Internet상에서의 화학공정 가상실험시스템 개발

신동일*, 이태주, 강태인, 박상진, 이의수

동국대학교 화학공학과, 서울대학교 자동화시스템 연구소*

Virtual Laboratories on the Internet for Unit Operations Experiments

Dongil Shin*, T. J. Lee, T. I. Kang, Sang Jin Park and Euy Soo Lee

Dept. of Chemical Engineering, Dongguk University

Automation & Systems Research Institute, Seoul National University*

서론

공학적인 이론을 실제 산업에 응용하기 위하여 기본적인 단위공정 현상들에 관한 기본개념을 이해하고 실험을 통하여 이들 조작의 원리와 장치를 익히고 관찰하는 것을 목적으로 하고 있는 단위공정실험은 대학교과과정에서 필수적으로 이수하여야 할 과목으로 대부분의 학교에서는 전공필수로 지정이 되어있다. 하지만 단위공정실험을 수행하기 위한 실험장치들은 일반 기초실험의 장치들에 비하여 대규모의 복잡한 장치로 이루어져 있다. 따라서 실험을 위해서는 비교적 많은 공간과 장치비용 및 실험실의 유지, 보수를 위한 노력과 비용의 투자가 요구되나 근본적으로 학교의 실험실이 가지는 한계로 인하여 단위공정 실험에 제약을 받는 경우가 많다. 즉 연속공정을 대상으로한 실험이거나, 실험시간이 오래 걸림으로써 제한된 시간 내의 실험 자체가 불가능한 경우, 실험실에서 수행하기에는 안전의 문제가 심각한 경우 혹은 scale down에 의한 실험으로는 현상의 해석이 곤란한 단위공정 실험 등이다.

본 연구에서는 상기에서 열거한 바와 같은 단위공정실험의 각종 제약조건을 극복하기 위하여 Internet상에서의 가상 실험시스템을 구축함으로써 실험을 통한 단위공정의 이해, 기초원리의 교육효과 극대화 및 가상현장의 경험을 통한 산 교육의 장을 실현하고자 하였다. 이러한 가상실험실의 개발은 학생들이 졸업후 산업현장에서의 빠른 적응을 위하여도 그 중요성이 크다고 하겠다 [1].

설계된 가상실험시스템의 구조

컴퓨터를 이용한 교육시스템은 크게 초창기부터의 컴퓨터를 이용한 교육시스템을 총칭하는 Computer-Aided Instruction System, 실제 교육대상과 유사한 시스템을 구축하는 것에 중점을 두는 Multimedia/Virtual Laboratory [2, 4], network상에서 교육자와 피교육자의 직접적인 접촉 없이 교육이 행해지도록 하는 Distance Learning System/Instruction on Web, 그리고 교육자의 기능도 컴퓨터로 대체하여 효과적인 feedback을 interactive하게 주고자하는 Intelligent Tutoring System [5]으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 이런 교육시스템의 각 특성을 분석하고 Internet 기술의 발전 동향을 기초로 화학공학 교육의 특성에 맞는 가상실험 시스템을 설계하였는바 그 구조는 다음과 같다.

□공정모사 모듈: 이 모듈은 우리가 실험대상으로 삼고있는 공정의 모사를 위한 동적모델과 아울러 관련된 화학물질들의 물성치를 포함하고 있다. Simulation model은 실제 실험 장치와 동일한 물리화학적 원칙하에 작동하여 사용자에게 잘못된 개념을 심어주지 않도록 검증된다□현재 prototype 시스템을 위해 개발한 회분식 증류공정 모델의 경우 상용 모사기와 비교하여 모델의 강건성을 확인하였다. 아울러 주어진 수식들을 효과적으로 풀기 위한 numerical method들도 여기에 포함되며, 때에 따라서는 이미 저장매체에 기록되어 있는 실험 data들을 직접 이용하는 방법들도 포함된다.

□User Interfaces (UI)와 입출력 시스템: 이 부분은 가상실험 효과를 내기 위해서 아주 중요시되는 부분이다. 현실적으로 실제 시스템과 같은 시각적인 효과를 모두 줄 수는 없고 graphics를 이용하여 그 부분을 대체하게 된다. 그러나 또한 가상 장치이기에 실제 실험장치에서는 보여주기 힘든 내부의 작동모습 등을 보여줄 수도 있다. 다양한 time-plot이나 graph들이 dynamic trend를 보여주고 간단한 animation (오르내리는 액위 등)이나 획득된 movie file들이 교육의 효과를 높여준다. 현재까지는 많이 쓰이는 2차원의 공정도를 사용하고있으나, 추후 3차원 실험 장치의 모습을 보여주고 그 안에서 장치를 조작할 수 있도록 VRML (Virtual Reality Modeling Language)로 대치할 예정이다. 기타 여러 실험 module에 대해 공통적으로 쓰일 수 있는 사용자 interface를 개발 중에 있으며, Internet상의 server/client환경에서의 시스템 구축을 위한 networking routine들도 이 모듈에 포함된다.

