본 논문에서는 미래농업의 핵심기술로 각광 받고 있는 식물공장의 안전하고 효과적인 운용을 위해, 식물공장 내부에 설치된 센서나 설비 장치가 정상적으로 작동하는지 실시간으로 진단하고, 내부 환경 및 설비의 제어상태를 모니터링 하는 식물공장 시설관리 시스템을 제안한다. 본 시스템은 데이터관리 모듈, 상황정보제공 모듈, 상황분석 모듈, 서비스제공 모듈, 정보저장소 모듈, 사용자 인터페이스 모듈로 구성된다. 이러한 각 모듈간의 상호작용을 통해 오작동 진단 서비스, 설비장치 제어 서비스, 고 신뢰성 모니터링 서비스를 제공한다. 오작동 진단 서비스는 식물공장 내부에 설치된 센서나 설비 장치의 오작동여부를 판단하고 관리자에게 통보하는 기능을 수행한다. 설비장치 제어 서비스는 설비의 오작동을 진단하는 과정에서 제어의 필요성이 판단 될 경우 해당 기기를 제어한다. 고 신뢰성 모니터링 서비스는 오작동 진단 서비스를 통해 검증된 데이터를 관리자에게 제공한다. 제안한 시스템의 시뮬레이션을 통하여 각 서비스가 정상적으로 동작함을 확인하였다.
본 논문에서는 미래농업의 핵심기술로 각광 받고 있는 식물공장의 안전하고 효과적인 운용을 위해, 식물공장 내부에 설치된 센서나 설비 장치가 정상적으로 작동하는지 실시간으로 진단하고, 내부 환경 및 설비의 제어상태를 모니터링 하는 식물공장 시설관리 시스템을 제안한다. 본 시스템은 데이터관리 모듈, 상황정보제공 모듈, 상황분석 모듈, 서비스제공 모듈, 정보저장소 모듈, 사용자 인터페이스 모듈로 구성된다. 이러한 각 모듈간의 상호작용을 통해 오작동 진단 서비스, 설비장치 제어 서비스, 고 신뢰성 모니터링 서비스를 제공한다. 오작동 진단 서비스는 식물공장 내부에 설치된 센서나 설비 장치의 오작동여부를 판단하고 관리자에게 통보하는 기능을 수행한다. 설비장치 제어 서비스는 설비의 오작동을 진단하는 과정에서 제어의 필요성이 판단 될 경우 해당 기기를 제어한다. 고 신뢰성 모니터링 서비스는 오작동 진단 서비스를 통해 검증된 데이터를 관리자에게 제공한다. 제안한 시스템의 시뮬레이션을 통하여 각 서비스가 정상적으로 동작함을 확인하였다.
This paper suggests the Facility Management System for plant factory promising to be a core technology of the agriculture in the future. This system makes diagnoses that status from sensors or facilities in the factory for exact operation and monitors the internal environment with the control status...
This paper suggests the Facility Management System for plant factory promising to be a core technology of the agriculture in the future. This system makes diagnoses that status from sensors or facilities in the factory for exact operation and monitors the internal environment with the control status in real-time. It is expected that we could operate a plant factory safely and effectively by using the system. The system consists of the data management module, the context provider module, the context interpreter module, the service provider module, the data storage and user interface. The system provide with the failure diagnosis service, the facility control service, and the high-reliability monitoring service via the interactions between above modules. The failure diagnosis service determines whether the sensors or facility devices are in failure or not, and informs the administrator of their conditions. The facility control service is activated in case if the facilities need to be managed during the diagnosis for failure or malfunction processes. The high-reliability monitoring service provides the administrator with verified data through the failure diagnosis service. Then we confirmed that the suggested system operates correctly through the system simulation.
This paper suggests the Facility Management System for plant factory promising to be a core technology of the agriculture in the future. This system makes diagnoses that status from sensors or facilities in the factory for exact operation and monitors the internal environment with the control status in real-time. It is expected that we could operate a plant factory safely and effectively by using the system. The system consists of the data management module, the context provider module, the context interpreter module, the service provider module, the data storage and user interface. The system provide with the failure diagnosis service, the facility control service, and the high-reliability monitoring service via the interactions between above modules. The failure diagnosis service determines whether the sensors or facility devices are in failure or not, and informs the administrator of their conditions. The facility control service is activated in case if the facilities need to be managed during the diagnosis for failure or malfunction processes. The high-reliability monitoring service provides the administrator with verified data through the failure diagnosis service. Then we confirmed that the suggested system operates correctly through the system simulation.
