초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ 식물공장 플랜트 설계단계에서,
시설∙설비의 구성, 작물의 생육3단계, 공간구조를 입면도(3D CAD)로 작성하고 투입되는 공조설비의 속성(풍량,풍속)을 시스템에 입력하면 설정된 재배작물의 적정기류 조건을 만족하는 급기설비(에어덕트,서쿨레이터,설치위치 및 방향, 소형 순환팬의 설치위치 등)의 구성을 추천하는 디지털트윈기반 기류설비 최적화 플랫폼“ 기술 개발
○ 이를 구현하기 위해,
- 식물공장의 기류흐름과 공간정보와 객체들간의 관계를 수학적 의미론에 기반한 기류

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ 식물공장 플랜트 설계단계에서,
시설∙설비의 구성, 작물의 생육3단계, 공간구조를 입면도(3D CAD)로 작성하고 투입되는 공조설비의 속성(풍량,풍속)을 시스템에 입력하면 설정된 재배작물의 적정기류 조건을 만족하는 급기설비(에어덕트,서쿨레이터,설치위치 및 방향, 소형 순환팬의 설치위치 등)의 구성을 추천하는 디지털트윈기반 기류설비 최적화 플랫폼“ 기술 개발
○ 이를 구현하기 위해,
- 식물공장의 기류흐름과 공간정보와 객체들간의 관계를 수학적 의미론에 기반한 기류 해석용 디지털트윈 명세 형식론(Specification Formalism)인 PFARM (Plant Factory Airflow Model)을 처음으로 제안하여, 기존 연구에서 주로 수행한 데이터 가시화나 시뮬레이션을 통한 예측 위주에서 식물공장 기류해석 방법의 이론을 정립.
- 식물공장내 형상을 CAD로 구현하고 기류해석을 위한 전산유체역학(CFD) 구성요소들을 결합하여 디지털트윈 모델을 개발
- 디지털트윈 모델이 시뮬레이션 해석결과를 식물공장에서 수집한 실제 데이터와 비교하는 모델 실증 및 기계학습에 기반한 보정을 통해 기류 예측용 디지털트윈 모델을 완성
- 완성된 디지털트윈 모델을 이용한 기류설비 최적화 수행 방안과 메타 모델링 접근방법을 제시
○ 식물공장 플랜트 구축시 기류 최적화 설계용도 즉시 활용 및 공기조화 설비 자동제어 운용 점진적 적용
기류해석 연구결과를 바탕으로 추가 설치되는 식물공장의 공조장치 배치 및 수량 설계시에 설계지원용으로 활용하고 점진적으로 최적의 기류 조건을 위한 자동제어장치 개발에도 적용 가능

◼ 전체 내용
○ 식물공장 기류흐름 디지털트윈 모델의 수학적 명세 틀인 PFARM(Plant Factory Airflow Model) 형식론 제안 및 적용
기류해석용 디지털트윈 모델은 기류흐름에 대한 지배방정식과 기류흐름 대상이 되는 식물공장의 공간정보와 객체들의 물리적 특성이 통합되도록 명세함. 특히, 모델 명세서의 완전성을 보장하기 위해서 지배방정식과 공간정보(3D CAD)들의 특성과 이들 사이의 제약관계를 수학적 의미론에 기반한 기류 해석용 디지털트윈 명세 형식론(Specification Formalism)으로 제안하고 적용함

PRARM DT = (GE, SG, SS, SO, BC,δ_SC, δ_SS)
GE: Governing Equation (지배방정식) 집합
SG: Spatial Grid (격자공간) 집합
SS: State Space (상태공간) 집합
SO: Spatial Object (공간객체) 집합
BC: Boundary Conditions (경계조건) 집합
δ_SC: 객체-격자 매핑 함수
δ_SS : 경계조건-상태 매핑 함수 SS

단, 구성요소들은 아래와 같은 제약 조건을 갖는다.
GE: 유한개의 기류 흐름 지배 방정식 집합
SG = {gride (i, j, k) | 1 ≤ i ≤ I, 1 ≤ j ≤ J, 1 ≤ k≤ K : I×J×K개의 3차원 격자 집합
SS = S(1,1,1) × S(1,1,2) x...x S(I, J, K) ⊆ R^I×J×K : I×J×K 차원의 실수(R) 부분 집합
SO = {SO(i)|1≤ i ≤N}: 유한(N) 개의 3차원 객체 집합
BC = {BC(i)|1≤ i ≤ M}: 유한(M) 개의 경계조건 집합
δ_SC: SO→2^SG : 3D 객체를 격자공간에 매핑하는 함수
δ_SS: BC→ SS : 경계조건을 상태공간에 매핑하는 함수