□실험관리 모듈: 가상실험을 통해 실제 실험과 같은 목적을 달성할 수 있도록 실험의 진행을 관리하는 모듈이다. 실험실습 시나리오의 관리 및 수행, 실험 기록의 관리 (tutoring record keeping), 그리고 feedback 또는 intelligent interactive tutoring이 이곳에 포함된다. 현 단계에서는 교육적 가치를 가지는 실험 시나리오를 중점적으로 개발하고 있다.

Networking 전략

기존의 Internet보다 더 빠른 전송속도를 갖는 차세대 Internet2 [3]의 출현 등 Internet을 이용한 기술은 아직 급속도로 발전하고 있어 현 단계에서 server/client의 networking 형태는 정해지지 않은 개방된 형태를 추구한다. 구축된 시스템이 설치될 main server와 연결되는 client PC들의 성능과 연결된 network의 특성에 따라 다음의 3가지 방법중 적절한 한가지 방법이 선택되거나 다양하게 결합되어 작동될 수 있도록 하고 있다.

□CGI를 이용한 server/client 형태: 현 단계에서 우리가 단일 PC위에서 작동되도록 개발중인 prototype 시스템을 쉽게 Internet상에 이식할 수 있는 방법이다. 실험시스템 모듈의 대부분이 server에서 실행되고 UI와 입출력부분만 Common Gateway Interface를 통해 사용자의 client에서 실행되도록 한다. 개개의 PC들을 충분히 이용하지 못하는 단점이 있으나 강력한 server와 간단한 기능의 NetPC만으로 시스템이 구성되어 있을 시 고려할 만 하다.

□Web browser의 helper program을 이용: 개발된 program을 browser에서 helper program으로 등록시켜 사용자 PC에서 수행시키는 방법이다. 사용자의 PC의 계산능력을 효과적으로 사용하고 network에 부담을 주지 않으나 program이 바뀔 때마다 등록과정을 반복해야하는 단점이 있다.

□Java applet으로: 자주 변경이 요구되는 부분을 독립시켜 Java applet으로 구축하면 실험 시스템의 수행시 자동적으로 설치되고 작동되도록 할 수 있고 개발자가 실험의 수행으로부터 자유로워질 수 있다. 또한 □write once, run everywhere"란 Java의 구호처럼 시스템이 사용될 사용자의 환경을 개발시 고려하지 않아도 되는 장점이 있다. 그러나, 실험이 실시될 때마다 초기 downloading에 실험이 지연되는 단점이 있다. 시스템을 자주 사용하지 않을 사용자의 원격실험실습에 적합한 방법이다.

실험의 실시형태

본 가상실험시스템을 통하여 단위공정 실험은 3가지 형태로 실시될 수 있다. 우선 대상단위공정에 대한 설명의 단계이다. 본 단계에서는 실험 단계에 관한 교육과 설명을 목적으로 하고 있다. 즉 대상단위공정에 대하여 현재 채택하고 있는 공정장치 뿐만 아니라 실제 산업현장에서 사용하고 있는 다양한 장치형태에 관한 실제의 모습을 그림, 사진 그리고 동영상을 통해 예시하고 장치작동의 기본원리와 물리, 화학적인 관련식 등을 설명함으로써 실험에 대한 이해를 높인다. (이에 대해서는 참고문헌 2와 4를 참고하기 바란다.) 두번째는 실험의 수행단계이다. 본 단계에서는 실험자가 교육자의 지시에 의하여 자료를 입력, 단위공정 모사기를 직접 가동시킴으로써 각종 공정조작에 따른 실험결과를 얻고, 조작에 따른 시스템의 관계에 관한 이해를 도모한다. 마지막으로 가능한 것이 실험이상의 진단에 관한 단계이다. 본 단계에서는 실험이 잘못 진행되었을 경우 이에 관한 공정이상의 감지, 분석, 보정, 수정 및 회복의 일련의 과정을 실험하는 단계이다. 이를 위하여 제공되는 공정의 표준 운전시나리오와 실험 결과의 비교를 실시한다.

