서 론
연구 방법
갱내 무선통신설비 유지보수를 위한 증강현실 교육 콘텐츠 설계
무인 로더 트레이닝 증강현실 콘텐츠 설계
광산 운반 시스템 시뮬레이터 연계 증강현실 콘텐츠 설계
연구결과
갱내 무선통신설비 증강현실 콘텐츠 개발 및 적용 결과
무인 로더 트레이닝 증강현실 콘텐츠 개발 및 적용 결과
광산 운반 시스템 시뮬레이터 연계 증강현실 콘텐츠 개발 및 적용 결과
결 론
서 론
광업은 자연에서 추출한 유용 광물을 채굴하고 가공하는 산업으로, 다양한 산업군의 원료를 공급하는 기반 산업이다(Lee and Kim, 2010). 광업은 에너지와 원료자원을 공급하는 국가 기간산업으로서, 국가 산업 발전의 기반이 된다. 최근 광업의 효율성 증대를 위해 스마트 마이닝 기술이 도입됨에 따라 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터, 확장현실(eXtended Reality, XR) 등 첨단 ICT 기술들이 현장 활용이 확대되고 있다. 이 중 확장현실 기술은 작업 환경 개선과 교육 효율성 향상에 기여할 수 있는 기술로 주목받고 있다(Park and Jung, 2020).
확장현실이란 현실과 가상의 경계를 융합하여 사용자가 새로운 경험을 할 수 있도록 하는 기술들을 통칭한다. 확장현실은 그 범주에 따라 가상현실(Virtual Reality, VR), 증강현실(Augmented Reality, AR), 혼합현실(Mixed Reality, MR) 등으로 구분되며, 이 중 증강현실은 현실과 가상을 결합하는 특성으로 인해 산업 현장 교육에 특히 적합한 기술로 평가된다. 증강현실은 현실 영상 위에 디지털로 구현된 가상의 정보 및 객체를 합성하여 원래의 환경에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는 특징이 있다.
최근 연구들은 증강현실 기술이 작업자의 학습 효율을 향상시키는 데 기여할 수 있음을 증명하였다. 이는 증강현실이 현실 공간에 가상의 정보를 직관적으로 제공함으로써 학습자의 인지 능력과 이해도를 높이기 때문이다. 원격 및 온라인 교육, 실험 교육 그리고 STEM(Science, Technology, Engineering, and Mathematics) 교육에 증강현실 기술이 활발히 적용되고 있으며, 그 결과 실험 및 원격 학습에서 학습자의 이해도를 높이고, 참여도를 증가시키며, 실험 수행 능력을 향상시키는 긍정적인 효과를 보였다(Strzys et al., 2017; Spitzer et al., 2018; Cao et al., 2019; Kapp et al., 2019; Thees et al., 2020). 의료 및 간호 분야에서도 스마트 안경과 스마트폰을 이용한 증강현실 기술의 적용이 의료 시술에서 얼마나 정확성을 높일 수 있는지, 그리고 간호 교육에서 어떤 효과를 기대할 수 있는지 연구되었다(van Doormaal et al., 2019; Kopetz et al., 2019; Seifabadi et al., 2020). 스포츠 및 피트니스 분야에서는 스마트 안경을 활용하여 사이클 훈련 중 실시간 정보를 제공하는 증강현실 기술을 개발하였다(Berkemeier et al., 2018). 제조업 분야에서도 증강현실 기술의 적용이 생산 일정 모니터링, 수작업 전선 조립 공정 개선, 작업자의 교육과 생산성 향상에 미치는 영향 등을 평가하는 연구가 다수 수행되었다(Mourtzis et al., 2020; Szajna et al., 2020; Vidal-Balea et al., 2020). 다양한 산업의 사례연구는 증강현실 기술이 실시간 시각화, 공간 인식, 핸즈프리 인터페이스 등에서 강점을 가지며, 실용성과 확장성이 높음을 보여준다(Liu et al., 2018; Furlan, 2016; Jing et al., 2017).
