農業機械化가 農産業에 미친 影響

최낙우 경북대학교 대학원 2010 국내박사

This study is to summarize the drive process and result of mechanization of korean agriculture, and to analyze how the mechanization business of korean agriculture affects agriculture. Korean government has initiated and driven the mechanization business of Korean agriculture so far, and for the form, subsidiary support and loan support was simultaneously progressed, but now the support is provided in the form of loan. The goal of mechanization of korean agriculture was achieved in fairly shorter period than advanced countries like Japan or the West. But, the mechanization of korean agriculture was also lively driven until the mid of 1990s, but after the mid of 1990s, it is the realities that the mechanization is in trouble as it is isolated from the main policies of government. The author thinks that the reason that korea can achieve the mechanization business of agriculture in this short period was domestic environment. The national economy of Korea was in difficult situation due to Korean War, and thus, korean government got to drive economic development 5 year plan for the modernization of the country. The active industrialization policy of government demanded the personnel in agricultural districts, and naturally this leads to the lack of labor in agricultural districts. Like this, the only alternative of solving the lack of labor in agricultural districts was to do agricultural work with agricultural machines. Thus, Korean government got to actively drive the mechanization business of agriculture in order to solve this problem, and as a result, this was successfully accomplished. In the process of driving the mechanization business of agriculture, there were many difficulties like long term freezing of price in the early 1980s, but if we exactly calculate the effect compared to inputted budget of governmental businesses, the mechanization business of agriculture was the most successful. The mechanization business of agriculture can have various effect on agriculture and other national industries. The effect that Korea obtained in the process of driving the mechanization business of agriculture is as follows. First, because rice-planting machine and combine replaced hard labor like rice-plating and rice-reaping, farmers could free from hard labor. Second, production quantity of agricultural product per ha could be increased 1.4 times, and labor productivity could be increased 9.6 times, and land productivity could increased 1.5 times. Third, labor time inputted in cultivating unit area could be reduced 85.3%. Fourth, people who left agricultural districts work in other industry, and thus for the period (1970~2008), 18 trillion and 500 billion won production was possible. Fifth, agricultural machines replace agricultural work and people could work in other areas, and thus the proportion of income except agriculture in 2008 could increased 13.0% point compared to that of 1970. Sixth, various agricultural goods could be cultivated, and the degree of utilizing land was enhanced. Seventh, the quality of life of farmers could be enhance. Especially, the drive of mechanization police of agriculture was achieved within rapid period, and it was systematically driven from technology development to production, distribution, after service and inspection. Thus, the example of Korea can be the best model in benchmarking in case that developing countries drive the mechanization business of agriculture. The author believe that this thesis will help much people who are interested in the mechanization business of agriculture.

