 있도록 구성하였다. 본 연구에서는 개발된 VR 교육 장비를 활용하여 한국해양대학교 4학년 학생들을 대상으로 주기관 교육을 실시하였으며, 적은 표본 수이긴 하지만 교육 효과가 있음을 확인하였다. 향 후 기관분야에서 VR를 활용한 교육·훈련 시스템이 도입된다면 선박주기관에 대한 유지·보수 능력이 향상되고 해양사고 저감에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
The need for education and training on engine-part maintenance is rising in order to prevent marine accidents occurring due to a surge in engine-part damages. However, practical training using actual equipment is difficult due to the size and location of the equipment. Therefore, the necessity of de...
The need for education and training on engine-part maintenance is rising in order to prevent marine accidents occurring due to a surge in engine-part damages. However, practical training using actual equipment is difficult due to the size and location of the equipment. Therefore, the necessity of developing a training system for marine engines using virtual reality (VR) is intensifying. The purpose of this paper is to develop an optimized system for marine engine education and training using existing VR programs and equipment. To this end, we selected and modeled the marine engine and education target suitable for the class, and developed the system using VR development software. The developed VR education and training system is designed to experience content that is otherwise difficult to train or practice in the curriculum through virtual reality. In fact, fourth grade students from Maritime University were taught using marine engine VR educational equipment, and it confirmed that there was an educational effect on the class. In the future, the introduction of an education and training system using VR in the field of marine engines can improve their maintenance and repairing capacity, and aid in reducing marine accidents.need for education and training on engine part maintenance is increasing to prevent marine accidents.
The need for education and training on engine-part maintenance is rising in order to prevent marine accidents occurring due to a surge in engine-part damages. However, practical training using actual equipment is difficult due to the size and location of the equipment. Therefore, the necessity of developing a training system for marine engines using virtual reality (VR) is intensifying. The purpose of this paper is to develop an optimized system for marine engine education and training using existing VR programs and equipment. To this end, we selected and modeled the marine engine and education target suitable for the class, and developed the system using VR development software. The developed VR education and training system is designed to experience content that is otherwise difficult to train or practice in the curriculum through virtual reality. In fact, fourth grade students from Maritime University were taught using marine engine VR educational equipment, and it confirmed that there was an educational effect on the class. In the future, the introduction of an education and training system using VR in the field of marine engines can improve their maintenance and repairing capacity, and aid in reducing marine accidents.need for education and training on engine part maintenance is increasing to prevent marine accidents.
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문제 정의
따라서, 본 논문의 목적은 선박기관 실습장비의 물리적 제약을 대처할 수 있는 효과적인 수단으로써 VR 교육·훈련 시스템을 개발하는 것이다.
네 번째로 최대 4명까지 동시 접속하여 다중 참여가 가능한 프로그램으로 제작하였다. 이를 통해 가상 현실속에서 강사가 교육생을 대상으로 수업을 실시하고 교육생간에 협업을 통한 과제 수행이 가능하도록 하였다.
제안 방법
Unity 3D를 이용하여 VR 교육·훈련 장비를 구현하기 위해, 다중 교육을 위한 RPC 데이터를 사용하여 설계하였다.
Unity Engine, Maya, SteamVR, Mixed Reality Portal과 같은 전문 프로그램을 통해, 입력되는 데이터가 실시간으로 VR 장비로 동기화 되는 기술과 실제 엔진과 같은 몰입감이 느껴지도록 렌더링 엔진 프로그램 최적화 기술을 개발하였다.
VR 교육·훈련 장비의 기능으로, 주기관의 분해 및 조립과정을 구현하였고, 연소에 필요한 공기, 연료유의 흐름을 컬러로 표현하였다.
선박주기관의 원리, 구조, 부속장치 등에 대한 교육·훈련을 VR 시스템을 이용하여 실시할 수 있으며, 실제 선박 디젤 주기관을 보는 것 같은 교육환경을 제공해줌으로써 교육생의 흥미를 유발하고 집중력 향상을 도모할 수 있다. 가상현실 공간에서 어지러움 방지 및 현실감 극대화를 위해 공간 오차율을 보정하고 렌더링 엔진 최적화 기술을 적용하여 개발하였다. 커리큘럼별 교육 진행 상황 및 내용 확인이 가능한 사용자 환경(UI)을 고려하였다.
