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[ Research Article ]
The International Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 22, No. 3, pp. 31-37
Abbreviation: J. Korea Inst. Ecol. Archit. And Environ.
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date 30 Jun 2022
Received 02 May 2022 Revised 09 Jun 2022 Accepted 14 Jun 2022
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2022.22.3.031

건물 화재시 피난 행동 예측기법으로서 가상현실 기술 활용성
한기성* ; 이경훈**

Applicability of Virtual Reality as a Prediction Method for Evacuation Behavior
Gi-Sung Han* ; Kyung-Hoon Lee**
*Main author, Ph. D Candidate, Program in Urban Regeneration, Korea Univ., South Korea (hangisung@korea.ac.kr)
**Corresponding author, Professor, Dept. of Architecture, Korea Univ., South Korea (kh92lee@korea.ac.kr)

ⓒ 2022. KIEAE all rights reserved.
Funding Information ▼

Abstract
Purpose:

The consideration of evacuation behavior can be an important means of preventing potential casualties. Furthermore, virtual reality technology can lead to advancements in behavioral studies on architectural spaces and disasters.

Method:

In this study, we have examined the application of virtual reality technology using theories of evacuation behavior, analysis of previous studies, and a virtual reality fire evacuation experiment.

Result:

Evacuation behavioral studies have used virtual reality technology as it has become more commercially available, covering a variety of topics. However, methodologies and analysis techniques are still insufficiently systematic. In research design, specific research scope based on the characteristics and progress of evacuation behavior should be established. Immersive VR headsets are widely used as an experimental method, but due to problems such as motion sickness and dizziness, it is necessary to consider technically how and which equipment to use. In addition, increasing immersion and minimizing the difference compared to the real world are crucial for a more efficient virtual reality experiment. Therefore, it is necessary to consider increasing the immersion by stimulating additional senses, perhaps by using heat and smoke along with additional visual and auditory elements, while maintaining the safety of participants as the highest priority.


Keywords: Building Fire, Evacuation Behavior, Prediction Method, Virtual Reality, Applicability
키워드: 건물 화재, 피난 행동, 예측기법, 가상현실, 활용성

1. 서론
1.1. 연구의 배경 및 목적

화재통계(소방청, 2019)에 따르면 건축·구조물 화재 건수는 19년 한해 26,025건으로 전체 화재의 64.9%의 비중을 차지하고, 사망 216명(75.8%), 부상 1777명(79.7%), 5528억 원(64.3%)으로 매년 가장 큰 피해 규모를 차지하고 있다. 산업 사회의 발전과 고도화를 감안한다면 피해는 계속해서 증가할 것으로 예상된다. 이를 위해서 건물 계획 및 설계단계 시 예기치 못한 재난사고에 대해 인명 안전을 주안점으로 성능 위주 설계(Performance Based Design, PBD)를 의무 시행하고 있다. 인명피해와 직접 연관된 피난 안전성에 대해서도 화재, 피난 시뮬레이션을 활용하여 피난 요구 시간, 피난 허용 시간 등을 검토하여 재실자의 행동을 기초하여 평가하고 있다.

이처럼 건물의 안전을 평가하기 위한 주요한 요소 중 하나가 바로 인간행동이다. 건물 공간구조 및 환경에 대해 재실자가 이용하기 안전한지를 검토함으로써 인간행동의 관점에서 평가하게 된다. 하지만 비상상황에서의 인간행동을 예측하는 것은 방재 공학에서 매우 어려우면서도 가장 중요한 분야 중 하나이다. 특히, 건물 화재 시 인간 행동은 화재사고가 자주 발생하지 않고 발생환경이 다양하므로 인간의 피난 행동에 대한 정보를 일반화하는 것은 매우 어렵다[1].

기존의 피난 행동에 관한 연구는 화재사고 조사, 군중 유동 관찰, 모의실험 등으로 이루어져 직접적인 실험연구에 비하여 그 결과가 매우 단편적이나 실제 화재를 구현하여 실증 연구를 진행하는 것은 윤리적, 현실적인 문제로 거의 불가능하여 해당 분야의 발전에 많은 제약과 한계가 존재한다. 이러한 피난 행동연구처럼 방법적 한계를 지닌 분야에서 최근 적극 활용되는 가상현실(Virtual Reality, VR)기술은 현실 세계와 같은 실재감과 몰입감을 제공할 수 있어서 건설, 의료, 교육 등 다양한 분야에서 활용되고 있지만, 아직 연구방법과 분석기법으로 시도되고 있는 단계이며 그 성과는 미흡한 실정이다. 특히, 인간의 인지 및 행동을 살펴보는 방법으로 가상 현실 기술은 활용 범위, 방식에서 더욱 체계적일 필요가 있다[2].