TMR 플랜트용 부산물사료 발효저장 시스템 개발

우승민 경북대학교 대학원 2018 국내박사

축산․낙농 사육농가에서 부산물 사료의 효과적인 활용을 위하여 고려되어야 할 사항은 보관 및 저장에 있어 품질의 변화가 없어야 한다는 점이다. 현행 TMF사료를 사용하는 농가와 사료공장에서 부산물을 발효 및 저장하는데 사용되고 있는 벌크나 톤백 방식을 부산물사료 발효 시스템을 개발하여 균일한 품질로 안전하게 발효하여 저장하는데 있어서 본 연구에서 연구된 내용에 대한 결과는 다음과 같다. 1) 부산물 사료의 균일도, 산물밀도, 안식각, 비열등 기계적 유동학적(rheology) 특성을 분석한다. ① 기하학적 특성 조사결과 혼합부산물 사료는 여러 가지 부산물사료를 배합하였기 때문에 균등계수가 2.30∼3.29로 매우 높게 나타나 입자도의 분포가 균일하지 않는 것으로 나타났다. 이는 수분이 증가함에 따라 균등계수도 증가하는 것으로 부산물사료 혼합시에 사료의 입자 균일도는 사료의 혼합시에 사료간의 응집과 수분의 흡습 등에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. ② 물리적 특성 조사결과, 혼합부산물의 정안식각은 스테인레스일 경우 32.3∼46.6° 로 나타나, 탱크 설계 시 일반 곡물보다 각도를 더 경사지게 설계해야 되는 것으로 나타났다. 또한 동안식각은 함수율이 증가함에 따라 배출, 퇴적 시 동안식각도 증가하는 것으로 나타났으며 이는 수분이 사료를 점착시키는 점착력의 영향인 것으로 판단되었다. 사료의 투입보다 배출 시에 각도가 매우 크므로 탱크나 호퍼 설계 시 여유를 두고 설계해야 되는 것으로 판단되었다. ③ 유동학적(rheology) 특성 조사결과 부착력은 수분이 높은 재료가 혼입이 됨으로써 부착력은 증가하는 추세를 보이고 있는 것으로 나타났다. 이는 수분이 높은 부산물 사료 이송 시에 탱크 벽면에 부착되기 때문이며 이러한 점을 고려하여 최대한 내벽에 매끈한 재질이거나, 되도록 평면적인설계가 이루어져야 할 것으로 판단되었다. ④ 열전도계수 조사결과 수분이 높은 재료는 열전도계수가 높게 나타났으며, 수분이 낮은 재료는 열전도계수가 낮게 나타나, 혼합부산물의 경우 열전도계수는 0.1244∼0.2774W/m·K 의 범위로 나타났다. 이는 탱크 설계 시 부산물사료가 외기 기온에 영향을 받는 것을 나타내며, 단열의 필요성이 제시되었다. ⑤ 비열의 조사결과 수분이 높을수록 비열은 반비례적인 특성을 있는 것으로 나타났다. 혼합부산물의 경우 비열은 307.8∼594.3J/g·℃ 의 범위로 나타났다. 이를 활용하여 탱크 설계 시 가열기의 열량 산정에 이용할 수 있을 것으로 판단되었다. 2) 다구찌(Taguchi) 기법을 활용하여 온도, 함수율, 밀도, 발효기간에 따른 최적의 발효조건을 구명한다. ① 소규모 밀폐용기를 활용한 부산물사료 발효실험의 품질분석결과 구명된 최적의 발효조건은 온도 20℃, 함수율 50%, 밀도 0.6kg/㎥ 발효기간 96시간으로 분석되었다. ② 제어인자의 수준별 SN(Signal to Noise)비 산출에 의한 교호작용을 고려하지 않은 영향력 분석결과 온도 > 밀도 > 함수율 > 발효기간 순으로 나타나 부산물 사료의 발효조건 중 온도가 발효에 미치는 영향이 가장 크며 수준별 제어가 가장 어려울 것으로 분석된다. 이에 발효탱크 보온시스템의 보완적인 설계와 함께 발효탱크 전처리 단계로 함수율을 조절하는 프리믹스 배합과정에서 부산물사료를 가온 시킬 수 있는 장치의 추가적인 설계가 필요한 것으로 판단된다. ③ 재연성 실험결과 pH 온도 곡선은 36시간이 지난 지점에서 급격하던 기울기가 완만히 수렴하다가 84 시간 지점에서 안정화 되어 36 시간이 지나는 지점에서 급격하던 부산물의 발효가 끝나고 안정기로 접어드는 것으로 분석되었으며, 시료에서 분석된 발효 품질점수는 82점으로 우수하게 나타나 부산물사료는 최소 3일의 발효기간이 필요한 것으로 분석되었다. 3) 예비실험 및 데이터 수집을 통하여 몇 개의 독립된 공정모델을 개발하고 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 개발된 공정모델의 단위기계 용량 및 적합성을 검증한다. ① 시뮬레이션을 위한 각 공정별 소요시간은 연속공정에 따라 430분에 전처리 공정이 완료되며 이후 발효에 4320분 배출공정에 300분이 소요되어 총 5050분의 시간에 1기의 시스템의 공정이 완료되며 7930분에 3기의 발효탱크로 구성된 전체의 시스템 모델의 공정이 완료된다. ② 시뮬레이션을 통한 단위기계의 최적 가동률을 고려한 용량산정 결과 배합기는 8.5ton/h 용량에서 가동률 99%, 스팀 살균기 17.7ton/h 용량에서 가동률 93% 수분조절 압착기 89Ton/h 용량에서 89%로 분석되었으며, 차량적재 장치는 용량 12.8ton/h, 포장장치는 용량 2.67ton/h에서 각각 83.3%와 100%의 가동률로 분석되어 최적의 단위기계 가동률의 산정에 따른 기계용량 선정이라 판단된다. ③ 혼합사료의 투입은 시뮬레이션 프로그램인 Arena의 입력분석 결과 Erlang 분포 5.05+ERLA(0.055,4) 나타났으며, 이를 바탕으로 대한민국 화성시에 위치한 낙농 TMR 에서의 재현성실험 결과 시뮬레이션의 분석값과 현장 실증값의 평균제곱오차와 표준편차가 5%의 범위내에 있어 그 유의성이 높은 것으로 분석되었다. 4) 공정 모델의 배치도를 바탕으로 소요기계의 제원을 결정하여 단위기계를 제작하며, 발효저장조의 실시간 내부환경(온도, pH, , 압력)을 모니터링 하며 3가지 릴레이를 통한 원격제어를 할 수 있는 통합관리 시스템을 구축한다. ① 혼합사료 발효저장 탱크의 용량은 1일 50ton 기준의 사료공장 규모에 맞춰 60ton으로 설정하였으며 3일간의 발효기간에 따라 3기를 설치하였다. 발효저장 탱크의 구조는 원통형으로 직경에 따른 높이 비 에서 오는 플러그형 흐름으로 안정되게 제작하였으며 점성을 가진 부산물이 측면에 부착되지 않도록 2°의 경사를 주었다. ② 성능평가의 공시재료는 부산물 사료와 농후사료 조사료를 혼합하여 사용하였으며 단위기계의 처리능력은 투입(버켓엘리베이터)에 평균 36,783kg/h 배출(스위프오거)에 14,756kg/h의 성능으로 분석되었다. ③ 혼합사료의 균일도는 배합기 배출구 3개 지점에서의 평균 9.25%및 포장기 배출구 3개 지점의 평균 10.32%로 농업공학연구소에서 권장하고 있는 배합변이계수 30% 미만의 안정성을 띄는 것으로 분석되었고, 재분리성 또한 1.07%로 낮게 분석되었다. 발효공정의 제어온도는 탱크측면 3개소에 설치된 온도센서를 통하여 48시간 데이터로거로 수집된 평균이 27.58℃로 워터자켓의 구동으로 발효에 가장 적합한 25∼30℃내의 안정된 온도를 유지하는 것으로 나타났다. 5) 개발된 부산물 발효 저장 시스템의 경제성을 분석한다. ① 개발 모델 시스템을 투자비용과 이용비용으로 나누어 경제성 분석을 실시한 결과 투자비용은 부산물 발효저장시스템 3세트 기준 12.7억원으로 나타났다. ② 경제성 분석결과 개발된 모델 시스템의 연간 고정비는 약 1.1억원/년으로 나타났으며, 고정비와 변동비를 합한 연간 이용비용은 66.6억원/년으로 나타나 관행 이용비용 80.1억원/년 보다 13.5억원/년 절감 되는 것으로 분석되었고, 발효저장조의 내구연한을 20∼30년으로 설정하였을 때 연간 이용료에 따른 손익분기점은 11개월로 분석되었다. 이상과 같이 본 연구에서 개발된 부산물 사료 발효저장 시스템은 국내 TMR 플랜트 공장에 적용할 수 있다고 판단된다. Feed accounts for a large percentage of livestock production expense. The cost of feed has been rising due to increased grain demand from rise in income of developing countries and climate change. Studies are being conducted in utilizing food and agriculture by-products as feed source. However, most by-products contain high moisture content between 60 and 80%. These organic by-products can acidify, deteriorate, or decay due to high nutrient contents (e.g. protein) during storage. Most farms produce feed using anaerobic fermentation process for several days utilizing ton bags and other methods. However, this consumes a lot of man hours and the quality is inconsistent due to difficulties in controlling temperature and identifying an appropriate fermentation period. The aim of this study was to develop a by-product feed fermentation and storage system to safely produce and store a consistent feed by identifying the optimal fermentation conditions based on the Taguchi technique; analyze mechanical and rheological characteristics; develop several independent process models; establish an integrated management system which can control the system remotely using three relays; and analyze the economic feasibility of the developed by-product feed fermentation and storage system. Findings in this study are as follows: 1. The results of mechanical and rheology properties of mixed by-product were high uniformity coefficient at 2.30-3.29. Due to the static angle of repose of the material, the slope of the tank needs to be steeper than that for grains. The results of rheology properties examination show that a material with high moisture content stuck more to the tank. 2. Fermentation experiment using a small container for quality evaluation showed optimal fermentation conditions were 20℃, the moisture content of 50%, density of 0.6kg/㎥, and a fermentation period of 96 hours. In the repeatability experiment, pH, temperature, and CO2 curves increased rapidly for 36 hours and converged gently after 36 hours. They stabilized at 84 hours. The results show that the fermentation of by-product ended around 36hours and entered the steady phase. Simulations to ascertain continuity showed 5,050 minutes to complete the system of one unit. The model has three units and it took 7,930 minutes to complete the entire system. 3. The estimation of production capacity logged the operation rate of the mixer was 99% at 8.5ton/h, steam sterilizer, 93% at 17.7ton/h, and moisture control press was 89% at 89ton/h. It was evaluated that the operation rate of the vehicle loading device and that of packaging device were 83.3 and 100% at 12.8 and 2.67ton/h, respectively. Arena simulation results showed an Erlang distribution of 5.05+ERLA (0.055,4). Three tanks were installed to manufacture 50 tons of feed daily. 4. The uniformity of the mixed feeds was analyzed to be 9.25% and 10.32% at the three outlets of the mixer and packer respectively. This is less than the recommendation by Agricultural Engineering Research Institute. Re-separation had a low of 1.07%. The temperature control of the fermentation process was 27.58℃ indicating a stable temperature range between 25 and 30℃ due to the water jacket. 5. An economic feasibility analysis was conducted by dividing the developed model into the investment cost and utilization cost. The analysis showed 1,270,097 (1000 KRW) based on three sets of the by-product fermentation and storage system. The annual total cost was 115,337 (1000 KRW) per year. A saving of 1,350,700 (1000 KRW) is achievable from this system. This is cheaper than the conventional utilization cost. When the lifespan of the fermentation and storage tank was set between 20 and 30 years, the break-even point to the annual usage fee was 11 months.