증강현실 기술은 자원산업 분야에서도 유용하게 활용될 수 있다. 특히 광산 현장은 위험성과 복잡성이 높아, 작업자의 안전 확보와 효율적인 교육이 필수적인 환경으로, 증강현실 기술의 도입 효과가 클 것으로 기대된다(Suh, 2019). 폐광산 지역의 지질 및 광산 정보를 관리하는 UMineAR 시스템은 증강현실 기술이 광업 분야에 효과적으로 적용될 수 있는 사례를 보여주었다(Suh et al., 2017). Baek and Choi(2020)은 증강현실 기술을 활용하여 광산 현장에서 보행 작업자의 안전을 확보할 수 있는 스마트 안경 기반의 개인 근접 경고 시스템을 제안하였으며, Kim and Choi(2022)는 폐광산 지역의 토양 오염 조사시 현장 작업자를 지원할 수 있는 증강현실 시스템을 개발하였다. 그러나 현재까지 자원산업 분야에서 광산 작업자를 위한 증강현실 교육 콘텐츠의 개발은 활발하게 진행되지 않는 실정이다. 종이 매뉴얼, 영상 학습 등의 기존 교육 콘텐츠와 달리 현장 작업자들이 실제 환경과 유사한 환경에서 학습할 수 있으며, 현장에서도 활용 가능한 증강현실 기반 콘텐츠의 개발이 필요하다.
본 연구는 광산 작업자의 실무 교육을 위한 증강현실 콘텐츠 세 가지(갱내 무선통신설비 조립, 무인 로더 운전 트레이닝, 시뮬레이션 연계 송석 작업 계획 수립)를 개발하고, 그 사례를 통해 증강현실 기술의 자원산업 분야 활용 가능성을 검토하고자 한다.
연구 방법
갱내 무선통신설비 유지보수를 위한 증강현실 교육 콘텐츠 설계
충청북도 단양군 어상천면 매포어상천로 475-12에 위치한 대성엠디아이 단양사업소는 스마트 마이닝 기술의 일환으로 갱내 무선통신설비를 도입하여 운영하고 있다. 해당 설비는 현장 통신의 핵심 장비로, 고장 발생 시 전문 기술자의 유지보수 작업이 필요하다. 기존의 표준작업절차(Standard Operating Procedure, SOP)는 문서 기반 종이 매뉴얼 형식으로 제공되고 있어, 작업자 입장에서 이해가 어렵고 유지보수에 시간이 많이 소요된다는 한계가 있다. 특히 2차원 도식 정보만으로는 단자함의 복잡한 내부 구조와 부품 간 관계를 직관적으로 파악하기 어렵다. Fig. 1은 대성엠디아이 단양사업소에 설치된 무선통신설비의 단자함 내부를 보여주는 사진이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 증강현실 기술을 활용하여 비전문가나 초보 작업자도 단자함의 구조를 쉽게 이해하고, 효율적인 유지보수 작업을 수행할 수 있도록 교육용 증강현실 콘텐츠를 설계하였다. 또한 무선통신 기반의 실시간 원격 지원 기능을 통해 전문가‒작업자 간 협업이 가능하도록 구성하였다. 개발플랫폼으로는 버넥트 Make를 사용하였다(VIRNECT, 2024).
콘텐츠는 큰 단자함과 작은 단자함의 내부 회로도를 각각 2D 이미지 및 3D 모델로 변환하여 시각적으로 구현하였다. 각 구성 요소의 기능은 UI 하단에 텍스트로 설명하고, 애니메이션을 통해 조립 과정을 단계별로 안내함으로써 사용자가 직관적으로 학습할 수 있도록 설계하였다. 사용자는 체크박스 기능을 이용해 각 단계별 진행 상황을 확인할 수 있다.
사용자는 스마트폰, 태블릿PC, 스마트 글라스 등의 스마트 디바이스를 통해 단자함에 부착된 QR 코드를 인식하면, 증강현실 콘텐츠가 자동 실행된다. 콘텐츠 내에서는 회로도와 관련 부품 정보를 단계별로 확인할 수 있으며, UI 상의 ‘다음 단계’ 버튼을 이용해 부품 역할과 조립 매뉴얼을 순차적으로 학습할 수 있다. 최종적으로, 사용자는 현장에서 AR 콘텐츠를 기반으로 직접 장비 점검 및 유지보수 작업을 수행할 수 있다.