본 연구는 화재시 피난 행동에 관한 문헌 고찰과 기존 연구의 방법 및 내용을 검토하고, 특히 가상현실 기술을 활용한 피난 행동 연구의 적용 범위 및 방식을 종합하여 정리하고자 한다. 더불어 가상의 건물 화재에 대한 피실험자의 피난실험을 통해 가상현실 기술 활용성에 대한 시사점을 제시하고자 한다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구는 먼저 피난 행동 관련 문헌 고찰을 통해 피난의 기본적인 개념과 피난 행동 이론을 고찰하고, 건물 화재 상황에서 피난 행동에 관한 국내외 선행연구를 분석하여 수행된 연구방법, 연구내용, 연구결과를 정리하고자 한다. 특히, 기존 연구방법의 한계를 극복하기 위해 도입되고 있는 가상현실 기술을 살펴보고, 이를 활용해 수행된 연구의 범위를 분석하고자 한다, 이를 종합하고 정리하여 향후 가상현실을 활용하는 연구를 위한 시사점을 제시하고자 한다.

또한, 가상현실 기술의 활용성에 대해 살펴보기 위해서 가상현실 기술의 특성, 사용성, 불편성, 활용성 등의 요소를 살펴보고, 이를 피난 행동연구에 적용하여 검토하기 위하여 실제 유사한 가상의 건물 화재 상황을 구현하여 가상 피난실험을 수행하였다. 대규모 다중이용 시설 중 복잡한 미로형 공간 구성을 지닌 실제 대학병원 공간을 가상실험공간으로 구축하고, 피실험자 1인이 단독으로 출구를 찾아가는 피난 행동 실험으로 진행하였다. 화재 알람, 비상등, 화재 등의 실제 화재 상황과 유사하게 구현시킨 환경을 피실험자가 체험하고, 그에 대한 몰입감, 사용성, 불편성, 활용성 항목으로 구성된 설문을 실시하였다. 이를 분석한 결과를 바탕으로 향후 피난 행동연구에서 가상현실 기술 활용에 대한 효과적인 방법을 제시하고자 한다.


2. 문헌 고찰
2.1. 피난 행동 이론에 대한 고찰

피난은 화재와 같은 비상상황이 발생하면 건물 외부나 옥상 등의 더욱 안전한 장소로 이동하는 행위를 의미하고, 피난 행동은 건축물 또는 구조물에 대한 공간적 조건, 화재의 확산과 시간의 흐름이라는 상황적 조건 속에서 그에 대응하며 나타나는 피난의 주체인 인간의 행동을 말한다[1]. 그러한 조건과 함께 시간 흐름에서 화재, 연기 등 위험요소, 건물의 공간구조, 그리고 인간 사이의 상호작용에 따라 정상적/비정상적, 효율적/비효율적 특성에 의해서 다양한 형태로 나타난다. 또한, 화재, 연기 등의 위험에 대한 징후나 새로운 정보를 수집하면서 피난이 완료되는 시점까지 개인행동에 대한 의사결정을 지속적으로 진행하는 과정으로 정의할 수 있다.

피난 행동에 대해 개념화된 진행 과정을 살펴보면 Fig. 1.과 같다. 먼저 화재가 발생하면 재실자는 화재에 대한 징후를 인지하게 되고 그에 대한 정보를 수집, 해석하는 단계를 거치게 되며, 이후 수집된 화재에 대한 정보를 주위에 전달하거나 소방서에 알리는 등의 행동, 불을 끄려고 하거나 피난을 개시, 또는 인지한 징후를 무시하는 등 여러 형태의 행동에 대해 의사결정 하게 된다. 다음 단계로 피난에 대한 직접적인 행동인 이동 단계로 넘어가게 되면, 이동 중에 경로가 화염 또는 연기에 의하여 사용할 수 없게 되는 등의 새로운 상황 및 정보를 마주하게 되면 한 단계 또는 더 많은 이전 단계로 돌아가서 다시 단계적 피난 진행 과정이 이루어진다[1].


Fig. 1. 
Flowchart of process for the evacuation behavior

인지심리학적인 측면에서 화재 상황시 개인의 피난 행동은 의사결정의 결과물로 볼 수 있다. 일반적으로 화재 시 피난 행동은 다음의 세 가지 기본적인 특성을 따른다고 추론된다. 인간의 본능적 행동을 따르거나, 이전의 경험을 따르거나, 또는 합리적인 의사결정 과정에 따라 행동이 이루어진다. 개인은 비상상황에 직면할 때 한 개나 두 개 이상의 특성이 조합되어 행동하게 된다[3].

본능(Instinct)적인 행동은 특정한 자극에 반응하는 인간의 행동 패턴을 말하며, 일반적으로 본능을 따른다는 것은 의식적인 사고의 과정을 필요로 하지 않는다. 하지만 높은 스트레스나 압박감을 받는 상황에서 의사결정을 내려야 할 필요가 있을 때, 개인이 순간적이고 빠른 의사결정을 내리는데 의지하게 하는 가장 기본적인 방법이다.

