미 공군, 신기술을 채택하여 안전하고 효과적으로 공군병 트레이닝
1907년 미군에서 파생되어 처음 미국 공군이 생겨났을 때부터 미 공군은 미국의 여성 및 남성 공군병의 기술에 의존했습니다. 기술병부터 파일럿까지 모든 공군병을 트레이닝하고 지원하는 것이 미 공군의 성공에 매우 중요한 역할을 차지했습니다.
몇 년 전, 핵심 인력을 훈련시키고 배치하는 데 필요한 트레이닝 리소스가 유한하고 역량이 제한적임을 깨달은 미 공군은 트레이닝 전략을 확대할 필요성을 느꼈습니다. 목표는 자신의 직무에 탁월하며 추가로 책임을 원활하게 맡을 수 있는 숙련된 공군병을 육성하는 것이었습니다. 미 공군 내의 혁신을 위해 설립된 조직인 AFWERX는 트레이닝에 첨단 기술을 도입하는 이니셔티브를 출범했습니다. AFWERX는 트레이닝 중에 신병의 학습 기억과 참여를 향상하여 궁극적으로 세션의 효과를 높이고 일상 작업을 더 안전하게 만들고자 했습니다.
버지니아주의 버지니아비치에 본사를 둔 벡트로나는 복잡한 문제를 해결하기 위한 기술 전문성을 제공하고 전략 지원 및 수립에 필요한 기술 솔루션을 구축하는 PTC 파트너입니다. 혁신을 비즈니스의 중심에 둔 벡트로나는 증강 현실, 가상 현실, 혼합 현실 기술과 모델링 및 시뮬레이션 시스템 개발, 요구 사항 및 아키텍처 개발 등에 광범위한 경험을 가지고 있습니다. 단순히 기술이 아닌 깊이 있는 전문성을 보유하고 있으며, 일례로 벡트로나의 CEO인 조 제라디(Joe Gelardi)는 현역 야간 전투기 조종사로 20년 넘게 복무했습니다.
트레이닝에서 증강 현실 기술의 기회를 발견한 벡트로나
지난 몇 년간 벡트로나는 세 개의 Small Business Innovation Research(SBIR) 계약을 따냈습니다. SBIR은 국내의 소규모 비즈니스가 연방의 연구 및 개발에 참여하도록 독려하기 위한 프로그램의 일부입니다. 이 프로젝트는 증강 현실과 혼합 현실 기술 및 항공기 유지 관리 솔루션, 무기, 군비 시스템 트레이닝에 중점을 둡니다. 벡트로나는 텍사스주 위치타폴즈 지역의 셰퍼드 공군기지와 텍사스주 샌안토니오의 켈리 공군기지에서 일하기 시작했습니다. 이 이니셔티브는 F-15와 F-16을 비롯해 다양한 전술항공기에서 임무를 수행하는 군수품 및 군비 시스템 전문가를 트레이닝하는 것을 목표로 했습니다.
"공군은 기본 트레이닝을 막 마친 신병을 트레이닝해야 했는데, 신병 중에는 유지관리에 대한 지식이 거의 없거나 전혀 없는 경우도 있었습니다. 특히 유지관리와 관련한 언어와 정교한 장비의 복잡한 공간적 특징을 학습하는 데 있어서 큰 문화적 변화와 가파른 학습 곡선을 극복해야 했습니다."라고 제라디는 이야기합니다.
벡트로나는 공군 훈련병에게 몰입도 높은 3D 트레이닝과 작업 성과 도구를 제공할 대화식 증강 현실 및 혼합 현실 솔루션을 구상했습니다. 이를 위해 벡트로나는 훈련병에게 시각적 지침, 청각적 신호, 인조 음성 내러티브, 멀티미디어 이미지, 현실적이고 몰입도 높은 실물 크기의 3D 디지털 항공기 모형 등의 모든 학습 방법에 동시에 참여할 수 있는 대화식 환경에서 트레이닝을 진행할 수 있게 하기로 했습니다. 트레이닝 애플리케이션 또한 격납고가 있는 오프라인이나 멀리 떨어진 지역의 네트워크로 연결된 환경에서 작동해야 했습니다.
