05 ICT 융복합 기술을 이용한 축산 스마트팜 연구 개발 및 추진 현황
권 경 석
농촌진흥청 국립축산과학원 농업연구사 [email protected]
1. 머리말
최근 국민들의 이목을 집중시켰던 대선을 비롯하여 각종 언론 매체 등 에서 심심찮게 등장하는 개념이 바로 ‘4차 산업혁명’이다. 4차 산업혁명 은 세계경제포럼 회장인 클라우스 슈밥(Klaus Schwab)이 제창한 개념 으로, 2016년 다보스 포럼에서 4차 산업혁명의 이해(Mastering the Fourth Industrial Revolution)에 대한 논의와 함께 처음 등장하였다.
18세기 중엽, 증기기관의 등장과 함께 1차 산업혁명이 시작되었고, 19세 기 후반 전기를 이용한 대량 생산 시스템의 구축은 2차 산업혁명을 이끈 바 있다. 컴퓨터와 인터넷의 비약적인 발전에 힘입은 정보 통신 기술의 발 달은 이른바 디지털 혁명 혹은 엘빈 토플러(Alvin Toffler)의 ‘제 3의 물 결’로 일컫는 3차 산업혁명을 야기하였고, 이러한 배경을 토대로 ‘초지 능’, ‘초연결’, ‘초자율’ 기술에 기반, 산업 구조를 재편하고 생활 여건의 변혁을 초래하는 것이 바로 4차 산업혁명이다. 다시 말하면, IoT, 모바 일, 클라우드, 빅데이터, 인공지능 등의 각종 기반 기술의 융·복합을 토대 로 새로운 지능 정보 및 가치를 창출하고 경제, 사회, 생활 전반에 있어 근본적 변화와 혁신을 초래하는 것이 바로 4차 산업혁명이라 정의되고 있 다. 4차 산업혁명 주요 분야로는 자율주행 자동차, 3D 프린팅, 로보틱스 등과 같은 물리학적 기술 분야, 사물인터넷(IoT; Internet of Things), 빅데이터, 클라우드, 인공지능 등과 같은 디지털 기술, 바이오 연료, 유전 공학, 헬스케어, 인공장기 등으로 대표되는 바이올로지 기술 등이 있다.
이미 많은 선진국들이 이러한 흐름을 예측하고 능동적으로 대응하기 위하 여 각종 정책 및 추진 전략을 수립하여 산업경쟁력 제고, 일자리 창출, 생 산성 향상 및 새로운 성장 동력 모색을 위한 노력을 실시하고 있다. 예를 들어, 미국의 경우 주요 어젠다로 ‘산업인터넷’ 기조를 내세워(2012년)
맷, 통신 보안 등 IT 기술을 이용하여 현실 세계 가 긴밀하게 결합되는 시스템을 지칭)를 이용한 개발 및 생산성 혁명 달성이라는 기조 하에
‘Industry 4.0’을 추진하여(2011년) 미래 제조업 의 주도권을 잡기 위한 스마트 공장 등과 같은 제 조업 생태계의 혁신을 추구하고 있다. 마찬가지 로 일본의 경우 ‘로봇 신전략’(2015년)이라는 어 젠다를 제시하고 로보틱스, IoT, AI를 연계한 지 능 로봇화 플랫폼의 구축 및 기반 산업의 생태계 혁신과 사회적 과제 해결을 선도하고자 노력하고 있으며, 중국의 경우 막강한 내수 시장과 연계한 플랫폼을 토대로 강력한 국가 주도 제조 혁신 전 략을 수립하고 있다.
노동 집약적인 산업으로 분류되는 농업 분야 또한 이러한 4차 산업혁명이라는 물결에 지대한 영향을 받을 것이라 전망되고 있다. 그러나 우리 나라의 경우, 농가 호수 및 농업 노동 인구의 지속 적인 감소, 고령화, 해외 시장 개방 및 잦은 가축 질병의 발생 등으로 농업의 여건은 점차 악화되어 가고 있는 실정이다. 따라서, 4차 산업혁명이라는 시대적 흐름 속에 빠르고 능동적인 대응 방안 마 련 및 추진 전략 수립을 토대로 관련 기반 기술, 지식 등과의 적극적인 융·복합을 신 성장 동력원 으로 삼아 농업 분야의 현 위기를 타개하고 경쟁 력을 갖추는 것이 중요하다고 볼 수 있다. 이에 대 한 일환으로 농촌진흥청에서는 농산업의 新가치 창조 및 지속 성장 견인을 위하여 ‘TOP5 융복합 프로젝트’ 계획을 수립하였으며 주요 과제 중 하
과학원에서 추진하고 있는 한국형 축산 스마트팜 개발과 관련한 연구 추진 내용 및 향후 계획 등에 대하여 간략히 소개하고자 한다.