그러한 본능적 피난 행동 특성으로는 새롭고 가보지 않은 경로를 선택하기보다 본래 온 길을 되돌아가려는 귀소성, 밝은 쪽을 향하여 가려하는 향광성, 개방된 공간으로 향하려는 향개방성, 가까운 길을 선택하는 특성, 교차로에서 직진하려는 특성, 오른쪽 사용에 의한 좌회전 특성, 군중을 따라가려는 특성, 위험요소를 인지하였을 때 안전한 길로 가려고 하는 위험회피성 등의 행동특성이 있다.

다음으로 개인은 이전 경험에 상당한 부분 의존하여 의사결정을 내리는 특성을 지니고 있다. 일반적으로 인간은 과거 경험으로부터 비교 기준이 되는 틀을 발전시키고, 이를 유사한 상황에서 적용하여 행동한다. 화재와 같은 비상상황에서도 주변 환경에 대한 친숙함, 비상시 행동절차, 화재대피훈련 등의 경험이 의사결정에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것은 이미 여러 학자를 통해 알려져 있다[4-5].

또한, 경험에 따른 의사결정 과정은 일반적으로 복잡하지 않으며 신속하게 이루어진다. 이 과정은 일반적으로 다음과 같은 기본적인 단계를 따른다: (1) 먼저 과거의 경험과 동일하거나 유사한 상황인지를 인식하고, (2) 이전 경험에 따라 성공한 틀(루틴)을 탐색하며, (3) 그 경험에 따라 행동을 수행한다[6].

마지막 개인의 의사결정 이론 가운데 대표되는 제한된 합리성(Bounded Rationality) 이론은 개인이 의사결정을 할 때 고려해야 하는 요소와 선택 가능한 모든 대안은 알 수가 없으며, 개인이 가진 인지적인 한계와 결정에 걸리는 시간의 제약으로 충분한 합리성을 발휘하는 것은 어려우므로 의사결정의 합리성에 제한적이다. 다시 말해서 문제의 모든 측면을 고려하고 인지하여 최적의 결정을 하기보다 제한된 역량과 상황에서 만족스러운 결정을 찾게 된다[7].

제한적 합리성의 관점에서 의사결정 하는 것은 문제 해결을 위해 새로운 사실과 기존의 지식을 결합하는 것으로서, 선택하는 결과는 일반적으로 본능이나 경험을 따르는 것을 통해 선택하는 것에 비해 주어진 상황에 더 적합한 결과를 도출할 수 있지만, 상대적으로 합리적인 의사결정은 더욱 많은 시간이 소요된다.

화재 상황과 같은 즉각적으로 의사결정을 내려야 하는 상황에서, 개인은 본능 또는 경험을 따르는 행동으로 신속한 의사결정을 할 수 있으나, 이는 비합리적인 행동이라는 결과를 초래할 수도 있다. 즉, 화재 상황에서 개인은 놓인 상황이 중대하고, 불확실하며, 위급한 상황이라고 인식하게 될 때, 심각한 스트레스를 받으며 비합리적인 의사결정 과정으로 인해 극단적인 행동으로 나타날 수도 있다. 이는 개인이 인지한 상황에 의해 스트레스가 높아지면 결정 메커니즘이 합리적 의사결정에서 본능을 따르는 행동으로 바뀔 수 있다[8].

따라서 합리적 의사결정 또는 비합리적 의사결정에 따른 행동은 개인에게 인지된 상황과 환경적, 시간적 요소에 의하여 중대하게 결정된다. 이처럼 화재와 같은 비상상황에서 개인이 행동에 대한 의사결정을 어떻게 내리는가 하는 문제는 인간 본연의 본능적 행동, 과거 경험에 따른 행동, 그리고 환경지각 및 인지심리 측면에서 정보 인식 및 해석을 통한 행동으로 설명할 수 있다.

2.2. 피난 행동 연구방법론에 대한 고찰

국내외적으로 피난 행동 특성을 이해하기 위해 건축, 소방, 심리, 컴퓨터공학 등 여러 분야에서 다양한 방법으로 관련 연구가 꾸준히 수행되어왔다. 해외의 경우, 화재사례를 중심으로 1900년 초부터 이루어져 왔으며, 70년대 이후 본격적으로 실제 화재 사고에 대한 조사와 실험을 통해 과학적 방법에 기초한 피난 모델의 개념이 등장하였다. 80년대부터 피난 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 상용화하고 기존 모델에 대한 개선 및 새로운 프로그램 개발을 진행하였다. 90년대 이후 피난 행동에 초점을 맞춰 이를 예측하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다[9]. 국내의 경우는 과거 행동에 대한 데이터수집, 분석이 체계적이지 못하여 80, 90년대에 해외 연구의 내용을 고찰하고 적용하는 연구가 이루어졌다. 2000년대 들어 해외연구의 모사 수준에서 대구 지하철 등 대규모 화재사고 이후, 사고 발생의 위험성, 대응체계의 중요성이 높아지며 연구가 수행되고 있다[10].