무인 로더 트레이닝 증강현실 콘텐츠 설계
최근 국내 광산 산업에서는 스마트 마이닝 기술 도입이 확대됨에 따라 무인 로더와 같은 첨단 장비의 도입이 증가하고 있다. Fig. 2는 현장에서 실제 무인 로더를 운전하는 작업자의 모습을 보여준다. 이러한 장비는 고도의 조작 능력을 필요로 하므로 신규 작업자의 숙련도 향상을 위한 체계적인 교육이 요구된다. 그러나 실제 장비를 활용한 훈련은 고비용·고위험 요소가 따르며, 장비 접근성이나 훈련 시간에 제약이 존재한다. 이에 본 연구에서는 증강현실 기술을 활용하여 무인 로더 조작 현장을 가상으로 구현하고, 사용자에게 현실감 있는 교육 및 훈련 환경을 제공하고자 하였다.
개발된 증강현실 콘텐츠는 무인 로더의 조작 화면과 버킷 움직임을 2D 및 3D 시각화 형태로 구현하였으며, 각 버튼과 조이스틱의 기능을 UI 하단에 텍스트로 명시하여 사용자가 조작 원리를 쉽게 이해할 수 있도록 설계되었다. 콘텐츠는 스마트폰, 태블릿PC, 스마트 글라스 등 모바일 기기에서 실행 가능하며, 로더 조종기 또는 시뮬레이션 환경에 부착된 QR 코드를 인식하여 콘텐츠를 시작할 수 있다.
사용자는 콘텐츠 내에서 조작 화면 및 입력 데이터를 순차적으로 확인할 수 있으며, UI의 ‘다음 단계’ 버튼을 통해 각 버튼과 조이스틱의 기능을 학습하고, 이에 따른 로더 및 버킷의 움직임을 직관적으로 확인할 수 있다. 이러한 콘텐츠는 현장 작업자가 시간·공간의 제약 없이 반복 학습을 수행할 수 있도록 지원하며, 조작 숙련도 향상에 기여한다.
광산 운반 시스템 시뮬레이터 연계 증강현실 콘텐츠 설계
광산 현장에서는 스마트 마이닝 기술의 도입과 함께 운반 시스템의 효율적 운영을 위해 다양한 시뮬레이션 기법이 활용되고 있다(Park et al., 2014; Lee, 2016; Lee and Choi, 2018; Jung et al., 2020; Jung et al., 2024). 특히 시뮬레이션 기반의 작업 계획 수립은 현장 적합성과 효율성을 높이는 데 기여하지만, 기존 방식은 시뮬레이션 도중 주요 성과 지표를 실시간으로 확인할 수 없으며, 결과를 시각화하려면 별도의 후처리 과정을 거쳐야 하는 한계가 있다. Fig. 3은 Jung et al.(2020)에서 개발된 쌍용자원개발 신기사업소의 운반 시스템 시뮬레이터를 보여준다.
Fig. 3.
Simulator of the haulage system at the Ssangyong Singi Mine used for AR content integration in this study (developed by Jung et al. (2020)).
본 연구에서는 시뮬레이션 기술과 증강현실 기술을 접목하여, 시뮬레이션이 진행되는 동안에도 시간에 따라 변화하는 주요 지표를 작업자가 실시간으로 확인할 수 있도록 하는 콘텐츠를 설계하였다. 작업자는 이를 통해 더욱 직관적인 데이터 기반 의사결정을 수행할 수 있으며, 최적의 작업 계획을 수립할 수 있다.
본 연구는 시뮬레이터 자체의 개발보다는 Jung et al. (2020)의 결과를 활용하여 증강현실 콘텐츠 개발에 집중하였다. 콘텐츠는 3D AR로 구현된 트럭과 로더의 움직임을 시각화하고, 동시에 AR 대시보드를 통해 시간 경과에 따른 주요 작업 지표(예: 적재율, 대기 시간, 장비 가동률 등)를 실시간으로 표시한다. 사용자는 스마트폰, 태블릿PC, 스마트 글라스 등 스마트 기기를 통해 광산 모형에 부착된 QR 코드를 인식하면 AR 콘텐츠가 실행되며, 콘텐츠 내에서는 시뮬레이션 결과와 대시보드 정보, 입력 데이터를 통합적으로 불러올 수 있다.
