1. 서 론

조종적성 검사/연구 장비(Pilot Aptitude Research Equipment, PARE)는 조종적성 검사, 조종적성 관련 연구 수행, 학생조종사 비행기량 등을 수행하기 위해 개발된 장비이다. PARE는 <Figure 1>과 같이 조종석, 콘솔, 그리고 컴퓨터 시스템으로 구성된다. 특히, PARE 콘솔은 운용자가 조종 적성 평가, 비행환경 설정, 비행정보 편집 등과 같은 중요 한 임무를 수행하는 장비이기 때문에, 효율적인 운용을 위 해서는 운용자와 콘솔의 두 객체 간 원활한 상호작용이 중요하다.

운용자와 PARE 콘솔의 효과적인 상호작용을 위해 인간 공학적인 PARE 콘솔 사용자 인터페이스(User Interface, UI) 설계가 필요하다. UI는 키보드, 마우스 등과 같은 물리적 사용자 인터페이스(Physical User Interface, PUI) 와 메뉴, 레이아웃 등과 같은 그래픽 사용자 인터페이스 (Graphic User Interface, GUI)로 구분할 수 있다. PARE 콘솔 운용자는 의자에 착석한 상태에서 외부환경, 계기 정보, 훈련평가를 시현하는 화면을 장시간 동안 조작 및 감시하는 임무를 수행하기 때문에, 운용자의 신체적 특 성이 고려되지 않은 PARE 콘솔 PUI는 신체적 피로도 누적, 인적 오류 발생 등의 문제점을 초래할 수 있다[9]. 또한, PARE 콘솔과 같은 Visual Display Terminal(VDT) 작업환경에 정적자세로 장시간 노출되면 거북목 증후군 (Turtle neck syndrome), 수근관 증후군(Carpel tunnel syndrome) 등과 같은 근골격계질환이 발생할 수 있다[5]. 한 편, PARE 콘솔 운용자는 시현하는 화면을 통해 복잡하 고 다양한 상황을 인지, 이해, 그리고 예측하여 임무를 수행하기 때문에, 인지적 특성을 고려하여 설계된 GUI 는 작업효율성 증대, 인지부하 감소 등의 긍정적 효과를 야기할 수 있다[4]. 따라서, 운용자의 인체 특성과 인지 특성을 고려하여 PARE 콘솔 UI를 인간공학적으로 설계 하는 것이 중요하다.

PARE 콘솔과 같은 작업공간을 인간공학적으로 설계 하기 위해 다양한 연구들이 수행되어 왔으나, 사용자 요 구사항, 인체 및 인지 특성을 종합적으로 고려하는 측면 이 미흡하였다. 이백희 외[8]는 Digital Human Simulation (DHS)을 활용하여 방사성 폐기물 처리장 주제어실의 설 계를 평가하고 인체적인 개선 설계요소를 분석하였고, Lin and Chan[13]은 반도체 제조실 작업자들의 근골격계 위험요소 및 증상 감소를 위해 작업장 재설계 및 개선효 과를 평가하였다. 한편, 김성호 외[6]는 Hierarchy 유형과 Context 유형의 Computer-Based Training(CBT) 도구 화면에 대한 사용성 비교 분석을 통해 사용자 인지 특성이 고려 된 신규 CBT 화면을 제안하였고, Letsu-Dake and Ntuen [11]은 작업자들의 인지과업 증대를 위해 가상의 복잡 시 스템 제어환경 하에서 적응형 인터페이스(Adaptive interface) 의 평가 방법론을 수립하였다. 그러나, 최적의 작업 공간 설계를 위해서는 사용자의 작업 특성을 분석하고, 인체 특성과 인지 특성 요소들을 파악하여 포괄적으로 반 영하는 것이 필요하다.

본 연구는 운용자의 작업 특성, 인체 특성, 그리고 인 지 특성을 분석하여 PARE 콘솔을 인간공학적으로 설계 및 평가하였다. PARE 콘솔의 작업 특성은 운용자 설문 조사를 통해 분석되었다. 인체 특성은 설계변수, 인체변 수, 그리고 설계 기준자세 간 연관성 분석을 통해 설계 공식을 개발함으로써 파악되었다. 인지 특성은 평가대상, 평가기준, 평가척도, 그리고 평가방법을 각각 선정하여 사용성 평가를 수행함으로써 도출되었다. 본 연구는 파 악된 작업, 인체, 그리고 인지 특성을 기반으로 PARE 콘 솔 개선안을 설계하고, 개선효과를 평가하였다.