화재 상황에서 피난자가 어떠한 행동을 보이는지 해석하기 위한 일반적인 연구방법을 살펴보면, 먼저 화재 사고의 사망자 분포조사 등을 통한 대피자 행동을 조사하거나 생존자를 대상으로 사고 이후 인터뷰나 설문으로 조사하는 방법이 있다. 이는 화재 조사보고서나 문헌에 근거하여 군중 또는 개인의 행동특성을 분석하는 전통적인 연구방법으로 활용되었다. 또한, 특정 공간에서 군집 유동 행동을 관찰 및 측정하는 방법으로 시나리오 없이 일정 시간당 유동 인구, 속도 등을 측정하여 해당 공간의 흐름율, 계수 등 군집보행 특성을 도출하는 방법이다. 이는 실제 화재 상황에서 보이는 인간의 행동이 반영되지 못한다는 한계를 지니고 있다. 다음으로 피난 행동을 예측하기 위한 행동 모델 개발을 개발하거나 시뮬레이션을 통해 여러 시나리오에 대한 이동 패턴, 시간 등의 결과를 비교하는 방법으로, 인간행동 패턴을 기초한 특정 이론을 수학적 계산법을 통해 이동모델을 개발하거나 그러한 행동 모델을 기반하여 개발된 화재, 피난 시뮬레이션을 통해 특정 공간, 조건에서 나타나는 행동을 예측하거나, 건물 계획안의 피난 성능을 평가하고 사전에 위험요소를 제거하여 안전성을 높이기 위한 목적으로 수행되었다[11]. 대부분의 모델 및 시뮬레이션은 이동속도, 신체 크기 등의 일부 인간 특성을 반영하여 피난 이동 패턴을 구현한다는 장점이 있지만, 모든 인간 특성을 포함시키지 못하고, 그 결과는 성능평가를 위한 참고자료로 사용되기에 직접적인 피난 행동을 분석하기 위한 연구로 보기는 어렵다.

피난 행동을 살펴보기 위해 많이 활용되는 방법은 관찰자를 통해 피실험자가 참여하는 실증 피난실험이다. 피실험자는 계단실, 모의공간 등 일정 공간에 한정되거나, 호텔. 학교, 쇼핑몰, 지하철역 등 실물 공간에서 시나리오의 유무에 따라 실험을 수행하게 된다. 화재 상황을 가정하고 특정 위치에서 출구를 찾아 이동하거나, 사전공지 없이 갑자기 화재 상황이 전파되어 실제 상황처럼 대피하거나, 대피 훈련을 통해 피난 참가자의 피난 행동이 관찰된다. 관찰자는 공간에 카메라를 설치하여 녹화하거나, 피실험자와 일정 거리를 두고 함께 이동하며 행동반응, 경로선택, 이동시간 등을 관찰하고 측정한다. 실증 실험연구는 공간의 제약, 실제 화재 상황 재현의 어려움, 피실험자의 모든 행동을 관찰하는 것은 불가능하므로 인지적 특성 등의 단편적이고, 제한된 범위의 결과를 도출하는 한계가 있다.

2.3. 가상현실을 활용한 피난 행동연구에 대한 시사점

최근에는 가상현실 기술을 사용하여 피실험자가 실제와 유사한 화재 상황을 가상공간에서 경험하며 나타나는 행동반응을 관찰하는 연구가 이뤄지고 있으며, 현실에서 실험이 불가한 화재를 간접 경험하고, 그에 대한 행동결과를 제시한다. 경험하는 가상현실이 얼마나 실제와 똑같은 착각을 불러일으키는지에 대한 실재감은 가상현실의 주요한 목표이며, 실재감에 관련된 요소로는 시각적, 청각적 사실감 등 인간 감각에 기초하고 있다. 실재감에 관한 요소와 사람에게 주는 신체적, 심리적 영향 등의 인자를 고려하여 사용자에게 현실 세계와 유사한 실재감과 전달 효과가 높은 가상현실을 경험하게 할 수 있다.

행동 치료(behavior therapy) 측면에서 불안을 극복하기 위하여 두려운 상황을 반복해서 경험하는 방법이 많이 사용한다. 이를 통해 해당 상황이 일어나지 않고, 스스로 통제할 수 있다는 것을 현실에서 인식하면서 불안을 없애는 것에 도움을 줄 수 있는 것이다[12]. 이와 같은 맥락으로 일반상황에서 대피 훈련과 행동요령을 주기적으로 행하는 것은 실제 화재가 발생하더라도 두려움을 감소시키고 침착하게 대처하도록 도움을 주기 위함이다. 화재 상황을 간접 체험하고 반복적 학습이 가능한 가상현실의 활용은 더욱 효과적일 수 있다.

가상현실을 활용한 연구의 방법적 측면에서 살펴보면, 2000년대 초반에는 모니터나 스크린에 투영된 가상공간을 보면서 조이스틱을 조작하여 이동하는 단편적인 실험 진행이 이루어졌고, 이에 대하여 실제 환경의 모의실험과 비교하는 연구가 수행되기도 하였다. 또한, VR 시뮬레이터와 시선추적창치(Eye-Tracker)를 함께 사용해 시각데이터 분석에 기반한 피난 유도계획에 관한 연구도 이루어졌다.

