[논문]페트리넷을 이용한 어류양식 환경 정보 모델러 및 시뮬레이터 구현

정희택; 조혁현

doi:10.6109/jkiice.2012.16.3.626

페트리넷을 이용한 어류양식 환경 정보 모델러 및 시뮬레이터 구현
Implementation of Modeller and Simulator for Fish Farming Environmental Information using Petri-Net 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.3, 2012년, pp.626 - 634

정희택 (전남대학교) , 조혁현 (전남대학교)

초록
AI-Helper

양식 환경의 과학적이고 체계적인 관리와 양식어민을 위해 실시간 수질 및 급이 정보 이외에도 자료의 종합적인 판단과 변화 이력을 확인하고 관리할 수 있는 시스템이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 양식장의 수질, 급이의 현재 상태를 제시하고 이력 정보를 기반으로 시뮬레이션 가능하며 상태 변화를 단계 별로 확인 가능한 시스템을 비주얼 C++를 이용하여 구현하였다. 또한 수질, 급이 상태 정보를 수산지식을 기반으로 종합적으로 분석할 수 있고 제시할 수 있는 엔트로피 모델을 제안하였다. 이는 추후 질병 및 다양한 연구 결과를 반영한 고차원의 양식 환경 모델을 생성할 수 있는 토대가 될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is required that system can seamlessly identify and manage change history and comprehensive assessment of several types of data as well as individual information of feeding and water environment for scientific and systematic management of fish farming environment and fish farmer. In this study, we implemented the system which can present and simulate current status of water quality and feeding based on th historical data of them, and check changes of state step by step using visual C++. In addition, we proposed the entropy model which can be comprehensive analysis about water quality and feed status information based on knowledge of fisheries. It can be the foundation to create high-level environment model reflecting the more diverse fisheries knowledge such as disease.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는, 양식장 현장에서 수질 변화를 각 인자별로 모델링 할 수 있는 모델 및 모델러, 그리고 이들의 상태 변화를 이력으로 확인할 수 있는 시뮬레이터를 개발하고자 한다. 또한 여러 양식 환경 인자들을 분석하여 통합적이고 종합적인 의미 제공이 가능한 엔트로피 모델을 제시하여 양식어민이 양식장 현재 상태에 대한 종합적인 상태를 확인할 수 있으며, 모델 된 각 인자의 값을 확인하여 구체적인 수질의 상태를 확인할 수 있도록 하고자 한다.
본 연구에서는, 양식장 현장에서 수질 변화를 각 인자별로 모델링 할 수 있는 모델 및 모델러, 그리고 이들의 상태 변화를 이력으로 확인할 수 있는 시뮬레이터를 개발하고자 한다. 또한 여러 양식 환경 인자들을 분석하여 통합적이고 종합적인 의미 제공이 가능한 엔트로피 모델을 제시하여 양식어민이 양식장 현재 상태에 대한 종합적인 상태를 확인할 수 있으며, 모델 된 각 인자의 값을 확인하여 구체적인 수질의 상태를 확인할 수 있도록 하고자 한다.

제안 방법

각 상태 정보를 연결하고 모델을 통합하기 위해 초기, 종료 플레이스 및 관련 트랜지션을 포함하였다. 또한 여러 고장(failure)에서 발생할 수 있는 비정상 종료를 모델링하기 위해 해당 플레이스와 트랜지션을 추가 하였다.
넙치 양식 환경을 기반으로 수질 환경 변수의 상태를 페트리넷으로 모델링 하였다. 각 상태를 표 1에서 제시한 4가지 상태인 플레이스로 모델링 하였으며, 이들 간에 외부 상태 변화에 의한 트리거(trigger)를 모델링하기 위해, 트랜지션으로 모델링하였다.
구현된 시스템은 각 수조에서 실시간으로 측정되는 수질 및 급이 정보와 어류 성장 정보를 파일 시스템 기반으로 운영하였고 개발 환경은 윈도우 XP 운영체제하서 Visual C++를 이용하여 개발하였다.
넙치 양식 환경을 기반으로 수질 환경 변수의 상태를 페트리넷으로 모델링 하였다. 각 상태를 표 1에서 제시한 4가지 상태인 플레이스로 모델링 하였으며, 이들 간에 외부 상태 변화에 의한 트리거(trigger)를 모델링하기 위해, 트랜지션으로 모델링하였다.
Thomas[8]는 비쥬얼 스튜디오를 이용하여 웹서비스의 메소드들의 묘사와 WSDL에 대한 페트리 넷 모델링을 위한 소프트웨어를 개발하였다. 또한 분산 웹서비스의 통합을 모델링하기 위한 페트리 넷 병합 방법을 제안하였다.
각 상태 정보를 연결하고 모델을 통합하기 위해 초기, 종료 플레이스 및 관련 트랜지션을 포함하였다. 또한 여러 고장(failure)에서 발생할 수 있는 비정상 종료를 모델링하기 위해 해당 플레이스와 트랜지션을 추가 하였다.
상태 변화에 대한 트리거는 센서에서 측정된 값의 변화를 반영하기 위한 것이다. 또한, 해당 변화에 의해 현재 상태를 표현하기 위해, 패트리넷의 토큰을 활용하였다. 그림 1와 같이 수온이 15 ~ 23 범위에 있는 상태를 표현하기 위해 토큰이 해당 플레이스에 존재하게 된다.
이를 부가적인 수산지식 실험을 통해 측정된 결과를 반영하도록 모델링 하였다. 표2에 제시된 가중치를 기반으로 양식 상태 엔트로피 모델을 정의하면 식 1과 같다.
높은 수온에서 성어가 더욱 잘 견딜 수 있다. 이를 위해, 어류를 그림 3과 같이 치어기, 중간 육성기, 성어기로 구분하였다.
표 1에서 각 수질 요소의 상태 구분은 수산지식을 기반으로 하였으며, 해수에서 존재할 수 있는 값의 범위를 양식 환경에서 어류 양식에 적합여부에 따라 구분하였다. “Good State”로 구분된 구간은 각 요소가 어류 양식에 가장 적합한 상태를 의미하며 “Not Good State”는 “Good State”를 기준으로 좌우에 속하는 범위로 적합한 상태는 아니지만, 계절에 따라 존재할 수 있는 상태를 구분하기 위한 것이다.

