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딥러닝을 이용한 스마트팜 내부 온·습도 예측 알고리즘 개발 및 검증
조라훈 ( Lahoon Cho ),남민기 ( Minki Nam ),전영광 ( Youngkwang Jeon ),김석준 ( Seokjun Kim ),박승영 ( Seungyoung Park ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
최근 국내를 비롯한 전 세계적으로 농업인구 고령화를 해결하고자 스마트팜에 대한 연구 및 기술개발활동이 활발하게 진행되고 있다. 국내에서 이루어지는 다양한 스마트팜 관련 연구 중 빅데이터와 인공지능 기술을 적용하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있지만 시설온실 내부 환경 예측 및 제어에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구는 강원도 인제에 위치한 약 3400평 규모의 파프리카 스마트팜에서 저장된 2020년 환경데이터와 LSTM 신경망을 활용하여 온실 내부 온·습도를 예측하는 딥러닝 알고리즘을 개발하였다. 알고리즘의 입력값은 4,5,7,8월의 외부광량과 외기온도로, 출력값은 시설 내부 온·습도로 각각 설정하였고 학습은 실제 농장 데이터와 출력값의 MSE(mean square error)를 최소화하는 것을 목표로 하여 진행되었다. 검증을 위해 6월의 환경 데이터를 알고리즘에 적용하여 출력된 온·습도와 실제 데이터를 비교한 결과 각각 결정계수(R-square)가 0.827, 0.689로 나타났다. 온실 내부 환경 예측 알고리즘의 정확도를 높이기 위하여 LSTM 신경망에 피드백(feedback)을 활용하여, 한 타임스텝에서 계산된 내부 온습도 결과가 다음 타임스텝의 입력으로 들어갈 수 있도록 알고리즘을 개선하였다. 검증을 위해 이전과 동일한 방식으로 예측된 온·습도와 실제데이터를 비교하였을 때 결정계수가 각각 0.939, 0.723으로 나타나 개선모델의 정확성이 기존 알고리즘 대비 높아진 것을 확인하였다. 딥러닝 기반의 알고리즘의 검증 결과 온도는 비교적 정확하게 예측이 가능하지만 상대습도의 경우 예측의 정확도가 떨어지는 것이 확인되었다. 향후 추가적인 실제농장 데이터 확보와 알고리즘 개선을 통해 내부 습도데이터의 예측 정확성을 높이기 위한 연구가 진행예정이다.
강화학습과 빅데이터를 활용한 온실 환경 제어 알고리즘 개발
조라훈 ( Lahoon Cho ),박선용 ( Sunyong Park ),김석준 ( Seok Jun Kim ),전영광 ( Youngkwang Jeon ),김대현 ( Daehyun Kim ),박승영 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2
전 세계적으로 지속적인 인구 증가로 인한 식량 부족 문제를 해결하기 위해 빅데이터와 인공지능(AI)을 접목한 스마트 농업에 대한 관심이 높아지고 있다. 시설재배에 있어서 온실 내부 환경을 적절하게 조절하는 것은 질병 예방, 작물 수확량, 에너지 사용 등 농가의 이익과 밀접한 관련이 있다. 그러나 작물의 상태 및 종류, 기후 차이, 환경 변수(일사량, 온도, 습도, 증산) 등 내부환경에 영향을 미치는 다양한 요인으로 인해 많은 농가에서 온실 내부 환경 관리에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 또한, 농업인구의 고령화로 인해 작물별, 계절별 다양한 경험을 바탕으로 높은 수확량을 생산할 수 있는 전문농업인이 감소하고 있다. 이에 본 연구에서는 실제 파프리카 농가(충청남도 진천) 기후, 생육 및 제어 데이터와 본 연구진이 선행 연구하여 검증한 GPT 알고리즘 기반의 시설 내부 온·습도 예측 모델을 강화학습과 연계하여 시설내부 환경 제어 알고리즘을 개발하였다. 강화학습은 설정된 시설온실 내부온도 범위 내로 제어 성공 시와 실패 시로 구분하여 보상값을 설정하여 진행되었다. 또한 개발된 모델의 검증을 위해 학습이 완료된 제어 알고리즘을 기존 온실 내부 데이터와 비교 분석하였다.
