2.1 선행연구

국내에서 선행된 증강현실 기술을 접목한 교육에 관한 선행연구를 살펴보면, 다양한 분야의 교육 커리큘럼에 접목하여 성공적인 결과를 도출한 것을 확인할 수 있다. Nam과 Lee(10)는 증강현실 기술은 사용자가 훈련기기를 통해 지식취득을 할 수 있도록 개발된 콘텐츠 중 하나이며 학생들뿐 아니라 성인을 대상으로도 체험, 실습 위주의 교육효과에 증강현실 교육시스템이 교육의 질을 향상시키는데 기여할 것이라고 제언하였다. 또한, Park과 Kim(11)은 산업계에서 증강현실 기술의 도입은 활발히 이루어지고 있으며 복잡한 작업을 수행하는 현장에서의 해답을 증강현실로 얻을 수 있는 것이 증강현실의 장점이라고 주장하였다. Shim과 Lee(12)는 항공우주산업(KAI)의 실습 과정은 안전사고가 많이 우려되는 과정으로 이를 해결하기 위해 증강현실기술을 통한 교육을 활용하여 안전사고 등의 우려를 불식시키는 대안으로 활용이 가능하며 증강현실 기술을 사용한 교육방법을 제시하였다. Jin 등(13)은 실제 증강현실 교육을 진행한 결과 생산시간 감소 및 지속적인 양질의 훈련 공급, 사용자의 업무 생산성 향상의 결과가 도출되었다고 증명하였다. 이렇게 국내에서도 다양한 분야에 증강현실 기술을 도입시켜 작업자의 실질적인 교육을 수행하고 있으나 현재 소방안전관리자와 관련된 교육훈련에서는 증강현실 기술을 접목한 콘텐츠는 개발된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 한국소방안전원의 교육을 바탕으로 증강현실 기술을 접목한 교육훈련 시스템을 개발하고자 하였으며, 소방시설 중 화재 시 화재인지 및 경보의 역할을 해주는 자동화재탐지시설을 중심으로 장소와 시간을 구애받지 않고 실습할 수 있는 실질적인 교육⋅훈련시스템을 개발하고자 하였다.

2.2 한국소방안전원 자동화재탐지설비 교육

한국소방안전원은 국내에서 유일하게 소방안전관리자를 교육 및 양성하는 기관으로 Table 1은 한국소방안전원에서 실제 소방안전관리자들에게 제공하는 교재의 교육내용을 정리하여 나타내었다. 교육 과정은 크게 구성 및 동작원리 → 구성요소 → 점검방법으로 구성되어 있으며 자동화재탐지설비의 구성요소인 감지기, 수신기, 중계기, 발신기, 음향장치 및 시각경보기, 전원, 배선의 정의 및 역할 등도 세부적으로 명시되어 있다. 또한, 자동화재탐지설비 교육 중 P형 수신기와 R형 수신기의 차이점과 이에 따른 점검방법을 구분하며 피교육자들에게 각 설비의 쓰임에 따른 구분점을 교육하고 있다. 더하여 한국소방안전원에서 이론 교육을 마친 뒤 평가하는 평가항목에는 스위치 상태점검, 화재위치 확인 및 복구, 도통시험, 예비전원 시험 등이 있으며 이론과 실습 교육을 마친 수강생은 위의 평가를 통한 성취기준을 만족시켜야만 소방안전관리자로서의 자격이 주어진다. 해당 기준에 따라 본 연구에서 개발하고자 하는 시스템의 콘텐츠는 구조 및 작동원리 → 점검⋅실습 → 평가의 순서로 구성하였으며, 한국소방안전원의 평가기준에 맞춰 설비의 점검방법을 최소 3가지 이상 습득할 수 있도록 구현하고자 하였다.