2. 스마트팜의 개요
축산 스마트팜은 ICT 기술 및 자동화된 설비를 이용하여 원격으로 가축의 성장 및 생육 환경을 진단하고 적정 수준으로 유지·관리를 실시하는 등 생산의 전주기적 과정에 대하여 지능적 시스 템화를 달성하기 위한 개념을 포괄한다. 쉽게 말 하면 생육 정보, 환경 정보, 경영 정보 등 정확한 데이터를 기반으로 언제, 어디서나 가축의 생육 환경을 점검하고, 적정 수준으로 유지·관리함으 로써 노동력 절감, 생산성 및 품질 제고 달성을 목표로 운영되는 축사를 의미한다. 국내 ICT 장 비 기술 및 농장 여건 등을 고려한 한국형 스마트 축사 모델은 다음과 같이 크게 3단계로 구분될 수 있다.
- 기본형(1세대): 편의성 증진 모델로 정의될 수 있으며 시설 내부 미기상(온도, 습도, 이 산화탄소, 암모니아, 황화수소 등), 외부 기 상(풍향, 풍속, 온도, 습도, 일사, 강우 등) 등과 같은 환경 계측 센서, CCTV 등과 같은 관제 장치 및 환기팬, 윈치커튼, 입기 베플 등의 제어와 관련된 구동 장치와 연계된 각 종 ICT 설비, 사육단계별로 적정 영양소를
공급하고 관리할 수 있는 사양 관리 ICT 장 비(군사급이기, 자동사료급이기, 사료빈관 리기)를 통합할 수 있는 시스템을 의미한다 (그림 1).
- 고급형(2세대): 1세대 모델을 통하여 수집되 는 각종 생육 환경 및 사양 관련 빅데이터와 체내 삽입 혹은 체외 설치되는 소형 생체칩, 열화상 장치 등을 이용하여 획득될 수 있는 각종 개체별 생체 데이터를 기반으로 머신러 닝, 딥러닝 등과 같은 인공지능 기술을 결합 하여 가축 질병의 조기 진단, 최적 성장 모 델 등을 구축한 스마트팜 형태를 의미하여 현재 관련 연구들이 중점 추진 중에 있다(그 림 2).
- 첨단형(3세대): 궁극적으로 무인 축사 관리 달성 및 수출형 모델로, 최적 환기 모델, 지 열, 열교환기 등과 같은 신·재생 에너지를 적극 활용하여 가축에게 쾌적한 환경을 제
공하고 기후변화, 화석 연료 고갈 등에 대비 하기 위한 고도의 열환경 통합 관리 기술이 접목되며 나아가 로봇기술 등을 적극 활용 하여 생산성을 극대화하고 노동력 절감을 달성할 수 있는 첨단형 축사를 의미한다(그 림 3).
현재, 국립축산과학원에서는 축종별(돼지, 산 란계, 육계, 오리, 한우, 젖소) ICT 기반 축산 스 마트팜 모델 개발을 추진 중에 있으며 스마트팜 구성을 위한 ICT 장비 선정 및 분류 항목에 대한 결과는 개략적으로 다음과 같다.
