Eulerian-Lagrangian 해석을 이용한 차량소독시스템의 성능평가 모델 개발

최락영 ( Lak-yeong Choi ),박진선 ( Jinseon Park ),이세연 ( Se-yeon Lee ),정한나 ( Hanna Jeong ),이인복,홍세운 ( Se-woon Hong ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

전산유체역학 시뮬레이션 기반의 차량 소독시스템의 소독 도포율 및 균일성 개선

최락영 ( Lak-yeong Choi ),박진선 ( Jinseon Park ),이세연 ( Se-yeon Lee ),정한나 ( Hanna Jeong ),이인복,홍세운 ( Se-woon Hong ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

강제환기식 육계사 실내 기온변화 예측 알고리즘 개발

최락영 ( Lak-yeong Choi ),박진선 ( Jinseon Park ),이세연 ( Se-yeon Lee ),채영현,홍세운 ( Se-woon Hong ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

최근 가금 스마트팜은 ICT 기술을 이용하여 원격으로 어디서나 육계의 성장을 관찰하고 자동화 기술을 통한 적정 생육 환경 관리로 생산성 및 품질 향상을 추구하고 있다. 또한 육계사 내의 미기상을 원격으로 제어할 수 있도록 하는 1세대 스마트팜의 편의성 개선을 넘어서 육계사내 미기상 및 환기 장치의 데이터를 기반으로 인공지능 기술을 접목하여 가축의 최적 성장 모델 개발이 이루어지고 있다. 이에 본 연구에서는 2세대 스마트팜 개발로서 육계의 최적환경을 위한 제어 알고리즘 개발에 앞서 실내 기온 예측 모델을 개발하고 검증하였다. 영역 기반(Zone-based)의 미기상을 제어하기 위해 육계사 내외부 기온과 환기팬, 온풍기, 환기 유입구 등의 제어 장치 데이터를 사용하였다. 예측모델은 세 가지 기계학습 모델과 열전달 이론에 기반한 역학적 모델을 사용하였다. 기계학습의 경우, 인공신경망, 랜덤포레스트, 서포트 벡터 머신 알고리즘을 이용하였으며 베이지안 최적화를 통해 각 알고리즘의 하이퍼 파라미터를 최적화시켰다. 역학적 모델의 경우, 시공간적 불균일성을 보완하기 위해 열에너지 증감식에 확산 지수(u_i)와 시간 지연 지수(d_i)를 도입하였으며 각 지수는 유전 알고리즘으로 추정 및 탐색하였다. 모든 모델은 이전 시간의 실내 기온을 기반으로 1분 동안의 기온 변화를 통해 Δt 이후의 기온을 예측하여 1분, 10분, 30분, 1시간 동안의 기온을 예측할 수 있도록 설계하였다. 1분후의 내부 기온을 예측하는 모델의 결과는 모든 예측 모델에서 R2가 0.99이상, RMSE가 0.306℃이하로 높은 예측 성능을 보였다. 하지만, 1시간과 같이 장기간 예측의 경우 역학적 모델이 R2가 0.934, RMSE가 0.841℃로 가장 좋은 예측 성능을 보였다. 이전 시간의 실내 기온을 기반으로 1분 후의 기온을 예측하므로 오차가 중첩되는 장기간의 예측은 물리적 열에너지 증감식과 시간 지연 지수를 도입한 역학적 모델이 가장 높은 정확도를 나타냈다. 본 연구의 결과를 통해 장기간동안의 실내 기온을 예측할 수 있으며, 향후 2세대 스마트팜의 미기상 제어 알고리즘에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

데이터 기반 모델에 의한 강제환기식 육계사 내 기온 변화 예측

최락영 ( Choi Lak-yeong ),채영현 ( Chae Yeonghyun ),이세연 ( Lee Se-yeon ),박진선 ( Park Jinseon ),홍세운 ( Hong Se-woon ) 한국농공학회 2022 한국농공학회논문집 Vol.64 No.5

The smart farm is recognized as a solution for future farmers having positive effects on the sustainability of the poultry industry. Intelligent microclimate control can be a key technology for broiler production which is extremely vulnerable to abnormal indoor air temperatures. Furthermore, better control of indoor microclimate can be achieved by accurate prediction of indoor air temperature. This study developed predictive models for internal air temperature in a mechanically-ventilated broiler house based on the data measured during three rearing periods, which were different in seasonal climate and ventilation operation. Three machine learning models and a mechanistic model based on thermal energy balance were used for the prediction. The results indicated that the all models gave good predictions for 1-minute future air temperature showing the coefficient of determination greater than 0.99 and the root-mean-square-error smaller than 0.306℃. However, for 1-hour future air temperature, only the mechanistic model showed good accuracy with the coefficient of determination of 0.934 and the root-mean-square-error of 0.841℃. Since the mechanistic model was based on the mathematical descriptions of the heat transfer processes that occurred in the broiler house, it showed better prediction performances compared to the black-box machine learning models. Therefore, it was proven to be useful for intelligent microclimate control which would be developed in future studies.

