스냅샷 방식 초분광 영상을 이용한 참외의 당도 예측

조병효,이성민,김경철 제어로봇시스템학회 2022 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 Vol.2022 No.6

절삭식 정미기 도입에 따른 경제적 효과 분석

조병효,신윤식,윤진우,김길호,강태환 경상대학교 농업생명과학연구원 2020 농업생명과학연구 Vol.54 No.2

본 연구에서는 절삭식 정미기 도입에 따른 실효성을 분석하기 위해 개발된 절삭식 정미기의 경제성을 비용/편익 분석(B/C ratio), 손익분기점, 기존의 정미기와의 비교 및 수입대체효과의 4가지 측면에서 분석하였다. 절삭식 정미기의 가동률에 따른 비용/편익 비율은 가동률 60%, 80%에서 모두 1 초과로 추정되었다. 손익분기점은 가동률 60%에서는 절삭식 정미기 운용을 시작한 지 3.4년 정도 경과한 시점부터 순이익이 발생하였다. 또한 가동률 80%의 경우 정백미 생산을 시작한 지 66일째부터 수익이 발생하여 절삭식 정미기 운용 후 2.56년 정도부터 순이익이 발생하는 것으로 나타났다. 개발된 절삭식 정미기를 기존의 국산 및 수입 정미기 4종과 비교한 결과 국산에 비해서 가격 및 수리비용에서는 다소 높은 값을 보였으나, 에너지 소비량이 적고 설치공간이 작은 장점을 보였다. 수입된 정미기에 비해서는 에너지 소비량, 가격, 설치공간 및 수리비용에서 충분한 경쟁력을 보였다. 이에 따라 수입된 정미기 100대를 개발된 정미기로 대체할 경우 668억 수준의 높은 수입대체효과를 기대할 수 있을 것으로 나타났으며, 국내 시장에서 절삭식 정미기의 시장점유율을 높일 수 있을 것으로 시사되었다. In this study, we considered analyzing the economic effect of a developed cutting-type milling machine by four factors: cost-benefit analysis, break-even point, a comparison to existing milling machine and import substitution effect. The ratio of cost/benefit according to operation rate of the cutting-type milling machine were estimated to be above 1 for both 60% and 80% of operation rate. Break-even point according to operation rate of the cutting-type milling machine were calculated 1,500 ton/year and 1,594 ton/year at operation rate of 60% (operation time 147 d/year) and 80% (operation time 196 d/year), respectively. As the results, the profits at operation rate 60% and 80% were occurred after 66 days and 62.5 days from operation starting, respectively. In addition, the net profits were showed to occur after 3.40 years and 2.56 years depending on operation rate of 60% and 80%, respectively. The developed cutting-type milling machine was compared with conventional milling machines such as 2 types domestic machine and 2 types imported machine. As the results, we considered that the developed milling machine was competitive than the imported machine based on energy consumption, purchase price, floor space, and repair cost. Moreover, we expect that import substitution effect is about 66.8 billion won if the imported milling machines may be superseded to the developed cutting-type milling machine. For these reasons, the market share of cutting-type milling machine is expected to increase in domestic market.

Milling Characteristics of Cutting-Type Rice Milling Machine - According to Cutting Roller Induced Guide Angles -

조병효,강태환,이동일,원진호,이희숙,한충수 한국농업기계학회 2017 바이오시스템공학 Vol.42 No.2

Purpose: The purpose of this study was to analyze the milling characteristics of white rice depending on the guide angles of the cutting roller’s induced guide, as well as to verify optimum milling conditions for the cutting-type milling machine. Methods: Brown rice, which was produced in Cheongju-si, Chungcheongbuk-do, Republic of Korea, in 2014, was used as the experimental material. The milling characteristics of white rice were measured under six different guide angle levels of the cutting roller, which were none, 0°, 5°, 10°, 15°, and 20°. The quantity of brown rice for each experiment was 500 kg, and the milling characteristics were measured according to the whiteness, rice temperature, cracked rice ratio, broken rice ratio, and energy consumption. Results: The whiteness of white rice maintained a uniform level, indicating at range of 38±0.5, regardless of the cutting roller guide angles under all conditions. The rice temperature rise during milling was found to be rather low, at 13.9°C and 13.6°C at 10° and 15° guide angles, respectively. The cracked rice ratio after milling was 18.67%- 19.47%, and the broken rice ratio was 0.68% at a 10° guide angle, which is the lowest in comparison to other guide angles. Energy consumption was lower when the guide was used compared to that with-out the use of the guide. The energy consumption tended to increase as the cutting roller guide angle increased. Conclusions: From the above results, we conclude that the cutting roller guide angles of 0° and 10° are suitable for producing high quality rice during milling with a cutting-type milling machine.