증강 현실 및 혼합 현실 트레이닝은 학습 트레이닝과 작업 리허설의 품질을 다음과 같이 크게 향상해 줍니다.
- 수동적인 PowerPoint 기반 교실 트레이닝에 쏟는 시간 절약
- 물리적 장비를 사용할 수 없어도 트레이닝 가능
- 물리적 자산에서 실제로 트레이닝하기 전에 예비 트레이닝 리허설 진행 가능
- 훈련병이 가장 필요로 하는 소중한 실습 트레이닝 기회에서 최대한의 가치를 끌어낼 수 있도록 대비
벡트로나는 대화식 시나리오로 훈련병의 트레이닝을 지원하면 엄청난 이점이 있으리라는 것을 알았습니다. 넓은 관점에서 보면 훈련병이 군수품 및 군비 시스템에 대한 지식을 쌓을 수 있어 성과와 효율성을 높이고 동기를 얻을 수 있습니다.
그뿐 아니라 혼합 현실 트레이닝은 지침과 표준화의 품질을 향상하면서 훈련병이 자신이 원하는 속도로 셀프 가이드 학습을 할 수 있게 해줍니다. 마지막으로, 공군은 훈련병을 숙달시키기까지 드는 시간과 트레이닝 비용을 절약하는 동시에 안전을 강화하고 원격 학습을 지원할 수 있습니다.
"증강 및 혼합 현실을 통해 훈련병은 더욱 빠르게 학습하고 자료에 더 친숙해집니다. 저희는 훈련병이 시스템의 복잡한 작동 방식을 더욱 빠르게 배우고 실물 크기 항공기와 부품에서 유지관리 및 검사 작업에 익숙해지기를 바랐습니다. 무엇보다 중요한 실습 트레이닝을 할 때쯤엔 훈련병이 자신을 갖고 뛰어들 준비가 되어 있습니다."라고 제라디는 말합니다.
PTC 및 Microsoft와 협력하여 증강 현실 솔루션을 빌드한 벡트로나
벡트로나는 PTC 및 Microsoft와 협력하여 몰입도 높은 동적 증강 현실 경험을 위한 증강 현실 솔루션을 빌드했습니다. "Vuforia Studio를 통해 빠르게 작업할 수 있었습니다. 기능을 빠르게 구축하여 제공할 수 있었죠. 또한 예상보다 빠르게 규모를 확대하여 콘텐츠를 공군에 효과적으로 제공할 수 있게 되었습니다." 제라디의 말입니다.
벡트로나는 제작한 증강 현실 트레이닝 애플리케이션을 훈련병이 쉽고 직관적으로 사용하기를 바랐으며, 이런 요구에 잘 들어맞는 것이 바로 Vuforia였습니다. 벡트로나는 Creo Illustrate를 사용하여 Vuforia Studio에서 만든 트레이닝 경험의 CAD 모델에 대한 애니메이션 시퀀스를 빌드했습니다. ThingWorx를 통해 벡트로나는 훈련병 성과 데이터를 포착하고 뒤처지거나 뛰어난 성과를 파악할 수 있었습니다. 또한 ThingWorx를 사용하여 사용자 데이터, 사용자 그룹, 자격 증명 부여, 학습 콘텐츠, 사용자 성과 데이터를 캡처하는 데이터 통합을 관리할 수 있었습니다.
PTC 파트너 에코시스템의 강력한 힘은 상호 보완하는 관계와 기술을 기반으로 합니다. 특히 PTC, Microsoft, 벡트로나의 파트너십에서는 각 회사가 고유한 전문성을 투입하여 공군이 원하는 결과를 끌어냈습니다. Microsoft와 PTC의 탄탄한 파트너십 덕분에 벡트로나는 업계에 대한 깊이 있는 전문성과 첨단 기술 솔루션의 강력한 조합을 활용할 수 있었습니다.