사용자는 UI의 ‘다음 단계’ 버튼을 활용해 트럭-로더의 시뮬레이션 단계를 확인하고, 동시에 AR 대시보드를 통해 주요 지표를 확인하면서 현장 상황을 직관적으로 파악할 수 있다.
연구결과
갱내 무선통신설비 증강현실 콘텐츠 개발 및 적용 결과
본 연구의 현장 실험은 충청북도 단양군에 위치한 대성엠디아이 단양사업소에서 진행되었다. 실험은 다음과 같은 절차로 수행되었다. 사용자는 태블릿PC 또는 스마트폰을 통해 단자함 뚜껑에 부착된 QR 코드를 인식하여 증강현실 프로그램을 실행하였으며, 사용자 인터페이스(UI) 하단에 제공된 버튼과 텍스트를 통해 콘텐츠를 활용하였다.
먼저, 큰 무선통신설비 단자함의 증강현실 콘텐츠를 실행한 사용자는 회로도의 구성 요소 및 firebase 보드, mesh 보드, web 보드, relay 보드, BLE(Bluetooth Low Energy) 보드, 4ch relay 보드 등의 위치와 역할을 시각적으로 파악할 수 있었다. 이어서 작은 단자함에 대한 증강현실 콘텐츠를 실행하면, 조립 매뉴얼이 화면에 표시되고, 단계별 진행 상황을 체크박스를 통해 확인하면서 조립을 진행할 수 있도록 하였다.
기존의 유지·보수 작업자는 전문가의 도움을 받거나 종이 매뉴얼을 참조하여 작업을 수행해야 했으며, 특히 초보 작업자의 경우 단자함 구조를 이해하기 어려운 한계가 있었다. 그러나 본 연구에서 개발된 증강현실 기반 조립 매뉴얼은 이러한 문제를 해소하고, 초보 작업자도 시각적 안내에 따라 단자함을 조립할 수 있도록 지원한다. 이를 통해 기존의 종이 매뉴얼보다 작업 시간을 단축할 수 있고, 전문가의 개입 없이도 효율적인 작업 수행이 가능해져 불필요한 시간 소모를 줄일 수 있다.
또한, 복잡한 회로도를 2차원 이미지와 3차원 증강현실 콘텐츠로 구현하여 현장 작업자가 시각적으로 직관적인 이해를 할 수 있도록 하였다. Fig. 4는 큰 무선통신설비 콘텐츠 사용 시 태블릿PC 화면을 캡쳐한 이미지로, 각 부품을 설명할 때 빨간 원으로 강조하여 시각적 이해를 도운 예시이다. Fig. 5는 해당 콘텐츠를 사용하는 사용자의 모습을 보여준다. Fig. 6은 작은 무선통신설비 콘텐츠를 사용할 때 스마트폰 화면을 캡쳐한 이미지이며, 단자함 조립 순서를 안내하는 UI와 함께 부품 조립 애니메이션이 포함되어 있다. 체크박스를 통해 현재 단계의 진행 상황을 직관적으로 파악할 수 있도록 설계하였다. Fig. 7은 사용자가 증강현실 콘텐츠를 기반으로 실제 단자함 조립을 수행하는 모습으로, 처음 조립을 경험하는 작업자임에도 콘텐츠의 안내만으로 막힘없이 작업을 완수할 수 있었다.
Fig. 4.
Screenshots of the tablet PC display showing the augmented reality content for the large wireless terminal box. Each screen presents a specific board component: (a) FIREBASE board, (b) MESH board, (c) WEB board, and (d) BLE board. Key components are visually emphasized using red circles to enhance user comprehension.
Fig. 6.
