KIGAS Vol. 21, No. 1, pp 59~64, 2017 (Journal of the Korean Institute of Gas) https://doi.org/10.7842/kigas.2017.21.1.59 도시가스정압기가상훈련플랫폼연구 이재용 박찬국 유철희 * 고등기술연구원플랜트엔지니어링본부, * 가스안전공사가스안전연구원 (2016 년 10 월 31 일접수, 2017 년 2 월 19 일수정, 2017 년 2 월 20 일채택 ) A Study of Virtual Training Platform for City Gas Governor Jae Yong Lee Chan-Cook Park Chul Hee Yu Institute for Advanced Engineering, 175-28 Goan-ro 51beon-gil Baegam-myeon Cheoin-gu Yongin-si Gyeounggi-do, 449-863, Korea *1390 Maedong-myeon, Wonjung-ro Eumseong-gun Chungcheongbuk-do, 27738, Korea (Received October 31, 2016; Revised February 19, 2017; Accepted February 20, 2017) 요약 도시가스정압기의가상훈련플랫폼을구축하기위해서안전훈련프로그램을오큘러스리프트와기어 VR 그리고돔스크린을이용한가상환경훈련시스템을구성하였으며, 일반인을대상으로각각에대한조사를진행하였다. 조사의내용은각훈련시스템방법에대한편의성및현실성등에대한내용이며, 그목적은도시가스정압기안전훈련시스템의실효성을가질수있는지에대한검증에있다. 실험방법은일반인을대상으로각 VR 기기들을사용하게하여그차이를조사하였다. 조사된결과를바탕으로앞으로진행될플랫폼구현에대한방향을알수있었으며, 가상훈련시스템의가능성을알아볼수있었다. Abstract - We implemented virtual reality training system for city gas virtual training platform using oculus rift, gear VR and dome screen. And we carry out a survey targeting ordinary person using each device. The contents of survey are usability and reality about each training system and the goal of survey is a verification how to bring effectiveness using city gas governor safety training system. The survey method used each VR device for the ordinary person and investigated the difference. Based on the survey it was to find out the direction for the implementation of platform, could find out the possibility of a virtual training system. Key words : training system, virtual reality, city gas governor 8)I. 서론 현대사회에서천연가스, 부탄가스및수소가스등연료로서사용되는가스는사용의편리성과청정에너지의이점등의이유로가장많이사용되고있는에너지원이다. 하지만가스사용의부주의및관리소홀로인해서매년크고작은가스안전사고가발생하고있다. 가스를많이사용하는만큼그에대한안전한가스사용및관리가중요해지고있는이유이다. 한편최근에 VR(Virtual Reality) 기술이크게발전 Corresponding author:young2004@iae.re.kr Copyright c 2017 by The Korean Institute of Gas 하면서여러분야에서관련기술의적용을검토하고있는데, VR 은하드웨어와연동해서인공환경및컴퓨터를이용한가상환경을생성하는기술이라할수있다.[1] VR 기술은여러분야에서활용도가늘어나고있으며, 개인에게실제와비슷한느낌을제공하는기술이다.[2,3] VR 기술이근래크게발전하고있는것에는 HMD(Head Mounted Device) 의발전이가장큰이유라할수있다. 3 차원의시각적움직임을안경형태로제공함으로써가상환경에서가장중요한가시적공간감을큰어려움없이확보할수있게되었다. VR 기술의발달로 HMD 뿐아니라모션센서, 이동보행장치및햅틱디바이스의개발도활발히이루어지고있다. 여기서말하는햅틱이란촉감또는감각기관의정 - 59 -