Table 1

Curriculum of Automatic Fire Alarm System

3.1 설계

본 연구에서 개발한 증강현실을 활용한 소방시설 교육⋅훈련시스템은 경보설비 중 자동화재탐지설비의 P형 수신기와 R형 수신기를 개발하였다. 본 시스템을 개발하기 위해 한국소방안전원 교재를 참고하여 작동원리 및 점검방법의 시퀀스를 설정하였으며 이를 증강현실로 구현하여 소방안전관리자에게 현실적인 점검방법 및 실습 기회제공을 목적으로 설계하였다. 소방안전관리자는 구조 및 작동원리 → 점검⋅실습 → 평가의 순으로 자동화재탐지설비를 익힐 수 있으며 구조 및 원리에서는 자동화재탐지설비의 역할, 설비의 구성요소, 회로 동작시험에 따른 작동원리 등을 배우고 점검 실습에서는 각 설비의 점검방법을 최소 3가지 이상 습득할 수 있도록 설정하였다. 마지막으로 평가에서는 한국소방안전원의 실제 평가항목 및 성취기준을 참고하여 점검⋅실습에서 익힌 점검방법을 바탕으로 주어진 미션에 안내설명 없이 설비를 점검하고 점검과정 중 퀴즈삽입을 통해 이론에서 배웠던 내용을 실무에서 적용할 수 있도록 설정하여 숙련도를 향상시키고자 하였다.

3.2 구조 및 작동원리

한국소방안전원에서 제공하는 교재에서의 교육내용은 자동화재탐지설비의 구조 및 작동원리는 구성, 동작원리, 동작체계로 구성되어 있어 교육 커리큘럼을 따라 증강현실을 이용한 자동화재탐지설비를 구현하기 위해 P형과 R형 수신기를 역할 → 구성요소 → 회로 동작시험에 따른 작동원리의 순서로 학습할 수 있도록 설계하였다. 자동화재탐지설비는 화재 발생 초기에 자동 발견하여 건물 내의 관계자에게 발화장소를 표시함과 동시에 경보를 발하는 설비로 감지기, 발화장소를 표시하는 수신기, 발신기, 음향장치, 배선 및 전원 등으로 구성된 경보설비로 P형과 R형으로 구분하였다. Figure 1에는 자동화재탐지설비의 증강현실로 구현하기 위한 구성요소를 나타내었으며, Figures 2(a), 2(b)와 같이 공통적으로 발신기, 주경종, 지구경종, 시각경보기, 연기감지기, 열감지기로 구현하였고, Figures 2(c), 2(d)와 같이 P형과 R형 수신기 차이로만 구분하여 증강현실 기술을 접목하여 나타냈다. Figures 2(e), 2(f)에는 자동화재탐지설비에 대한 역할 및 P형과 R형의 차이점을 비교하여 증강현실 기술로 구체화한 화면을 나타내어 자동화재탐지설비의 구성요소에 대해 교육하고자 하였다.

Figure 1

Design of automatic fire alarm system component.

Figure 2

Materialization of automatic fire alarm system role and component.

한국소방안전원 교재에 따라 자동화재탐지설비의 작동원리를 P형과 R형으로 구분해 감지기의 화재인지에 따른 자동 동작과 발신기를 통한 수동 작동으로 세분화하여 교육받을 수 있게 구분하여 Figures 3(a), 3(b)와 같이 설계하였다. 감지기 동작으로 인한 동작원리에서는 화재 발생 시 연기감지기가 작동하여 수신기로 화재를 전송하게 되고 수신기의 지구표시등 및 화재표시등, 시각경보기가 점등되어 주경종 및 지구경종이 울리는 시퀀스로 구성하였다. 발신기세트를 활용한 작동으로 화재 발생 시 사용자가 발신기세트 앞으로 이동하여 발신기 누른 버튼스위치를 직접 눌러 동작시키는 방법으로 교육생이 직접 버튼을 눌러 수동 동작의 원리를 익힐 수 있도록 설계하였다. Figures 3(c), 3(d)에 자동화재탐지설비의 작동원리를 자동 및 수동으로 나누어 증강현실 기술로 구체화한 화면을 나타내었다.

Figure 3

Materialization of augmented reality based on automatic fire alarm system operation principle design.

3.3 점검 및 실습

자동화재탐지설비의 점검 및 실습은 P형과 R형 수신기의 공통적인 수신기 점검방법과 각 수신기의 기능시험 방법을 교육함으로써 숙련시키도록 하였다. 수신기의 점검방법은 감지기를 이용한 점검, 발신기를 이용한 점검으로 나누어 시뮬레이션으로 구현하였으며 기능시험은 동작시험, 도통시험, 예비전원 시험으로 구성하였다.