Screenshots of the smartphone display showing the augmented reality content for the small wireless terminal box. The assembly sequence is supported by animations and a checkbox interface for tracking progress. Scenes include: (a) Initial step, (b) Intermediate step, (c) Advanced step, and (d) Final step.
기존 문서 기반 매뉴얼만으로는 회로도의 구성 상태를 직관적으로 파악하기 어려운 반면, 본 콘텐츠는 사용자에게 시각적 정보를 통합적으로 제공함으로써 작업 이해도를 높일 수 있다.
무인 로더 트레이닝 증강현실 콘텐츠 개발 및 적용 결과
본 연구에서 개발한 무인 로더 트레이닝용 증강현실 콘텐츠는 장소의 제약 없이 다양한 작업 조건을 재현할 수 있으며, 실제 조작 환경과 유사한 학습 환경을 제공한다. 사용자가 조이스틱을 조작하면 버킷의 움직임이 실시간으로 반영되어 화면에 구현되며, 각 조작 버튼의 기능은 콘텐츠 내에 입력된 데이터를 통해 직관적으로 확인할 수 있다. Fig. 8은 무인 로더 트레이닝 증강현실 콘텐츠 사용 시 태블릿PC 화면을 캡처한 이미지로, 실제 조작 환경과 유사한 인터페이스와 조이스틱, 버킷 동작이 구현된 모습을 보여준다. Fig. 9는 사용자가 태블릿PC를 이용하여 증강현실 콘텐츠를 실행한 후 무인 로더 조작법을 학습하는 장면이다.
기존에는 무인 로더 기능사 자격을 취득한 후에도 별도의 훈련 과정이 필요했으며, 연습을 위해 실제 장비를 직접 조작해야 했다. 이러한 방식은 높은 비용과 시간적 제약이 따르고, 장비 접근성에도 한계가 있었다. 그러나 본 증강현실 콘텐츠를 활용하면 실제 장비 없이도 언제 어디서든 반복적으로 조작 훈련이 가능하다. 이러한 접근 방식은 훈련 비용을 절감하는 동시에, 반복 학습을 통해 조작 숙련도를 빠르게 향상시킬 수 있다. 또한, 실전 작업에 앞서 다양한 시나리오에 대한 경험을 쌓을 수 있어 실제 현장에서의 실수를 줄이고, 이에 따라 안전사고 발생 가능성도 낮출 수 있다.
광산 운반 시스템 시뮬레이터 연계 증강현실 콘텐츠 개발 및 적용 결과
광산 운반 시스템 시뮬레이터 연계 증강현실 콘텐츠의 적용 실험은 쌍용자원개발 신기사업소의 노천광산을 축소 모형으로 제작하고, 해당 모형 위에 QR 코드를 부착하여 증강현실 콘텐츠를 실행하는 방식으로 진행되었다. 증강현실 콘텐츠 내에서는 트럭과 로더의 운반 시스템 시뮬레이션이 구현되며, 이를 통해 노천광산 작업 현장의 실제 운송 흐름을 시각화하였다.
Fig. 10은 사용자가 증강현실 콘텐츠를 통해 운반 시스템 시뮬레이션 결과를 확인하는 장면이다. Fig. 11은 해당 콘텐츠 실행 시 태블릿PC 화면을 캡처한 이미지로, 트럭-로더의 시뮬레이션 진행 상황과 함께 대시보드를 통해 총생산량, 현재 생산량, 순이익, 매출, 트럭 이용률 등의 주요 지표를 실시간으로 확인하는 장면을 보여준다. 특히, 실시간 그래프를 통해 주요 지표값의 변화를 직관적으로 파악할 수 있도록 구현하였다.
시뮬레이션이 진행되는 동안, 콘텐츠에 포함된 대시보드를 통해 시간 경과에 따른 주요 지표(총생산량, 현재 생산량, 트럭 이용률 등)를 실시간으로 확인할 수 있었다. 기존 방식은 시뮬레이션 종료 후 별도의 시각화 프로그램을 활용해야 결과를 분석할 수 있었으나, 본 증강현실 콘텐츠를 통해 시뮬레이션과 시각화가 통합되어 중간 단계의 데이터 전환 과정이 생략되었고, 이에 따라 작업 효율성과 의사결정 속도가 향상되었다. 또한, 작업자는 시뮬레이션 결과를 실시간으로 확인하면서 실제 작업을 수행하기 이전에 다양한 운송 시나리오에 대한 계획을 검토할 수 있었으며, 이를 통해 보다 최적화된 작업 계획 수립이 가능해졌다.