Effects of Main Shaft Velocity on Turbidity and Quality of White Rice in a Rice Processing System

조병효,강태환,원진호,강신형,이희숙,한충수 한국농업기계학회 2017 바이오시스템공학 Vol.42 No.1

Purpose: The purpose of this study is to analyze turbidity and quality characteristics of white rice as a function of main shaft blast velocity and to verify the optimum processing conditions in the cutting type white rice processing system (CTWRPS). Methods: Sindongjin, one of the rice varieties, which used to be produced in Gimje-si, Jeollabuk-do, in 2015, was used as the experimental material. Turbidity and quality characteristics of white rice were measured at three different main shaft blast velocities: 25, 30, and 35 m/s. The amount of test material used for a single experiment was 20 kg, and after processing, whiteness was found to be 42.5±0.5, following which, turbidity and quality characteristics were measured. Results: Turbidity decreased with increase in the shaft blast velocity, and as a result, was lowest at 35 m/s of shaft blast velocity among all the other experiment velocities. The trend of cracked rice ratios was similar to the turbidity. Broken rice ratio turned out to be less than 2.0% in all the test conditions. In the first stage of processing, the processing pressure decreased as the main shaft blast velocity increased. Additionally, in the second stage of processing, the processing pressure was at its lowest value at the main shaft blast velocity of 35 m/s. Energy consumption, too, decreased as the main shaft blast velocity was increased. Conclusions: From the above results, it is concluded that the main shaft blast velocity of 35 m/s is best for reducing turbidity and producing high quality rice in a CTWRPS.

Milling characteristics of cutting-type rice milling machine according to the rotating speed of the main shaft

조병효,한충수,강태환,이동일,원진호,이희숙 충남대학교 농업과학연구소 2017 Korean Journal of Agricultural Science Vol.44 No.3

This study aimed to identify milling characteristics depending on the rotating speed of the main shaft of the cutting-type rice milling machine which can minimize the conventional milling process. Brown rice, which was produced in Gunsan-si, Jeollabuk-do, Republic of Korea, in 2016, was used as the experimental material. The milling characteristics of white rice were measured under four different rotating speeds of main shaft: 950 - 1,050 rpm, 1,000 - 1,100 rpm, 1,050 - 1,150 rpm, and 1,100 - 1,160 rpm. For each shaft speed, 300 kg of brown rice was processed, and the milling characteristics were measured according to the whiteness, grain temperature, cracked rice ratio, broken rice ratio, turbidity, and energy consumption. The whiteness of rice grain was found to be consistent at around 40 ± 0.5 only when milled at the shaft speed of 950 - 1,050 or 1,000 - 1,100 rpm. The grain temperature during the milling process increased by 11.35 to 11.85℃, showing little differences amongst shaft speeds. The cracked rice ratio increased by 8.2 to 10.4% at all conditions. The broken rice ratio ranged from 0.58 to 0.76%, reflecting a low level. The turbidity after milling was 54.8 ppm when milled at 1,000 - 1,100 rpm. Energy consumption of 12.98 and 12.18 kWh/ton were recorded at the shaft speed of 1,000 - 1,100 and 1,050 - 1,150 rpm, respectively. The result of this study indicates that the optimal rotating speed of main shaft would be 1,000 - 1,100 rpm for a cutting-type rice milling machine.