2. 연구 방법

2.1 운용자 설문조사

본 연구는 효과적인 PARE 콘솔의 작업 특성 파악을 위 해 운용자들을 대상으로 콘솔 세부 요소별 설문조사를 수 행하였다. 설문조사는 공군사관학교 모의비행훈련실 소속 의 PARE 콘솔 제어, 정비, 그리고 감독 업무에 정통한 운 용자 2명(운용경력 : 5.5±0.7년)을 대상으로 수행되었으며, 설문문항은 PARE 콘솔 세부 요소를 기반으로 각각 도출 되었다. PARE 콘솔의 세부 요소는 PUI 측면에서 모니터, 키보드, 기능 버튼, 책상, 그리고 본체로 구분하였고, GUI 측면에서 임무 설정, 훈련 관리, 훈련 녹화, 훈련 재생, 훈 련 재설정, 그리고 임무 요약 기능에 해당하는 화면으로 구분하였다. PARE 콘솔의 작업 특성은 운용자가 장비의 각 세부 요소들을 직접 조작하면서 도출된 불편사항 및 설계 요구사항을 분석하여 파악되었다. 분석 결과, PARE 콘솔의 세부 요소와 연관된 작업 특성과 불편사항들이 도 출되었다. 예를 들어, PUI 측면에서 운용자들은 조종사들 의 기량을 평가하기 위해 콘솔의 세 가지 모니터를 지속적 으로 조작 및 감시해야 하나, 각 모니터가 일렬 배치로 상 당히 이격되어 있어 동시 감독이 어렵고, 스크린 터치가 불편하다고 답하였다. 또 다른 예로, GUI 측면에서 운용자 들은 임무 설정 화면에서 다량의 임무 목록 중 특정 임무를 탐색하여 선택하여야 하나, 페이지를 선택할 수 있는 기능 이 없어 인터페이스의 접근성이 떨어진다고 답하였다.

2.2 PUI 설계공식 개발

본 연구는 PARE 콘솔과 연관된 인체 특성을 효과적 으로 파악하기 위해 설계변수, 인체변수, 설계 대상인구, 그리고 설계 기준자세를 종합적으로 고려하여 설계공식을 개발하였다. 설계변수는 <Figure 2>와 같이 PARE 콘솔과 관련된 인간공학적 고려사항과 운용자 설문조사에서 도출 된 설계 요구사항을 고려하여 책상 너비(Desk width), 책 상 깊이(Desk depth), 책상 높이(Desk height), 그리고 본체 높이(Console height)의 네 가지가 선정되었다. 인체변수는 설계변수와 직접 접촉하거나 운용자의 작업과 관련성이 높은 항목들을 선정해야 한다는 인체측정 자료 활용지침 [23]을 준수하기 위해 인간공학 전문가들의 설계변수와 인체변수간 연관성 검토 회의를 통해 <Figure 3>과 같이 위팔사이 너비(Bideltoid breadth), 앉은 눈높이(Seated eye height), 위팔 길이(Upperarm length), 팔꿈치손끝 수평 길이 (Forearm-hand length), 오금 높이(Popliteal height), 그리고 넓적다리 두께(Thigh clearance)의 여섯 가지가 선정되었다. 설계 대상인구는 PARE 콘솔 운용자의 인구학적 특성을 고려하여 20~30대 남성으로 설정되었으며, <Table 1>과 같이 2015년 한국인 인체측정자료(n = 6,413)의 90%를 수 용할 수 있도록 5^th, 50^th, 95^th percentiles의 세 가지 대표 인체모델로 선정되었다[21]. 설계 기준자세는 VDT 작업 환경의 주요 자세에 대한 기존 문헌들을 참고하여 <Figure 4>와 같이 설정되었다[1, 2, 18]. 예를 들어, 어깨 굴곡 (Shoulder flexion)에 대한 Computer workstation 사용 추천 자세는 0~25°이고, PARE 콘솔의 설계 기준자세는 추천 범위의 중간 값인 13°로 선정되었다. 설계공식은 <Table 2>와 같이 선정된 설계 대상인구와 설계 기준자세를 기반 으로 네 가지 설계변수와 여섯 가지 인체변수 간 기하학적 관계 및 인간공학적 설계 원칙(Design for average, Design for extreme individuals, Design for adjustable range)을 고려 하여 개발되었다.