PTC와 Microsoft의 증강 현실 기술이 합쳐져 벡트로나가 공군의 트레이닝 솔루션을 제공할 수 있었습니다. Vuforia Studio는 기업이 휴대폰, 태블릿, Microsoft의 HoloLens 2에 전사적으로 증강 현실 콘텐츠를 배포할 수 있게 해줍니다. 훈련병은 HoloLens 2 손동작과 음성 명령, 사용자 인터페이스(UI)를 사용하여 실제처럼 느껴지는 매우 몰입도 높은 방식으로 3D 모델과 적극적으로 상호작용할 수 있습니다.
제라디는 "우리는 HoloLens 2를 사용하고 싶었습니다. 처음부터 Microsoft와 아주 파트너십을 맺었고 HoloLens는 아주 효과적인 도구입니다"라고 말합니다.
"항공병이 트레이닝 경험에 아주 깊이 몰두해서 실제로는 아무것도 없는데 가상의 항공기 파일론 밑에 말 그대로 수그리고 앉아 있는 것을 흔히 볼 수 있었습니다." 벡트로나의 ACE-XR 솔루션 관리자인 마이클 가르(Michael Gaar)가 덧붙입니다.
훈련병의 위치와 상관없이 몰입도 높은 3D 트레이닝 경험 제공
벡트로나는 Augmented Cognitive Environment - Extended Reality(ACE-XR)라는 증강 현실 솔루션을 빌드했습니다. ACE-XR은 Vuforia Studio로 만든 몰입도 높은 3D 트레이닝 경험으로 작동하는 솔루션입니다. ACE-XR 사용자 인터페이스와 사용자 경험(UI/UX)은 트레이닝과 운영을 향상할 뿐만 아니라 확장 현실 콘텐츠 개발을 가속화하고 그 비용을 절감하도록 설계되었습니다.
ACE-XR은 애니메이션 시퀀스, 분해 보기, 고급 추적 기능을 활용하여 가상 제품에 대한 친숙도 증대, 컴포넌트 식별, 작업 이론 경험을 단계별로 제공합니다. 훈련병은 어디에서나 항공기와 부품의 실물 크기 디지털 모델에서 유지관리를 비롯한 작업을 수행하는 방법을 배울 수 있습니다. 또한 이 애플리케이션은 물리적 항공기나 무기 시스템에 지침과 대기열을 오버레이하여 라이브 트레이닝을 강화하고 가속화합니다.
지금까지 벡트로나는 공군을 위해 55개 이상의 ACEXR 지원 애플리케이션을 비롯한 학습 라이브러리를 빌드했습니다. 55개의 애플리케이션 중에는 트레이닝 경험, 시스템 튜토리얼, 작업 및 검사 가이드, 퀴즈, 실용적인 애플리케이션 연습 등이 있습니다. 이런 경험을 통해 훈련병은 공간적으로 장비와 비교하여 자신의 위치를 결정하고 촉각적이고 현실적으로 표시된 정보를 활용할 수 있습니다.
제라디는 "경험이 참여도를 높일 수 있도록 게임처럼 설계되어 있어서 훈련병이 장비의 3D 모델과 상호작용하도록 독려합니다. 단순히 수동적인 학습이 아니라 훈련병의 내재적인 학습 동기를 자극하는 적극적인 트레이닝입니다."라고 강조합니다.