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문제 정의
현재까지 연구되어진 식물공장은 주로 작업공정의 자동화 및 관련 생산시설 위주 개발되고 있으나, 설비장치들에 대한 진단이나 오류 데이터 검출 같은 관리 및 운영을 위한 기술에 대한 연구에는 미치지 못하고 있다. 본 논문에서는 기존 식물공장 관리 시스템에서 다루지 않았던 센서 및 설비장치의 오작동을 진단하는 식물공장 시설관리 시스템을 새롭게 제안한다.
이는 계절이나 외부 환경과 상관없이 언제나 원하는 작물을 안전하게 재배할 수 있다는 장점이 있지만, 식물공장의 내부 환경은 관리시스템에 의존하기 때문에 시스템을 구성하는 센서나, 설비장치의 오작동으로 잘못된 환경이 조성되면 재배작물에 큰 피해를 입히게 된다. 본 논문에서는 이러한 식물공장의 문제를 해결하기 위해 식물공장 시설 관리 시스템을 제안하였다.
본 논문에서는 이러한 식물공장의 안정적이고 효율적인 운영을 위해 식물공장 운영 중에 발생할 수 있는 센서나 설비장치의 오작동을 상황인지 기술을 통해 검출하여 신뢰성 있는 모니터링 및 제어가 가능한 식물공장 시설관리 시스템을 제안한다.
본 논문에서는 재배지 내에서 발생할 수 있는 센서나 여러 가지 기기들의 오작동이나 환경적인 문제들을 능동적으로 진단하고 관리하는 식물공장 관리 시스템을 제안하였다. 본 시스템은 센서나 설비 장치들과의 통신환경을 설정하고, 센싱 데이터를 재구성 하는 역할을 하는 데이터관리 모듈, 재구성한 패킷을 분석하여 상황정보로 재구성하는 상황정보제공 모듈, 상황정보를 분석하여 서비스를 요청하는 상황분석 모듈, 실질적으로 서비스를 실행하는 서비스제공 모듈, 그리고 식물공장운영에 필요한 정보를 저장하는 데이터베이스 구축하고 이를 활용할 수 있도록 도와주는 정보저장소 모듈, 사용자에게 서비스를 제공하는 매개체 역할을 하는 사용자인터페이스 모듈로 구성된다.
본 절에서는 식물공장 시설관리 시스템이 지원하는 서비스들에 대해서 기술 한다. 센서나 설비 장치의 오작동여부를 판단하고 관리자에게 알려주는 오작동 진단 서비스, 오작동을 진단하는 과정에서 제어필요성이 판단 될 경우 해당기기를 제어해주는 설비장치 제어 서비스, 오작동 진단 서비스를 통해 검증된 데이터를 관리자에게 알려주는 고 신뢰성 모니터링 서비스를 제공한다.
설비장치 제어 서비스의 성능을 검증하기 위하여 제어가 발생할 수 있는 상황에 따라 설비 장치가 어떤 조치를 취하는지 확인하였다. 제어가 발생할 수 있는 상황은 크게 2가지로 나눌 수 있다.
본 시스템은 센서나 설비 장치들과의 통신환경을 설정하고, 센싱 데이터를 재구성 하는 역할을 하는 데이터관리 모듈, 재구성한 패킷을 분석하여 상황정보로 재구성하는 상황정보제공 모듈, 상황정보를 분석하여 서비스를 요청하는 상황분석 모듈, 실질적으로 서비스를 실행하는 서비스제공 모듈, 그리고 식물공장운영에 필요한 정보를 저장하는 데이터베이스 구축하고 이를 활용할 수 있도록 도와주는 정보저장소 모듈, 사용자에게 서비스를 제공하는 매개체 역할을 하는 사용자인터페이스 모듈로 구성된다. 이런 모듈 간의 연계를 통하여 센서나 설비 장치의 오작동여부를 판단하고 관리자에게 알려주는 오작동 진단 서비스를 통해 검증된 데이터를 사용자에게 알려주는 고신뢰성 모니터링 서비스, 오작동 진단 서비스에서 제어 판단이 있을 경우 설비장치를 효율적으로 구동하는 설비장치 제어 서비스를 제공하도록 하였다. 구현된 시스템은 가상의 식물공장에 9개의 오작동센서와 작동 하지 않고 있는 온풍기가 있다는 상황에서 시뮬레이션을 하여 검증하였다.