전산유체역학 시뮬레이션을 활용한 육계 스마트팜의 지능형 환기 알고리즘 개발

최락영 ( Lak-yeong Choi ),( Kehinde Favour Daniel ),박진선 ( Jinseon Park ),이세연 ( Se-yeon Lee ),채영현 ( Yeonghyun Chae ),김인혜 ( Inhye Kim ),홍세운 ( Se-woon Hong ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

최근 2세대 가금 스마트팜 개발이 진행되면서, 최근 인공지능 기술을 활용하여 육계사 실내에 적절한 생육 환경을 제공하기 위한 연구가 진행되고 있다. 육계의 생육 상태와 실내외 환경 조건에 따라 적절한 환경 조절이 필요하며 시설 내의 모든 개체의 품질 향상을 위해 육계사 실내 미기상의 균일한 환경을 조성하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 전산유체역학 시뮬레이션을 이용하여 육계사 실내 미기상의 기온 분포와 공기유동을 분석할 수 있는 테스트 플랫폼을 개발하고, 이를 이용하여 새로운 환기 알고리즘을 개발하는 것을 목표로 한다. 본 연구에서 선정된 육계사는 2세대 가금 스마트팜 기술 개발을 목적으로 영역기반 환경을 제어하기 위해 실내를 6개의 영역으로 나누어 온습도를 측정할 수 있다. 또한 14개의 터널팬과 5개의 크로스팬을 개별적으로 운영할 수 있으며, 60개의 입기구를 6개의 영역으로 나뉘어 조작하고 제어할 수 있다. 기존의 환기 방식은 모든 입기구가 동일하게 운영되고 있으며 동일한 환기 방식으로 인해 영역별 기온 차이가 감소하지 않았다. 영역별로 입기구의 동작을 다르게 하거나 작동되는 환기팬의 위치를 변경하는 방법으로 새로운 환기 알고리즘을 설계하였다. 그 결과, 기존의 유입구에서 들어오는 공기 유동을 변화시키면서 실내의 불균일한 기온 분포가 개선되었다. 본 연구에서 개발된 추후 현장 실험을 통해 실제 육계사에서 검증될 것이며 추가적인 분석을 통해 실제 사육환경에 적용할 수 있도록 보완될 예정이다.

Development of Mechanistic Model for Predicting Environmental Variations of Microclimate in Poultry Farms

( Kehinde Favour Daniel ),최락영 ( Lak-yeong Choi ),이세연 ( Se-yeon Lee ),박진선 ( Jinseon Park ),채영현 ( Yeonghyun Chae ),홍세운 ( Se-woon Hong ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

In the context of poultry farming, intensive breeding practices are usually employed, necessitating the improvement of both the quality and uniformity of all animals within the production facility. This is achieved through early identification, prediction and management of physiological responses based on the livestock’s environment and breeding conditions. The research aimed to create and validate a mechanistic model suitable for use in second-generation smart farms serving as a prediction algorithm for micro-climate conditions. Data such as temperature, ventilation fan, and heater were collected from September, 2022 to April, 2023 in a broiler house designed for the purpose of developing a second-generation smart farm. A multi-input single-output model was derived by analyzing the biological response of poultry that causes heat exchange in addition to the microclimate change process of the ventilation fan or warm air fan. The changes in actual energy was described as a Box model, non-uniformity index and time delay index were introduced to make up for the spatio-temporal non-uniform distribution of the inside micro-climate. The correlation coefficient (R²) between the measured data and estimated result for 1 hour prediction model showed a good prediction performance at the value of 0.8662 with RMSE of 1.1833 ℃ for the entire period. It was concluded that this mechanistic model has a potential to predict internal micro-climate variations in second generation smart farms in the future.

