채창훈
(Chang-Hun Chae)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers
Key Words
VR, Virtual Reality, Virtual Education, Virtual Training, Safety education system
1. 서 론
전력산업 현장은 고전압, 고소 작업, 밀폐 공간 등 상시 위험환경에 노출되어 있으며, 매년 다양한 산업재해가 발생하고 있다. 이에 따라 정부는 중대재해처벌법을
시행하며 사업장의 선제적 사고 예방과 실효성 있는 안전교육 강화를 요구하고 있다. 그러나 기존의 안전교육은 텍스트 및 영상 중심의 전달식 교육에 의존하고
있어 실제 작업 환경에서 발생 가능한 위험 상황을 체험적으로 학습하는 데 한계가 존재한다. 최근 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 가상현실(Virtual
Reality, VR) 기술을 활용한 안전교육이 확산되고 있다. VR 기반 교육은 몰입형 환경을 제공함으로써 실제와 유사한 상황에서 위험요소를 체험할
수 있으며, 반복 학습과 시나리오 기반 훈련이 가능하다는 장점을 가진다. 이러한 VR 기반 교육의 학습 효과와 몰입성 향상 가능성은 여러 선행 연구에서
보고되고 있다 [1]-[3]. 그러나 기존 VR 교육 시스템은 대부분 단일 사용자 중심 구조를 채택하고 있어 다수 인원을 동시에 교육해야 하는 산업 현장 환경에는 적용에 제약이
있다. 다중 사용자 VR 환경에서는 네트워크 지연, 동기화 문제, 확장성 확보 등이 중요한 기술적 과제로 제시되고 있다 [4]. 특히 분산 가상환경 구조에서의 확장성 및 다중 사용자 관리 구조에 대한 연구는 지속적으로 수행되고 있으나 [5], 산업 안전교육과 같은 대규모 집체교육 환경에 적용한 사례는 제한적이다. 또한 HMD, 센서, 컨트롤러 등 이기종 장비의 통합 운용 문제와 네트워크
기반 동기화 문제는 대규모 VR 교육 환경 구축의 주요 기술적 과제로 남아 있다 [6]. 다수 학습자를 동시에 관리하고 콘텐츠를 통합 배포하며 실시간 모니터링 및 제어를 수행할 수 있는 중앙 집중형 통합 관리 구조에 대한 연구는 상대적으로
부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 대규모 안전교육 환경에 적합한 VR 기반 통합제어 시스템(iLearn Solo)을 설계하고 구현하였다. 본 논문의
주요 기여는 다음과 같다. 첫째, 이기종 VR 디바이스를 통합 관리할 수 있는 중앙 집중형 통합제어 아키텍처를 제안하였다. 둘째, 다수 학습자 단말에
대한 동시 제어를 위한 UDP 브로드캐스트 기반 경량 제어 구조를 설계하였다. 셋째, 대규모 콘텐츠 관리 및 버전 통합 운용을 위한 콘텐츠 관리 모델을
제시하였다. 마지막으로 교수자, 학습자 실시간 연동이 가능한 통합 운영 구조를 구현하였다. 본 논문에서는 제안 시스템의 전체 아키텍처와 주요 구성
요소를 설명하고, 대규모 안전교육 환경에서의 적용 가능성을 중심으로 설계 구조를 분석한다.
2. 본 론
2.1 시스템 아키텍처
본 시스템은 기존 가상현실(VR) 시스템이 가지는 한계를 극복하고 대규모 가상현실 안전교육을 위하여 <그림 1>과 같은 다수 학습자가 동시에 가상훈련을 수행할 수 있도록 중앙 집중형 구조로 시스템 아키텍처를 설계하였다. 대규모 교육 환경에서는 콘텐츠 동기화,
디바이스 상태 관리, 네트워크 트래픽 제어가 동시에 요구되며, 다중 사용자 가상환경 연구에서도 중앙 관리 또는 분산-혼합 구조의 필요성이 제시되고
있다. 또한 다수 교육생의 실시간 훈련 화면을 교수가 중앙에서 모니터링 및 제어할 수 있는 영상 모니터링 모듈도 포함하고 있다. 이에 본 시스템은
교수자 프로그램(iLearn Solo Trainer) 및 학습자 프로그램(iLearn Solo Trainee)과 교수자 프로그램과 학습자 프로그램에서
요청하는 API 호출을 판독하고 데이터 포맷을 검증할 수 있는 통합제어 서버(iLearn Solo Manager)로 구성된 3계층 구조를 채택하였다.