2.3 GUI 사용성 평가

본 연구는 체계적이고 효과적인 PARE 콘솔의 GUI 사 용성 평가를 위해 평가대상, 평가기준, 평가척도, 그리고 평가방법을 선정하여 정량적, 정성적 사용성 평가 정보를 획득하였다. 평가대상은 <Figure 5>와 같이 PARE 콘솔 운용자 대상 설문조사를 통해 PARE 콘솔의 화면들 중 중요도 및 사용 빈도가 높은 것으로 파악된 임무 설정과 임무 요약 GUI 화면으로 선정되었다. 임무 설정 화면에 서는 운용자가 임무 환경 변경, 임무 선택 및 실행 등의 업무를 수행하는 반면, 임무 요약 화면에서는 훈련결과 데이터 확인, 신규임무 생성 등의 업무를 수행한다. 평가 기준은 기존 연구들에서 제시된 사용성 평가기준들 중 PARE 콘솔 GUI 사용성 평가에 적합한 7가지가 선정되었 다[7, 16, 17]. PARE 콘솔 GUI 사용성 평가에 적용될 수 있는 평가기준은 사용성 평가 전문가들의 토의를 통해 선 정되었다. 선정된 7가지 사용성 평가기준은 <Table 3>에 나타낸 것과 같으며, 예를 들면 시인성(Visibility)은 문자/ 숫자 또는 심볼/코드가 주변 환경과 분리되어 식별될 수 있는 정도를, 단순성(Simplicity)은 정보 탐색 시 메뉴 구 조의 복잡한 정도를 나타낸다. 평가척도는 평가기준별 사 용성 문제점의 심각도 수준을 정량적으로 판단하기 위해 5점 Likert 척도(1점 : 매우 나쁨, 3점 : 보통, 5점 : 매우 좋음)가 활용되었으며, 설문지를 사용하여 평가기준별 사 용성 문제점과 개선방안이 수집되었다[12]. 평가방법은 GUI 의 평가기준별 사용성의 통계적 유의성 검증보다 사용성 문제점 및 개선전략을 신속히 도출하는데 초점을 맞추기 위해 휴리스틱 평가 기법을 적용하여 사용성 평가 전문가 3명(연구경력 : 4.4±1.6년)이 PARE 콘솔 GUI를 실제로 조 작해보면서 수행되었다. 휴리스틱 평가 기법은 평가 대상 GUI의 사용성 평가기준 준수 여부를 사용성 평가 전문가 의 주관적 판단으로 평가하는 방법으로[15], 소수의 사용 성 전문가만으로 약 80%정도의 GUI 사용성 문제점을 효 율적으로 식별할 수 있는 것으로 알려져 있다[14].

3. 연구 결과

3.1 개선안 설계

본 연구는 운용자들의 설계 요구사항, PUI 설계공식으 로 산출된 설계변수 수치값, GUI 사용성 평가 결과를 종 합적으로 반영하여 개선안을 설계하였다. 먼저, PARE 콘 솔의 PUI는 2단계로 구분하여 설계되었는데, 1단계 설계 에서는 기존 콘솔의 형태를 유지한 상태에서 설계공식으 로 도출된 각 세부 요소별 설계변수 수치값들을 적용하여 Prototype을 설계하였다(<Table 2> 참조). 2단계 설계에서 는 1단계 Prototype에 운용자들의 설계 요구사항을 적용 하기 위해 모니터 각도, 버튼 위치 등과 같은 형태를 변경 하고 아이소핑크 재료를 활용하여 최종 개선안을 제작하 였다. 예를 들어, PARE 콘솔의 모니터는 일렬 배치로 상 당히 이격되어 있어 운용자들이 동시 감독 및 스크린 터 치가 어려웠는데, 본체의 각도를 세 가지 모니터를 기준 으로 120°의 내각을 갖도록 변형하였고, 이에 따라 최종 책상 너비도 866mm로 수정되었다. 또한, PARE 콘솔 본 체가 높아 운용자들이 지속적으로 착석과 기립을 반복해야 조종석 방향을 관찰할 수 있었는데, 설계공식을 통해 도 출된 본체 높이에서 앉은 눈높이를 고려하여 50mm 더 감 소시켜 최종 본체 높이는 1200mm로 수정되었다. <Figure 6>은 설계된 PUI 개선안의 Top view 및 Front view를 보 여준다.