지상방제기를 활용한 과수 엽면적지수에 따른 비산 특성 분석

박진선 ( Jinseon Park ),이세연 ( Se-yeon Lee ),최락영 ( Lak-yeong Choi ),( Daniel Kehinde Favour ),홍세운 ( Se-woon Hong ),이채린 ( Chaerin Lee ),김경섭 ( Kyeongseop Kim ),강지혜 ( Jihye Kang ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

과수의 방제 작업 효율 증대를 목적으로 활용되는 스피드 스프레이어(Speed Sprayer, SS기)는 과수 농가의 인력 부족 문제 해결 및 작업 시간 단축에 크게 기여하고 있다. 그러나 살포 방법의 특성 상 약액 비산의 위험성을 내포하고 있다. 2019년 본격 시행된 농약허용기준강화제도(Positive List System, PLS)에 따라 비의도적 농약오염에 대한 사회적 관심 또한 더욱 증대되어 농약 비산 측정 및 정량화 방법에 대한 필요성이 증대되고 있다. 농약 비산은 다양한 환경적·기술적 요인에 영향을 받는 것으로 알려져 있으나, 본 연구에서는 방제 시기에 따라 달리 나타나는 엽면적지수의 차이에 따른 비산 특성을 규명하고자 한다. SS기를 활용한 방제 실험 수행을 위해 전남 나주에 위치한 전남대학교 농장에 시험포를 조성하였고, 대상 과수는 사과나무이며 5 그루를 방제 및 비산 약액 포집 대상으로 구성하고, 2회에 걸쳐 약액 살포 및 포집 실험을 수행하였다. 나무 사이의 거리는 3.4m이며, 포집 위치는 나무 뒤편과 나무 사이로 구분하였고, 수평 거리는 1, 3, 9m, 수직 거리는 1, 2, 3m에서 ISO 22866 기준에 맞추어 나일론 스크린을 거치하여 포집하고, 총유기탄소량(Total Organic Carbon, TOC) 측정 기법을 활용하여 정량화하였다. 엽면적지수의 측정은 LI-3000C (LI-COR, NE, US)를 활용하여 비파괴 측정하였다. 그 결과 나무 뒤편과 나무 사이 모두 수평 관측 거리 9 m 지점까지 비산 약액이 관측되었고, 수직 관측 지점 또한 3 m 지점까지 비산 약액을 포집할 수 있었다. 나일론 스크린을 통해 포집된 비산 약액의 농도는 1 m 지점에서 가장 높게 나타나고, 잎의 밀도가 가장 높은 2m 지점에서 큰 폭으로 감소하는 경향을 보였고, 수고보다 높은 3 m 지점에서 가장 낮은 값을 나타냈다. 또한 본 연구에서 약액을 살포한 시기는 개화기로 엽면적지수는 0.78로 측정되었다. 엽면적지수에 따른 비산 특성의 규명은 잎이 증가하였다가 적과 후 하계전정 과정 및 잎따기 등을 거치며 엽면적이 감소하면서 방제 시 약액 비산이 증가할 우려가 있고, 이에 대응할 수 있는 기초 연구로 의의를 갖는다.

농약 비산 저감을 위한 경계 작물의 공력 저항 및 차단 효과 분석

박진선 ( Jinseon Park ),이세연 ( Se-yeon Lee ),최락영 ( Lak-yeong Choi ),홍세운 ( Se-woon Hong ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

농작업 과정 중 방제의 기계화가 보편적으로 시행됨에 따라 드론을 활용한 방제가 활발하다. 드론을 활용한 방제는 공기 중 분사로 작업효율이 높고, 작업 속도가 빨라 비용 절감 및 인력 투입에 유리하다. 이때 공기 중 약액 입자는 기상 작용에 의한 풍속 및 풍향과 드론에서 발생하는 하향풍의 영향으로 목표 작물을 벗어나 주변 지역으로 비산되기 쉽다. 한편, 대기 중 약액이 비산될 때 주변 지역에 수목 또는 기타 작물이 존재 할 경우 약액 입자를 운반하는 공기의 투과성이 저하되고, 공기 중에 분포하던 약액 입자는 작물에 부착되어 비산 도달 거리가 짧아질 수 있다. 작물의 공기 투과 저항력은 작물의 엽면적의 크기 및 밀도에 영향을 받는데, 이와 같은 특성을 나타내는 지표로 엽면적 지수를 꼽을 수 있다. 또한 작물의 공기 투과 저항력은 일정 풍압이 발생할 때 작물을 중심으로 전후의 압력을 측정하고, 그 차이를 이용하여 측정할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 엽면적 지수와 외부 풍속을 달리하여 식물의 공기 투과 저항력을 평가하고자 한다. 실험 설계는 실내 비산 모의 챔버를 활용하였으며, 식물은 잎의 밀도를 달리하여 엽면적 지수를 세 단계로 구분하였고, 풍속은 1-3 m s^-1 로 설정하여 풍동 구간 내 발생하는 압력을 측정하기 위해 작물 앞과 뒤에 동일 간격을 두고 압력계를 설치하였다. 압력은 정압과 동압의 합으로 얻어지며 동압은 내부에 바람이 일정한 속도로 불기 때문에 전구간이 동일하여 정압을 측정하여 작물의 공기 투과 저항력을 추정하였다. 작물의 공기 투과 저항력은 경험식과 Darcy-Forchheimer가 제안한 식을 활용하여 경향을 분석하였다.