그림 1. 시스템 아키텍처
Fig. 1. System Architecture
2.2 통합제어 서버(iLearn Solo Manager)
통합제어 서버는 대용량의 가상현실(VR) 콘텐츠 및 PC, 네트워크, 장비 등 다양한 리소스를 통합적으로 관리할 수 있어야 한다. 특히 다중 사용자
가상환경에서는 단말 관리, 콘텐츠 동기화, 네트워크 트래픽 제어가 동시에 요구되며, 대규모 분산 환경에서는 중앙 관리 구조의 효율성이 보고된 바 있다.
따라서 통합제어 서버는 <그림 1>과 같이 학습자 디바이스 관리모듈, 콘텐츠 관리모듈, 모니터링 관리모듈을 포함하도록 설계하였다. 또한 이들 모듈을 통합적으로 제어하기 위한 데이터베이스와
각 PC를 원격으로 제어하는 네트워크 모듈, 메시지 브로커를 포함한다. 이는 분산된 학습자 단말을 중앙에서 일관되게 관리하기 위한 구조적 설계이다.
이를 통하여, 첫째 대규모 안전교육 훈련 콘텐츠를 관리자가 쉽게 등록, 수정, 삭제 및 버전 업데이트할 수 있도록 콘텐츠 관리 구조를 설계하였다.
대용량 콘텐츠의 안정적 운영과 데이터 무결성 확보를 위하여 2TB 스토리지 3개를 RAID 구조로 구성하였다. 이는 다수 사용자의 동시 접근 환경에서
발생할 수 있는 I/O 병목을 최소화하고, 장애 발생 시 데이터 손실을 방지하기 위한 설계이다. 둘째, PC, VR 디바이스 및 네트워크 정보를 중앙에서
등록, 관리할 수 있으며, 다양한 명령과 영상, 콘텐츠가 통합제어 서버를 통해 상호 통신할 수 있도록 구성하였다. 다수 단말에 대한 동시 제어와 저지연
특성을 확보하기 위하여 연결 지향 방식(TCP) 대신 UDP 브로드캐스트 기반 메시지 전달 구조를 채택하였다. UDP는 연결 설정 과정이 없고 오버헤드가
낮아 실시간 통신 환경에서 유리한 특성을 가지며, 실시간 응용 환경에서는 지연 최소화가 중요한 요소로 고려된다. 이를 기반으로 데이터 메시지를 관리하는
메시지 브로커를 설계하였다. 셋째, 통합제어 서버는 연결된 학습자 PC에 VR 콘텐츠를 원격 배포할 수 있도록 구성하였다. 이는 콘텐츠 버전 일관성을
유지하고, 대규모 교육 환경에서의 관리 효율성을 확보하기 위한 구조이다. 다중 사용자 VR 환경에서 콘텐츠 동기화와 중앙 배포 구조는 확장성 확보
측면에서 중요한 요소로 제시되고 있다.
2.3 교수자 프로그램(iLearn Solo Trainer)
교수자 프로그램은 다수 학습자 PC의 가상현실 콘텐츠 버전 관리, 디바이스 추가 및 상태 확인 등 콘텐츠 및 디바이스의 상태 관리를 수행하기 위하여
통합제어 서버와 주기적으로 통신할 수 있는 네트워크 구조를 필요로 한다. 다중 사용자 가상환경에서는 각 단말의 상태를 실시간으로 파악하고 일관된 콘텐츠
버전을 유지하는 것이 중요하며, 중앙 제어 기반 관리 구조가 확장성과 운영 효율성 측면에서 유리한 것으로 보고되고 있다. 이에 교수자 프로그램은 통합제어
서버와의 연동을 통해 학습자 단말의 상태 정보를 지속적으로 동기화하도록 설계하였다. 교수자 프로그램에서는 다수 학습자 단말에 대한 동시 제어를 위하여
UDP 패킷을 브로드캐스트 방식으로 전송하고, 학습자 프로그램으로부터 응답을 수신하는 구조를 채택하였다. UDP 기반 통신은 연결 설정 과정이 없고
오버헤드가 낮아 다수 단말에 대한 실시간 제어에 적합하며, 실시간 응용 환경에서 지연 최소화가 중요한 요소로 고려된다. 이러한 구조는 중앙 서버를
경유하는 개별 세션 제어 방식 대비 네트워크 부하를 줄이고 응답 지연을 최소화하는 장점을 가진다. 또한 교수자 프로그램은 통합제어 서버를 통해 학습자의
PC와 VR 장비들의 전원을 원격으로 제어할 수 있도록 구성하였다. 이는 대규모 집체 교육 환경에서 장비 준비 및 종료 절차를 일괄적으로 관리함으로써
운영 효율성을 높이기 위한 설계이다. 아울러 안전 교육훈련 콘텐츠의 실행, 중지 및 전환을 제어할 수 있으며, 학습자들에게 공지 및 피드백 메시지를
전송할 수 있도록 설계하였다. 이러한 중앙 통제 구조는 다중 사용자 VR 환경에서의 세션 관리 및 동기화 모델과 유사한 접근으로 볼 수 있다.