이재용 박찬국 유철희 보를이야기하며 [4], 터치기반인터페이스기술을대표한다.[5] 본논문에서는 VR 디바이스를이용하여가상환경에서가스의사용및가스시설의이용과관리를위한가스안전훈련플랫폼에대해기술한다. 이를위해서도시가스정압설비를대상설비로지정하여안전훈련시스템을구성하였다. 도시가스정압설비는가스공사에서공급하는고압의도시가스를감압하여사용자에게전달해주는기능을하는장치로서실제로크고작은가스안전사고들이빈번하게발생되고있다.[6,7] 가스안전훈련플랫폼을구축하기위해서도시가스정압설비의안전훈련시스템을이용해 VR 인터페이스의활용의적정성및범위그리고가스안전훈련에서최적의안전훈련플랫폼의형태에대해서고찰하였다. II. 가스안전가상훈련내용 2.1. 도시가스지역정압기도시가스에서사용하는정압기는도시가스공급압력이제한된영역에서고압에서중압으로, 중압에서저압으로적당한압력으로감압하여소비처에필요한압력으로공급하기위해사용되는장치로서도시가스지역정압기는중압의도시가스를저압으로감압하여직접적으로소비처에공급하는장치이다. Fig. 1 은도시가스지역정압기의공정을나타낸것으로기본적으로하나의스페어를가지게되어있다. 도시가스에는적지않은이물질이포함이되어있다. 이러한이물질을거르기위해서정압기에는필터가설치되어있으며, 이필터는정기적으로검사해야할부품이다. Fig. 1 에서필터후단의 SSV(Slam Shut-Off Valve) 는긴급차단장치로 SSV 후단의압력이일정압력보다높아질경우작동하여가스를차단하는역할을하고조정기는실질적인감압을하는장치로이와같은장치가한쌍으로구성되어고장혹은점검에서가스공급이원활히이루어질수있도록구성되어 있다. 도시가스지역정압기의사고에는여러가지원인이있지만가장많은빈도를나타내는사고유형은압력이상으로 2 차측의압력상승및저하그리고헌팅할때의원인이있다. 한국가스안전공사에따르면이중에서 2 차측의압력상승에따른사고가가장많으며가장큰피해를가져오는원인이다. Fig. 2 는정압기의압력상승으로인한부적절한대처로인해일어난사고후의모습이다. 2.2. 가스안전훈련시나리오도시가스안전훈련시스템의내용중에서가장중요한부분이라할수있는것이훈련시나리오라고할수있다. 사고가일어날수있는요소를파악하고이를대처할수있는훈련시나리오를만드는일이그것이다. 한도시가스사를대상으로도시가스정압기에서실제로일어난이상상황에대해서조사를진행하였다. Fig. 3 은 2012 년부터 2014 년까지의정압설비이벤트를수집한결과로서대부분의사고내용이가스압력과연관이되어있으며, 그중에서도 2 차압력의이상이가장많았다. SSV 가닫혔다는것은결국 2 차측의 Fig. 2. Accident of city gas governor Fig. 1. City gas local governor component Fig. 3. Analysis for city gas accident KIGAS Vol. 21, No. 1, February, 2017-60 -
도시가스정압기가상훈련플랫폼연구 압력이높아서닫힌것으로이를종합하면 2 차측의압력이상이과반을차지한다고해석할수있다. 2 차측의압력이정상보다낮을경우에는도시가스공급이원활하지않아공급에차질을줄수있는요인이될수있지만직접적인사고의원인으로보기에는어려움이있는데, 2 차측의압력이높아질경우에는계측기의고장및가스누설로인한폭발화재위험이있기때문에빈도와위험성을고려하면 2 차측압력이기준치이상이되었을때의조치가우선적으로고려되어야할사항임을알수있었다. Table 1 에서는 2 차압력상승으로인한원인별조치시점에대해정리하였다. 