감지기시험기를 이용한 점검방법은 복합형 감지기 테스터기를 이용하여 연기감지기와 열감지기에 인위적인 화재 상황 신호를 인가하는 것으로 감지기의 위치에 따라 화재신호가 수신되는 화면을 설정하였다. Figure 4(a)는 감지기시험기를 이용한 점검방법의 시퀀스를 나타냈으며 감지기시험기를 이용한 감지인자 인가 → 감지기 자동 → (중계기 수신 및 수신기로 발신) → 수신기 입력 → (중계기 수신 및 발신) → 주경종, 지구경종, 비상방송, 사이렌, 부저 화재표시등, 지구표시등 작동 시퀀스에 따른 수신기의 화면을 Figure 4(b)로 설계하였다. 또한, 감지기를 이용한 수신기 작동 시퀀스와 화재신호를 수신한 수신기를 증강현실 기술로 구축한 장면은 Figures 4(c), 4(d)에 나타내었다. 감지기 시험기를 통한 시험 방법을 처음 접해보는 소방안전관리자를 위해 감지기 신호전달에 따른 지시선을 표시하여 설비 간의 상호작용을 가시적으로 표현하여 피교육자의 이해도를 향상시킬 수 있도록 시스템을 설계하였다.

Figure 4

Inspection using a detector.

발신기를 이용한 점검은 점검 전 지구경종, 비상방송 설비 등을 정지설정 해야하는 점검 전 조치사항이 있으므로 해당 내용을 사용자에게 점검 전 교육하도록 하였으며 발신기 누름 버튼스위치 누름으로 해당 점검방법의 점검이 시작되도록 설정하였다. 발신기를 이용한 점검방법은 누름 버튼스위치 누름 → 발신기 작동 → (중계기 수신 및 발신) → 수신기 입력 → (중계기 수신 및 발신) → 주경종, 지구경종, 비상방송, 사이렌, 화재표시등, 지구표시등 작동으로 설계하여 Figures 5(a)와 5(b)에 나타냈으며 이를 구현한 화면은 Figures 5(c)와 5(d)에 나타내었다.

Figure 5

Inspection using a fire alarm transmitter.

P형 수신기의 기능시험 중 동작시험은 수신기에 화재신호를 수동으로 입력하였을 시 수신기의 정상작동 여부를 판단하는 시험으로 증강현실 기술을 접목시키기 위해 설비 동작에 따른 수신기 화면을 설계하였다. 동작시험은 축적기능 해제 → 경종, 비상방송 등 정지설정 → 자동복구 스위치 및 동작시험 스위치 누름 → ‘일단위’, ‘십단위’를 돌려가며 작동표시등 및 화재표시등 점등 확인 → 회로시험 스위치 ‘정상’위치 설정 → 동작시험 스위치 및 자동복구 스위치를 통한 복구의 과정으로 진행되며 해당 설계도는 Figures 6(a), 6(b)와 같다. Figures 6(c), 6(d)는 증강현실로 구현한 화면을 나타내었으며 실습자가 본 시스템을 진행하며 수신기 동작시험에 대한 오작동 우려를 하지 않고 실습을 진행할 수 있도록 구축하였다.

Figure 6

P-type control panel operation test.

P형 수신기 회로 도통시험은 수신기와 감지기 사이 회로의 단선 유⋅무와 상호 기기 간의 접속상황을 확인하기 위한 시험으로(14) 동작시험과 마찬가지로 시험 전 조치사항 교육내용을 삽입하였다. 도통시험은 경종 및 비상방송 등 정지설정 → 도통시험 스위치 → ‘일단위’, ‘십단위’를 돌려가며 단선 표시등 확인 → 회로 시험스위치 ‘정상’위치 → 도통시험 스위치를 눌러 복구하는 시퀀스로 구성되며 해당 설계 내용은 Figure 7에 나타내었다. 도통시험 과정은 스위치 동작에 따라 도통시험등과 단선 등이 점등되며 실습자가 올바른 스위치를 눌렀는지 확인할 수 있도록 하였으며 회로시험 스위치 ‘일단위’, ‘십단위’를 돌려가며 각 지구표시창을 확인하여 지구별 단선유무, 접속상황에 대한 파악을 할 수 있도록 구현하였다. Figure 7(a)는 단선 유무에 따라 도통시험 결과가 정상, 단선이 나오는 것에 대한 설계를 나타냈으며, 이를 Figures 7(b), 7(c)에서 보이는 화면으로 증강현실 교육⋅훈련시스템에 구현하였다.