산 및 알칼리 전처리를 통한 반탄화 효율 증대 및 염소 제거 평가
박선용 ( Sunyong Park ),김석준 ( Seok Jun Kim ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),조라훈,전영광 ( Youngkwang Jeon ),이충건 ( Chunggeon Lee ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1
온실가스 감소를 위한 대체 연료로서 농업부산물에 대한 관심이 증가되고 있다. 그러나 농업부산물의 경우, 낮은 열량과 높은 회분 및 염소 함량 등의 문제로 인해 사용이 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산 또는 알칼리 전처리 후 반탄화 공정을 진행하였다. 고춧대 펠릿을 수산화나트륨과 염산에 각각 1:1(w/v)비율의 용액에 10분 간 침지 후 증류수로 세척하였다. 전처리 효과를 위하여 증류수로만 세척한 시료와 무처리군을 이용하였다. 반탄화 공정은 230, 250, 270°C에서 1시간씩 진행하였다. 산 또는 알칼리 처리된 표본은 각각 낮은 헤미셀룰로오스(40.52%)와 리그닌(16.49%)을 나타내었다. 공정 온도가 증가함에 따라, 알칼리 처리된 표본을 제외한 모든 바이오매스는 에너지 수율이 크게 감소하였으나, 알칼리 처리된 표본은 66.77-73.22%로 비교적 큰 변화는 나타나지 않았다. 공정 온도에 관계없이, 산 처리된 표본은 염소 함량이 가장 높았으나, 다른 표본들은 염소 함량이 감소하였다.
리그노바이오매스의 원소분석을 통한 공업분석 결과 예측 모델 개발
박선용 ( Sunyong Park ),김석준 ( Seok Jun Kim ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),조라훈,전영광 ( Youngkwang Jeon ),이충건 ( Chunggeon Lee ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
최근의 환경 문제로 인해 바이오매스에 대한 관심이 높아지고 있으며, 바이오매스 계산은 일반적으로 연료 특성을 확인하기 위해 원소 및 공업분석을 이용하여 수행된다. 주로 공업분석을 기반으로 원소분석 예측모델을 개발하였고, 원소분석을 기반으로 공업성분을 예측하는 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 공업분석 예측 모델을 개발하였다. Pearson의 상관계수는 휘발분과 고정탄소가 각각 수소와 산소, 탄소와 양의 상관관계가 있음을 보여주었다. 따라서 '단계적' 및 '입력' 방법의 조합을 이용하여 선형 회귀 모델을 개발하였다. 휘발분 및 회분 함량에 대한 최적의 모델을 개발했습니다. 휘발분에 대한 최적 모델은 R2 0.9402, RMSE 7.0063, AAE 14.8170%, ABE -11.7862%를 나타냈습니다. 회분의 경우 값은 R2 0.9249, RMSE 2.9614, AAE 168.9028% 및 ABE 167.2849%이고 고정탄소에 대한 값은 R2 9505, RMSE 6.3214, AAE 18.3199%. ABE는 15.0094%로 나타났다. 본 연구를 통해 원소분석을 통한 공업분석 결과를 예측할 수 있을 것이라고 판단한다.
고춧대 및 커피찌꺼기 펠릿의 혼합 비율에 따른 펠릿 평가 및 반탄화를 통한 연료로서의 적용
박선용(Sunyong Park),김석준(Seokjun Kim),조라훈(LaHoon Cho),전영광(YoungKwang Jeon),이주광(JuKwang Lee),홍선영(SunYoung Hong),김대현(Daehyun Kim) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
농업부산물은 낮은 발열량과 높은 회분 함량 등의 단점으로 인해 미 이용되고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 미사용 농업부산물과 커피찌꺼기를 혼합하여 펠릿으로 성형하여 등급을 판별하고, 반탄화 공정을 통한 연료 특성 개선에 대한 연구를 진행하였다. 커피찌꺼기와 고춧대는 15%미만으로 건조하여 이용하였으며, 상업용 펠릿성형기를 이용하여 9:1에서 6:4로 혼합비를 변경하며 진행하였다. 펠릿은 「비목재펠릿」과 「자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률」에 따라서 A, B등급과 Bio-SRF로 구분하였다. 고춧대의 염소 함량은 0.36%로 높게 나타나 고춧대의 혼합비가 증가함에 따라 혼합펠릿의 염소함량이 높아진 것이 나타났다. 커피박의 경우 3.0%로 높은 질소함량이 높게 나타났으며, 커피박 혼합비 증가에 따라 질소함량 또한 높아진 것도 확인되었다. 다양한 평가를 바탕으로, 고춧대와 커피찌꺼기의 최적혼합비는 8:2로 나타났다. 다른 펠릿들의 연료특성을 개선하기 위해 반탄화 공정을 진행하였다. 공정 조건은 210℃에서 290℃까지 20℃간격으로 30분동안 진행하였다. 펠릿들의 질량 수율은 50.87%에서 88.27%로 나타났다. 발열량의 경우 290℃에서 19.9%~26.8%의 증가를 확인하였다. 에너지수율을 바탕으로 최적 반탄화 조건은 커피박펠릿은 230℃, 그 외의 펠릿은 250℃로 나타났다. 이 연구는 미 이용 농업부산물의 이용 가능성을 보여줄 것이라고 판단된다.