그림 2. 교수자와 학습자 간 통신
Fig. 2. Communication between the trainer’s PC and the trainee’s PC
2.4 학습자 프로그램(iLearn Solo Trainee)
학습자 프로그램은 학습자가 로그인 시 런처 기능을 제공하며, 교수자와의 피드백 및 학습 내역 확인 기능을 포함한다. 대규모 VR 교육 환경에서는 각
단말의 상태와 학습 이력을 일관되게 관리하는 것이 중요하며, 중앙 관리 구조와 연동된 단말 프로그램 설계가 요구된다. 이에 학습자 프로그램은 통합제어
서버와 연동하여 단말 상태 및 학습 정보를 지속적으로 동기화하도록 설계하였다. 이를 위하여 콘텐츠의 메타데이터를 관리하며, 콘텐츠 다운로드 및 설치,
삭제, 업데이트, 실행 및 종료 명령을 처리한다. 다중 사용자 VR 환경에서는 콘텐츠 버전 불일치가 세션 동기화 문제를 유발할 수 있으므로, 중앙
서버 기반의 콘텐츠 관리 및 배포 구조를 적용하였다. 이를 통해 학습자 단말 간 콘텐츠 일관성을 유지할 수 있도록 하였다. 또한 PC와 VR HMD의
상태 정보를 통합제어 서버로 전송하고, PC의 WOL(Wake-on-Lan) 기능을 통해 시작 및 종료 명령을 처리한다. 이는 대규모 집체 교육 환경에서
장비 준비 및 종료 과정을 일괄적으로 관리하기 위한 구조로, 중앙 제어 기반 다중 사용자 환경에서 운영 효율성을 확보하기 위한 설계이다. 실시간 영상
모니터링을 위하여 학습자 PC의 현재 화면을 캡처 및 송출하는 모듈을 설계하였다. 캡처된 이미지는 MJPEG 포맷으로 변환하여 전송한다. MJPEG는
프레임 단위 압축 구조를 가지며 디코딩 부담이 상대적으로 낮고 지연 시간이 짧아 실시간 모니터링 환경에 적합하다. 실시간 네트워크 응용에서는 지연(latency)이
사용자 경험에 직접적인 영향을 미치는 요소로 보고되고 있으며, 본 시스템은 이러한 특성을 고려하여 경량 영상 전송 구조를 채택하였다.
그림 3. 학습자 런처 프로그램
Fig. 3. Trainee Launcher
2.5 안전 교육훈련 VR 콘텐츠
현재 본 시스템에서는 배전, 변전, 송전, ICT 분야의 다양한 안전 교육훈련 콘텐츠를 <표 1>과 같이 제공하고 있다. 본 콘텐츠는 실제 전력 산업 현장에서 발생 가능한 주요 사고 유형을 기반으로 시나리오를 구성하였으며, 위험 상황을 가상환경에서
체험하도록 설계되었다. VR 기반 안전교육은 몰입형 환경을 통해 위험 인지 능력과 상황 대응 능력을 향상시킬 수 있는 것으로 보고되고 있으며, 반복
학습을 통한 학습 전이 효과 또한 기대할 수 있다. 배전 분야에서는 활선차 버켓 안전대 미체결 시 추락사고 체험, 활선차 풋브레이크 미조작 시 끼임사고
체험, 지상변압기 상간 혼촉으로 인한 아크화상 체험, 고압 신규 MOF 봉인 중 아크화상 체험 등을 구현하였다. 이는 작업 절차 미준수 및 부주의로
인해 발생 가능한 대표적 사고 유형을 중심으로 구성한 것이다. 변전 분야에서는 철탑 접지선 철거 중 감전사고 체험, 변전소 주변압기 작업 중 추락사고
체험, 25.8kV GIS 설치 중 끼임사고 체험 등을 포함하였다. 고전압 설비 작업 특성상 감전 및 추락 위험이 상존하는 작업 환경을 가상 시나리오로
구현하여, 학습자가 위험 상황을 사전에 인지하고 대응 절차를 학습할 수 있도록 설계하였다. 송전/ICT 분야에서는 철탑 승탑 중 추락사고 체험, AMI
DCU 설치 중 감전 및 추락 체험, DAS 모뎀 교체 중 추락사고 체험 등을 포함하였다. 이는 실제 유지보수 및 설비 점검 과정에서 발생할 수 있는
복합적 위험 요소를 반영한 것이다.