강사가 설정한 커리큘럼과 시나리오를 제공받아 학습을 하거나 테스트를 받을 시, 실제와 비슷한 환경이 구성되도록 설계하였다. 또한 여러 사람이 동시 접속하여 역할을 분담하여 학습과 테스트가 이루어질 수 있도록 구성하였다.
교육 커리큘럼 및 시나리오를 부여하는 기능 이외에 필요에 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 기능에 의해 나타날 수 있도록 하였다.
교육생들이 VR 기어 착용 시, 2행정 주기관과 유사한 느낌을 받기위한 환경을 설계하는 것이 중요하다. 그래서 선정된 엔진의 기초 데이터를 토대로 3D 모델을 제작하였다. Fig.
네 번째로 최대 4명까지 동시 접속하여 다중 참여가 가능한 프로그램으로 제작하였다. 이를 통해 가상 현실속에서 강사가 교육생을 대상으로 수업을 실시하고 교육생간에 협업을 통한 과제 수행이 가능하도록 하였다.
다섯 번째로 디지털 장비이기 때문에 VR로 교육 시 강사가 임의적으로 엔진 크기 및 회전 속도의 조정이 가능하도록 하고, Fig. 10과 같이 운전 중인 엔진 내부에 들어가서 부속 기기와 작동 상태를 확인할 수 있도록 설계하였다.
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 흐름을 표시하고 이들이 실린더에서 연소한 후 배기 가스로 배출되는 과정을 컬러로 표시하여 교육 효과를 높이도록 개발하였다.
강사가 설정한 커리큘럼과 시나리오를 제공받아 학습을 하거나 테스트를 받을 시, 실제와 비슷한 환경이 구성되도록 설계하였다. 또한 여러 사람이 동시 접속하여 역할을 분담하여 학습과 테스트가 이루어질 수 있도록 구성하였다.
8과 같이 엔진에 투명화 기능을 부여하여 필요 시, 피스톤의 움직임과 밸브의 작동과정을 확인할 수 있도록 하였다. 또한 연료유의 유체 흐름과 소기의 기체 흐름을 표시하고 이들이 실린더에서 연소한 후 배기 가스로 배출되는 과정을 컬러로 표시하여 교육 효과를 높이도록 개발하였다.
교육 커리큘럼 및 시나리오를 부여하는 기능 이외에 필요에 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 기능에 의해 나타날 수 있도록 하였다. 실시간 교육생 상태 확인 및 음성 메시지 전달을 통해 교육생 관리가 가능하도록 설계하였다.
세 번째로 Fig. 9와 같이 2 행정 디젤엔진의 베드 플레이트부터 실린더 헤드까지 조립과 분해되는 과정을 구현하고 이를 게임형태로 테스트가 가능하도록 하였다.
또한 주기관 사이클에 따른 유체 및 기체의 흐름 표시가 선택 기능에 의해 나타날 수 있도록 하였다. 실시간 교육생 상태 확인 및 음성 메시지 전달을 통해 교육생 관리가 가능하도록 설계하였다.
여섯 번째로 Fig. 11과 같이 디젤엔진의 흡입-압축-폭발-배기의 2행정 사이클의 압력 변화를 알 수 있도록 VR을 착용하여 교육·훈련 시, 엔진 사이드 옆에 가상의 P-V 선도 그래프가 피스톤 위치에 맞게 그려지도록 개발하였다.
이를 통해 선박주기관을 가상 콘텐츠로 구현하여 VR 착용하여 교육·훈련을 실시할 경우, 실제와 같은 느낌을 받을 수 있도록 하였다.
VR 교육·훈련 장비의 기능으로, 주기관의 분해 및 조립과정을 구현하였고, 연소에 필요한 공기, 연료유의 흐름을 컬러로 표현하였다. 주요 장치에 대해서는 시스템에서 필요에 따라 명칭이 표시되고 컬러가 변화도록 하였으며, 피스톤의 움직임에 따라 P-V (Pressure-volume)선도가 그려지도록 구성하였다. 학습 동기 부여 및 교육 효과 증대를 위해 기초적인 분해와 조립 과정 대해, 수행평가를 하거나 2인 이상이 서로 시합할 수 있는 기능을 고려하였다.