농업부산물 바이오차 시비를 통한 방울토마토의 생육 변화 분석
박선용 ( Sunyong Park ),김석준 ( Seok Jun Kim ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),조라훈 ( La Hung Cho ),전영광 ( Youngkwang Jeon ),이충건 ( Chunggeon Lee ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
지구 환경 문제로 인해 온실가스의 저감 또는 격리에 대한 연구가 진행되고 있으며, 특히 탄소 격리를 통해 이산화탄소를 저감 할 수 있는 바이오차가 주목받고 있다. 또한 이러한 바이오차를 농지에 시비하면 농업생산력이 높아진다는 연구 결과들이 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 미사용 농업부산물을 바이오차로 전환하여 사용할 경우 식물의 생장 증가함을 확인하였다. 본 연구에서는 농업부산물로 고춧대, 들깻대 및 왕겨를 이용하였다. 고춧대와 들깻대는 펠릿화하여 바이오차로 전환하였다. 원예용상토만 이용한 것을 음성대조군으로 사용하였고, 원예용상토를 상업용 바이오차와 혼합한 토양을 양성대조군으로 하였다. 각각의 토양에서 방울토마토를 이식하여 생육하였다. 각 바이오차는 원예용상토에 0.5%(w/w) 또는 1%(w/w) 혼합하여 사용하였다. 방울토마토는 바이오차가 있는 토양에서 더 많이 생산되었으나 음성대조군과 유의미한 차이는 없었다. 식물의 길이는 고춧대 바이오차 처리군을 제외하고 바이오차 처리군과 음성 대조군 사이에 유의한 차이를 보였다. 음성대조군의 총탄소는 13.26%, 바이오숯 처리군의 총탄소는 15.27%~26.44%였다. 원예용상토가 아닌 일반 농경지에서 바이오차 시비시 상당한 차이가 나타날 것으로 판단된다.
농업부산물 바이오차 시비를 통한 방울토마토의 생육 변화 분석
박선용 ( Sunyong Park ),김석준 ( Seok Jun Kim ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),조라훈 ( La Hung Cho ),전영광 ( Youngkwang Jeon ),이충건 ( Chunggeon Lee ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
지구 환경 문제로 인해 온실가스의 저감 또는 격리에 대한 연구가 진행되고 있으며, 특히 탄소 격리를 통해 이산화탄소를 저감 할 수 있는 바이오차가 주목받고 있다. 또한 이러한 바이오차를 농지에 시비하면 농업생산력이 높아진다는 연구 결과들이 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 미사용 농업부산물을 바이오차로 전환하여 사용할 경우 식물의 생장 증가함을 확인하였다. 본 연구에서는 농업부산물로 고춧대, 들깻대 및 왕겨를 이용하였다. 고춧대와 들깻대는 펠릿화하여 바이오차로 전환하였다. 원예용상토만 이용한 것을 음성대조군으로 사용하였고, 원예용상토를 상업용 바이오차와 혼합한 토양을 양성대조군으로 하였다. 각각의 토양에서 방울토마토를 이식하여 생육하였다. 각 바이오차는 원예용상토에 0.5%(w/w) 또는 1%(w/w) 혼합하여 사용하였다. 방울토마토는 바이오차가 있는 토양에서 더 많이 생산되었으나 음성대조군과 유의미한 차이는 없었다. 식물의 길이는 고춧대 바이오차 처리군을 제외하고 바이오차 처리군과 음성 대조군 사이에 유의한 차이를 보였다. 음성대조군의 총탄소는 13.26%, 바이오숯 처리군의 총탄소는 15.27%~26.44%였다. 원예용상토가 아닌 일반 농경지에서 바이오차 시비시 상당한 차이가 나타날 것으로 판단된다.
미이용 산림바이오매스의 산소조건에서의 반탄화를 통한 고형연료로서 이용가능성 평가
박선용 ( Sunyong Park ),김석준 ( Seok Jun Kim ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),조라훈 ( La Hung Cho ),전영광 ( Youngkwang Jeon ),이충건 ( Chunggeon Lee ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
In order to utilize unused forest biomass as an energy source, it was torrefaction under oxygen conditions and confirmed its possibility of being used as a solid fuel. Wood chips of 2 types of softwood and 2 types of hardwood were used. After torrefaction, elemental analysis and calorific value measurement were performed using wood chips. As a result of analyzing the elements in the wood chip with the progress of the torrefaction process, it was found that the carbon ratio increases as the process temperature increases, and oxygen and hydrogen decrease. In case of the calorific value, 270℃ oxygen condition, which is the highest temperature, made 41.6% increase, which is the largest increase. The higher the calorific value is, the reduced the mass yield, which was lower under the maximally 26.5%p oxygen condition, according to the experiment. It was confirmed that the energy yield also decreased in proportion to the mass yield. Based on these results, it was judged that unused forest biomass that had undergone a torrefaction process under oxygen conditions is highly likely to be used as a solid fuel.