지역도시가스사의자문을얻어각원인을조사하였으며, 이를토대로도시가스정압기안전훈련시스템의시나리오를작성하였다. Fig. 4 는사전조사를통해서작성된시나리오의형태를간단히표시하였다 Fig. 4 의왼쪽은최초가장많이일어나는사고원인으로분석된조정기의이물질유입으로인한 2 차압력 Table 1. The cause of pressure rise in secondary line 2 차압력상승 차단후조치 공급및추후조치 - 메인밸브에이물질로인해완전차단불량 - 가스중이물질로인한조정기결함 - Filter 차압발생시 - 메인밸브의폐쇄무 - 파일럿공급밸브의누설 - 센터스템과메인밸브의접속불량 - SSV가닫혔을때 - 배관에온도영향으로압력상승 - 메인밸브 O-ring 및 seal 손상 상승에대한내용이며, 오른쪽은훈련원이정압기의게이지및현장상태의파악을통해적절한진단을내릴수있게확장시킨시나리오를간단히나타내었다. 문제판단및조치내용은최대한사실에기반하여시나리오를작성하였고, 훈련원의조작실수및잘못된판단에대해서는훈련의효과를직설적으로알려주기위해서최악의상황이라할수있는정압기내부의화재 / 폭발등의사고가일어나도록구성하였다. III. 가스안전가상훈련플랫폼구성 3.1. 가상훈련시각화가상현실을기반으로한컨텐츠를구성하는데있어서가장많은관심을기울이는분야가시각화기술이라할수있다. 인간은시각, 청각, 촉각, 후각및미각의 5 가지감각, 즉오감중에서시각에의한정보습득이 80% 에달한다.[8] 이러한이유로가상현실구현을위한다양한시각장비들이개발되어왔다. 본논문에서는오큘러스리프트로대표되는 HMD 를이용한안전훈련시스템, 그리고돔스크린방식의안전훈련시스템에대해서구성하고각각의특성을파악해서최적의가상훈련플랫폼에대한연구를진행하였다. 도시가스정압기안전훈련시나리오를구현한프로그램을 PC 에서실행시키고그화면을 HMD 중하나인오큘러스리프트를통해서보여지게구성하였다. Fig. 5 는한전시회에서오큘러스리프트를이용한도시가스정압기안전훈련시스템을참관인에게설명하고있는그림으로사용자는오큘러스리프트를통해서정압기의 3D 모델을확인하고조작기를이용해서각밸브를조작하게된다. 이시스템의장점은몰입감이뛰어나고비교적간단한장비로현실감있는훈련을할수있다는것이다. 그리고전방에위치한위치센서를이용해서제한적이나마실제움직임을감지할 Fig. 4. City gas safety training scenario Fig. 5. City gas safety system using Oculus rift - 61 - 한국가스학회지제 21 권제 1 호 2017 년 2 월
이재용 박찬국 유철희 Fig. 7. Training system structure Fig. 6. City gas safety system using dome screen 수있다는것이다. 반면모든통신이유선을기반으로해서이루어지기때문에사용자의움직임에불편함이있다. 같은원리의 HMD 로삼성기어 VR 과같은스마트폰을이용한방법이있으며, 이를구현하기위해서 PC 를기반으로해서제작되어진도시가스정압기안전훈련프로그램을 APK(Android application package) 파일로변환한다음스마트폰에설치하여실행하였다. 이러한방법의장점은모든기기가무선으로연결되어구성및사용이간편하지만, 스마트폰을이용하기때문에훈련시스템의내용이고사양이되는것에한계가있으며한장소에서여러명이서훈련하게될때무선간섭으로인한통신장애가있다는것이단점이다. 마지막으로돔스크린을이용한시각화방법이있다. Fig. 6 은본논문에서제안한시스템을돔스크린에투영한모습이다. 돔스크린을이용한시각화방법의가장큰장점은머리에부착하지않고스크린을바로볼수있어쾌적한교육환경을제공할수있다. 그림에서보는구성은프로젝터 3 기로 210 도의시야각을확보할수있는데, 구성에따라서 360 도의시야각을확보함으로써가상환경몰입도를향상시킬수있다. 돔스크린을이용한시스템은 HMD 에비해서많은비용이소요되며, 상당한공간이필요한단점이있다. 3.2. 조작인터페이스가상훈련시스템에서밸브조작및이동등조작인터페이스는상용조이스틱을이용하였는데, 가시화방법에따라서다르게적용하였다. PC 기반의돔스크린형이나오큘러스리프트같은경우에는 USB 통신방식을이용한장치를이용하였으며, 스마트폰기반 의기어 VR 의경우에는블루투스통신방식을이용한장치를이용하였다. 3.3. 훈련시스템의구성훈련시스템은전체적인교육훈련을제어하는제어콘솔과훈련원이훈련을받게되는훈련클라이언트로나뉘는데, 제어콘솔은훈련원이적합한훈련을받을수있도록훈련프로그램선택할수있는기능과훈련원이진행하는훈련프로세스를모니터링할수있는기능을한다. 