Figure 7

P-type fire alarm control panel continuity test.

P형 수신기의 예비전원시험은 상용전원이 사고와 같은 이상이 생겼을 경우 예비전원으로 자동절환 가능 여부와 예비전원 절환 시 수신기의 정상작동을 가능하게 하는 전압을 가지고 있는지 확인하기 위해 진행하는 시험이다. 예비전원 시험 실습은 예비전원 스위치 누름 → 교류전원등 소등 → 예비전원 자동절환 → 전압표시등 점등 → 예비전원스위치 누름 해제 → 예비전원시험 종료 및 상용전원 자동절환의 순서로 구성되며 해당 내용의 시퀀스 설계는 Figure 8(a)에 나타내었다. 또한, 현실감 조성을 위해 예비전원 시험 버튼을 누르고 있는 동안 전압표시등에서 높음, 정상, 낮음 세 가지 상황에 맞게 전압표시등이 점등되도록 설계하였으며 해당 내용은 Figure 8(b)에 나타내었다.

Figure 8

P-type fire alarm control panel standby power test.

R형 수신기의 화재시험은 경종, 비상방송 정지 → 자동복구 설정 → 화재시험 버튼 누름 → 채널 중계기, 입력번호 설정 → 화재시험 버튼 누름 → 화재시험 진행 → 화재표시등 점등 및 화재발생 내역 확인 → 연동 음향장치 정상출력 여부 확인 → 시험완료 → 화재발생 팝업창 닫음 → 화재시험 종료버튼의 순서로 진행된다. 또한, R형 수신기는 P형 수신기와 다르게 키패드를 이용하여 채널번호, 중계기번호, 입력회로 번호를 직접 입력하여야 한다는 차이점이 있어 이와 같은 차이점을 증강현실 교육⋅훈련 시스템에 구현하기 위해 화재시험 버튼을 누를 시 화재표시등 점등과 화재발생 창이 뜨는 것을 설계하였으며 해당 내용을 Figures 9(a), 9(b)에 나타내었다. 현실감 있는 훈련 분위기 조성을 위해 수신기가 화재신호를 수신하면 실제와 같이 주음향 장치가 울리게 하였으며 다른 비상방송 설비도 해제할 시 작동하도록 설계하였다. R형수신기의 복구과정은 화재발생의 팝업창과 화재시험 설정화면을 ‘닫기’버튼을 누른 후 복구버튼과 자동복구버튼을 눌러 지속상태로 설정하면 복구를 마무리 할 수 있도록 실제 시스템에 구현하였으며 Figures 9(c), 9(d)에 나타냈다.

Figure 9

R-type fire alarm control panel fire test.