이론/모형

본 연구에서는 양식 수질 환경을 모델링 하기 위해 그래픽적이고 수학적 모델링 도구인 페트리넷을 사용한다. 이는 병행적, 비동기적, 분산적, 병렬적 또는 확률적 성질을 지닌 정보처리 시스템의 성능 분석, 통신 프로토콜 설계 검증 등 다양한 분야에 이용된다[3].

성능/효과

금호수산의 실 데이터를 대상으로 분석함으로써 2009년 전체 양식 환경의 정보를 분석하고 검증할 수 있었으며, 어류 양식에 가장 적합한 기간이 2009년 8월부터 2009년 11월임을 확인할 수 있었다.
또한 생성된 모델에 대해, 각 상태의 변화 및 발생 가능한 상태 변화를 시뮬레이션 할 수 있었다. 아울러 수질 환경 인자를 엔트로피 값에 의해 모델링함으로써, 의미 있는 수산양식 지식을 체계화 할 수 있었다. 특히 구현된 시뮬레이터를 통해, 현재 양식장 상태를 확인할 수 있으며, 이를 기반으로 전이 가능한 상태 변화를 시뮬레이터에서 확인할수 있다.
페트리넷을 활용하여 수질 환경정보, 급이 정보, 어류 크기 정보 등의 요소들을 단순하고 명확하게 모델링 할 수 있었다. 또한 생성된 모델에 대해, 각 상태의 변화 및 발생 가능한 상태 변화를 시뮬레이션 할 수 있었다.