표 1. 안전 교육훈련 VR 콘텐츠
Table 1. VR Content for Safety Training
또한 배전 공사 분야의 저압 인입선 공종 중 감전·추락사고 체험, 이동용 변압기 공종 중 감전·추락·충돌 사고 체험, 활선용 완철 사용 공종 중 감전·추락·충돌
사고 체험 등도 개발 중이다. 이러한 콘텐츠는 단순 사고 재현에 그치지 않고, 절차 기반 작업 흐름과 위험 인지 요소를 단계적으로 반영함으로써 상황
인지 기반 학습을 가능하게 한다. 이는 VR 기반 안전교육 콘텐츠 설계 연구에서 제시된 몰입도 및 학습 전이 강화 방향과도 부합한다.
3. 결 론
본 연구에서는 대규모 안전교육 가상훈련 환경을 위한 24인 동시훈련 기반 통합 시스템(iLearn Solo)을 설계하고 구축하였다. 제안 시스템은
교수자 프로그램, 학습자 프로그램, 통합제어 서버로 구성된 중앙 집중형 아키텍처를 기반으로 하며, 이기종 가상현실(VR) HMD 및 디바이스를 통합적으로
운용할 수 있도록 설계되었다. 특히 다중 사용자 가상환경에서 요구되는 단말 동기화, 콘텐츠 버전 일관성 유지, 실시간 제어 및 모니터링 기능을 통합적으로
고려하여 시스템 구조를 설계하였다. UDP 기반 경량 제어 구조와 중앙 관리형 콘텐츠 배포 모델을 적용함으로써, 다수 학습자를 동시에 제어할 수 있는
확장 가능한 운영 구조를 구현하였다. 이는 다중 사용자 네트워크 가상환경 연구에서 제시된 확장성 및 동기화 요구사항을 산업 안전교육 환경에 적용한
사례로 볼 수 있다. 또한 학습자 및 콘텐츠 운영에 대한 통계 기능을 포함하여 교육 운영의 관리 편의성을 확보하였으며, 교수자-학습자 간 실시간 연동을
통해 집체 교육 환경에서의 실감형 안전교육 운영 가능성을 확인하였다. 본 연구는 성능 비교 중심의 실험 연구가 아니라, 대규모 산업 안전교육 환경에
적용 가능한 통합 제어 아키텍처 설계에 초점을 둔 연구이다. 향후 연구에서는 동시 접속 환경에서의 네트워크 지연 특성, 시스템 안정성 및 교육 효과에
대한 정량적 평가를 수행함으로써 제안 구조의 실효성을 보다 체계적으로 검증할 예정이다.
그림 4. iLearn Solo 대규모 안전교육 훈련장
Fig. 4. iLearn Solo Large-Scale Safety Training Facility
Acknowledgements
This paper was conducted as part of the project titled “Development of an Ultra-Realistic
Training System for the Prevention of Worker Accidents,” which was supported by the
Korea Electric Power Corporation.
References
M. Radianti, A. Majchrzak, J. Fromm, I. Wohlgenannt, 2020, A systematic review of
immersive virtual reality applications for higher education: Design elements, lessons
learned, and research agenda, Computers & Education, Vol. 147, pp. 103778
M. Slater, M. V. Sanchez-Vives, 2016, Enhancing our lives with immersive virtual reality,
Frontiers in Robotics and AI, Vol. 3, pp. 74
S. Makransky, G. B. Petersen, 2021, The cognitive affective model of immersive learning
(CAMIL): A theoretical research-based model of learning in immersive virtual reality,
Educational Psychology Review, Vol. 33, No. 3, pp. 937-958
S. Singhal, M. Zyda, 1999, Networked Virtual Environments: Design and Implementation
M. Macedonia, M. Zyda, D. Pratt, P. Brutzman, P. Barham, 1998, A network software
architecture for large-scale virtual environments, IEEE Internet Computing, Vol. 2,
No. 4, pp. 30-39
H. J. Jang, S. H. Jang, 2021, Interaction design study of virtual reality safety education
contents, Journal of the Korea Contents Association, Vol. 21, No. 9, pp. 75-87
저자소개
GIST 기계공학과 졸업(박사, 석사), 전남대학교 전자컴퓨터공학부 졸업(학사). 현재 한국전력공사 전력연구원 책임연구원으로 재직 중이며, 관심 분야는
AR/VR/AI 기반 산업 현장 디지털 전환 기술임.