훈련클라이언트는제어콘솔에서지정된훈련프로그램을훈련원이앞서언급한세가지시각화장비를이용해서훈련을받을수있는기능을한다. Fig. 7 은전체시스템의구성을나타낸다. 제어콘솔을통해서훈련원에맞는훈련을지정하고시각화장비를지정할수있다. 각각의장비로훈련한훈련원의훈련결과는훈련결과수집장치를통해서기록된다. 3.4. 훈련프로그램내용훈련프로그램의내용은기본적으로시나리오에기반한정상처리시퀀스와예외처리시퀀스로나눌수있다. 훈련원이정해진정상훈련을수행했을경우에는성공으로판정받으며수행한훈련시나리오와수행한시간등이기록된다. 반면에훈련원이잘못된조작을하였을경우에는경우에따라서아래의그림과같은폭발및화재의효과를보여주게됨으로써훈련몰입도및중요성을부각하도록하였다. Fig. 8 과같은사고효과는훈련원의잘못된조작으로 2 차압력이계속해서높아져서도시가스가내부에유입된경우, 퍼지밸브를열어놓은상태로 1 차측의가스를공급하였을경우등정압실내부로가스가유입되었을경우에극단적인표현으로폭발 / 화재효과를구현하였다. 가스가외부로유출되는것을표현하기위해서 Fig. 9 와같이표현하였는데도시가스는무색 KIGAS Vol. 21, No. 1, February, 2017-62 -
도시가스정압기가상훈련플랫폼연구 으로사람의눈에보이지않으나훈련편의성을위해서보여지는것과같이표현하였으며, 실제가스가퍼지되는실제음향을누출정도에따라서함께나타내도록하였다. 도시가스정압기에서 2 차압력이상승했을경우에많은경우분해점검을실시한다. 대표적인경우로조정기에이물질유입으로인한 2 차압력상승또는필터의기능을못하는경우에그러하다. 본프로그램에서 Fig. 8. Accident effect of training program 는분해를위해서실시하는해체작업중볼트및너트의해체와같은업무는제외를시켰으며이와같은일련의일들은훈련원이하였다고가정하고 Fig. 10 과같이분해에필요한부분만구현하고점검할수있도록구성하였다. IV. 훈련결과및분석 4.1. 훈련대상및조사내용도시가스정압기안전훈련을위한플랫폼을구성하기위해서오큘러스리프트, 기어 VR, 돔스크린을각각일반인 38 명에게체험하게한뒤에각훈련시스템의몰입도와불편함정도그리고훈련효과에대한설문을진행하였다. 일반적으로도시가스정압기에대해서생소하기때문에상황을설명해주면서어떠한조작을해야하는지를알려주고그에따라서조작하게하였다. 4.2. 훈련결과각각의장치를사용한뒤에세항목에대해서간단히세가지의방법중에서어떤것이가장그러한지에대해알아봤으며몰입도, 불편함, 훈련효과에대한결과는아래그림과같다. 몰입도의경우에는어떤것이가장현실적으로나타나는지에대한지표로서오큘러스리프트를사용한것과돔스크린을사용한결과가비슷하게나타났으며기어 VR 을이용한결과가상대적으로낮게나타났는데이는오큘러스리프트와같은경우에는위치센서가있어사람의움직임을표현해내는데반해서기어 Fig. 9. Visualization of gas flow Fig. 10. Regulator disassemble model Fig. 11. Result of training platform - 63 - 한국가스학회지제 21 권제 1 호 2017 년 2 월
이재용 박찬국 유철희 VR 은입력장치를이용해서이동이가능하기때문으로해석된다. 불편함의경우에는훈련을받는데있어서불편을가장많이느낀것에대한조사를진행하였는데, 돔스크린을이용한사용자가가장불편을적게느낀것으로나타났다. 이는 HMD 특성상머리에착용하는불편함과타인이착용한것을착용하는데에따른불쾌함으로나타났다. 훈련효과의경우에는어떤방식으로훈련을하였을때가장빨리습득을할수있느냐에대한지표로돔스크린의효과가크게나타났다. 훈련효과는앞서조사한몰입도와불편함과비례관계가있는것으로파악되었으며, 결국훈련컨텐츠의우수함에앞서훈련장치구성의중요함을알수있었다. V. 결론 오큘러스리프트로시작된가상현실에대한문화사업에서의컨텐츠확장으로여러응용분야에서연구가이루어지고있다. 본논문에서는오큘러스리프트와기어 VR 그리고돔스크린을이용해서도시가스안전훈련플랫폼에대한연구를진행하였다. 구축된훈련프로그램을각각의장치를이용해서실험한결과돔스크린을이용한훈련방법이여러가지면에서장점이있음을알수있었다. 하지만돔스크린을이용해서플랫폼을구축할경우장치구성에많은비용이필요하고장소의제약등구축에어려움이있다. 