이후의 연구에서는 더욱 높은 실재감을 위한 가상현실 장비 또는 보조 장비를 적용하는 연구가 수행되기도 하였다. 몰입형 시스템인 머리에 착용하는 HMD(Head Mounted Display) 이동형 장비는 피험자의 즉각적인 행동 반응 관찰이 가능하게 하였고, 열, 연기의 발생 장치를 사용하여 가상화재에 대해 피실험자의 행동과 심리적, 신체적 반응을 측정하는 연구, 최근에는 높은 몰입감을 위해 3면의 벽에 가상환경의 Display를 투영시키는 CAVE(Cave Automatic Virtual Environment) 시스템을 활용한 연구도 시도되고 있다[2].

연구내용 측면에서는, 적절한 피난계획을 수립하기 위하여 특정 공간에서 인간이 어떻게 행동하는지에 관한 연구와 피난 유도등과 같은 시각정보에 대한 주시 특성에 대한 연구내용으로 이루어졌다. 공간, 복도 등에 대한 인지 특성과 즉각적인 의사결정을 반영한 경로선택에 대한 피난 행동과 패턴을 예측하거나 이동 경로, 거리, 시간 등을 측정하여 계획 및 유지보수 단계에서 화재 피난 안전도를 예측, 평가하는 등의 내용으로 구성되어 있다. 또한, 공간별 환경요소의 특징과 재실자의 주시 특성을 분석하여 공간에 대한 피난 성능 평가모델을 개발하고자 데이터를 구축하거나 객관적인 특성을 도출하여 효과적인 피난계획 방안을 제시하는 내용으로 이루어져 있다.

하지만 가상현실 기술의 활용에 있어서, 어지러움 등의 불편함에 대한 피험자가 가상환경에 적응해야 하는 문제가 있고, 가상현실 네트워킹의 기술적 제약으로 군중실험 보다 단독 실험으로 이뤄지고 있다. 또한, 실제 피난 시 촉감을 통해 접근성이 높은 벽을 이용한 행동이 나타난다는 점은 가상현실 기술의 활용성에 제약을 줄수 있는 요소이며, 이에 대하여 해결해야 하는 한계를 지니고 있다.


3. 연구방법
3.1. 가상 피난실험의 개요

본 연구의 가상 피난실험은 실험참가자 단독으로 출구를 찾아서 대피하는 실험으로 설정하였다. 참가자는 일반상황에서 이동 도중 특정 위치에서 폭발음과 함께 화재 상황으로 전환되면서 실험이 시작된다. 실험 이후 가상의 화재 상황에 대한 몰입감, 사용성, 불편성 등의 설문이 진행되고, 이를 통해 가상현실 활용성을 파악하였다.

가상의 실험공간은 K 대학병원(건축면적 27489.64㎡, 진료:1~4층, 병동:5~8층)으로 주출입구가 위치한 지상 2층을 가상공간으로 Fig. 2.와 같이 구현하여다. 공간은 주 출입구 2곳, 접수처, 의료센터 등으로 구성되어 있고 중앙구역으로 갈수록 외부와 접한 공간이 없으며, 내부공간은 벽체로 구성되어 시선이 차단되고 가시거리가 제한되는 특성을 보인다. 주요 피난 경로는 격자 형태의 복도구조로, 세부 구역으로 갈수록 미로형 공간 특성을 보인다.


Fig. 2. 
Space composition of virtual experiment (K-hospital)

실험참가자는 실험 전 사전 설문을 작성하고, 실험에 대한 설명 및 실험에서 사용하는 장비(HMD, Controller) 설명과 조작 방법을 듣고, 가상의 공간에서 이동 조작을 연습하게 된다. 이후 본 실험에 관해 간단한 설명을 듣고, 실험이 시작되면 시작 위치에서 목적지를 찾아 이동하던 중 특정 위치에서 폭발 소리와 함께 비상벨, 비상등, 안내방송에 의해 화재 상황을 인지하고 피난을 시작하게 된다. 이후 스스로 의사결정, 행동 선택을 하면서 출구를 찾아가고 출구를 통해 나가면 모든 실험은 종료된다. 실험 이후 경험한 가상 화재 상황에 대해 평가하기 위한 설문을 진행한다. 실험에서 사용된 장비는 가상화재 상황에 대한 몰입감을 높이기 위해 시선, 이동이 자유롭고 많이 사용되는 이동형 HMD로 HTC사의 VIVE Pro를 사용하였다.

3.2. 가상현실 활용성에 관한 평가 요소

가상현실에 대한 사용자 경험을 평가할 때, 일반적으로 사용성, 효과성, 만족도 등으로 구분되며, 이외에 심리적 경험을 나타내는 실재감, 어지럼증, 멀미 등 휴먼팩터(Human-Factor)가 있다[13]. 이를 기초하여 화재 상황의 피난 행동에 관한 연구에서 가상현실의 활용성을 살펴보기 위한 평가요소를 Table 1.과 같이 설정하였다.