양파수확 기계화를 위한 줄기절단기계 개발에 관한 연구

이승윤 慶尙大學校 2016 국내박사

Onion is an important agricultural product influencing Koreans’ dietary life because of its effectiveness on prevention of various adult diseases. However, onion cultivation mostly depends on human labor except for plowing and harrowing, pest control, and row covering that are mechanized. Mechanization of its cultivation is required because of scale improvement, reduction in production coast, and increase in price competitiveness. Raising of seedling, transplanting, and harvesting occupy highest share of labor input time by work process for domestic onion cultivation. The labor charge in production cost was 53.5% in 1991, 53.8% in 1993, and 55.7% in 1995 but still has a higher percentage. In harvesting work, stem cutting has 30%, digging 60%, and collecting 10%; stem cutting work requires 27.6 hr/10a among the entire labor input time. In particular, 80% of the harvesting work depends on human labor and the labor productivity has been significantly declined due to aging of agricultural labor. The phenomenon is similar to that of the entire agricultural structure, but causes a serious problem in onion cultivation because onion cultivation requires concentrated labor in transplanting and harvesting as in rice farming. In Korean southern areas as main cultivation area of onion, it is difficult to harvest onion by increase of demand for labor simultaneously because the farmers should perform rice transplantation between the beginning and the middle of June immediately after onion harvesting. Digging and collection for onion cultivation has been partially mechanized, but there are few researches about stem cutters. No machine has been developed for stem cutting on the case of vinyl mulching cultivation. Mechanization of onion cultivation is essential to increase competitiveness of farms of onion cultivation. In order to mechanize stem cutting and vinyl removal that occupy 32.6 hr/10a of labor in harvesting work, in this study, the characteristics of onion cultivation in main cultivation area were investigated and analyzed and a machine for onion stem cutting based on the results of basic tests needed for designing was developed. The performance of the machine to estimate its work performance was tested and the results are as follows. 1. Status of farmhouses and decision of the onion stem cutting point The average labour hours required for each process in onion cultivation was about 23.2 h/10a. Most of the farmhouses should harvest onion rapidly not only because personal expenses should be cut down but because they should perform rice transplantation as succeeding double-cropping immediately after the onion harvest in June, a reason that requires development of onion stem cutter. The operating width of the stem cutter was determined to be 1,000 mm for the integrated system of onion cultivation mechanization. Reciprocal cutting blades for combine whose cutting plane is similar to a sickle, a traditional tool for stem cutting, was determined to be a cutting blade. The onion stem cutting point which is the distance between the cutting point and the ground, was determined to be 70 mm by considering the decomposition rate during the onion storage after harvest depending on the cutting point. 2. Basic test The vinyl tensile force of the low-density polyethylene film used for agricultural mulching vinyl is reduced down to 90% of the original force. vinly collecting process was difficult because the vinly was easily torn. According to the preliminary test, the vinyl with the tensile force of 27.99 N, which is hardly tearing in its removal process, might be appropriate in onion cultivation. When the water content in onion was 96%, the average resistance for stem cutting was 3.39 N; the cutting resistance become less with the moisture content in onion becoming higher and the stem cutting distance becoming longer. Also, the cutting resistance was lowest at the condition of the blade scope of 30° and the blade angle of 20° among variation levels for parameter effects test . The blade scope and angle for the prototype of this study was decided as 33° and 22°, respectively. Those are the same values of the combine in the domestic market, because the dimension values of the blade by the parameter effects test are very similar to those of the combine and the cost for making the new blades are considered. By the analyses of forward resistance test in soil depending on guide angle, the average resistance was about 2.26 N when the guide angle was 40°, which is less than that of 45° or 50°. Therefore, the guide angle was selected to be 40° considering the length of the guide becoming longer and the length of the onion stem cutter becoming longer with the guide angle becoming less. 3. Development of prototype onion stem cutter For the mechanization of onion stem cutting, the first, second, third, and fourth prototypes of onion stem cutting equipment were designed, manufactured, and tested on the field. The first and the second prototype