훈련병은 돌아다니기도 하고 부품과 장비 안에 들어가기도 하면서 자산의 더 복잡한 컴포넌트를 확인하고 디지털로 상호작용합니다. 예를 들어, F-16 건 시스템의 트레이닝 경험에서는 작동하는 시스템의 내부를 가상으로 보여줍니다. 실제 자산을 사용해서는 불가능한 방법입니다. 증강 현실 트레이닝 경험의 애니메이션과 X레이 비전 기능을 통해 훈련생은 내부를 바라보고 숨겨진 컴포넌트를 시각화하며 시스템의 작동 방식을 더 효과적으로 이해할 수 있습니다. 이런 트레이닝은 실제 장비에 의존하지 않기 때문에 물리적인 항공기와 장비가 없더라도 어디에서나 트레이닝을 진행할 수 있습니다. 따라서 비행 작전에 항공기를 사용해야 하더라도 트레이닝이 가능합니다.
그뿐 아니라 퀴즈와 테스트가 제공되어 훈련병과 교관이 진행 상황을 추적할 수 있습니다. 이 솔루션은 증강 현실 경험의 3D 모델을 활용하고 질문과 선택 가능한 부분을 추가하여 기존의 '평면적인' 2D 퀴즈에서는 불가능한 방식으로 훈련병에게 도전 의식을 불러일으키고 공간적으로 훈련병의 이해를 강화합니다. 훈련병은 올바른 부분을 선택하여 응답하거나 질문에 대답하면 됩니다. 피드백이 즉각적으로 제공되고 ThingWorx가 점수를 캡처하여 비교 데이터를 종합합니다.
"훈련병은 현재 퀴즈와 이전 퀴즈를 비교하거나 동기생들의 평균을 확인하고 즉각적으로 피드백을 받을 수 있습니다. 교관도 마찬가지고요." 제라디가 말합니다.
증강 현실은 디지털 환경이기 때문에 훈련병이 어디에 있든 상관없이 트레이닝 콘텐츠와 경험에 액세스하고 확인할 수 있습니다. 따라서 공군은 코로나19 팬데믹 상황에서도 훈련병에게 지속적으로 트레이닝을 제공할 수 있었습니다. 기존의 트레이닝 방법으로는 지속적인 트레이닝이 불가능했을 것입니다.
"결과는 엄청났습니다. ACE-XR을 가지고 2개월이 넘는 기간 동안 최소 5시간에서 10시간만 트레이닝해도 연구 참여자들은 평가에서 레거시 트레이닝 프로그램만 사용한 사람들에 비해 8% 더 높은 점수를 받았습니다."
헬렌 크롬튼 박사(Dr. Helen Crompton), 올드도미니언대학(Old Dominion University) 교육 공학 부교수
학습 기억, 참여, 결과 향상으로 트레이닝의 효과를 높여주는 AR
현재 텍사스주 위치타폴즈 지역의 셰퍼드 공군기지와 텍사스주 샌안토니오의 켈리 공군기지에서 이 솔루션을 사용하고 있습니다. 솔루션의 영향은 명확합니다. 반복 가능하고 몰입도 높은 트레이닝 시나리오에서 훈련병이 더 뛰어난 성과, 효율성, 향상된 자발성을 보였습니다. "훈련병의 피드백에 따르면 ACE-XR에 제시된 정보가 이해하기 쉬웠다고 합니다. 그래서 작업 이론을 배우기가 훨씬 쉬웠다는 것입니다. 또한 장비나 리소스에 제한이 없기 때문에 훈련생이 필요한 만큼 반복할 수 있었습니다." 제라디가 말합니다.
후기에 만족하는 것이 아니라 벡트로나는 학술 연구 팀에 증강 현실 솔루션이 트레이닝에 미치는 정량적 및 정성적 영향 연구를 의뢰했습니다. 올드도미니언대학의 교육 공학 국제 전문가인 헬렌 크롬튼 박사와 채플힐에 위치한 노스캐롤라이나대학(University of North Carolina)의 연구 과학자인 애덤 홀란드 박사(Dr. Adam Holland)는 철저한 연구를 설계했습니다. 이들은 레거시 트레이닝 프로그램에 참여한 대조군 훈련병과 기기를 사용한 실험군 훈련병을 나눴습니다.