절삭식 정미기의 절삭롤러 통풍구 수와 송풍속도에 따른 정백특성

조병효,강신형,원진호,이희숙,강태환,이동일,한충수 한국산업식품공학회 2017 산업 식품공학 Vol.20 No.2

This study aimed to identify milling characteristics depending on the number of a cutting roller’s air vent and blowing velocity to remove rice bran by the cutting type milling machine which can minimize the conventional milling process. The level of whiteness was found to be 38±0.5 in all the conditions, showing consistent whiteness levels during milling. The rice temperatures turned out to be 15.4 and 14.6oC which were rather low-level under the conditions of the cutting roller with 3 vents and blowing velocities of 35 and 40 m/s respectively. Cracked rice ratio was 2.13% under the conditions of the cutting roller with 3 vents and a blowing velocity of 35 m/s. Broken rice ratio showed the range of 0.762-0.869%, reflecting a low level. Turbidity after milling was decreased, as blowing velocity became faster. Energy consumption for milled rice production was decreased, as blowing velocity became faster. The optimum milling condition for cutting type milling machine depending on air vent number of cutting roller and blowing velocity was found to be 3 vents and 35 m/s.

1차 열풍건조 한 고추 다진 양념의 원적외선 건조특성

조병효(Byeong Hyo Cho),이정현(Jung Hyun Lee),강태환(Tae Hwan Kang),이희숙(Hee Sook Lee),한충수(Chung Su Han) 한국식품영양과학회 2016 한국식품영양과학회지 Vol.45 No.9

본 연구에서는 원적외선을 이용하여 1차 열풍건조 한 고추 다진 양념을 건조할 경우 두께, 건조온도와 송풍속도에 따른 건조특성과 건조제품의 색도 변화, 건조 전후 고추 다진 양념의 capsaicinoid 등 품질특성을 분석하여 원적외선 건조기초 자료를 제시하고자 하였다. 고추 다진 양념의 건조속도는 원적외선 건조온도와 송풍속도가 증가할수록 빨라지고 건조시간이 단축되는 경향을 보였으며, 건조 두께 10 mm 조건이 20 mm 조건보다 빠른 것으로 나타났다. 특히 두께 10 mm, 원적외선 건조온도 80°C, 송풍속도 0.8 m/s 조건에서 건조시간이 63분으로 건조속도가 가장 빠른 것으로 나타났다. 본 연구에서 검증한 건조모델 중 Page 및 Henderson 모델의 경우 전체적인 건조시간대에서 비교적 잘 일치하는 것으로 나타나, 고추 다진 양념의 원적외선 건조 시 Page 및 Henderson 모델을 이용할 경우 높은 정밀도에서 함수율비 예측이 가능한 것으로 나타났다. 원적외선 건조 후 고추 다진 양념의 색차(ΔE) 값은 두께 10 mm 조건보다 20 mm 조건에서 증가하는 경향을 보였고, 건조온도 70°C 조건에서 약간 높은 것으로 나타났으나 오차 범위로 큰 차이는 나타나지 않았다. 원적외선 건조 후 고추 다진 양념의 적색도(a)값은 두께 20 mm, 건조온도 80°C 조건에서 갈변하는 현상이 심화하는 것으로 나타났다. Capsaicin 함량은 건조 두께가 두껍고, 건조온도가 낮으며, 송풍속도가 느릴수록 감소하는 경향을 보였다. 또한, 모든 조건에서 건조 전 capsaicin 함량인 22.15 mg/100 g에 비해 건조 후 capsaicin 함량이 2.24~4.70 mg/100 g 감소하는 것으로 나타났으며, 두께 10 mm, 건조온도 80°C, 송풍속도 0.8 m/s 조건에서 감소폭이 작은 것으로 나타났다. Dihydrocapsaicin 함량의 경우에도 원적외선 건조 후 1.05~3.82 mg/100 g 감소하는 것으로 나타났고, 두께 10 mm, 건조온도 80°C, 송풍속도 0.8 m/s 조건에서 감소폭이 작은 것으로 나타났다. 원적외선 건조 중 에너지 소비량은 송풍속도가 느리고 건조온도가 높을수록 감소하였으며, 건조 두께 10 mm 조건이 20 mm 조건보다 적은 경향을 나타내었다. 또한, 두께 10 mm, 건조온도 80°C, 송풍속도 0.6 m/s 조건에서 에너지 소비량은 5.08 kWh/kg-water로 가장 적은 값을 보였다. 따라서 고추 다진 양념의 건조시간, 건조 중 변색, capsaicinoid 함량 및 에너지 소비량 등을 고려하면 건조 고추 다진 양념의 고품질화를 위해서는 원적외선 건조온도 80°C, 송풍속도 0.6 m/s, 두께 10 mm 조건이 적절한 건조조건으로 판단된다. The purpose of this study was to verify the drying characteristics of seasoned red pepper sauce and establish optimal drying conditions for far infrared drying of seasoned red pepper sauce. Seasoned red pepper sauce, which was dried by heated air, was used. One kg of seasoned red pepper was spread at thicknesses of 10 and 20 mm and dried by a far infrared dryer until a final moisture content of 15±0.5%. The far infrared dryer conditions were air velocity of 0.6, 0.8 m/s and drying temperatures of 60, 70, and 80°C. The drying models were estimated using a determination coefficient and root mean square error. Drying characteristics were analyzed based on factors such as drying rate, color changes, content of capsaicinoids, and energy consumption. The results can be summarized as follows. The drying rate (that is, drying time) tended to be reduced as temperature and air velocity for drying increased. The Page and Henderson models were suitable for drying of seasoned red pepper sauce by a far infrared dryer. Redness decreased after far infrared drying under all experimental conditions. The color difference was 18.18 under the following conditions: thickness 20 mm, temperature 70°C, and air velocity 0.8 m/s. This value was slightly higher than those under other far infrared drying conditions. The capsaicinoid properties of seasoned red pepper sauce decreased under all far infrared drying conditions. The highest capsaicin (19.91 mg/100 g) and dihydrocapsaicin (12.87 mg/100 g) contents were observed at a thickness of 10 mm, temperature of 80°C, and air velocity of 0.8 m/s. Energy consumption decreased with higher temperature, slower air velocity, and thinner seasoned red pepper sauce.

