[논문]가상현실기반 플랜트 체감형 안전 훈련 시스템 개발 연구

차무현; 허영철; 문두환; 이경창

가상현실기반 플랜트 체감형 안전 훈련 시스템 개발 연구
A Development of VR-based Emergency Training System for Safe Plant Operation 원문보기

차무현 (한국기계연구원 기계시스템안전연구본부) , 허영철 (한국기계연구원 기계시스템안전연구본부) , 문두환 (경북대학교 정밀기계공학과) , 이경창 ((주)툴레미시스템, 충남대학교 컴퓨터공학과)

플랜트와 같은 대형 기계설비의 운영 시 발생하는 사고 피해를 최소화하고 조속한 정상화를 위해서는, 운영자 또는 초기 대응자가 예상치 못한 사고에 대처할 수 있는 능력을 향상시키기 위한 현장 운영자에 대한 훈련 기술이 필요하다. 이러한 훈련 과정은 실제 플랜트 현장에서 수행하기가 현실적으로 어렵기 때문에, 시뮬레이션 기술을 사용한 모의 훈련 및 평가기술이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 가상현실 안전훈련 시뮬레이터의 설계 및 개발과정과, 체감형 훈련을 가능케하는 휴먼 인터페이스의 적용 및 통합 과정에 대해 소개한다.

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문제 정의

한편, 가상현실(VR, Virtual Reality) 시뮬레이터 기술은 휴먼 인터페이스를 사용하여 위험한 사고 상황을 가상공간에서 현실적으로 재현할 수 있기 때문에, 안전하고 반복적이며 상호작용이 가능한 훈련을 가능케 한다[1-6]. 본 연구에서는 이러한 가상현실 안전훈련 시뮬레이터의 설계 및 개발과정과, 체감형 훈련을 가능케 하는 휴먼 인터페이스의 적용 및 통합 과정에 대해 소개한다.
본 연구에서는 플랜트 시설물 위험지역에서의 배관 가스 누출에 의한 소규모 화재 발생을 사고 시나리오로 정의하였다. 이는 초기 대응 및 진압 훈련의 효과가 대규모 폭발 또는 화재 상황보다는 상대적으로 크기 때문이다.

제안 방법

밸브 차단 임무의 경우 실시간으로 측정된 양손 등의 위치를 기반으로 양손의 중심에 대한 오프셋 벡터 값을 추출하여 양 손의 회전 각도를 계산하였다. 계산된 양 손의 회전 각도를 가상 밸브 핸들의 회전량과 연동하여 밸브 차단 기능을 구현하였다. 소화전 살포 임무는 밸브 차단과 동일하게 양손의 중심점에 대한 위치 값과 방향 값을 계산하고 이 값들을 가상 소화전 노즐의 위치와 방향으로 매핑하여 손동작에 따라 살포 위치와 방향을 조정할 수 있도록 구현하였다.
통합 적용하였다. 그림 4와 같이, 도보 탐색 과정 구현을 위해 기존의 키보드나 조이스틱 등을 대체할 수 있는 신체 보행 기반 네비게이션 시스템을 신규적용하였으며, 모션 트래커를 이용하여 현장 조작판제어, 밸브 차단, 소화전 살포작업 등을 수행할 수 있는 모션 인식 및 처리 기술 등을 개발하였다. 그림 5 는 본 시뮬레이터 시스템 개발에 활용된 디스플레이장치, 보행장치, 모션 인식 장치 등의 휴먼 인터페이스에 대한 하드웨어 시스템 구조도를 나타낸다.
또한, 현장 조업 자가 사고 인지 후 초기진압을 위해 취해야 할 대응 절차를 정의하였다. 먼저 화원 지점을 파악하고 도보 탐색한 후, 사고의 2 차 확산 방지를 위한 출력 게이트 밸브의 차단작업 및 소화전 설비를 이용한 화재 진압 과정을 훈련 시나리오로 정의하였다.
체험 훈련 등을 수행할 수 있었다. 밸브 차단 임무의 경우 실시간으로 측정된 양손 등의 위치를 기반으로 양손의 중심에 대한 오프셋 벡터 값을 추출하여 양 손의 회전 각도를 계산하였다. 계산된 양 손의 회전 각도를 가상 밸브 핸들의 회전량과 연동하여 밸브 차단 기능을 구현하였다.
본 연구에서 개발된 훈련 시뮬레이터 프로토타입을 이용하여, 기본 훈련 시나리오인 화원 탐색, 게이트밸브 차단, 화재 진압에 관한 사용자 시험을 진행하였다.
본 연구에서 정의된 사고 및 훈련 시나리오와 구축된 시각화 컨텐츠를 이용하여 체감형 훈련 시뮬레이터 플랫폼을 개발하기 위해 다양한 휴먼 인터페이스를 통합 적용하였다. 그림 4와 같이, 도보 탐색 과정 구현을 위해 기존의 키보드나 조이스틱 등을 대체할 수 있는 신체 보행 기반 네비게이션 시스템을 신규적용하였으며, 모션 트래커를 이용하여 현장 조작판제어, 밸브 차단, 소화전 살포작업 등을 수행할 수 있는 모션 인식 및 처리 기술 등을 개발하였다.
계산된 양 손의 회전 각도를 가상 밸브 핸들의 회전량과 연동하여 밸브 차단 기능을 구현하였다. 소화전 살포 임무는 밸브 차단과 동일하게 양손의 중심점에 대한 위치 값과 방향 값을 계산하고 이 값들을 가상 소화전 노즐의 위치와 방향으로 매핑하여 손동작에 따라 살포 위치와 방향을 조정할 수 있도록 구현하였다.

성능/효과

있다. 가스누출 또는 화재와 같은 사고 유형에 대한 확산방지, 구조 등의 적절한 훈련을 수행하기 위해, 가상환경과 휴먼 인터페이스, 훈련 및 평가 모듈로 이루어지는 시뮬레이터를 개발하고 이를 통해 사고 대응 능력을 향상할 수 있다. 안전사고 대응훈련을 효과적으로 수행하기 위해서는, 사고현상의 실감 적 표현과 훈련자가 이를 사실적으로 인지하여 훈련환경에 몰입할 수 있는 3차원 가시화, 훈련 시뮬레이터의 효과를 극대화하기 위해서는 상호작용이 가능한 몰입형 하드웨어 인터페이스, 가상의 설비와의 상호작용을 위한 햅틱 인터페이스 등이 포함된 가상현실기술, 대용량의 시뮬레이션 데이터 및 훈련상황을 사용자에게 직관적인 가시화를 통하여 제공하기 위한 실시간 데이터 처리 및 소프트웨어 기술, 네트워크 기반 훈련 시뮬레이터 통합기술 등이 필요하다.

후속연구

현재 개발 결과는 매우 기초적인 구현 가능성을 검증하는 프로토타입 시험 단계로서, 추후 실제 훈련 효과를 달성할 수 있는 시나리오 개선 및 현장 적용성 향상을 위한 연구가 지속적으로 필요할 것으로 판단된다.

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