were walking-type. The third and the forth prototype were riding-type(attached to rice planter). The results of the tests showed that the average working speed and the field working efficiency for the walking-type are 0.2 m/s and 8.5 a/h, respectively. Those for the riding-type rice planter were 0.5 m/s and 21.3 a/h. Those for the riding-type attached to tractor were 0.2 m/s and 6.9 a/h on the condition of 1,300 mm of working width. The operating time of onion stem cutters may be different depending on conditions of working. The arable land under burden calculated in order to use the cutters efficiently was 10.6 ha for the walking type, 26.5 ha for the riding type (rice planter), and 8.7 ha for the riding type (tractor) when the conditions of 74% of field working efficiency, 72% of real working time ratio, 60.6% of ratio of possible working days, 8 hours of daily working, and 30 days of possible working were applied. The riding type (rice planter) was superior in working efficiency and the area of working process, but the percentage of the damaged onions was highest (12 to 15%). The damage rate by the guide became increased as the working speed became increased; further studies may be needed to reduce the damage rate for mechanization of onion cultivation. The onion stem cutter attached to tractor can conduct the cutting process with the working speed of 0.2 m/s and the working area of 690 ㎡/h for the stem cutting height of 70 mm and vinyl discharging process simultaneously. According to the surveys, the labour hours for the conventional, the manual working required for removing vinyl and stem cutting was averagely 32.6 hr/10a for the main production area of Korea. The labour hours required for working with the onion stem cutter attached to tractor in this study was 14.4 hr/10a. Therefore, the labor reduction may be estimated to be about 60%. 양파는 매년 재배면적과 생산량이 증가되고 있으며 농가 소득을 증대시키는 중요한 위치를 차지하고 있으며, 각종 성인병 예방에 효과가 인정되어 국민 식생활에도 큰 영향을 미칠 만큼 중요한 작물이다. 그러나 양파재배의 기계화작업은 경운정지, 방제, 휴립피복 등을 제외하고는 대부분 인력에 의존하고 있는 실정으로 규모화와 생산비 절감, 가격 경쟁력 제고를 위한 기계화는 절실하다. 국내의 양파재배 작업별 노동투하시간은 파종, 정식 및 수확작업의 비중이 가장 높으며, 생산비에서 노력비는 ’91년 53.5%, ’93년 53.8%, ’95년 55.7% 이며 최근 2000년이후 경운정지 작업기계의 보급 확대로 점차적으로 감소하고 있지만 여전히 많은 비중을 차지한다. 수확작업에서는 줄기절단 30%, 굴취 60%, 수집 10%의 비율로 전체 노동 투하시간 중 줄기절단에는 20.7 hr/10a 소요된다. 특히 수확작업은 76%가 인력에 의존하고 있고 농촌 노동력의 노령화로 노동 생산성이 많이 떨어지고 있는 실정이다. 이러한 현상은 전체 농업구조와 동일한 현상이지만, 특히 양파재배는 벼농사와 마찬가지로 정식과 수확시기에 노동력이 집중되므로 심각한 문제를 초래하고 있다. 더욱이 양파 주생산지인 남부지방에서는 논에서 재배할 경우 수확 후 곧바로 묘 이앙이 6월초에서 중순경으로 이어지므로 동시 다발적으로 노동력 수요 증가로 수확에 많은 어려움을 겪고 있다. 굴취 및 수집의 기계화는 진행되고 있으나 줄기절단기계의 연구는 저조하며, 비닐 멀칭 상태에서의 줄기절단기계는 없다. 양파재배농가의 경쟁력을 제고할 수 있는 것은 양파재배기계화가 필수이며, 수확작업에서 노동력이 32.6 hr/10a가 소요되는 줄기절단과 비닐제거 작업의 기계화를 위하여 본 연구는 양파재배 주산지를 중심으로 특성을 조사 분석하고 설계에 필요한 기초 시험에 의한 구명 결과를 바탕으로 양파줄기절단기계를 개발하여 그 성능을 시험 분석하고 작업 성능을 평가하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 문헌 및 농가현황조사 양파재배의 단계별 소요시간을 조사한 결과 양파수확에 소요되는 시간은 평균 23.2 hr/10a이였으며, 농가의 대부분은 양파 수확 후 후작으로 바로 벼 이앙작업을 하는 시기이므로 수확작업이 빠르게 이루어져야 되기 때문에 양파줄기절단기계의 개발이 꼭 필요한 것으로 나타났다. 양파줄기절단기계의 작업폭은 양파재배기계화 일관화 구축을 위해 1,000 mm로 결정하였으며, 절단칼날은 관행작업 도구인 낫과 절단면이 유사한 콤바인용 왕복식 칼날로 결정하였다. 줄기절단 높이는 길이가 길어질수록 부패 발생률이 4.4% 줄어드는 것으로 조사되었으나 망작업과 유통의 문제로 70 mm로 한정하였다 2. 기초시험 농업용 멀칭비닐로 사용하는 저밀도 폴리에틸렌 필름은 양파재배 기간에 비닐이 부식되어 비닐인장력이 원재료의 90%수준으로 저하되므로 비닐 제거시 찢어짐이 생겨서 비닐수거에 애로사항이 있었다. 따라서 양파재배 농가에서는 비닐 찢어짐이 거의 없는 27.99 N의 비닐을 사용하여 재배하는 것이 적합한 것으로 판단된다. 수분함유량이 96%일 때 줄기절단높이의 평균 저항은 3.39 N으로 수분이 많을수록, 줄기절단 높이가 길수록 절단저항은 작게 나타났다. 절단칼날은 칼날 기움각 30°, 칼날 각도 20°에서 절단 저항력이 가장 작게 나타났으나, 시작기는 콤바인용 왕복식 예취칼날로 사용되는 칼날 기움각 33°, 칼날 각도 22°의 제품을 적용하는 것이 시작기 개발 비용 절약 면에서 적정할 것으로 판단되었다. 가이드의 토양내 전진저항에서 가이드 각도 40°일때 평균저항은 2.26 N으로 가이드 각도 45°와 50°보다 작았으나, 가이드 각도가 작아지면 가이드의 길이가 길어지게 되어 양파줄기절단기계의 외형이 길어지고 운전 조작성이 불리함 등을 고려하여 40°가 적정할 것으로 판단된다. 3. 양파줄기절단기계 시작기 개발 양파줄기절단기계화의 가능성에 대한 시험을 위하여 1차 및 2차 시작기는 보행형이었으며, 3차 및 4차 시작기는 승용형으로 제작하여 포장시험을 한 결과 보행관리기 부착형 시작기는 작업속도 0.2 m/s에서 줄기 절단율 72%로 다소 낮았고, 양파 구 손상율은 10∼12%로 다소 많이 손상되었다. 승용이앙기 부착형 시작기는 작업속도 0.2 m/s에서 줄기 절단율 81%, 양파 구 손상율 8∼10%로 보행형 보다는 다소 안정된 작업 상태를 유지 할 수 있었다. 가이드유인 방식의 트랙터 부착형 시작기에는 가이드를 4개 부착하였으며, 작업속도 0.2 m/s에서 줄기절단율 91%, 양파 구 손상율 6∼9%로 나타났다. 또한 작업속도 0.13 m/s에서는 절단율은 높고 손상율은 낮았다. 유효작업능률은 보행관리기 부착형에서 평균 작업속도 0.2 m/s일 때, 시간당 8.5 a이고, 승용이앙기 부착형은 평균 작업속도 0.5 m/s일 때 시간당 21.3 a이며, 트랙터 부착형은 평균 작업속도 0.2 m/s일 때, 작업폭 1,300 mm에서 시간당 6.9 a로 나타났다. 양파줄기절단은 작업 여건에 따라 양파줄기절단기계의 사용시간이 다르게 되므로 양파줄기절단기계를 효율적으로 활용하기 위하여 산출하는 부담면적은 포장작업효율 74%, 실 작업시간율 72%, 작업가능일수율 60.6%, 1일 작업시간 8시간, 작업가능일 수 30일을 적용하여 산출한 결과 보행관리기 부착형에서10.6 ha, 승용이앙기 부착형에서 26.5 ha, 트랙터 부착형에서 8.7 ha로 나타났다. 비닐상부 유인방식의 보행관리기 부착형과 승용이앙기 부착형 시작기 작업효율 및 부담면적을 산출한 결과는 우수하였으나, 가이드 유인방식의 트랙터 부착형 시작기에 비하여 양파의 손상율이 높고, 줄기 절단율은 낮았다. 트랙터 부착형 시작기는 0.2 m/s 작업속도로 양파줄기 70 mm 내외의 높이로 절단과 동시에 비닐 배출이 가능하며, 시간당 690 ㎡의 작업을 할 수 있다. 기존의 보고 자료를 토대로 평가할 때 비닐제거와 줄기절단에 소요되는 인력 작업은 32.6 hr/10a(주산지 평균)이었고, 트랙터 부착형 시작기로 작업시에는 14.4 hr/10a로 나타났으므로 약 60% 노동력 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서 실용화를 위한 양파줄기절단기계는 비닐을 가이드에 의해 걷어 올리면서 양파줄기를 절단하고 멀칭비닐은 후방으로 배출하는 트랙터 부착작업기의 형태가 작업성능이나 작업 환경측면에서 적합한 것으로 판단된다.