또한향후단독훈련이아닌다수가협업훈련을해야할경우현실적으로돔스크린을이용한훈련방법은어려움이있다. 따라서 HMD 를이용한플랫폼에서나타난사용자의불편함을해소하고몰입도를개선하는노력이필요하다. 특히기어 VR 과같은경우에는무선통신기반플랫폼이기때문에각기기간의무선간섭에대한해결책이필요하며, 오큘러스리프트와같은경우에는연결선들에대한불편함을해소해야할필요가있다. 이와같은개선사항들을해결할수있다면 HMD 를이용한안전훈련시스템의실용화가가까운시일내에이루어질수있을것으로사료된다. 감사의글 REFERENCES [1] Fletcher, C., Ritchie, J. M., & Lim, T. Virtual machining and expert knowledge capture. Paper presented at Digital Engagement 2011, (2011), Newcastle, United Kingdom. [2] Mujber, T.S., T. Szecsi, Hashmi, M.S.J. Virtual reality applications in manufacturing process simulation. Journal of Materials Processing Technology, (2004). p. 1834-1838. [3] Yap, H.J., Taha, Z., Lee, J.V. VR-based Robot Programming and Simulation System for an Industrial Robot. International Journal of Industrial Engineering Theory, Application and Practice. (2008). 15(3) pp. 314-322. [4] Leino, S., Lind, S., Poyade, M., Kiviranta, S., Multanen, P., Reyes-Lecuona, A., Mäkiranta, A., Muhammad, A. Enhanced Industrial Maintenance Work Task Planning by Using Virtual Engineering Tools and Haptic User Interfaces. Virtual and Mixed Reality-Lecture Notes in Computer Science. (2009). Vol 5622, pp 346-354. [5] Motoji, M., Nishino, H., Kagawa, T., Utsumiya, K. A Haptic Parameter Exploration Method for Force Feedback Devices. In proceeding of the Fourth International Conference on Complex, Intelligent and Software Intensive Systems, Krakow, Poland, 15-18 February 2010, (2010). pp. 1158-1163. [6] Naci Zafer, Greg R. Luecke, Stability of Gas Pressure Regulators, Applied Mathematical Modelling, (2008), 32(1), 61-82. [7] El Golli Rami, Bezian Jean-Jacques, Delenne Bruno and Menu Francois, Modelling of a Pressure Regulator, International Journal of Pressure Vessels and Piping, (2007), 84(4), 234-243. 20, 387-404, (1984) [8] B. Bhushan, Philosophical transactions of the Royal Society, (2009), 367, 1445 본연구는국토교통부플랜트연구사업의연구비지원 (16IFIP-B087592-03) 에의해수행되었습니다. KIGAS Vol. 21, No. 1, February, 2017-64 -