3.4 평가

평가는 한국소방안전원의 실제 평가절차를 반영하여 설계하였으며 증강현실 교육⋅훈련시스템을 통해 교육생의 설비 조작능력의 여부를 판단하고 평가 중간단계에서 기본적인 이론 문제들을 추가로 삽입하여 이론에 대한 교육을 다시 한번 확인할 수 있도록 설정하였다. Figure 10은 P형 수신기의 평가항목을 나타내었으며 Figures 10(a), 10(b), 10(c), 10(d)의 순서로 평가항목 선택 → 미션 1 → 퀴즈 1 → 미션 2의 순서로 진행된다. Figure 10(a)는 평가항목을 선택하는 화면으로 “① 수신기 스위치 상태점검”, “② 화재 지역 체크”로 구성하여 교육생 자신이 평소 부족하다고 생각하는 점검에 대한 평가를 직접 선택할 수 있도록 설정하였다. Figure 10(b)는 “① 수신기 스위치 상태점검”의 미션으로 “스위치를 복구하여 스위치주의 표시등이 소멸하게 만드세요.”로 설정하였으며 수신기의 지구경종정지, 비상방송정지, 사이렌정지 등 스위치가 눌려있을 경우 스위치주의등의 작동하게 되는데, 이는 소방안전관리자가 하는 업무 중 가장 중요한 것으로 실제 화재가 발생했을 때 경보를 하지 않아 발생하는 피해를 최소화하고자 질문사항으로 넣었다. Figure 10(c)는 중간퀴즈로 “주요구조부가 내화구조인 ‘가’, ‘나’, ‘다’와 같은 크기의 실이 있는 건축물에 차동식스포트형 감지기(2종)를 설치할 경우 필요한 감지기의 최소 수량은? (감지기의 부착 높이 3.5 m)”을 추가로 삽입하였다. 이는 각 건물과 그 내부의 특성에 따라 사용하는 감지기의 종류와 각 장의 감지기 개수를 파악하고 있어야 하는데, 앞서 이론에서 배운 지식을 바탕으로 실제 경계구역에서 감지기의 수량을 측정할 수 있는 훈련을 하고자 하였다. 다음 Figure 10(d)에서 나타낸 “② 화재 지역 체크”의 미션은 “수신기를 보고 화재 지역이 어디인지 확인한 후, 확인 버튼을 누르고 질문에 답하세요.”로 설정하였다. 소방안전관리자는 실제 방재실에 주로 상주하며 화재 발생 시 수신기에 점등된 표시등을 통하여 화재 발생 경계구역과 경종 등의 작동여부를 확인하고 조치할 수 있어야한다. 따라서 이와 같은 평가를 통해 소방안전관리자가 실제 화재 발생 시 침착하게 해당 경계구역을 확인하게 이에 따른 설비의 작동을 수신기를 통해 확인할 수 있도록 교육하고자 하였다.

Figure 10

P-type fire alarm control panel assessment.

Figure 11은 R형 수신기의 평가항목으로 첫 번째 미션은 “오른쪽 지구경종 위의 지역 번호를 확인하고 수신기를 조작하여 지구 경종을 울리게 하세요.”로 출력시험 설정을 통해 화재 발생 시 화재 상황 전파를 할 수 있는 능력을 확인하고자 다음과 같은 질문을 넣었으며 Figures 11(a), 11(b)에 나타내었다. 다음 Figure 11(c)는 중간퀴즈로 “P형 수신기와 R형 수신기의 차이점 중 틀린 것은”을 넣었다. 선택지는 “① P형 수신기는 실선 배선을 사용하지만, R형 수신기는 통신 배선을 사용한다. ② P형 수신기는 선로 수가 많고 수신기에 자가진단 기능이 없기 때문에 유저 관리가 어려운 반면, R형 수신기는 선로 수가 적고 자가진단 기능이 있어 쉽다. ③ P형 수신기는 통신 신호방식으로 신호를 전송하고, R형 수신기는 점점 신호방식으로 신호를 전송한다. ④ P형 수신기의 최대 회로 수는 약 100회로이고, R형 수신기는 제한이 없다.”로 구성하였으며, R형 수신기와 P형 수신기의 이론적 차이를 분명히 알고 각 장단점에 맞는 설비를 사용할 수 있도록 설계하였다. 두 번째 미션 Figure 11(d)는 첫 번째와 같이 “지구경종의 지역번호를 확인 후, 지구경종을 작동시키세요”로 P형 수신기와 마찬가지로 R형 수신기의 화면을 보고 경종의 작동시킬 줄 아는지를 중점적으로 평가하여 출력시험으로 첫 번째와 동일한 미션으로 넣었다. 이와 같이 AR을 활용한 평가항목으로 실제 수신기를 점검하는 것과 같은 현실성을 느낄 수 있으며 실제 평가와 같은 기법을 사용하여 소방안전관리자의 설비 작동능력을 확인하고 반복적인 학습을 통해 숙련도를 향상시킬 수 있을 것이라고 판단된다.

Figure 11

R-type fire alarm control panel assessment.