"결과는 엄청났습니다. ACE-XR을 가지고 2개월이 넘는 기간 동안 최소 5시간에서 10시간만 트레이닝해도 연구 참여자들은 평가에서 레거시 트레이닝 프로그램만 사용한 사람들에 비해 8% 더 높은 점수를 받았습니다."라고 크롬튼 박사는 말합니다.
또한 크롬튼 박사는 ACE-XR의 통합 사용을 늘리면 훨씬 더 높은 결과와 이점을 얻으리라고 기대합니다. 크롬튼 박사는 코로나19 기간에 테스트에 제약이 있었기 때문에 훈련병이 이 솔루션을 더 많이 경험하면 수치가 더 늘어날 것이라고 덧붙였습니다. 연구 중에 목격된 이점은 다음과 같습니다.
학습 기억 개선 및 군수품과 군비 시스템에 대한 지식 증대로 훈련병이 실습 트레이닝 단계로 더 빨리 진행함
ACE-XR이 결과를 향상하는 주된 이유는 이 시스템이 여러 개의 인지적 영역을 동시에 사용하도록 하기 때문입니다. 이 솔루션은 더 유연하고 적응력이 높인 대화식 학습 환경을 만들어 훈련생의 인지 부담을 낮추고 인사이트 개발을 향상하며 학습을 가속화하고 성과를 높이고 지식에 대한 기억을 강화해줍니다.
ACE-XR을 사용한 훈련병은 기존 트레이닝 프로그램만을 사용한 대조군에 비해 시스템에 관해 더 많은 것을 알았으며 표준화된 평가에서 한 등급 높은 성과를 냈습니다. 이들은 무슨 일이 벌어지고 있는지 정확히 이해하는 데 이 솔루션이 도움이 되었으며 정보 기억 능력이 높아졌다고 응답했습니다. 한 훈련생은 이렇게 말했습니다. "건 시스템에 대한 시험을 봤는데 딱 한 문제만 틀린 것 같습니다. ACE-XR이 그 정보를 훨씬 더 잘 기억하게 도와줬습니다."
고품질 시각적 학습을 통해 개선된 지침
ACE-XR 시스템은 참여자가 더 효율적으로 학습할 수 있도록 복잡한 정보를 매우 효과적으로 제시합니다. 참여자들은 지침의 품질이 높아진 것을 더 높은 성과를 달성한 주요 원인으로 꼽았으며 고품질의 시각적 정보와 구두 설명의 조합이 중요하다고 응답했습니다.
제라디는 "훈련생이 실물 크기 항공기의 혼합 현실 경험과 상호작용할 때 그 경험에 완전히 몰입해서 항공기 주변을 부드럽게 이동하면서 작업을 수행하는 모습이 아름다웠습니다."라고 말합니다.
시스템 또는 항공기 가용성과 상관없이 방해받지 않으며 반복 가능한 작업 트레이닝
ACE-XR 시스템을 사용하면 추가 비용 없이 훈련생이 더 반복적으로 트레이닝을 수행할 수 있습니다. 그뿐 아니라 물리적 장비에서처럼 자기 차례를 기다리지 않아도 됩니다. 이 두 가지 요인 덕분에 훈련생이 차례를 기다리는 데 걸리는 시간이 줄어들고 작업에 할애하는 시간이 늘어나게 됩니다.
또한 이 솔루션은 장비를 고장 낼 위험이 없기 때문에 장비 다운타임을 줄이는 데도 도움이 됩니다. 실습 트레이닝에서는 훈련생이 무언가를 고장 내면 그 장비를 수리해야만 다른 사람이 사용할 수 있습니다. 그러나 ACE-XR에서는 훈련생이 사용 방법을 배우는 항공기 시스템과 장비를 고장 낼 위험이 없습니다.
향상된 자신감 및 동기 부여
훈련생이 거대한 항공기를 마주하면 부담이 되기 마련입니다. 먼저 디지털 버전과 상호작용함으로써 부담감을 덜고 자신감을 높일 수 있었습니다. ACE-XR로 트레이닝한 훈련병은 부끄러운 실수를 하거나 부상을 입거나 장비를 손상시키거나 동료 훈련병의 트레이닝을 방해할 것에 대한 걱정 없이 훨씬 더 자신감을 갖고 실습 트레이닝에 참여할 준비가 되어 있었습니다.