산업용 유압 퀵 커플러의 누유저감을 위한 설계

이욱진 경북대학교 대학원 2016 국내석사

Hydraulic power lines of agricultural and industrial machinery are frequently connected and disconnected to change their attachments and equipments using various types of quick couplers. Spillage occurs during the disconnection and connection of a conventional poppet type of quick coupler, resulting in possible pollution of fields. Therefore, the hydraulic couplers need to have the function to prevent the spillage when disconnecting hydraulic lines. The objective of this study was to develop an improved hydraulic quick coupler of flush face type for reduced leakage during disconnection by comparing with the spillage of a conventional poppet type of quick coupler. According to the ISO standards (7241-2 and 16028), the spillage test, the pressure drop test, the air inclusion test, the impulse test and the burst test were conducted to compare the performance of for the conventional poppet coupler and the designed flush face coupler. The spillage of the designed flush face coupler decreased up to 1/10 comparing with the conventional poppet coupler. The pressure drop due to the internal resistance of the flush face coupler was 30% less than that of the conventional poppet type coupler. The air inclusion of the designed flush face coupler was also reduced to 1/10 comparing with the conventional poppet coupler, similar to the results of spillage. In the impulse and burst tests, the both types of couplers satisfied the basic creteria. Therefore, this study proved that the flush face type of hydraulic quick coupler was improved in the spillage and pressure drop, comparing with the conventional quick coupler of poppet type. 농업기계 및 산업기계 작업에서 그 작업종류에 따라 유압으로 구동되는 작업 기계를 탈·부착하여 작업을 수행하므로 유압 호스관의 연결과 분리가 빈번하게 된다. 따라서 유압커플러는 유압라인을 쉽게 연결·분리시킬 수 있어야 한다. 또한 라인의 분리 시에는 유압유의 누설을 차단시키는 기능을 가질 필요가 있다. 유압커플러의 시장규모는 국내 연간 트랙터 내수 및 수출 생산 대 수는 약 41,000 대 이므로 트랙터에 사용되는 커플러의 비용은 33 억 원에 달하며(41,000 대×10 개/대 × 8,000 원) 기타 액세서리의 비용으로는 60 억 원 정도이므로. 국내시장규모는 약 93 억 원으로 추산된다. 국외의 경우 중국이 2010년에 360억 원(트랙터 150 만 대×3 개 / 대×8,000 원)으로, 세계시장의 규모는 30개국에서 1 조 800억 원 정도로 추산 된다. 유압 시스템은 소형 장비로서 대출력 작업의 장점을 가지므로 농업기계, 건설 중장비, 산업기계, 공작기계 등 적용 분야가 지속적으로 확산되고 있다. 현재 우리나라 농촌에서도 트랙터, 콤바인과 같은 대형 농기계가 급속하게 보급되고 있다. 유압 커플러는 쉬운 연결·분리 구조여야 하므로 퀵 커플러 형태의 설계를 요구한다. 이러한 유압시스템과 함께 사용되는 유압 퀵 커플러는 누설을 저감하여 누유에 의한 환경오염을 방지 해야만 한다. 따라서 분리된 경우에도 높은 기밀성이 요구되므로 이에 적합한 내부 구조를 가져야 하고, 동시에 내부의 요소들이 유동을 방해하지 않아 압력강하가 최소화 되어야 한다.

양돈용 발효 TMR 사료 생산시스템의 모델 개발

우승민 경북대학교 대학원 2015 국내석사

본 연구에서는 양돈용 발효 TMR 사료생산 시스템 모델개발을 위하여 이용형테별로 공장용, 공동농가용, 단독농가용으로 세분하여 소요되는 기계형식 선정, 작업공정 설계를 통한 배치도(Lay-out) 설계의 순서로 모델을 개발하였고, 개발 모델을 배치하여 공정작업시간으로 비교하는 예비실험을 하였다 또한 공정별 주요 단위기계의 가동률, 처리시간, 정체시간을 시뮬레이션을 통하여 이론적으로 분석하고, 경제성분석을 위하여 개발모델의 소요비용을 투자비용과 이용비용으로 나누어 분석하여 손익분기점을 확인 하였다 Currently, there was no producing system of TMR for pig feeding in Korea. In this study, An automatic TMR feeding system was developed for this study because the conventional feeder cannot deliver the TMR containing roughage.n order to develop a total mixed ration TMR production system for pig farming, this study selected the machine form, designed the work process, determined the volume and size of the required machine and performed simulations.In addition, this study analyzed the economic efficiency of the conventional feed purchase model and the developed model after analyzing the working properties by installing the system.

총각무 가공기계 개발에 관한 연구

강동현 慶尙大學校 2006 국내박사

It is estimated that the amount yield of the radishes are about 1710 kilo-tons in 2005, and about 330 kilo-tons of these are the Chonggag radish which cultivated up to 1,500~2,000 ha on a nation wide, in Korea. Amount of the Chonggag radish kimchi productions processed at about 60 manufactures are reached as much as 8.5% of the amount of the kimchi output in nation, and the Chonggag radishes are processed 900 tons per day and 165 kilo-tons per year with various kimchi. The working processes of the Chonggag radish for kimchi are achieved by such processes as grading, trimming leaves, peeling radishes, cutting leaves and root tail and washing. Of these processes, the most difficult one is the peeling process. But the mechanizations on this process are insufficient and, therefore, mechanization techniques for automatic operation are not established yet. These were caused by the shapes that the Chonggag radishes are irregular and smaller than common ones, and by some difficulties, as the characteristics of the Chonggag radish kimchi, that the peeling should be succeeded without damaging to radish leaves at peeling process. On this study, for the purpose of a developing a processing machine and line that feasible to manufacturing of Chonggag radish kimchi production, the dimensions and physical properties of the Chonggag radish were surveyed, the shapes of the cutting blades for each devices were verified, and processing machineries were assembled, respectively. Their automatic sequenced line was developed after experiments such as radish leaves and root tail cutting devices and peeling device. The results of this study were abstracted as follows; 1. As the surveyed results of physical properties of the Chonggag radish, (1) The dimensions of the Pyeonggang radishes on average were appeared as; radish root length as 102.4 mm, head part diameter as 49.8 mm, mid part diameter as 51.9 mm, bottom part diameter as 50.3 mm, and number of leaves were 9.9. And in case of the Sachul radishes were showed as; radish body length as 94.3 mm, head part diameter as 33.2 mm, mid part diameter as 29.9 mm and bottom part diameter as 48.2 mm, and number of leaves were 8.7, respectively. (2) On the compressive strengths, for the Pyeonggang radishes, vertical compressive strengths were ranged 83.8~171.7 N/㎠ and horizontal compressive strengths were distributed 113.0~191.7 N/㎠. And for Sachul radishes, the vertical compressive strengths were ranged 91.3~168.3 N/㎠ and horizontal compressive strengths were distributed 132.6~186.9 N/㎠. (3) The shearing strength of the connected part of the Pyeonggang radishes was 100.6 N, and that of the Sachul radishes was 103.1 N on average. (4) The maximum surface hardness of the Pyeonggang radishes was 52.1 N/㎠ and that of the Sachul radishes was 67.8 N/㎠ on average, at the depth of 1~2 mm on both kinds of radishes. (5) The torsional moment to remove leaves on radish were ranged 17.5~18.0 N․㎝/㎠ at rotational speed was 7 rpm and 8 rpm, and this torsional moment was decreased rapidly to 6.9~12.4 N․㎝/㎠ from 5 days after harvest. 2. The optimal conditions of the blades to minimize the cutting resistance of leaves and root tail were brought out as the blade angle at 25° and 20°, the shear angle at 40° and 30°, and the cutting speed at 0.5 m/s and 0.5m/s, respectively. 3. To investigate the optimum shapes of the peeling blades for the mechanization of the peeling works, the circumferential and longitudinal peeling tests of the Chonggag radish were conducted. The peeling tests were carried out with the peeling depth and width of the blade at 2 mm and 10 mm, respectively. (1) Among the blade factors at the circumferential and longitudinal peeling tests, the effects of the shape of the blades to the peeling resistances were displayed higher than those of the peeling speeds and the effects of the rake angles of the blades were higher than those of the blade angles. (2) The peeling resistances on the longitudinal peeling were lower than those of the circumferential peeling and, in that case, peeled surfaces were processed cleanly. At the longitudinal peeling, plane type peelings was fitter than the groove type peelings for mechanization. (3) The peeling of the Chonggag radishes were performed on longitudinal and plane type; the optimum peeling conditions of these case were the peeling speed of 0.2 m/s, blade angle of 20° and the rake angle of 60°, and the peeling resistance of each blade showed as 15 N at these conditions. (4) The peeling resistances according to the lapse days after harvest were exhibited as gradual increase to the stored days, and the freshness of the Chonggag radishes were maintained within 4 days after harvest, the peeling operation, therefore, could be established in these duration. 4. The optimum conditions of the blades for peeling device were showed as the blade groove clearance of 3.3 mm at blade angle of 20°, the clearance angle of 0° and the peeling depth of 1.5 mm, respectively. These results showed identical dimensions of the usual manual peeling tools in the market. The peeling blade, therefore, was selected among common peeling tools. 5. The initial candidates to develop a practical peeling machinery were blade belt, brush, and rotating blade type of peeling device. The performance results of these candidates are as summarized below; (1) The peeling works of the blade belt and brush type of peeling device were not established so well due to the troubles derived from adhesion of the chip on the blades and the difficulties of producing the blade parts for these types of the peeling device. (2) The peeling operations of the rotating blade type peeling device were completed without needs to cleaning, and it was considered that it would be possible to practical mechanization for it's construction was simpler than the other methods. 6. The Chonggag radish processing machine that applied the peeling device modified by the rotating blade type peeling device, and composed by radish leaves cutting device, radish root tail cutting device, transferring device, and automatically controlled device on PLC automation program was developed as a prototype. 7. The prototype processing machine could be operate the leaves cutting, root tails cutting and radish peeling at the operating efficiency 9 sec. per a radish, i.e. the operating efficiency of 128 ㎏/h. The rate of successful peeling was 98%, and the other operations were conducted perfectly. This performance means as much as 5 times faster working speed than that of a man. 8. It was concluded that sanitation and taste of the mechanized-processed Chonggag radishes kimchi were almost same as that of the handmade one. The results indicates that they were suitable for manufactory of kimchi as the both short term ripening and storing kimchi.