- 환경관리: 온도, 습도, 암모니아, 이산화탄 소, 누전(정전) 감지, 풍향, 풍속, 강우, 조 도, 화재 감지, 환기팬 등
- 사양관리: 발정 탐지기, 자동 급이기, 사료 빈 관리기, 음수 관리기, 돈선별기, 자동 포 유기, 체중 측정기 로봇 착유기 등
- 경영정보: 출하관리, 비용관리, 질병관리, 착유관리 등
축산 스마트팜 기반 기술을 도입하고 있는 국 내 축사 농가는 대부분 1세대 또는 1.5세대 수준 이며 현재 2, 3세대 관련 각종 기술 개발 및 연구 과제가 추진 중에 있다. 현재 1세대 수준의 축산
그림 1. 1세대 기본형 축산 스마트팜 개요(국립축산과학원)
그림 2. 2세대 고급형 축산 스마트팜 개요(국립축산과학원)
그림 3. 3세대 첨단형 축산 스마트팜 개요(국립축산과학원)
per Year) 성적이 향상되는 것으로 나타났으며 사료 효율 또한 9.3% 가량 개선되는 것으로 조사 되었다. 또한 비용절감 효과의 경우 번식돈 사육 농가는 두당 2,541원, 일관 사육 농가는 두당 8,534원 수준으로 나타나 ICT 접목 양돈 스마트 팜의 도입이 긍정적인 것으로 조사되었다. 육용 오리 1세대 스마트팜 도입에 따른 효과 또한 0.13 kg의 증체량 향상(3.55 →3.68 kg), 9%의 생산 지수 향상(444.2 →484.8) 등의 결과를 보이는 것으로 조사되었다. 그러나 아직까지 2세대 축산 스마트팜 모델 개발에 있어 필수 요소라고 할 수 있는 가축의 생체정보 수집 장치는 대부분 해외 수입 제품에 의존하고 있어 국산 기술의 개발, 가 격 및 성능면에 대한 경쟁력 확보 등에 대한 요구 가 높아지고 있는 실정이다.
3. 축산 스마트팜 연구 개발 및 추진 현황
국립축산과학원의 축산 스마트팜 연구 개발 및 추진 현황에 대하여 간략히 소개하면 다음과 같 다. 돼지, 산란계, 육계, 오리, 한우, 젖소 총 6종 에 대한 한국형 스마트 축산 기본 모델이 개발되 었으며 농촌진흥청 농업과학원과 공동으로 환경 센서 19종에 대하여 축산 ICT 장치에 대한 단체 표준(안)을 제시하였다. 장치 표준안 마련의 경우 스마트팜의 품질 향상 및 사후 관리 강화를 달성 하고 이를 통하여 농업인의 신뢰를 바탕으로 시 장 확대를 견인하기 위해 필수적인 요소이다. 현
급한 정책에 대한 질문에 대해서는 스마트팜 기술 개발(34.3%) > 시설자금 및 지원 강화(30.2%) >
사후관리(A/S) 등 현장지원 강화(21.4%), 현장 체험형 교육 마련(9.8%) > 스마트팜 성과 홍보 강화(4.3%) 순으로 응답하였다. 즉, 기술 개발 및 인프라 마련, 정부 지원 등 외에도 관련 기기 자체에 대한 품질 향상, 신뢰성 마련, 사후 관리 등이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 이에 대응하여 제조사 측에서는 제품 개발 비용 및 생산 비용을 절감하여 양질의 관련 기기 및 핵심 기술을 생산 할 수 있도록 유도하고 수요자인 농업인 입장에 서는 맞춤형 시스템 공급을 통하여 사용 및 A/S 등의 편의성 증진을 달성할 수 있도록 핵심 부품 및 기자재에 대한 단체 표준을 마련하고 각 제품 의 표준 규격, 가이드 라인 준수 여부 검증, 사후 관리 보증안 등에 대한 마련을 실시하였다.
양돈 스마트팜의 경우 앞서 언급한 바와 같이 1 세대 모델에 대한 설정을 완료하고 농가 기술 보 급을 실시하고 있는 단계이며 현장 실증을 통한 생산성, 작업 편의성 개선 효과 등에 대하여 지속 적으로 모니터링을 실시하고 있다. 사용자의 PC 및 모바일 기기를 통하여 실시간으로 시설 내부 미기상 및 각 개체별 사양관리 정보 등에 대한 관 제 및 모니터링이 가능하고 필요시 환기팬, 조명 장치 등의 제어가 가능하도록 플랫폼 구축이 완 료되었다(그림 4). 예를 들어, 사료빈의 경우 로 드셀 및 각종 가스 센서 등을 설치하여 실시간으 로 전체 사료 잔량 및 사료의 변패 정도 등을 확인
하고, 전체 사료 잔량의 실시간 확인에 따라 농장 주는 사료 구입 등과 관련하여 경영 편의성을 도 모할 수 있으며 사료 회사는 적시적기에 농가별 원활한 사료 공급을 실시할 수 있다. 모돈 각 개
체에 RFID(Radio Frequency Identification) 태그를 부착하여 각 모돈 개체별 실시간 사료 섭 취량, 음수량 관제 및 관리가 가능하다. 또한 포 유모돈 자동급이기는 농가에서 선호하는 ICT 사
그림 4. ICT 통합제어 시스템 및 모바일 기기를 통한 양돈 스마트팜 농가의 환경, 사양 모니터링 및 제어 예시(국립축산과학원)
그림 5. 돼지 분만 징후 및 호흡기 질병 예측을 위한 이미지 프로세싱 및 예측 알고리즘 개발 예시(국립축산과학원)
그림 6. 동작센서 이용 모돈 행동 패턴 분석 및 질병에 따른 개체별 클러스터 변화 분석 예시(국립축산과학원)
정은 과거 관리자의 육안에 의존하였으나 돼지출 하선별기를 이용함으로서 비육돈의 개체별 중량 을 자동으로 측정하여 목표 체중에 도달한 비육 돈만을 선별하여 출하할 수 있게 함으로서 품질 이 균일한 규격돈의 출하가 가능하고 기존 2시간 가량의 출하 작업을 30분 이내로 단축하여 작업 편의성 도모 및 안전사고 예방 등이 가능하다.