가설 설정
가상의 식물공장에 설치된 총 81개의 센서 중 72개의 정상적인 센서는 18도~19℃사이의 정상적인 데이터를 전송하고, 오작동 센서로 가정한 9개의 센서는 20~30도 사이의 임의 값을 가진 센싱 데이터를 전송한다. 각각의 센서는 1초 간격으로 50개의 데이터를 전송한다.
식물공장 시설관리 시스템이 제공하는 서비스의 수행성을 검증을 위하여 실제 센서데이터와 같은 패킷구조를 가지는 가상의 데이터를 각각의 쓰레드를 구성하여 실제 센서와 같이 동시 다발적인 센서데이터를 전송 하도록 하였다. 검증을 위해 가상의 식물공장에서 상추를 재배한 다고 가정하고 테스트를 하였다. 식물공장은 9개의 센서를 보유한 9개의 블록으로 이루어져있고 섹터는 1개로 구성되어있다.
각각의 센서는 1초 간격으로 50개의 데이터를 전송한다. 또한 온도를 제어하는 설비장치인 온풍기가 고장이 났다고 가정하였다. 테스트에 사용된 센서에 대한정보는 표 6과 같다.
제안 방법
이런 모듈 간의 연계를 통하여 센서나 설비 장치의 오작동여부를 판단하고 관리자에게 알려주는 오작동 진단 서비스를 통해 검증된 데이터를 사용자에게 알려주는 고신뢰성 모니터링 서비스, 오작동 진단 서비스에서 제어 판단이 있을 경우 설비장치를 효율적으로 구동하는 설비장치 제어 서비스를 제공하도록 하였다. 구현된 시스템은 가상의 식물공장에 9개의 오작동센서와 작동 하지 않고 있는 온풍기가 있다는 상황에서 시뮬레이션을 하여 검증하였다. 그 결과 설비장치가 작동중이 아닐 때는 9개의 오작동하는 센서들을 모두 감지해 냈지만, 설비장치가 작동 중 일때는 6개만 감지함으로 감지기능이 다소 떨어졌지만 동작하지 않고 있는 기기를 감지할 수 있었다.
현재 블록의 평균 데이터가 섹터 평균값과 데이터베이스에 저장된 최적 생장정보다 보다 높거나 낮은 상황과, 블록의 평균 데이터가 섹터 평균값과 차이가 나지만 데이터베이스에 저장된 최적 생장정보와는 차이가 크게 나지 않는 경우를 들 수 있다. 그러한 상황들을 시뮬레이션에 적용하여 조치사항을 출력하도록 하였다. 그 결과는 표 8과 같다.
본 논문에서 제안하는 식물공장 시설관리 시스템은 식물공장의 신뢰성 있고 효율적인 관리와 제어를 위해 센서 및 설비 장치의 오작동유무를 판별하고 그에 알맞은 서비스를 찾아 제공한다. 식물공장 시설관리 시스템은 그림 1과 같이 물리계층, 중간계층 및 응용계층으로 구성된다.
본 논문에서는 재배지 내에서 발생할 수 있는 센서나 여러 가지 기기들의 오작동이나 환경적인 문제들을 능동적으로 진단하고 관리하는 식물공장 관리 시스템을 제안하였다. 본 시스템은 센서나 설비 장치들과의 통신환경을 설정하고, 센싱 데이터를 재구성 하는 역할을 하는 데이터관리 모듈, 재구성한 패킷을 분석하여 상황정보로 재구성하는 상황정보제공 모듈, 상황정보를 분석하여 서비스를 요청하는 상황분석 모듈, 실질적으로 서비스를 실행하는 서비스제공 모듈, 그리고 식물공장운영에 필요한 정보를 저장하는 데이터베이스 구축하고 이를 활용할 수 있도록 도와주는 정보저장소 모듈, 사용자에게 서비스를 제공하는 매개체 역할을 하는 사용자인터페이스 모듈로 구성된다. 이런 모듈 간의 연계를 통하여 센서나 설비 장치의 오작동여부를 판단하고 관리자에게 알려주는 오작동 진단 서비스를 통해 검증된 데이터를 사용자에게 알려주는 고신뢰성 모니터링 서비스, 오작동 진단 서비스에서 제어 판단이 있을 경우 설비장치를 효율적으로 구동하는 설비장치 제어 서비스를 제공하도록 하였다.