돼지갈비 및 닭고기 자동절단 기계 개발

김영진 경북대학교 대학원 2017 국내박사

Typical one of the people eat meat consumption pork ribs and chicken meat is livestock production and consumption of the constantly increasing. However, the processing methods or procedures are realistically insufficient. cut the pork ribs and chicken together by hand, processors and restaurants in supply but poor working conditions. The operator safety and being exposed to the risk of accidents. Manual work force is a long time to refuse to work on, and job security is a difficult situation. So the main objective of this study was to develop a pork ribs and chicken cutting machine which is suitable for domestic circumstances.

RF 센서를 이용한 Pichia pastoris 생장 모니터링 방법 개발

한규강 전북대학교 일반대학원 2013 국내석사

본 논문에서는 RF 센서를 이용하여 대상체의 발효공정에서 발효 시간에 따른 전기적 특성의 변화를 구명하여 물성 예측 가능성을 검토하였다. 각 실험의 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 연구에서 활용하기 위해 주파수 특성 측정시스템을 network analyzer, digital multimeter, 항온수조, computer, RF 센서로 구성하였다. 2. 40, 90, 120, 145 MHz RF 센서에서 소금 수용액의 공진주파수에 대한 반사 계수 magnitude 차와 magnitude 중간값은 90MHz에서 가장 차가 크다. 설탕, sucrose 수용액은 RF 센서의 전기적 신호 변화가 없어 구별이 불가능하였다. 또한, 145 MHz이상의 주파수에서는 수용액의 농도를 구별할 수 없을 것이라고 판단된다. 3. YPD broth의 구성 성분 중 peptone이 YPD broth의 전기적 성질에 가장 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다. YPD broth와 Pichia pastoris colony 1-4의 공진주파수는 모두 동일하다. 본 실험에서 사용된 미생물 Pichia pastoris colony의 수가 증가함에 따라 전기적 신호는 선형관계를 보였으며, Pichia pastoris colony의 수가 3에서 4로 증가한 경우의 전기적 신호는 변화하지 않았다. 반사계수의 페이저각의 선형 방정식은 y=8.8054x-50.518로 나왔으며, R2=0.9672로 나왔다. 반면에 impedance의 magnitude는 Pichia pastoris colony의 수가 1에서 4까지 거의 차이가 없어 변화를 파악하기 어려울 것으로 보인다. 배양 중 미생물의 수를 측정할 수 있는 범위가 존재함을 알 수 있었다. 4. 공진주파수는 YPD broth에서 YPD broth와 Pichia pastoris간의 발효 3, 7, 12, 17시간 점점 내려가는 모습을 보여준다. 또한 반사계수의 페이저 각과 impedance의 magnitude는 공진주파수 그래프와 반대의 모습을 보여주고 있다. 반사계수와 VSWR의 magnitude는 3시간부터 12시간까지 점점 내려가다 17시간 후에는 다시 올라가는 동일한 그래프의 모습을 보여주고 있다. 공진주파수와 reflectance coefficient, VSWR의 magnitude간의 그래프에서 발효 3-12시간 구간에서 공진주파수와 반사계수의 magnitude가 작아지고 발효 17시간에서 공진주파수는 작아진다. 공진주파수와 임피던스의 magnitude간의 그래프에서 Pichia pastoris 발효 3-17시간까지 공진주파수는 낮아지지만 임피던스의 magnitude는 점점 커지는 선형그래프를 가진다는 것을 알 수 있었다.