2013년도 유럽의 모돈 스톨 사육 금지 정책 발표 를 기점으로 임신돈에 대한 동물 복지형 군사사 육장치가 개발되었으며 이를 토대로 개체별 정밀 관리 및 다리 건강 증진으로 연산성 개선, 재발정 율 5% 향상, 사료 허실 방지, 난산 및 분만 시간 등의 감소를 달성한 바 있다. 최근에는, 2, 3세대 스마트팜 도약을 위하여 센싱 정보에 기반하여 돈사 내 미기상에 대한 정밀 제어 및 생체 정보 모 니터링 및 분석을 통한 돼지의 성장예측 모델 개 발 관련 연구가 수행되고 있다. 예를 들어 돼지 개체관리 및 질병 예찰을 위한 생체지표 탐색 및 설정과 관련하여, 빅데이터 구축을 위한 플랫폼 을 마련하고 미기상 데이터, 개체별 급이, 급수 데이터, 운동량 데이터, 생체 데이터 등을 기반으 로 CNN(Convolutional Neural Network), RNN (Recurrent Neural Network), DQN(Deep Q Learning) 등 다양한 딥러닝 기술 기반 일당 증 체량 예측 모델, 질병 징후 예측 모델, 발정 예측 (교배적기 행동 특성 탐지) 모델 등에 대한 연구 개발이 추진 중에 있다.
젖소 및 한우 스마트팜의 경우 앞서 언급한 양
현재 실험 농장에 대한 실증 연구가 수행 중에 있 으며 자동포유기를 개발하여 어린 송아지에 대한 개체별 정밀 사양 관리를 실시하고 있다. 2, 3세 대 모델 도약을 위하여 현재 다양한 생육, 생체 정보 모니터링 기기 및 모델 개발, 각종 로봇 개 발 등 또한 수행되고 있다. 간략히 소개하면, 모 바일형 스마트 축군·개체관리 및 이상 개체 알림 시스템 확립을 목표로 국산 축우용 다중생체정보 수집 장치에 대한 설계 및 시작품 개발을 수행하 고 있으며 이를 통하여 발굽 질환, 열 발생, 발정, 분만 등과 같은 건강 및 번식 관련 주요 상황에 대 한 조기 알림 알고리즘 개발 연구에 박차를 기하 고 있는 실정이다. Zigbee, Bluetooth, LoRa 등 각종 통신 방식에서의 데이터 정확성, 유효성, 농장 적용 가능성 등에 대한 실증 연구가 수행 중 에 있다. 또한, Lely 등과 같은 거대 외산 기업 제 품에 대응하여 국산로봇착유기에 대한 연구 개발 이 추진 중에 있으며 RFID 등을 이용한 개체별 인식 및 자동급여 시스템, 3D 레이저 스캐너, 3D Depth 카메라 등을 이용한 유두 인식 기술, 로봇 Arm 기반 메니퓰레이터, 유량 측정 및 유질 검사 기술 개발 등 다양한 기반 기술에 대한 국산화 또 한 동시 진행 중에 있다. 또한, 3D Depth 카메라 및 머신러닝 기법을 활용하여 비접촉식으로 한 우, 젖소, 말 등에 대한 3차원 체형 측정 및 체중 추정 알고리즘 개발에 대한 연구가 현재 계획 단 계에 있다.