센서에서 수집한 데이터 종류 목록을 저장하고 있는 DATA_TYPE 테이블과 N 대 1 관계를 가짐으로써 센서의 종류가 추가에 유연한 확장을 고려하였다. 설치된 설비장치의 정보를 가지고 있는 DEVICE 테이블도 마찬가지로 CONTROL 테이블과 N 대 1 관계를 갖도록 설계함으로써 식물공장내부에 새로운 장치가 설치되더라도 유연하게 확장 가능하도록 하였다. CROP 테이블은 작물이 최적상태로 자랄 수 있는 환경정보들을 저장하는 테이블로써 상황정보 제공자에서 제어 및 진단을 할 때 해당 테이블을 참고하도록 하였다.
ENVIRONMENT 테이블은 센서에서 수집된 정보를 저장하고 있다. 센서에서 수집한 데이터 종류 목록을 저장하고 있는 DATA_TYPE 테이블과 N 대 1 관계를 가짐으로써 센서의 종류가 추가에 유연한 확장을 고려하였다. 설치된 설비장치의 정보를 가지고 있는 DEVICE 테이블도 마찬가지로 CONTROL 테이블과 N 대 1 관계를 갖도록 설계함으로써 식물공장내부에 새로운 장치가 설치되더라도 유연하게 확장 가능하도록 하였다.
식물공장은 9개의 센서를 보유한 9개의 블록으로 이루어져있고 섹터는 1개로 구성되어있다. 시험 기준에 사용한 센싱 데이터의 종류는 온도로 하도록 하였고, 가상의 센서 노드에 각각의 쓰레드를 할당하여 실제 센서와 같이 동시다발적으로 데이터를 전달하도록 하였다. 시뮬레이션에 사용된 가상의 식물공장의 테스트 환경은 표 5와 같다.
식물공장 시설관리 시스템의 효과적인 구현을 위하여 그림 8과 같은 데이터베이스 스키마를 설계하여 MS-SQL 2005로 데이터베이스 서버를 구축하였다. 데이터베이스는 ENVIRONMENT, DATA_TYPE, DEVICE, CONTROL, CROP총 5개의 테이블로 구성되어있다.
식물공장 시설관리 시스템이 제공하는 서비스의 수행성을 검증을 위하여 실제 센서데이터와 같은 패킷구조를 가지는 가상의 데이터를 각각의 쓰레드를 구성하여 실제 센서와 같이 동시 다발적인 센서데이터를 전송 하도록 하였다. 검증을 위해 가상의 식물공장에서 상추를 재배한 다고 가정하고 테스트를 하였다.
위와 같은 분석을 통해 표4와 같이 총 7가지 상황을 유추할 수 있으며 관련된 상황에 따라 sensorErrCount나 deviceErrCount 를 가감함으로써 오류 여부를 진단한다. 축척된 sensorErrCount 나 deviceErrCount가 임계값을 넘어가면 각각 센서 오류 및 기기오류로 판정한다.
위와 같은 분석을 통해 표4와 같이 총 7가지 상황을 유추할 수 있으며 관련된 상황에 따라 sensorErrCount나 deviceErrCount 를 가감함으로써 오류 여부를 진단한다. 축척된 sensorErrCount 나 deviceErrCount가 임계값을 넘어가면 각각 센서 오류 및 기기오류로 판정한다.
대상 데이터
식물공장 시설관리 시스템의 효과적인 구현을 위하여 그림 8과 같은 데이터베이스 스키마를 설계하여 MS-SQL 2005로 데이터베이스 서버를 구축하였다. 데이터베이스는 ENVIRONMENT, DATA_TYPE, DEVICE, CONTROL, CROP총 5개의 테이블로 구성되어있다. ENVIRONMENT 테이블은 센서에서 수집된 정보를 저장하고 있다.
상황분석 모듈에서 상황분석 결과로 요청하면 해당 서비스를 제공해준다. 제공하는 서비스인 오작동 진단 서비스와 설비장치 제어 서비스, 고 신뢰성 모니터링 서비스의 실제기능이 구현되어 있는 ServiceProvider 클래스로 구성되어 있다.
성능/효과
구현된 시스템은 가상의 식물공장에 9개의 오작동센서와 작동 하지 않고 있는 온풍기가 있다는 상황에서 시뮬레이션을 하여 검증하였다. 그 결과 설비장치가 작동중이 아닐 때는 9개의 오작동하는 센서들을 모두 감지해 냈지만, 설비장치가 작동 중 일때는 6개만 감지함으로 감지기능이 다소 떨어졌지만 동작하지 않고 있는 기기를 감지할 수 있었다. 이와 같이 본 시스템이 식물공장의 설비관리에 효과적인 성능을 발휘함을 확인하였다.