또한 자신이 원하는 속도로 디지털 트레이닝 시퀀스를 진행할 수 있으므로 자신감을 쌓는 데도 도움이 됩니다. 촉각을 활용하는 단계별 학습은 정보를 직관적으로 이해하는 데 용이합니다. 그뿐 아니라 이 솔루션은 훈련병의 성취감과 자발성 또한 높이는 것으로 나타났습니다. ACE-XR은 학습 욕구를 일으키며 학습에 대한 이해도 또한 향상합니다.
개선된 교차 트레이닝
이 연구에서는 ACE-XR 시스템이 교차 트레이닝을 성공적으로 가속화하는 것으로 드러났습니다. 제라디는 이렇게 말합니다. "흥미로운 또 한 가지 사실은 이런 트레이닝 도구가 교차 트레이닝에도 도움이 된다는 사실이었습니다. 한 분야에는 경험이 있지만 다른 분야에는 초보인 사람이 새로운 정보를 더 빠르게 흡수할 수 있습니다."
효과적인 원격 학습 시나리오
마지막으로, 이 모든 이점을 원격으로도 누릴 수 있습니다. ACE-XR을 사용하면 훈련병은 어느 곳에 있든 연습할 수 있습니다. 이것은 코로나19 팬데믹 기간에 트레이닝을 지속하는 데 필수적인 기능이었습니다.
이니셔티브를 확대하여 새로운 기능을 도입하려는 벡트로나
앞으로 벡트로나는 공군 내의 다른 조직과 이 이니셔티브를 확대할 수 있기를 바라고 있습니다. 일례로, 훈련병이 3주간의 현장 트레이닝을 위해 이동해야 하는 트레이닝 과정에 이 이니셔티브를 적용할 수 있습니다. 벡트로나는 이런 과정을 지원하는 증강 현실 및 혼합 현실 학습 콘텐츠를 빌드할 계획입니다. 트레이닝 기기를 훈련생의 주둔지로 배송하면 트레이닝을 위해 이동하기 전에 원격으로 학습 과정을 경험할 수 있습니다. 그런 다음 성과를 동료와 비교하여 테스트하게 됩니다.
ACE-XR을 사용하면 훈련병은 어느 곳에 있든 연습할 수 있습니다. 이것은 코로나19 팬데믹 기간에 트레이닝을 지속하는 데 필수적인 기능이었습니다.
"목표는 항공병이 트레이닝 과정을 위해 이동하기 전에 공군이 항공병을 주둔지에서 원격으로 훈련시킬 수 있게 하여 주둔지를 벗어난 시간을 줄이는 것입니다. 이런 기능은 위치와 상관없이 트레이닝하는 데 아주 광범위한 영향을 미칠 것입니다." 제라디의 말입니다.
Vuforia Studio와 ThingWorx를 사용하여 벡트로나는 계속해서 솔루션 기능을 빌드하고 새로운 기술을 접목할 예정입니다. 제라디는 "ACE-XR 시스템에 Vuforia Studio와 ThingWorx가 주요 컴포넌트로 사용된다는 것이 아주 기쁩니다. 앞으로 증강 현실 애플리케이션에서 향상된 기능을 빌드하여 작업 성과 지원을 향상할 계획입니다. 또한 한층 더 통합된 데이터 및 분석 기능을 구현할 것입니다. 공군에서 미래에 국가의 핵심적인 보안 과제를 해결하려면 트레이닝 프로그램에서 높은 투자수익을 얻어야 한다는 점을 알고 있습니다. 저희는 공군이 그 과제를 해결할 수 있도록 ACE-XR로 지원한다는 것이 뿌듯합니다."라고 언급했습니다.