초분광 영상을 이용한 토마토의 경도 예측모델 개발

조병효 ( Byeong-hyo Cho ),이성민 ( Seong Min Lee ),홍영기 ( Youngki Homg ),김경철 ( Kyoung-chul Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

토마토는 경제적으로 중요한 과채류이며, 국내 토마토 생산량은 2021년 기준 약 37만 톤으로 전년대비 2.5만 톤 정도 증가하였다(KOSIS, 2022). 그러나, 최근에는 농업인구 감소 및 고령화, COVID-19 등 인력 부족으로 인하여 토마토 생산에 어려움을 겪고 있는 실정이며, 이러한 이유로 토마토의 재배부터 수확까지 자동화 전환에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 토마토 모니터링 및 수확 로봇 등 재배에서 수확 작업까지 로봇 기술을 적용하기 위한 연구가 수행되고 있으며, 이를 위해서는 우선적으로 작물의 품질 또는 성숙도 등을 모니터링할 수 있는 기술이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 토마토의 성숙도를 비파괴적으로 예측하기 위해 초분광 영상과 기계학습 모델인 SVR (Support vector regression) 모델을 사용하였으며, 토마토의 성숙도를 정량적으로 분류하기 위한 요인으로는 경도를 사용하였다. 먼저, 경도와 밀접한 관계를 갖는 분광 영역을 조사하기 위해 상관분석을 수행하였으며, 그 결과 507-593 nm 사이의 분광 영역이 토마토의 경도와 높은 상관관계(R>0.8)를 갖는 것으로 나타났다. 앞의 결과를 바탕으로, 507-593 nm 사이의 분광 영역(30 밴드)을 입력 데이터로 하여 SVR 모델의 학습을 진행하였으며, 그 결과 SVR 모델의 최적 파라미터는 C의 경우 297, gamma와 epsilon은 각각 1.90 및 1이었다. 앞의 모델을 이용할 경우, 검증 데이터를 기준으로 0.84의 R2와 13.22 N의 RMSE로 비교적 높은 정확도에서 토마토 경도 예측이 가능하였으며, 이를 이용하여 토마토의 수확시기 예측이 가능할 것으로 판단된다. 향후에는 모델의 정확도 개선을 위해 추가적인 실험을 통해 샘플 수를 증가시키고, 실제 온실에 적용하기 위한 기초 실험을 진행할 계획이다.