그 결과 설비장치의 제어가 섹터 평균에 영향을 받기도 하지만, 최종적으로 데이터베이스 저장된 생장기준을 참고하기 때문에 일시적인 센서의 오류로 인해 발생하는 불필요한 설비 장치의 제어를 줄일 수 있음을 확인하였다. 이러한 설비장치 제어 서비스는 위에서 보였던 오작동 진단 서비스와 동시에 구동되어 오작동 된 센서의 데이터를 필터링하여 제어 기준으로 삼기 때문에 일반 제어 서비스에 비하여 정밀하고 신뢰성 있는 설비장치 제어 서비스를 제공한다.
또한, 기상이변으로 인한 노지재배의 피해로 인해 농산물의 안정적인 공급에 차질을 주고 있다. 그 결과 현재 우리나라의 식량자급률은 25.3%로, 식량자급률이 100%를 웃도는 미국, 영국, 스웨덴, 독일 같은 선진국들과 큰 격차를 보이며, OECD(Organization for Economic Cooperation and Development : 경제협력개발기구) 30개 국가 중 26위라는 현실에 처해 있다 [1]. OECD와 FAO(Food and Agricultural Organization : 유엔식량농업기구)는 국제 식량 가격 상승에 따라 식량 자급도가 낮은 국가들의 식량 안보 위협은 계속 증가할 것이라고 전망했다.
후속연구
향후 연구로는 시스템을 실제 현장에 필드테스트를 하여 시스템의 신뢰성을 검증하고, 다양한 상황들을 유연하게 대처할 수 있는 상황인지 서비스를 추가하여 작물의 생장관리를 스케줄링하는 기술에 대한 연구가 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식물공장은 어떻게 구성되어 있는가?
이러한 식물공장은 식물성장에 필요한 환경적인 요소들을 각종 환경조성 장치를 통해 제공하며, 파종에서 수확까지 이루어지는 생산 공정은 첨단기술을 접목한 자동화으로 시스템이다. 식물공장의 특성상 실내에 많은 센서와 설비장치들로 구성될 수밖에 없으며 이러한 시설들을 효과적으로 관리하기위해 식물공장내의 상황 정보의 수집 및 교환을 통해 상황을 인식하고, 해석 및 추론과 같은 처리 과정을 거쳐, 사용자에게 상황에 적절한 서비스를 제공하는 상황인지 개념을 적용할 필요가 있다 [4]-[8].
식물공장이란 무엇인가?
식물공장은 실내에서 식물의 생육환경(광, 온습도, 자양분)을 인위적으로 제어하여 계획생산이 가능한 농업시스템을 일컫는다. 이러한 식물공장은 식물성장에 필요한 환경적인 요소들을 각종 환경조성 장치를 통해 제공하며, 파종에서 수확까지 이루어지는 생산 공정은 첨단기술을 접목한 자동화으로 시스템이다.
우리나라가 식량 안보 문제를 걱정해야 하는 이유는 무엇인가?
현재 우리나라 농업은 계속되는 산업화 및 인구 노령화, 출산 감소 등으로 인해 농업을 생업으로 하는 인구가 줄어들고, 타 산업의 개발로 인해 경작면적이 줄어들고 있다. 또한, 기상이변으로 인한 노지재배의 피해로 인해 농산물의 안정적인 공급에 차질을 주고 있다. 그 결과 현재 우리나라의 식량자급률은 25.3%로, 식량자급률이 100%를 웃도는 미국, 영국, 스웨덴, 독일 같은 선진국들과 큰 격차를 보이며, OECD (Organization for Economic Cooperation and Development : 경제협력개발기구) 30개 국가 중 26위라는 현실에 처해 있다 [1]. OECD와 FAO(Food and Agricultural Organization : 유엔식량농업기구)는 국제 식량 가격 상승에 따라 식량 자급도가 낮은 국가들의 식량 안보 위협은 계속 증가할 것이라고 전망했다. 따라서 이러한 식량 안보 문제의 해결은 무엇보다 중요한 연구 이슈이며, 최근의 연구문헌 조사에 의하면 식물공장이 이러한 식량 안보 문제 해결의 핵심 방법으로 주목을 받고 있다 [2, 3].
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