Table 1. 
Description of Main Variables
Variable Questions (Likert scale 1~5)
Immersion Stress I felt the same fear and pressure as the real fire situation in the experiments I experienced.
Reality I felt like I was actually going inside a hospital in the virtual reality experiment I experienced,
Immersion I was able to immerse myself in a virtual fire evacuation situation.
Usability Familiarity for video games I often play video games.
Familiarity for VR devices I often use virtual reality devices.
Difficulty It was easy to move around virtual space by manipulating the controller.
Discomfort Motion sickness I felt motion sickness or nausea as I walked around the virtual reality.
Dizziness I felt headache or dizziness as I walked around the virtual reality.
Eye fatigue I felt eye fatigue or difficult to focus eyes as I walked around the virtual reality.
Applicability Identical behavior I would have evacuated by selecting the same route as the virtual evacuation even in the real fire.
VR fire drill Fire drill content using virtual reality can be helpful for learning how to evacuate.
VR fire experience Experience in virtual reality on building fire can be helpful for handling calmly in the real fire.

먼저, 가상의 화재 상황에서 얼마나 실제와 같은 느낌을 받았고 몰입할 수 있는지에 대한 몰입감(Immersion) 요소에서 가상의 화재 상황에서 느낀 두려움, 압박감에 대한 문항, 병원 공간에서 다니는 것이 얼마나 실제처럼 느껴졌는지에 대한 문항, 피난 상황에 얼마나 몰입하였는지에 대한 문항으로 구성되었다. 다음 사용성(Usability)에 대한 요소는 가상 비디오 게임을 얼마나 자주 하는지의 친숙함에 대한 문항, VR 장비를 얼마나 자주 이용하는지를 묻는 문항, 그리고 가상의 공간에서 이동 조작을 하는 것의 난이도에 대한 문항으로 구성되었다. 다음은 가상현실 활용에 있어서 불편함(Discomfort)을 평가하는 요소로 가상의 화재 상황을 경험하며 느낀 멀미감, 어지러움, 눈의 피로감이 어느 정도인지에 대한 문항으로 구성되어 있다.

마지막은 가상현실 기술이 실제 화재 상황에나 피난 행동연구에 활용성(Applicability)이 있는지를 살펴보기 위한 요소로 가상화재 상황에서 행동한 경로선택, 탐색 등의 행동이 실제 화재 상황에서도 동일하게 행동할지에 대한 문항, 가상의 대피 훈련 콘텐츠가 대처, 행동요령 등의 학습에 도움을 줄 수 있을지에 대한 문항, 가상현실 기술을 활용한 대피 체험, 훈련 등의 콘텐츠가 실제 화재 상황에서 침착하게 대처하는 것에 도움을 즐 수 있는지에 대한 평가 문항으로 구성되어 있다.


4. 결과 분석

실험 데이터를 분석하기 위해 통계분석 패키지인 SPSS 26를 사용하였으며 빈도분석, 평균 분석(t-test), 상관분석을 통해 가상현실 기술의 활용성을 살펴보았다. G-power를 통해 45명 이상 표본이 요구되었고, 모집된 참가자는 총 78명이며, 남성 37명(47.4%), 여성 41명(52.6%)이 실험에 참여하였다. 참가자의 평균 연령은 29.6세로 최연소 참가자는 만 19세, 최연장자는 만 57세로 나타났다.

4.1. 가상현실 활용성에 대한 주요 평가요소 분석

주요 평가 요소를 분석한 결과(Table 2.), 가상현실의 실재감에 관한 요소인 가상의 화재 상황이 얼마나 두려움, 압박감을 주었는지에서 전체 참가자 평균 3.44로 나타났고, 가상의 병원 공간이 실제 병원과 얼마나 높은 실재감을 주었는지에서 평균 3.72, 가상의 화재 피난 상황에 대해 얼마나 몰입하였는지는 평균 3.79로 나타나 전체 평균 이상의 높은 실재감을 느낀 것으로 나타났다.

Table 2. 
Descriptive statistics
Variable Min. Max. M SD
Immersion 1 1 5 3.44 0.93
Immersion 2 1 5 3.72 1.01
Immersion 3 2 5 3.79 0.81
Usability 1 1 5 2.13 1.40
Usability 2 1 5 1.77 0.98
Usability 3 1 5 3.65 1.10
Discomfort 1 1 5 2.42 1.23
Discomfort 2 1 5 2.27 1.17
Discomfort 3 1 5 2.51 1.14
Applicability 1 1 5 3.91 1.05
Applicability 2 2 5 4.31 0.84
Applicability 3 2 5 4.24 0.76

그리고 가상현실의 사용성의 요소에서 친숙성에 관한 문항으로 가상 비디오 게임을 얼마나 자주 하는지는 평균 2.13으로 낮은 이용 정도를 보였고, VR 장비에 대한 이용도에서도 전체 평균이 1.77로 낮게 나타나 장비에 친숙하지 않은 것으로 나타났다. 그리고 가상의 공간에서 이동 조작에 대해서는 평균 3.65로 비교적 쉬웠던 것으로 나타났다. 화재 상황에 대한 가상현실을 경험하면서 느낀 불편함의 요소에서는 멀미나 메스꺼움 정도, 어지러움 또는 두통 정도, 눈의 피로감이나 초점에 대한 불편감 각각에서 평균 이하로 나타나 낮은 사용성에 비해 불편감이 높지 않은 것으로 나타났다.