첫 번째로 Fig. 7과 같이 3D로 제작한 엔진에 실제 현장에서 사용되는 색상과 작동 음향을 추가하였고 주요 엔진 부속기기를 마우스로 클릭하면 명칭이 생성되도록 개발하였다.
주요 장치에 대해서는 시스템에서 필요에 따라 명칭이 표시되고 컬러가 변화도록 하였으며, 피스톤의 움직임에 따라 P-V (Pressure-volume)선도가 그려지도록 구성하였다. 학습 동기 부여 및 교육 효과 증대를 위해 기초적인 분해와 조립 과정 대해, 수행평가를 하거나 2인 이상이 서로 시합할 수 있는 기능을 고려하였다.
대상 데이터
12은 VR 장비를 가지고 실제 수업 시 활용한 장면이다. 교육은 해양대학교 승선학부의 기관계열 4학년 학생 45명을 대상으로 실시하였다. 교육대상은 상선 혹은 실습선에서 1년의 승선경력을 갖추었다.
저속 2행정 기관의 주요 제조사로는 MAN ES(Man Energy Solution)사와 WINGD사가 있으며 이들 업체에서 제작한 디젤엔진을 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.
교육 대상이 실습할 실습선이나 졸업 후 근무할 국내 해운사의 대형 선박에 설치된 주기관은 대부분 저속 2 행정이고 발전기관은 4 행정을 탑재하고 있다. 저속 2행정 기관의 주요 제조사로는 MAN ES(Man Energy Solution)사와 WINGD사가 있으며 이들 업체에서 제작한 디젤엔진을 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.
첫 번째로, 교육 대상은 지정교육기관의 3급 ~ 4급의 초급 해기사로 선정하였다. 교육 대상이 실습할 실습선이나 졸업 후 근무할 국내 해운사의 대형 선박에 설치된 주기관은 대부분 저속 2 행정이고 발전기관은 4 행정을 탑재하고 있다.
성능/효과
100 %가 유사하다고 답변하고 그중에서도 82 %가 거의 유사하다고 답변하여 VR 교육·훈련 장비가 실제 장비를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 4차 산업 및 자율 운항 선박 시대를 맞이하여 변화가 필요한 교육 시스템에 대해 VR 장비를 이용한 선박 기관 프로그램이 효과적임을 확인할 수 있었다. 또 교육생들의 설문 조사 분석을 통해 VR 교육 프로그램이 수업 효과를 증대시키고 집중도와 효율성 향상에 기여함을 확인하였다.
본 연구를 통해 4차 산업 및 자율 운항 선박 시대를 맞이하여 변화가 필요한 교육 시스템에 대해 VR 장비를 이용한 선박 기관 프로그램이 효과적임을 확인할 수 있었다. 또 교육생들의 설문 조사 분석을 통해 VR 교육 프로그램이 수업 효과를 증대시키고 집중도와 효율성 향상에 기여함을 확인하였다.
실제 장비가 없이 사진이나 동영상 등을 보여주면서 진행되었던 수업에서 VR 교육·훈련 장비를 이용하여 선박주기관의 운전되는 모습을 보는 것만으로도 수업에 대한 흥미와 관심이 증가하는 현상이 나타났다.
실제 해양대학교 4학년 학생들을 대상으로 이번에 개발된 선박주기관 VR 교육·훈련 장비를 가지고 실시된 수업에서 적은 표본 수이긴 하지만 설문 분석을 통해 앞서 주장한 효과가 있음을 확인하였다.
17은 VR 교육·훈련 장비의 세부 기능중에서 가장 효과가 좋다고 생각되는 기능에 대한 선호도 조사 분석 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 사진이나 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 것으로 분석된다.
후속연구
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 체험이 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 가능한 프로그램이다.
개발한 VR 교육·훈련 장비에 의해 가상의 3차원 공간에서, 선박주기관을 운용함으로써 기관의 구조와 특징을 효과적으로 이해할 수 있고 다양한 시나리오를 적용하여기관 운용 교육 등을 실시할 수 있을 것으로 사료된다.