다음으로, PARE 콘솔의 GUI는 정량적, 정성적 사용성 평가 결과를 반영하여 설계되었다. 정량적 사용성 평가 결과, PARE 콘솔 GUI는 <Figure 7>과 같이 시인성과 효 율성 측면에서 사용성이 우선 개선되어야 하는 것으로 분 석되었다. 사용성 우선 개선 대상은 역서열 가중치(Rank reciprocal weights) 비율을 활용하여 비율이 15% 이상인 평가기준으로 선정하였고, 서열은 사용성 점수가 낮은 평 가기준 순으로 결정하였다. 역서열 가중치는 다기준 의사 결정 문제에서 상충되는 복수의 기준의 상대적 중요도를 산출하는 방법 중 하나이다[22]. 사용성 점수를 바탕으로 산출된 시인성과 효율성의 역서열 가중치 비율은 각각 37.4%와 18.7%정도로 나타났다. 따라서, 본 연구의 PARE 콘솔 GUI는 시인성과 효율성 측면을 중점적으로 개선하 고자 하였다. 역서열 가중치 비율의 공식은 식 (1)과 같다.

한편, 정성적 사용성 평가 결과는 운용자들의 설계 요 구사항과 평가기준별 사용성 문제점들을 해결하기 위한 전문가들의 의견들을 종합하여 PARE 콘솔 GUI의 개선 방향을 최종적으로 도출하는데 활용되었다. 예를 들어, 효율성 측면에서 임무 설정이 불편하다는 사용성 문제점 은 임무 찾기 및 정렬 기능을 추가함으로써 개선되었다. 또한, 시인성 측면에서 임무 요약 데이터 정보를 확인할 때 글자 크기가 작고 배경과의 대비가 낮아 명확히 인지 하기 어렵다는 사용성 문제점은 숫자/문자 정보의 폰트, 크기, 색상 등을 조절함으로써 개선되었다. <Figure 8>은 설계된 GUI 개선안을 보여준다.

3.2 효용성 검증

본 연구는 PARE 콘솔 설계안의 개선효과를 검증하기 위해 콘솔 운용 유경험자를 대상으로 설문지를 사용하여 평가기준별로 기존 콘솔과 개선 콘솔 간 PUI 및 GUI 사용 성 점수 차이를 통계 분석하였다. PUI 사용성 점수는 모의 비행훈련 수행을 위해 정기적으로 PARE 콘솔을 제어하는 20대 20명(운용경험 : 3.6±0.5년; 연령 : 23.5±0.7세)이 크기 및 각도 적절성 측면과 인간공학적 적절성 측면의 13가지 평가기준별 7점 척도(1점 : 매우 나쁨, 4점 : 보통, 7점 : 매우 좋음)가 적용되어 평가되었다. 한편, GUI 사용성 점 수는 PUI 평가와 동일한 평가자들을 대상으로 임무 설정 과 임무 요약 화면에 대해 평가 과업을 수행하여 객관적, 주관적으로 측정되었다. 임무 설정 화면에서는 임무 선택 및 임무 초기조건 수정 후 실행하는 평가 과업을, 임무 요 약 화면에서는 항공기 위치, 비행조건(예 : 바람, 고장 등) 설정 후 신규 임무를 생성하는 평가 과업을 수행하였다. 평가 과업 중 객관적 사용성 점수 척도로는 작업완료시간 이 측정되었고, 주관적 사용성 점수 척도로는 GUI 사용성 평가에 활용되었던 7가지 평가기준별 5점 Likert 척도(1점 : 매우 나쁨, 3점 : 보통, 5점 : 매우 좋음)가 적용되었다. 콘솔 간 사용성 점수 차이 검정에는 정규성이 성립하지 않는 경우 Wilcoxon signed-rank test를 수행해야 하나, Shapiro-Wilk 정규성 검정 결과 사용성 점수 자료가 정규 성이 성립하는 것으로 나타나 유의수준 0.05에서 paired t-test가 수행되었다.