○ 식물공장 기류해석용 디지털트윈 개발 및 검증 방법
그림과 같이 개발 및 검증방법은 기류 해석에 필요한 공간정보와 시뮬레이션 모델이 융합된 디지털트윈 명세 형식론(Specification Formalism)에 기초하여 대상 식물공장의 기류 해석용 DT 모델을 개발하였다. 개발된 DT 모델의 시뮬레이션 출력 데이터와 실제 식물공장에서 측정된 기류 센서들의 데이터들의 오차 비교를 통해 DT 모델의 실증을 수행하고, 실증된 DT 모델에 다양한 가상 시나리오(유입/유출기류 세기, 기류 제어 관련 디바이스들의 개수 및 위치 등)를 입력하여 시뮬레이션한 후 결과 데이터를 공간정보 상에 표출하는 가시화 과정을 수행
○ 디지털트윈기반 식물공장 공간기류 환경 최적화 설계지원 플랫폼
- 식물공장내 플랜트 및 작물 3D CAD 작성
시설∙설비의 구성, 작물의 생육 3단계에 대한 모델링, 시설공간 구조를 입면도(3D CAD)로 작성하였고, 그 중에서 기류해석에 영향을 미치는 장비를 식별하여 형상과 기능을 재현하였으며, 외부 공기를 흡입하는 덕트(duct), 급기량 만큼 내부 공기를 배기하는 벤트(vent), 식물동장 내부의 공기 순환을 돕는 서쿨레이터(circulator), 작물 주변의 공기 흐름에 영향을 미치는 팬(fan) 형상을 구현함
- CFD 해석 및 실증
식물공장내 기류해석 대상의 공간은 격자를 통해 형성하고 물리적 변화가 큰 덕트디퓨저 부근과 팬이 부착된 재배랙 부근은 격자를 밀집하고 다른공간은 격자를 성기게 하여 해석 소요시간을 단축시킴. 해석결과 덕트는 공간내 전체적인 순환에 영향을 주며, 서쿨레이터는 공기 순환이 약한 영역의 기류정체 해소, 팬은 재배랙의 기류에 직접적인 영향을 끼침. 기류해석과 실제 데이터를 비교하기 위해 실측 위치와 동일하게 기류정보를 출력할수 있도록 40개의 기류센서를 배치함. 실제값과 일치하지 않는 해석결과는 보정 과정을 통해 해석값이 측정값과 유사하게 되도록 선형회귀식을 적용하여 디지털트윈모델의 보정 모델을 기계학습 수행. 보정을 거친 해석 결과와 실측값의 차이를 정량적으로 실증하는 RMSE를 추정한 결과 0.111임을 확인하여 기류예측모델이 실제기류와 11% 차이를 가지는 유효한 모델임을 확인
- 디지털트윈기반 공조설비 위치 최적화 방법 및 도구 개발
식물공장 디지털트윈 모델의 기류흐름 지배방정식과 공간정보 객체들의 특성과 이들 사이의 관계를 집합론에 기반한 수학적 형식론의 정립으로 기류해석 모델의 이론적 틀을 마련하였고, 이를 기반으로 공조장치가 고정된 현재 식물공장에서 기류장치 최적운영안 도출을 위한 SW를 개발