드론 방제 시 농약 비산에 영향을 미치는 주요 요인 분석

이세연 ( Se-yeon Lee ),박진선 ( Jinseon Park ),최락영 ( Lak-yeong Choi ),( Kehinde Favour Daniel ),홍세운 ( Se-woon Hong ),유승화 ( Seung-hwa Yu ),이춘구 ( Chun-gu Lee ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

농약은 작물 생산성 향상을 위해 해충과 잡초를 효과적으로 방제하는 중요한 역할을 한다. 그러나 살포된 농약의 약 50% 이상이 살포지역을 벗어나 비산되며, 농작물에 도달하지 못하는 많은 양의 농약들은 경제적 손실과 생태·환경·보건적 문제를 초래한다. 이러한 농약 비산은 살포 장비, 작물의 종류 및 생장 정도, 기상 조건 및 농약액 입자의 크기와 공기역학적 특성 등 다양한 요인들의 복잡한 상호작용에 의해 발생한다. 특히 드론을 이용한 항공방제 시에는 바람과 드론 하향풍에 의해 형성된 복잡한 난류로 인해 비산 과정이 더욱 복잡해지며 이에 따라 농약 비산에 대한 위험성이 더 크다고 밝혀져 있다. 따라서 항공방제에 의한 농약 비산량을 정량적으로 측정하여 비산에 미치는 주요 요인을 파악하고, 비산 메커니즘을 이해하는 것이 매우 중요하다. 하지만 기존 연구들은 모든 영향 요인들을 종합적으로 측정하는 것이 어려워 일부 요인들에만 초점을 맞추어 연구되어 왔으며, 특히 정량적인 비산량을 현장에서 실측하여 분석한 연구가 매우 부족하다. 따라서 본 연구에서는 드론 방제 시 발생하는 비산 메커니즘을 종합적으로 이해하기 위해 비산에 영향을 미치는 다양한 변수들과 함께 비산량 및 퇴적량을 정량적으로 측정하고, 비산 요인을 규명하였다. 이를 위해 전라남도 나주시에 농약 장거리 비산 연구를 위한 국내 유일 테스트 필드를 구축하였고, 작물 및 기상조건, 드론 운용 조건, 노즐 및 약액 종류에 따른 대상 작물 경계에서의 비산량, 경계로부터 거리별 비산량 및 퇴적량을 정량적으로 측정하여 총 50개의 비산 측정 데이터베이스를 구축하였다. 이후 드론 방제 시 농약의 비산에 영향을 미치는 변수를 도출하고, 요인을 분석하여 기존 연구들의 결과와 비교 및 평가하였다. 본 연구 결과는 드론을 활용한 농약 방제 기술의 확립과 농약 비산 최소화 방안의 개발에 기여할 수 있고, 환경과 보건 측면에서도 긍정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 기대된다.

풍동실험에 의한 붐식 살포 농약의 노즐형태와 분사압력에 따른 비산 특성 분석

박진선 ( Park¸ Jinseon ),이세연 ( Lee¸ Se-yeon ),최락영 ( Choi¸ Lak-yeong ),정한나 ( Jeong¸ Hanna ),노현호 ( Noh¸ Hyun Ho ),유승화 ( Yu¸ Seung-hwa ),송호성 ( Song¸ Hosung ),홍세운 ( Hong¸ Se-woon ) 한국농공학회 2021 한국농공학회논문집 Vol.63 No.5

With rising concerns about pesticide spray drifts, this study analyzed the drift patterns of two typically-used nozzles, XR nozzle and AI nozzle, concerning their working pressures and wind speeds by wind tunnel experiments. AI nozzle showed low drift potential with larger droplet sizes compared to XR nozzle. Airborne and deposition drifts of XR nozzle were two times higher than those of AI nozzle under high wind speeds (≥2 m s^-1). In all cases, higher working pressures decreased the droplet sizes, thereby increasing the airborne and deposition drifts. Higher wind speeds also resulted in more airborne drifts, while ground deposition was increased under lower wind speeds. These effects of working pressures and wind speeds on the airborne and deposition drifts were observed at leeward distances less than 4 m from the nozzles. However, the airborne and deposition drifts were barely affected by the working pressures and wind speeds at leeward distances more than 11 m. The measurements were fitted to regression models of the drift curve with acceptable R2 values greater than 0.8, demonstrating that further studies will be useful to settle domestic issues of spray drifts.