실험 관리 server와 연계되어 web상에서 시스템이 작동되는 순서는 아래와 같다:

1. 정해진 실험 web page를 browser에서 open하여 사용자 ID와 password를 server에 입력한다.

2. 선택할 수 있는 실험 menu가 나오거나 사용자의 진도에 따라 실험이 자동적으로 선택된다.

3. 사용자별로 다르게 실험 변수들이 설정된다.

4. VRML로 구현된 실험장치가 보이고 사용자는 CosmoPlayer의 UI를 조정하여 장치를 둘러볼 수 있다.

5. 실험 관련 정보가 web page로 주어지고 진도에 따른 help message가 화면에 표시된다.

6. 사용자는 실험을 계속하고―측정하거나 변수값을 바꾸어서―장치의 사진이나 동영상 아니면 내부구조에 대한 정보를 얻을 수 있다.

7. 실험의 simulation은 animation이나 plot으로 표시된다.

8. 간단한 feedback이 정해진 실험순서를 벗어날 때 주어진다.

9. 실험을 마치면 결과를 server에 입력한다. 실험에 대한 간단한 test가 주어지고, 사용자는 실험자간의 on-line 토의 및 관리자에게 제안 사항을 보낼 수 있다.

현재까지는 networking에 앞서 우리가 이미 습득하고 있는 기본기술을 이용하여 이후 web상에서 작동되는 시스템으로 바꾸어질 실험시스템의 prototype을Matlab/Simulink와 C를 이용하여 먼저 증류공정에 대해 구축해 보았다 (그림 1 참고). 현재 이 시스템의 교육적인 효과를 높이기 위해 학생들을 대상으로 한 자료조사를 실시중에 있으며 network interface를 개발중에 있다.

결론

Internet의 발달과 VRML이나 XML (eXtensible Markup Language)과 관련된 도구들의 출현은 이제 가상현실을 이용한 교육 및 실험시스템의 개발이 보다 용이하도록 해주고 있다. 그러나 이런 도구들이 우리가 교육하고자하는 내용들까지 제공해주지는 않기에 공학의 각 분야에서 실정에 맞게 시스템과 시스템의 내용 (contents)을 설계하는 연구가 더 중요시되고 있다. 따라서 본 연구에서는 관련기술을 이용한 가상실험시스템을 설계하고 증류공정을 대상으로 한 prototype 시스템을 구축하여 Internet상에서 작동하는 실험시스템의 기술 습득 및 그 타당성을 검토하였다.

그림 1. UI로 사용되는 실험대상의 공정도와 변수값의 설정

물론 이제까지도 각 대학에서 컴퓨터를 이용한 교육시스템을 개발하여 소규모로 활용한 예는 있었으나, 그 결과가 공유되지 못하고 범용성을 갖추지 못한채 개발된 프로그램이 사장되는 경우가 많았다. 이 연구에서 구축하고 있는 가상현실을 이용한 교육 및 실험시스템은 개방된 PC 환경위에서 전국의 모든 대학들이 공통적으로 사용할 수 있도록 설계되고 있다. □언제 어디서 누구든지□라는 표제어가 말해주듯 개발된 시스템은 모든 관련학과들의 교수와 학생들에 의해 사용되고 그 feedback을 받아 계속적인 프로그램의 향상을 꾀함으로써 실험 및 교육과 관련된 지식의 축적장소로 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 또한 고가 실험기자재의 미비로 인해 제한된 실험실습을 할 수밖에 없었던 대학들의 부담을 덜어줌으로써 교과과정의 통일화에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

감사의 글

본 연구는  학술진흥재단의 대학부설연구소지원과제의 연구비지원에 의해 이루어졌으며, 지원해주신 학술진흥재단에 감사드립니다.

참고문헌

[1] 김현 외 14인, 산업지원 가상실험 소프트웨어 개발 연구 보고서, 정보통신부 96-60-0027-00-00 (1997) [http://www.kordic.re.kr/~krist].

[2] Bell, J. T. and Fogler, H. S., "Vicher: A virtual reality based educational module for chemical reaction engineering", Computer Apps. in Eng. Education, 4(4), 285 (1996).

[3] Lange, L., "Getting ready for Internet2", Electronics Engineering Times, August 18 (1997) [http://www.techweb.com/wire/news/aug/0818net2.html].

[4] Montgomery, S. M., "Multimedia materials for chemical engineering: Module development and lessons learned", Computer Apps. in Eng. Education, 4(4), 297 (1996).

[5] Shin, D. and Venkatasubramanian, V., "Intelligent tutoring system framework for operator training for diagnostic problem solving", Computers & Chem. Engng., 20S, 1365 (1996).