검증 결과, 개선 콘솔 PUI는 <Table 4>와 같이 윗다리 와 아랫다리 여유공간 점수를 제외한 11가지 항목에서 전반적인 향상을 보였다. 크기 및 각도 적절성 측면에서 개선 콘솔은 기존 콘솔 대비 책상 높이, 콘솔 높이, 그리 고 모니터 각도 점수가 각각 25%, 51%, 그리고 80%정도 유의하게 향상된 것으로 나타났다. 또한, 인간공학적 적 절성 측면에서 개선 콘솔은 기존 콘솔 대비 모니터 시계 성, 조종석 시계성, 그리고 모니터 터치 도달성 점수가 각각 91%, 98%, 그리고 32%정도 유의하게 개선된 것으 로 나타났다. 한편, 개선 콘솔은 기존 콘솔 대비 책상 너 비, 책상 깊이, 키보드 도달성, 버튼 도달성, 그리고 자세 안락도 점수는 향상되었고, 윗다리와 아랫다리 여유공간 점수는 감소하였으나 유의하지는 않았다. 개선 콘솔 GUI 는 <Table 4>와 같이 작업완료시간과 주관적 만족도의 7 가지 항목에서 전반적인 향상을 보였다. 먼저, 개선 콘솔 의 작업완료시간은 기존 콘솔 대비 임무 설정과 임무 요 약 화면에서 26%와 55%정도 유의하게 감소한 것으로 나타났다. 다음으로, 개선 콘솔의 주관적 만족도는 단순 성, 효율성, 학습용이성, 오류예방성, 시인성, 일관성, 그 리고 정보제공성 점수가 각각 89%, 136%, 72%, 74%, 96%, 70%, 그리고 76%정도 유의하게 향상된 것으로 나 타났다. 특히, 사용성 우선 개선 대상이었던 시인성과 효 율성 점수는 90% 이상 개선된 것으로 나타났다.

4. 결 론

본 연구는 운용자 요구사항, 인체 특성, 그리고 인지 특성을 종합적으로 고려하여 PARE 콘솔을 인간공학적 으로 설계하였다. 콘솔 PUI 측면에서는 개발된 설계공식 으로 도출된 각 세부 요소별 설계변수 수치값들을 적용 하여 개선 콘솔을 1차 설계하고, 운용자들의 설계 요구 사항을 반영하여 2차 설계하였다. 한편, 콘솔 GUI 측면 에서는 전문가 대상 사용성 평가를 수행하여 사용성 우 선 개선 대상을 식별하고, 운용자들의 설계 요구사항과 평가기준별 전문가들의 의견들을 종합하여 개선 콘솔을 최종 설계하였다. 기존 인간공학적 UI 설계 연구들[10, 20]은 특정(예 : PUI, GUI) UI에 대해서만 중점적으로 설 계하거나, 사용자의 요구사항을 체계적으로 반영하는 것 이 미흡하였다. 따라서, 본 연구의 UI 설계 방법은 인간 공학의 이론적 개선효과와 사용자의 기능적 편의효과를 체계적으로 반영하여 작업공간을 설계하는데 기여할 수 있다.

신규 설계된 PARE 콘솔의 사용성은 전반적으로 개선 된 것으로 나타났으며, 특히 PUI 측면에서는 모니터 시 계성과 조종석 시계성이, GUI 측면에서는 효율성과 시 인성이 각각 90% 이상 개선된 것으로 파악되었다. 먼저, 모니터 시계성과 조종석 시계성은 기존 PARE 콘솔 대비 90% 이상 개선된 것으로 나타났는데, 이는 개선된 콘솔 이 인간의 머리와 시선 움직임의 최적 범위 내에서 운용 이 가능하도록 설계되었기 때문인 것으로 판단된다. 머 리 움직임의 최적 범위를 고려하였을 때 인간의 최적 수 직 시야각은 수평면으로부터 하방 15°정도까지이고, 최 적 수평 시야각은 인체 중심선으로부터 좌우 15°정도까 지인 것으로 알려져 있다[3, 19]. 한편, 효율성과 시인성 은 기존 PARE 콘솔 대비 90% 이상 향상된 것으로 나타 났는데, 이는 사용성 평가 전문가들이 개선된 콘솔을 효 율성과 시인성을 중점으로 개선하였을 뿐만 아니라, 사 용자들이 개선 콘솔을 활용하여 주요과업 수행에 필요한 정보를 탐색, 식별, 처리하는 과정이 용이하다고 판단하 였기 때문인 것으로 추정된다.

본 연구는 추후 PUI 효용성 검증 평가 시 DHS 기법 을 활용하여 평가하고, 다수의 실제 콘솔 운용자를 대상 으로 GUI 사용성 평가가 요구된다. 본 연구는 설문지를 사용하여 평가기준별 PUI 효용성 점수를 측정하였으나, JACK, RAMSIS 등과 같은 DHS 도구들을 확보하여 검 증 평가에 활용하면 다양한 인체크기를 대상으로 평가가 가능하고 평가시간, 평가비용 등을 효과적으로 절감할 수 있다. 또한, 본 연구는 전문가 3명을 대상으로 GUI 사용 성을 평가하였으나, 실질적인 사용성 문제점을 식별하기 위해서는 보다 많은 실제 콘솔 운용자들 대상의 사용성 평가가 필요하다.