□ 연구개발성과
○ 정량적 성과
- 식물공장 기류데이터 확보
기류센서 40개를 설치하여 공조시설이 작동하고 작업자들이 없는 환경에서 다량의 식물종장내 다량의 기류 데이터를 확보
- TTA 시험평가 수행결과 성과지표를 만족(성능지표 시험성적서 발급)
- 기류최적화 관련 국내 전문학술지에 논문 게재 1건 달성 (한국시뮬레이션학회)
* 논문명 : 식물공장 기류해석을 위한 디지털트윈 개발 및 실증
- 수직농장 플랜트에 관한 특허 출원 1건 달성
* 지식재산권명칭 : 식물공장 기류 예측을 위한 디지털트윈 모델링 장치
- 시제품 개발 완료 (디지털트윈 기반 스마트팜 공간기류 최적화 플랫폼)
- 최적화 수행결과 현재 기류장비 환경(써쿨레이터 50개, 팬 810개)에서는 기류조건이 불만족이었으나 시뮬레이션에 의한 최적의 방안(써쿨레이터 17개, 팬 773개)에서는 기류장비가 적음에도 기류조건을 만족
- 식물공장 기류해석용 디지털트윈 모델에 대한 수학적 형식론을 제시하였다. 기존연구에서는 식물공장 디지털트윈 구축 목적이 실체계로부터 IoT 기반 데이터의 가시화 이거나 스마트서비스 구조에서 모니터링, 시뮬레이션을 통한 예측을 지원한 연구라면, 본 연구에서는 지배방정식과 객체간의 관계를 집합론에 기반한 기류흐름 디지털트윈 모델의 수학적 명세틀인 PFARM(Plant Factory AirFlow Model) 형식론을 제안함
- 기류해석용 디지털트윈 개발 및 검증 방법론을 제시 및 실증 - 기류해석에 필요한 공간정보와 시뮬레이션모델이 융합된 디지털트윈 명세 형식론을 제안하고 제안된 형식론을 기반으로 대상 식물공장의 기류해석용 디지털트윈 모델을 개발하였으며, 개발된 디지털트윈모델 시뮬레이션 결과와 실제 식물공장에서 측정한 기류센서 데이터를 비교하여 실증을 수행함
○ 정성적 성과
- 식물공장 기류해석 전문인력 양성
- 식물공장 구축시 디지털트윈기반 기류설비 최적화 플랫폼의 유효성을 입증.
- 식물공장에 기류해석외에 온도,습도 등의 환경조건에 대한 디지털트윈 플랫폼 적용 가능성과 최적의 환경유지 자동제어 시스템 필요성과 가능성을 확인.
- 플랜트 내 대형 구조물 중심의 기류확인에서 작물 영역까지 세밀한 기류 형성 사전 확인 가능
- 경험 중심의 기류 제어에서 시뮬레이션 기술을 통한 균일한 기류 환경 조성과 기류 추적 조사 가능

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 수요처
- 플랜트사업: 기업, 기관, 농가 등 고객의 요구사항에 맞는 맞춤형 스마트팜 사업 현재 약 16개 구축 진행 중(22년 3월 현재)
- 도시형 플랜트: 지하철 역사내, 폐공장 등 도심속 유효공간을 활용할 수 있는 도심형 식물공장 사업, 현재 5개 지하쳘역사 운영중이며, 지속적으로 증가추세
- 컨테이너형 스마트팜: 40FT 컨테이너를 활용한 자동화 스마트팜 사업, 현재 남극 극지연구소를 시작으로 모듈형 사업영역 확대 중
○ 개발성과 활용계획
- 식물공장 플랜트 구축시 설계단계에서 급기위치 최적화 방안 설계에 적용
- 기 구축된 식물공장의 기류환경을 평가하고 개선하는데 활용
- 스마트 온실, 컨테이너형 수직농장, 하우스형 수직농장에 점진적 적용
- 기류최적화 디지털트윈 플랫폼을 식물공장 전체 환경에 확대 적용 가능성 연구
○ 기대효과
- 식물공장 기류해석에 대한 수학적 형식론과 기류해석용 디지털트윈 개발 및 검증방법 제시로 첨단 ICT를 활용한 식물공장 연구 활성화 기대
- 재배공간에서의 기류환경 최적화는 급기설비에 도입에 대한 원가절감, 그리고 온도, 습도, CO₂ 등 외기 생장요소에 대한 공간 내 편차 최소화, 그로인해 향상되는 재배 생산성, 에너지 절감 등 3가지 이상의 환경 개선효과를 기대할 수 있으며, 궁극적으로는 생산량 5%↑, 수익성 증대 효과를 얻을 수 있음

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 제 1절 연구개발의 목적 ... 8
• 제 2절 개발기술의 필요성 및 범위 ... 8
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 10
• 제 1절 기술개발 내용 및 범위 ... 10
• 제 2절 연구 접근방법 및 수학적 형식론 정의 ... 12
• 제 3절 연구수행 과정 및 내용 ... 22
• 제 4절 기술개발 추진 일정/실적 ... 55
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 56
• 1) 연구수행 결과 ... 56
• 2) 목표 달성 수준 ... 67
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 67
• 5. 연구개발성과의 활용 및 사업화 계획 ... 68
• 1) 연구개발성과의 활용계획 ... 68
• 2) 사업화 계획 ... 69
• 3) R&D 내재화 계획 ... 70
• 4) 투자유치 현황 / 계획 및 해외시장 진출 계획 ... 71
• 4) 기대효과 ... 72
• 끝페이지 ... 73