가상현실 기술의 활용성에 대해서 전체 참가자 75% 이상 도움을 줄 수 있다고 응답했다. 가상 화재 피난 실험에서 행동한 경로선택, 정보탐색 등이 실제 상황에서도 동일하게 행동을 하게 될 것인지에 대해서 높은 응답(M=3.91)을 보였고, 가상현실 화재 대피 콘텐츠가 행동절차나 요령을 학습함에 도움이 될 수 있는지와 반복적 경험이 실제 화재 상황에서 침착하게 대처하는 것에 도움을 줄 수 있는지의 활용성 문항에서 모두 높은 응답을 보였다.

4.2. 성별에 따른 주요 평가요소에 대한 차이

기존 가상현실을 활용한 연구에서 주요한 차이가 나타난 특성 중 성별에 따라 주요요소에 대한 응답의 차이가 나타나는지 살펴보기 위해 독립표본 t-검정을 실시하였다( Table 3.). 가상의 화재 상황에 대한 실재감에서는 성별에 따라 유의미한 차이를 보이지 않았으나, 남녀 모두 가상의 화재 상황에 대해 두려움, 압박감, 실재감, 몰입감이 평균치 이상으로 높게 나타났다. 사용성에서 가상 게임에 대하여 남녀 차이가 있는 것으로 나타났고(t = 2.560, p < .05), 여성이 남성보다 가상을 게임을 많이 하지 않고 친숙하지 않은 것으로 나타났다. VR 장비 사용에서는 남녀 간 차이 없이 모두 VR 장비를 많이 이용하지 않는 것으로 나타났다. 이동 조작에서도 성별에 차이는 보이지 않았으나, VR 장비에 익숙하지 않은 것에 비해 이동 조작이 어렵지 않는 것으로 나타났다. 가상현실에서 느낀 멀미감, 어지러움, 눈의 피로감 등 불편감에서 성별의 차는 없었으나, 참가자의 절반 정도는 불편감을 느꼈던 것으로 나타났다.

Table 3. 
T-test by Gender
Variable Gender N M SD t p
Immersion 1 Male 37 3.54 0.93 0.939 .351
Female 41 3.34 0.94
Immersion 2 Male 37 3.76 0.95 0.322 .748
Female 41 3.68 1.06
Immersion 3 Male 37 3.92 0.80 1.288 .202
Female 41 3.68 0.82
Usability 1 Male 37 2.54 1.43 2.560* .012
Female 41 1.76 1.28
Usability 2 Male 37 1.86 1.08 0.818 .416
Female 41 1.68 0.88
Usability 3 Male 37 3.65 1.14 -0.039 .969
Female 41 3.66 1.09
Discomfort 1 Male 37 2.38 1.06 -0.306 .760
Female 41 2.46 1.38
Discomfort 2 Male 37 2.27 1.07 0.007 .994
Female 41 2.27 1.27
Discomfort 3 Male 37 2.41 1.21 -0.791 .431
Female 41 2.61 1.07
Applicability 1 Male 37 4.27 0.87 3.036** .003
Female 41 3.59 1.09
Applicability 2 Male 37 4.35 0.79 0.433 .667
Female 41 4.27 0.90
Applicability 3 Male 37 4.27 0.73 0.293 .770
Female 41 4.22 0.79
*P<.05, **P<.01, ***P<.001

가상현실 기술을 활용한 피난 연구 및 콘텐츠의 활용 및 효과성에 대해서는 남녀 모두 높은 평균이 나타났고 긍정적인 응답을 보였다. 실험에서 나타난 정보탐색, 경로선택 등의 행동이 실제상황에서도 동일하게 행동할지에 대해서 남녀 간 차이가 나타났고(t = 3.036, P = 0.003), 남성이 여성보다 높은 응답을 보였다. 인터뷰 결과 일부 여성은 실제상황에서 왔던 길로 돌아서 간다거나 다른 사람을 따라가거나 계단을 이용해 옥상으로 대피한다는 등의 의견을 보였다.