두둑 추종형 자율주행 전동 채소정식기 개발

한철우 경상대학교 대학원 2019 국내박사

According to a survey by the National Statistical Office, the population of farming areas in the country decreased by about 38 percent from 2000 to 2015, and the proportion of elderly people aged 60 or older has increased by about 17 percent. Decreasing population in agricultural areas and increasing proportion of senior citizens lead to a decrease in the working population and agricultural labor force in rural areas, which contributes to the problem of declining agricultural productivity. The Rural Development Administration and others tried to solve the problem of declining agricultural productivity by actively utilizing farming machines. As a result of these efforts, the mechanization rate of rice paddies was 98%, which is successful but the rate of mechanization of farming in fields was very low at 56%, so solutions are needed to enhance agricultural productivity of farm crops. One way to solve the problem is the utilization of female farmers, who account for 51.1% of the total farming population (KOSTAT, 2017). Female farmers had difficulty in cultivating as professional farmers due to problems such as physical conditions, male-friendly farming machines and the lower level of agricultural education compared to male farmers. Therefore, fostering female farmers as professional farmers requires research on education methods, but the development of equipment that is easy for women to utilize and cheap for them should also be preceded. In this study, for the development of low-cost and easy-to-use farming machines, we intended to manufacture a device reducing the incidence of work-related musculoskeletal diseases by reducing the rate of noise and vibration. The device is a semi-automatic motorized vegetable planting machine with an auto device that runs furrows by utilizing the low cost single sensor. The ridge-following auto-driving vegetable planting machine is divided and manufactured into two systems, which are auto-driving device and motorized vegetable planting machine. The auto-driving device measures the breakaway distance by judging the tilting of device by the single Gyro sensor, and controls the front steering device manufactured using feedback controlled actuator based on the measured result. In addition, two BLDC motors were installed on both sides of the rear wheels to control the speed ratio of the two wheels during steering. The results of testing the driving device showed an average departure distance of 0.07 cm and a maximum departure distance of 0.2 cm. Since the upper part of the chili peppers ridge is about 10 centimeter-wide, it is enough to plant the vegetables while auto driving. The vegetable planting machine consists of a seedling supply unit and a planting unit, and it is necessary to adjust to the worker's height for ease of use. Ideally, it is necessary to change the height of the machine according to the height of the worker, but if the work height is changeable, the unit and the weight of the equipment are increased to secure the proper work height. According to the survey on the average height of women and senior citizens, who account for more than 50 percent of the working population, and how to calculate the working height, the appropriate working height was 810.4 to 900.4 mm. According to these results, the planting machine for vegetable planting was found to be a upper and lower range of 220 mm and 110 mm for seeding feeder. In addition, we minimized the number of link of seeding feeder and planting machine in order to simplify the structure. The simulation and actual device were compared for trajectory. The simulation result showed the maximum height of upper and lower trajectory of 220.1 mm, width 60.3 mm while the result of tested machine shows 216.5mm in the maximum height and width 90.2mm. The semi-auto planting machine that feeds seeding manually, was manufactured so that it feeds seeding when the planting machine reaches to the feeding point by utilizing the feeding container cup and the mechanical device. When we tested the planting of machine with the running speed at 0.14m/s and the axis speed of motor set to 2.918rad/s, the planting success rate was 90.6%. It was judged that the developed power-operated vegetable planting machine sufficiently demonstrated its intended performance with a planting success rate of 90% or higher. By assembling a ridge-following auto-driving device and a vegetable transplanting device, a ridge-following auto-driving vegetable planting machine was developed. To find out whether workers' convenience is improved, the working posture of the existing pepper planting method with semi-automatic vegetable planting machine (engine type) and semi-automatic vegetable planting machine (motorized type) were analyzed using the RULA evaluation technique used to move objects less than 20kg in work-related musculoskeletal disorders. According to the analysis results, the pepper planting method in the field has a very high impact on the incidence rate of working environment musculoskeletal disease with 7 points, and indicates the need for introduction of mechanical equipment to improve the working environment. Semi-automatic vegetable planting machine (engine type) requires fast work improvement and analysis of work risk factors with 6 points, but there is still a risk of working environment diseases even if it is more improved than the conventional pepper planting working posture. Finally, the worker posture of semi-automatic vegetable planting machine (motorized type) developed in this research was assessed to have partial improvement with 4 points and further investigation, so additional devices for convenience will have to be introduced in the future commercialization phase. In order to test the official performance of the developed furrow-followed auto-driving vegetable planting machine, we planted the pepper seeding at the speed of 0.4m/s. The red pepper seedlings were planted at 50 mm from the left side of the furrow based on the direction of driving. The planting success rate was 82%, and the biggest failure factor of the planting was feeding timing. If additional improvement is made such as installing sensors that can detect the status of supply, the problem can be solved. Therefore, it was judged that the auto-driving vegetable planting machine developed needs to be improved for convenience, such as a working stand which makes easier for users to supply the seedlings, a height controlling unit of the planting machine according to the height of the furrows, and additional sensors for determining the supply status of the seedlings are needed. Further research using the results of this study can lead to the development of a vegetable planting robot by attaching seedling extraction devices and feeding devices to collect seedlings from trays.

Dynamic Approaches to Precision Livestock Feed Production using Computational Intelligence and Sensors : Computational Intelligence와 센서를 이용한 축산 사료 생산 정밀화에 대한 동적 접근법