후속연구

수산양식 분야에서 연구된 결과를 엔트로피 모델로 표현할 수 있음으로 인해, 질병 및 다양한 연구 결과를 반영한 양식 환경 모델을 생성할 수 있는 토대를 마련하였다. 또한 일반 양식장 환경에 대한 모델 및 분석할 수 있는 상태 모델에 대한 기본 틀을 본 연구를 통해 제시함으로써, 다양한 지역의 양식장 상태를 일관성 있게 모델링 할 수 있을 것이다.
특히 구현된 시뮬레이터를 통해, 현재 양식장 상태를 확인할 수 있으며, 이를 기반으로 전이 가능한 상태 변화를 시뮬레이터에서 확인할수 있다. 또한 향후 발생할 수 있는 모든 상태 변화를 예상하고 활용할 수 있다.
국외 연구 일부에서도 어류 양식 과정 중 치어에서 성어까지 투여된 급이 량과 성어의 크기와 상관성에 대한 통계적 분석만이 부분적으로 이루어졌다. 이 연구는 양식의 과정을 최종 하나의 방정식으로 모델링 하고 있을 뿐, 각 과정의 변화를 효과적으로 제시할 수 있는 방안을 제공하지는 않았다.
이를 바탕으로 여러 지역에 생성된 양식 환경 상태 모델을 생성하고 이를 비교 분석함으로써 지역적 및 어종 특성에 적합한 양식장 환경 상태 모델의 틀을 만들 수 있을 것이며 나아가 특정 지역 특정 어종에 대한 표준화된 양식 상태 모델을 보급함으로써 경제적 이득을 극대화 할 수도 있다.
향후 연구에서는 엔트로피 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 추가적인 데이터의 획득을 통해 평가실험을 보강할 계획이다. 이를 위해 제안한 엔트로피 모델과 개발된 시스템의 상태 모델을 연동하고 로거 단에서 데이터 접근 인터페이스를 통해, 통합양식 환경정보 제시시스템으로 활용 및 검증 할 계획이다.
향후 연구에서는 엔트로피 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 추가적인 데이터의 획득을 통해 평가실험을 보강할 계획이다. 이를 위해 제안한 엔트로피 모델과 개발된 시스템의 상태 모델을 연동하고 로거 단에서 데이터 접근 인터페이스를 통해, 통합양식 환경정보 제시시스템으로 활용 및 검증 할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양식 환경 모델링을 위해 페트리넷을 모델링 도구로 사용한 이유는 무엇인가?	양식 환경 모델링을 위해 페트리넷을 모델링 도구로 사용한 이유는 페트리넷에서 상태를 플레이스로 상태 변이를 토큰으로 표현하는 명료성이 있어 각 변수의 특성을 잘반영할 수있기 때문이다. 더욱이 모델링된경과를 기반으로 이력 정보 및 변환가능한 향후 상태 변화 모두를 페트리넷의 커버리지 그래프(coverage graph)를 통해 확인할 수 있고 제시할 수 있기 때문이다. 그리고 페트리넷이 모델링 된 결과의 유효성 및 안전성을 검증할 수 있는 효과적인 도구를 제공하기 때문이다.
	페트리넷의 장점은 무엇인가?	Petri에 의해 처음 개발되었고 오토마타와 유사한 점이 많다. 장점으로는 현재의 상황을 이해하기 편리하다는 것과 동시성(Concurrency)과동기적사건(Synchronized Event)을표현할 수 있으며, 가시적(Visuality)으로 표현이 가능하다[4,5,6].
	페트리 넷은 어떻게 구성되어 있는가?	그림 형태로 표현한 모델링 도구 측면에서 볼 때 페트리 넷은 플로우 차트나 블록 다이아그램과 유사하다[3]. 페트리 넷은 시스템의 상태(state)혹은 조건(condition)을 나타내는 플레이스(place), 사건(event)을 나타내는 트랜지션(transition), 흐름을 나타내는 아크(arc) 및 플레이스 조건의 진위 또는 시스템의 가용 자원을 나타내는 토큰(token)으로 구성되어 있으며, 토큰은 시스템의 동적이며 병행적 동작 특성을 나타내기 위해 사용된다[3]. 페트리넷을 이용하여 모델링된 시스템은 토큰의 흐름을 추적함으로써 시스템의 동적 상황을 미리 예측 할 수 있다[7].

참고문헌 (12)

정희택, 예성빈, 김해란, 한순희, "고품질 수산물 생산지원시스템 설계", 해양정보통신학회논문지, 제12권, 제9호, pp.1623-1632, 2008.
한국정보사회진흥원,"RFID/USN을 활용한 양식지 능화 시스템 개발(u-Fishfarm)", 2007.
이종근, "추이적 행렬에서 상태불변에 따른 효율적인 패트리 넷의 분할", 창원대학교 컴퓨터공학과 석사학위논문, 2002.
T.Murata,"Petri Nets: Properties, Analysis and applications", Proceedings of the IEEE, Vol. 77, No. 4, pp.541-580, 1989.

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박중태,송재복,정우진,"페트리넷을 이용한 자율주행 서비스 로봇의 오류검지 및 복구 프레임워크", 한국로봇공학회 하계종합 학술대회지, 2006
P.Freedman,"Time, petri nets, and robotics", IEEE transactions on robotics and automation, vol.7, no. 4, pp..417-433, 1991

상세보기
이선화, 류광열, "협업프로세스 모델링 방법 개발 및 검증", 한국산업공학회 논문지, 36권 10호, pp. 176-185, 2010
J.P. Thomas, M. Thomas, G. Ghinea, "Modeling of Web Services Flow", Proceedings of the IEEE International Conference on E_Commerce, pp.391-398, 2003.
임재걸, 심규박, 도재수, "혼합분포 확률 시간 넷을 이용한 웹서비스 시스템의 응답시간 분석", 한국멀티미디어학회 논문지, Vol.9. No.11, pp. 1503-1514, 2006.

원문보기 상세보기
김해란, 정희택,"육상 수조식 양식장 수질 환경의 통계적 분석", 한국전자통신학회논문지, 제5권, 제６호，pp.637-644，2010.

원문보기 상세보기
정희택, 김해란, 장문석, 한순희,"Radio frequncy Idntification(RFID) Feeding System for Aquaculture Farms", Proceedings of the IASTED Interl. Conf. Identification, Control and Applicartion, pp.41-44, 2009.
박덕배, "넙치 양식 표준 지침서", 국립수산과학원, 2006.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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