4.4. 평가 요소간 상관성 분석

주요 평가요소 사이의 관계를 살펴보기 위하여 상관성을 분석한 결과는 Table 4.와 같다. 실재감에 대한 요소 내 변수들 사이에 양의 상관성이 높은 것으로 나타났고, 또한 활용성에 대한 요소와 양의 관계를 보였다. 이는 가상의 화재 상황에 대한 두려움, 압박감 등 실재감, 몰입도에 대해 높은 응답을 보인 참가자는 가상현실 기술의 활용성에 대해서 높은 응답을 보였다. 그리고 장비 조작에 대해 가상의 공간에서 느낀 불편감에 대한 변수들과 음의 상관성이 나타났다. 즉, 가상환경에서 이동 조작이 쉬웠다고 응답한 참가자는 어지러움, 눈의 피로감 등의 불편감도 낮게 응답하였다. 다음 불편함 요소 내 변수 간 양의 상관성을 보였고, 이는 멀미, 어지러움, 눈의 피로 등의 불편감에 응답한 참가자는 모든 불편감을 느낀 것으로 응답하였고, 그렇지 않은 참가자는 모든 불편감이 낮은 것으로 응답하였다.

Table 4. 
Pearson’s Correlation Analysis
Variable 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1. Immersion 1 1                      
2. Immersion 2 .312** 1                    
3. Immersion 3 .702*** .454*** 1                  
4. Usability 1 .225* .072 .126 1                
5. Usability 2 .282* .144 .234* .316** 1              
6. Usability 3 -.167 .028 -.022 .147 .286* 1            
7. Discomfort 1 .199 -.018 .140 -.273* -.187 -.407*** 1          
8. Discomfort 2 .165 .032 .114 -.196 -.240* -.340** .830*** 1        
9. Discomfort 3 .215 -.088 .144 -.034 -.091 -.240* .455*** .481*** 1      
10. Applicability 1 .213 .408*** .299*** .106 .056 .063 -.141 -.022 -.168 1    
11. Applicability 2 .356*** .334** .493*** .065 .229* .172 -.064 -.046 -.058 .326** 1  
12. Applicability 3 .453*** .312** .483*** .105 .094 .102 .069 .130 .004 .436*** .714*** 1
*P<.05, **P<.01, ***P<.001

마지막으로 가상현실 기술에 대한 활용 및 효과성에 관한 요소는 실재감, 몰입감과 높은 상관성이 나타났고. 이는 가상의 화재 상황에서 느낀 두려움, 압박감이 높았다고 응답한 참가자와 가상공간의 실재감이 높다고 응답한 참가자는 가상현실 기술이 피난 행동연구, 콘텐츠의 활용성에서도 높은 응답을 보였다. 또한, 활용성에 관한 각 변수는 사용성, 불편감 요소와 관계성이 나타나지 않았다. 이는 가상현실에 대한 친숙함, 장비 이용도, 멀미 등 불편감과 관계없이 가상현실 기술이 피난 연구에서와 대피 훈련 콘텐츠에서 효과성 및 활용성에 대하여 높은 응답을 보인 것을 알 수 있다.


5. 결론

본 연구는 건물 화재시 피난 행동이론 및 선행 연구 분석을 통한 문헌 고찰과 가상 화재 대피 실험을 통해 가상현실 기술의 활용성을 살펴보았다. 연구결과를 바탕으로 피난 행동연구의 실험도구로서 가상현실 기술의 활용에 대하여 다음의 시사점을 제시하고자 한다.

가상현실 기술은 최근 사용성 및 보급화에 큰 발전을 통해 다양한 연구 방법의 한계를 지닌 학문에서 실험도구로 많이 활용되고 있다. 특히, 피난 행동연구에서도 여러 목적으로 활용되고 있으나 실험적 연구설계와 활용법에서 체계적이지 못한 수준에 있다. 따라서 가상현실 기술을 활용하여 피난 실험연구를 설계함에 있어서 피난 진행 과정과 행동 특성을 고려하여 구체적인 연구범위를 설정해야 한다.

실험결과에서 보듯이 실재감은 가상현실의 가장 주된 목표이며 요소로서, 현실감 높은 환경과 몰입감 높은 상호작용은 효과성에서 높게 나타날 수 있다. 따라서 가상 화재 상황의 실재감을 높이고자 시각, 청각 요소뿐 아니라 안전한 범위 안에서 열, 연기 등의 다양한 감각을 자극하는 요소의 활용방안을 고려하여 실제 화재 상황 같은 높은 두려움, 압박감에서 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

또한, 높은 몰입감의 이동형 장비는 실험도구로 많이 사용되지만, 조사결과 평상시 장비에 대한 이용도는 높지 않게 나타났다. 특히, 이동 조작이 쉽지 않은 참가자는 불편감이 높게 나타나, 이는 연구의 신뢰성에 영향을 미치는 요소로 작용할 수 있으므로, 실험 전 충분한 연습을 통해 장비 사용에 익숙해진 이후 실험이 수행되어야 한다.

본 연구에서 사용된 이동형 HMD는 멀미, 어지러움 등의 문제가 발생하는 기술적 한계가 존재하여, 향후 다양한 VR 장비에 대하여 활용 방식 및 장비 선정에 관한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 본 연구를 기초하여 여러 화재 상황의 가상 피난실험으로 개인 특성 및 행동에 관한 후속연구를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.


Acknowledgments

본 연구는 2019년, 2021년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NRF-2019R1A2C1085262), (No.2021R1A6A3A13045847).


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