결 론
본 연구에서는 광산 작업자의 교육 및 작업 효율 향상을 목적으로 증강현실 기술을 적용한 세 가지 콘텐츠를 개발하였다. 주요 대상은 갱내 무선통신설비 유지·보수, 무인 로더 운전 트레이닝, 광산 운반 시스템 시뮬레이터 연계 콘텐츠이다.
(1) 갱내 무선통신설비 콘텐츠는 복잡한 회로 정보를 2D 이미지 및 3D 증강현실로 구현함으로써, 비전문가나 초보 작업자도 전문가의 도움 없이 직관적으로 단자함의 구조를 이해하고 유지·보수를 수행할 수 있도록 하였다. 이를 통해 작업 시간과 인력 소모를 줄이고, 작업 효율을 개선할 수 있었다.
(2) 무인 로더 트레이닝 콘텐츠는 시간과 장소의 제약 없이 반복 학습이 가능한 환경을 제공함으로써, 작업자의 조작 숙련도 향상 및 사고 발생 가능성 감소에 기여할 수 있음을 확인하였다. 실제 장비를 사용하지 않고도 조작 환경을 가상으로 체험함으로써 비용과 위험성을 최소화할 수 있었다.
(3) 광산 운반 시스템 시뮬레이터 연계 콘텐츠는 시뮬레이션 진행 중에도 대시보드를 통해 총생산량, 트럭 이용률 등 주요 지표를 실시간으로 확인할 수 있도록 하여, 기존의 후처리 중심 시뮬레이션 방식에 비해 빠르고 효율적인 의사결정이 가능함을 보여주었다.
이러한 결과를 통해 증강현실 기술이 광산 작업의 이해도 및 교육 효과를 높이는 데 실질적으로 기여할 수 있음을 확인하였다. 광업은 고위험 작업 환경이므로, 작업자의 사전 교육과 시뮬레이션 기반 훈련은 필수적이다. 기존의 종이 매뉴얼이나 영상 중심 교육 방식은 현장성과 몰입도가 부족하여 학습 효과에 한계가 있었으나, 증강현실 기반 콘텐츠는 실제 작업 환경과 유사한 학습 경험을 제공함으로써 교육 효과를 극대화할 수 있다.
본 연구에서 개발된 증강현실 콘텐츠는 갱 밖 또는 실내에서 실행되었다. 따라서 지하광산 갱 내에서 실행해야 하는 콘텐츠를 개발할 때는 통신 네트워크 미흡 등 콘텐츠의 작동 안정성에 대한 추가 검토가 필요할 것이다. 광산 운반 시스템 시뮬레이터 연계 콘텐츠는 노천광산을 축소 모형으로 제작하고, 축소 모형 위로 증강현실 콘텐츠를 실행시켰다. 그러나 노천 채광장의 지형과 외관은 지속해서 변화할 것이므로, 광산 작업자를 대상으로한 증강현실 콘텐츠 개발에는 이러한 문제점들이 고려되어야 할 것이다. 또한, 작업시간 단축률, 오류 감소율, 학습 숙련도 향상 등 증강현실 콘텐츠의 교육 효과나 작업 효율성 개선에 대한 정량적인 분석도 필요할 것이다.
향후에는 다양한 광산 장비 및 작업 프로세스를 대상으로 증강현실 콘텐츠를 확장하고, 스마트 글래스, AR 헤드셋, AR 프로젝터 등 다양한 디바이스와 연계하여 현장 활용성을 높이는 방안이 필요하다. 이를 통해 광산 작업의 안전성과 효율성을 동시에 확보할 수 있으며, 광업 전반에서 증강현실 기반 교육 및 훈련 콘텐츠의 활용 가능성이 더욱 확대될 것으로 기대된다.