장비를 이용하여 물리적 제약을 받지 않고 양질의 교육이 가능할 뿐만 아니라 경비 절감의 효과도 얻을 수 있다. 또한 다중 접속 VR 환경 기반을 통해, 여러 명의 교육생이 동일한 장소에서 교육에 참여할 수 있어 보다 효율적인 교육 및 훈련이 가능할 것으로 사료된다.
VR 교육·훈련 장비는 실제 대형 선박 엔진이 없어도 실제적인 체험과 실습 교육이 가능하여 작은 예산의 범위내에서 효과적인 교육 과정 설계가 가능하고, 실제상황을 가상현실로 재현시킴으로써 실습이나 교육 과정을 실제 현장에서 실시한다면 벌어질 수 있는 오류나 실수 등을 줄일 수 있다. 또한 위험한 상황을 가상 현실에서 반복적으로 연습을 실시하여 현장에서의 안전 사고 등을 줄일 수 있을 것으로 생각된다.
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.
향후 연구로는 이번 선박주기관 VR 교육·훈련 장비를 기초로 하여 1등 기관사 이상의 수준에서 분해 및 정비와 관련된 직무교육이 가능할 수 있도록 개발할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
VR 장비를 활용한 선박기관 실습교육이 어려운 이유는?
하지만 대부분의 VR 장비가 안전 교육 및 검사 분야로 개발되고 있으며, 선박기관 분야에서의 개발은 미비한 수준이다. 특히, 선박기관 실습교육 장비의 특성상 크기, 장소 및 비용 등의 문제로 효율적인 실습교육이 어렵다.
VR 시스템을 통한 선박주기관 교육 훈련은 어떤 효과를 주는가?
선박주기관의 원리, 구조, 부속장치 등에 대한 교육·훈련을 VR 시스템을 이용하여 실시할 수 있으며, 실제 선박 디젤 주기관을 보는 것 같은 교육환경을 제공해줌으로써 교육생의 흥미를 유발하고 집중력 향상을 도모할 수 있다. 가상현실 공간에서 어지러움 방지 및 현실감 극대화를 위해 공간 오차율을 보정하고 렌더링 엔진 최적화 기술을 적용하여 개발하였다.
해양 분야에서 VR을 이용한 교육 장비와 프로그램 개발에 관한 연구에는 어떤 것이 있는가?
밀폐구역이 많은 선박에서는 다양한 절차 및 조치 때문에 훈련자체가 항상 위험성을 내포하고 있고, 선박의 일정상 훈련 수행이 쉽지 않기 때문에 VR 기술을 활용하여 밀폐구역에서의 안전작업 훈련 효과를 입증하는 연구가 진행되었다(Chae et al., 2018). Kil et al.(2018)의 연구에서는 가상의 선박환경을 구축하여 선박 검사원이 필요 시 가상의 선박 공간에서 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 긴급상황 대처훈련 및 다양한 시나리오에 의한 반복훈련이 가능하여 교육효율성 향상에 도움이 된다고 주장하였다(Kim and Kim, 2016).
참고문헌 (7)
Chae, C. J., J. W. Lee, J. K. Jung, and Y. J. Ahn(2018), Effect of Virtual Reality Training for the Enclosed Space Entry, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 24, No. 2, p. 233.
Chae, J.(2018), Study on Fire fighting Education and Training Applying Virtual Reality, Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 32, No. 1, p. 108.
Chang, G. Y. and Y. H. Yang(2017), Innovation in Construction Education Using VR Technology, Jouran of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 65, No. 5, pp. 84-87.
Im, H. S., S. R. Park, and H. S. Bae(2018), Development of Environmental Education Contents and Education Program for Middle School Using VR, The Korean Society for Environmental Education, Conference Presentation Papers, pp. 184-191.
Kil, W. S., M. J. Son, and J. Y. Lee(2018), Development of VR Ship Environment for The Educational Training of Ship Survey, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 55, No. 4, pp. 361-369.
Kim, W. O. and D. H. Kim(2016), The Development of a Ship Fire fighting Drill Simulator, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 22, No. 5, pp. 410-416.
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