Uyeh, Daniel Dooyum 경북대학교 대학원 2019 국내박사

With projected increases in human populations and increasing and sometimes conflicting demand on land and water resources, the livestock industry will need to increase its productivity using existing or fewer resources. A resilient livestock industry will require cost-effective feed rations as feed accounts for between 60 to 80% of production costs. Contributing 40% of the global agricultural economic output and supplying universal food staples, livestock production is an important source of food and economic activity worldwide. About 1.3 billion people are employed by the livestock industry including at least 400 million of the world’s low-income earners for whom it provides vital protein and manure for crop fertilization. Owing to the complexities in feed formulation, software programs are of benefit in ensuring accurate nutrient compositions with selections of cost-efficient materials. However, requirements of specialized techniques for users, high computing power needs, and lack of user-software interactivity for optimizing results, for example, limit current feed formulation software use. Researchers have been exploring the possibility of using food industry and agricultural by-products, and food waste in feed formulation with the benefits of reducing feed deficits and costs. For food processing and service industries, this will help reduce disposal costs and accompanying environmental burdens. The nutrient profiles of by-products and food wastes, however, are highly variable due to inconsistency in sources and extraction methods. To address the gaps, the goal of this study was to develop a precision livestock feed production system using dynamic approaches in computational intelligence and sensors technology. To achieve this, techniques in computational intelligence were used in coding and fine-tuning algorithms for feed formulation software development and to support associated on-farm decision processes. In these chapters, the conventional feed formulation equations were modified and rewritten to facilitate relaxation of constraints. This was done using a delta parameter and in an interactive way. Simulations were done in MATLAB to evaluate software performance. The developed algorithms have the capabilities for constraint relaxation and visualization of all solutions. Results showed various cost saving percentages between 4.6 to 90% depending on the class and stage of growth of the animal. The major by-products (cottonseed meal, mushroom medium, distillers dried grains, citrus peel, pineapple peel, rice bran and soy sauce cake) in Republic of Korea were collected and mixed in different ratios referring to industrial standards. They were treated to different fermentation conditions of temperature (20ºC, 25ºC, 30ºC and 35ºC), period (1 to 15 days), and fermentation agents (Saccharomyces cerevisiae, Lactobacillus casei, Bacillus subtilis, and beer yeast). High Pressure Liquid Chromatography was used to investigate their nutritional properties mainly, amino acids, organic acids, and sugars. Results from this investigation showed a high variation in the nutritional properties thought to have come from method of processing and source. Investigations of microbiological properties of feed produced in Korea was done. Spread plate methods and identification atlas were used to classify and enumerate microbial loads in livestock feed. The condition of storage and duration also had effects on the proliferation of microorganisms especially fungi. Fungi such as Aspergillus and Penicillium species were isolated after four days of feed exposure. The isolated fungi are the main causative agents of Aflatoxin B1. Hyperspectral imaging and near infrared spectrometer were used to acquire spectral data from mixed by-products and packaged feed in the near infrared region (900-2200 nm). Preprocessing methods such as second derivative and normalization were applied to the data to remove noise. Prediction tool (partial least square regression) was used to develop models in Unscrambler and MATLAB software. A total of 38 sensor models (amino acids, organic acids, sugars, moisture content, crude protein, crude fat, crude fiber and crude ash) that are rapid, non-destructive with no sample preparation and high sensitivity were built. Subsequently, the developed systems were integrated into existing ones to propose two Kyungpook National University Systematic Intelligent Production of Livestock Feed (KNU SIMPLIFIED) A and B models for precision livestock feed production. 인구 증가가 예상되고 토지 및 수자원에 대한 수요가 증가하거나 때로는 상충되는 상황에서, 축산업은 기존 또는 적은 자원을 사용하여 생산성을 높여야 하지만, 축산업은 생산비용의 60~80%를 공급하기 때문에 효과적인 사료 급여가 필요하다. 전세계 농업 생산량의 40%를 보급하고 보편적인 식량공급에 기여함으로써 축산은 전 세계적으로 식량과 경제 활동의 중요한 원천이다. 축산업에 필수적인 단백질과 비료를 제공하는 세계 빈민 중 최소 4 억 명을 포함하여 약 13 억 명의 사람들이 축산업에 종사하고 있다. 사료 배합의 복잡성으로 인해 소프트웨어 프로그램은 비용 효율적인 사료 재료를 선택하여 정확한 영양소를 구성하는데 도움이 된다. 그러나 사용자들을 위한 특수 기술과 높은 컴퓨터 성능, 결과를 최적화하기 위한 사용자와 소프트웨어 상호작용의 결여는 사료 배합 소프트웨어 사용하는데 문제점이 있다. 연구자들은 식품 부산물 및 농산물 부산물을 사료 배합에 사용하여 사료 비용을 줄이는 연구를 진행해오고 있으며, 식품 가공 및 서비스 산업의 경우 이를 통해 폐기 비용과 그에 따른 환경 부담을 줄일 수 있다. 그러나 부산물 및 음식물쓰레기의 영양 상태는 공급원과 추출 방법이 서로 다르기 때문에 매우 다양하다. 이 차이점을 해결하기 위해 본 연구에서는 Computational intelligence와 센서를 이용하여 축산 사료 생산시스템을 개발하였다. 이를 위해 한국의 주요 부산물(면실박, 버섯배지, 주정박, 감귤박, 파인애플박, 미강, 장유박)을 수집하여 발효 온도(20, 25, 30, 35ºC)와 기간(1~15일), 발효제(효모, 락토바실러스 카제이, 고초균, 맥주 효모)에 따른 다양한 발효조건으로 배합하였다. HPCL를 사용하여 배합 사료의 영양 성분을 분석하였으며, 이는 AAS, 유기산, 설탕으로 분석되었다. 이 결과는 가공 방법과 공급원으로부터 나온 것으로 추정되는 영양 성질이 크게 달라진 것을 보여주었다. 한국에서 생산된 사료의 미생물 성질에 대한 분석을 진행하였다. 저장 상태와 기간 또한 미생물의 확산에 영향을 미쳤으며, Aspergillus 및 Penicillium 같은 곰팡이는 4일후에 나타났다. 나타난 곰팡이균은 AFB1의 주요 원인 물질이다. computational intelligence 기술은 소프트웨어 개발을 위해 사료 배합과 관련 농장 의사결정을 위한 코딩 및 미세 조정 알고리즘에 사용되었다. 기존의 사료 배합식은 제약 조건의 완화를 용이하게 하기 위해 수정하여 작성되었으며, 이것은 δ 매개 변수를 사용하여 상호 작용 방식으로 수행되었다. 또한, 소프트웨어 성능을 평가하기 위해 MATLAB에서 시뮬레이션을 수행하였으며, 개발된 알고리즘은 모든 솔루션의 제약 조건 완화 및 시각화 기능이 있다. 가축의 성장 단계에 따라 4.6~90% 사이의 다양한 비용 절감 비율을 나타내었으며, HSI 및 NIRS는 900~2200nm을 사용하여 혼합 부산물 및 포장된 사료로부터 스펙트럼 데이터를 획득하는데 사용하였다. 또한, 소음 제거를 위해 2차 함수 표준화 등의 전처리 방법을 적용하였다. 예측 툴(PLSR)은 Unscrambler 및 MATLAB 소프트웨어에서 모델을 개발하는데 사용되었으며, 샘플의 준비없이 고민감도로 신속하고 비파괴적인 총 34개의 센서 모델(AAs, 유기산, 설탕, MC)이 구축되었다. 개발된 시스템은 기존의 시스템과 결합하여 정밀한 사료 생산을 위한 두 가지 모델을 제안하였다. 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 상호작용식 축산 사료 제조법을 개발하였으며, 기존 문제의 허용오차 매개변수를 사용하여 재구성하였다. 제약조건(ME)이 필요한 것보다 80~90%까지 완화되었고 모든 제약조건이 적용되는 젖소의 사료 중 총 중량과 비용이 감소하였다. 낙농 1, 2, 3 의 경우 사료 비용을 각각 6.5%, 4.6%, 10.5% 절감되었다. 젖소의 경우와 달리 사례 1(63.8%)의 레벨 1 비용이 레벨 4 에서의 급격한 변화에도 불구하고,사료의 최종 중량은 크게 차이가 없었다(2.4%). 이는 사료 배합에 사용된 데이터가 사료의 최종 비용에 영향을 미치는 것을 나타낸다. 2. 기존의 단일 최적화 알고리즘과는 달리 최적화된 단일 솔루션을 제공하는 것이 아니라 한 번의 실행으로 최적의 솔루션을 제공하는 기능을 갖춘 알고리즘을 개발하였다. 수행된 시뮬레이션의 사례 1 에서, 1500 원에서 5500 원으로 구성된 사료 간의 전체적인 제한은 없었으며, 이는 사료의 품질에 큰 영향을 미치지 않고 비용을 약 72% 절감할 수 있는 가능성을 제시하였다. 다른 사례에서 또한 비율 감소로 나타났다. 3. 한국의 주요 부산물에 사용되는 것은 면실박, 버섯배지, 주정박, 감귤박, 미강, 장유박으로, 각각의 영양과 뱔효된 성질은 매우 다양하다. 발효의 pH 범위는 발효 15 일 후 4.0~5.6 까지 다양하다. 과당은 R(r)이 0.97 로 pH 와 높은 상관관계로 나타났으며, 이는 HSI 를 사용하여 부산물의 발효율을 모니터링하는데 사용할 수 있다. 4. 수분과 미생물 성장률은 상관 관계가 있으며, 저장상태 및 저장기간 또한, 미생물 곰팡이의 증식에 영향을 미친다. Aspergillus 및 Penicillium 와 같은 곰팡이는 4 일후에 검출되었으며, 곰팡이는 동물과 인간에게 치명적인 영향을 미칠 수 있는 가축의 아플라톡신의 원인이 되는 물질이다. 5. HSI 를 사용하는 당, AAs, 유기산 및 당을 예측하는 모델은 1000~2500nm 의 스펙트럼 범위를 갖는 초분광카메라를 사용하였으며, 민감하고 빠른 비파괴적인 모델로 개발되었다. 6. 스펙트럼 범위가 900~2100nm 인 NIRS 는 동물 사료에서 당, 유기산 및 MC 의 예측 모델을 개발하는데 사용되었다. 모든 모델의 R2 은 0.9 이상으로 나타났다. 7. 정밀한 가축 사료 생산을 위한 두가지 모델이 제안되었으며, A 모델은 선행 사료 생산업체, B 모델은 축산 농가에 의해 일반적으로 채택되는 소규모의 사료 공장을 나타낸다.