초분광 이미지를 이용한 파프리카 숙성도 분류의 최적 밴드 선정

조병효 ( Byeong-hyo Cho ),송혜영 ( Hye-young Song ),김용현 ( Yong-hyun Kim ),서다솜 ( Dasom Seo ),김원경 ( Won-kyung Kim ),김경철 ( Kyoung Chul Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

본 연구에서는 파프리카의 숙성도를 비파괴적으로 분류하기 위하여 초분광 이미지의 적용 가능성을 검토하고, 최적의 분광 밴드를 선정하고자 하였다. 실험 재료로는 전라북도 전주시의 온실에서 재배된 나가노(적색계) 파프리카를 사용하였다. 파프리카의 숙성도는 미숙, 중숙 및 완숙 총 3단계로 분류하였으며, 각 숙성도별로 3개씩 총 9개의 과실을 사용하였다. 수확된 파프리카는 초분광 카메라(HyperCam v10e, ASIA Aero Survey co., Ltd., Seoul, Korea)를 이용하여 실험실 수준에서 분광 데이터를 취득하였다. 실험에 사용된 초분광 카메라는 400-1,000 nm의 분광대역을 제공하며, 분광 해상도는 1.2 nm이었다. 취득된 초분광 이미지는 NDVI 필터를 적용하여 배경을 제거한 후, 과실로부터 ROI를 추출하였으며, ROI로부터 얻은 초분광 데이터는 Multiplicative Scatter Correction (MSC) 필터를 이용하여 데이터 전처리를 하였다. 초분광 데이터 전처리 후, 파프리카의 숙성도를 분류할 수 있는 주요 파장을 선정하였다. 그 결과, 600-720nm의 분광대역에서 파프리카의 숙성도와 비교적 높은 상관관계(0.85 이상의 R 값)를 나타내었다. 따라서, 파프리카의 숙성도를 비파괴적으로 분류하기 위해서는 600-720 nm의 파장대역이 적절하다고 판단된다.

초분광 영상을 이용한 토마토의 경도 예측모델 개발

조병효 ( Byeong-hyo Cho ),이성민 ( Seong Min Lee ),홍영기 ( Youngki Homg ),김경철 ( Kyoung-chul Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

토마토는 경제적으로 중요한 과채류이며, 국내 토마토 생산량은 2021년 기준 약 37만 톤으로 전년대비 2.5만 톤 정도 증가하였다(KOSIS, 2022). 그러나, 최근에는 농업인구 감소 및 고령화, COVID-19 등 인력 부족으로 인하여 토마토 생산에 어려움을 겪고 있는 실정이며, 이러한 이유로 토마토의 재배부터 수확까지 자동화 전환에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 토마토 모니터링 및 수확 로봇 등 재배에서 수확 작업까지 로봇 기술을 적용하기 위한 연구가 수행되고 있으며, 이를 위해서는 우선적으로 작물의 품질 또는 성숙도 등을 모니터링할 수 있는 기술이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 토마토의 성숙도를 비파괴적으로 예측하기 위해 초분광 영상과 기계학습 모델인 SVR (Support vector regression) 모델을 사용하였으며, 토마토의 성숙도를 정량적으로 분류하기 위한 요인으로는 경도를 사용하였다. 먼저, 경도와 밀접한 관계를 갖는 분광 영역을 조사하기 위해 상관분석을 수행하였으며, 그 결과 507-593 nm 사이의 분광 영역이 토마토의 경도와 높은 상관관계(R>0.8)를 갖는 것으로 나타났다. 앞의 결과를 바탕으로, 507-593 nm 사이의 분광 영역(30 밴드)을 입력 데이터로 하여 SVR 모델의 학습을 진행하였으며, 그 결과 SVR 모델의 최적 파라미터는 C의 경우 297, gamma와 epsilon은 각각 1.90 및 1이었다. 앞의 모델을 이용할 경우, 검증 데이터를 기준으로 0.84의 R2와 13.22 N의 RMSE로 비교적 높은 정확도에서 토마토 경도 예측이 가능하였으며, 이를 이용하여 토마토의 수확시기 예측이 가능할 것으로 판단된다. 향후에는 모델의 정확도 개선을 위해 추가적인 실험을 통해 샘플 수를 증가시키고, 실제 온실에 적용하기 위한 기초 실험을 진행할 계획이다.