기타 관련 연구로는 오리사 바닥 깔짚에 대한
잦은 살포 문제로 인하여 발생할 수 있는 노동력 문제, 차단 방역 달성 문제 등에 대응하여 깔집 수분 원격 모니터링 및 자동관리 모델 개발 연구 등이 수행 중에 있다. 해당 연구의 경우 농장 내 미기상에 따른 깔짚 수분 변화에 대하여 주기적 인 모니터링을 실시하고 상황별 깔짚 수분 함량 변화 예측을 통하여, 실측 데이터에 기반, 무인 방식으로 시설 내 깔짚에 대하여 적정량을 적시
적소에 자동 살포할 수 있도록 장치를 개발하는 데 의의를 두고 있다. 또한 산란계사에서 생산되 는 계란에 대하여 이미지 프로세싱 및 CNN에 기 반, 정상란, 오란, 파란, 탈색란에 대하여 자동으 로 검출 및 분류하는 시스템에 대한 특허를 출원 하였으며 이에 대한 연구 개발이 활발히 수행 중 에 있다.
그림 7. ICT 통합제어 시스템 및 모바일 기기를 통한 한우 스마트팜 농가의 환경, 사양 모니터링 및 제어 예시(국립축산과학원)
그림 8. 한국형 로봇착유기 개발 모식도 현황((주)다운전자)
개발 등과 관련한 연구들이 활발히 수행 중에 있 다. 그러나 아직까지 동물의 생체 특성 모니터링 을 위한 적정 생체 지표 탐색, 관련 기기 장치의 국산 모델 개발 및 신뢰성 확보, 생육, 생체 정보 에 기반한 미기상 정밀 환경 제어, 축종별 질병 징후 예측 및 성장 예측 모델 등의 분야에 있어 농 업 분야 주요 선진국을 앞서나가기 위해서는 많 은 연구와 노력이 필요한 실정이다. 특히, 축산시 설과 같은 상대적으로 열악하다고 볼 수 있는 환 경 속에서 안정적이고 신뢰성 있는 데이터의 확 보를 위한 관련 기기 개발 및 평가 방안, 이미지 및 영상 처리 기법의 개선 및 최적화, ICT와 연계 된 동물 복지 개념의 달성, 각종 기기 및 데이터 에 대한 표준화를 기반으로 무수히 생성 되는 빅 데이터를 이용한 다양한 활용방안에 대한 강구가 요구되고 있다.
서두에서 밝힌 바와 같이 ‘4차 산업혁명’이 사 회적으로 이슈가 되고 있고 농업 관련 연구 전반 에 걸쳐 지대한 영향을 미치고 있는 가운데 관련 종사자 및 연구자들 또한 이러한 흐름에 편승하 기 위하여 많은 노력과 학습이 요구되고 있다.
‘빅데이터’, ‘머신러닝’, ‘딥러닝’, ‘인공지능’ 등의 개념은 종래의 컴퓨터 공학, IT 공학에 국한된 것 이 아니라 이제는 모든 연구자들이 이해하고, 습 득하고 활용해야 하는 시기가 펼쳐지고 있다고 사료된다. 서로간의 경계가 모호해지고 ‘융·복합’
의 개념이 활발해지는 시대에 있어 각 분야 전문 가들의 교류 및 협업이 어느 시기보다 더 중요하
치를 창출하기 위한 노력의 중요성이 어느 시기 보다 강조되고 있다고 감히 주장해본다. 무엇보 다도 먼저 선행되어야 할 것은 빠르게 변화하는 시대 흐름을 파악하고 미리 학습하고 준비하여
‘새로움’을 받아들일 수 있는 ‘선견지명’의 자세가 우리 분야를 이끌어갈 젊은 세대들에게 있어 필 요한 것이 아닐까라고 생각된다.
참고문헌
1. World Economic Forum. 2016, Digital Trans- formation of Industries.
2. World Economic Forum, 2016, The Future of Job:
Employment, Skills and Workforce Strategy for the Fourth Industrial Revolution.
3. World Economic Forum, 2016, Manufacturing Our Future.
4. 농촌진흥청 국립농업과학원, 2016, 2016 스마트 축산 ICT 단체표준(안) 공청회 자료집.
5. 농촌진흥청 국립축산과학원, 2017, 스마트 축산 실 현을 위한 축산 ICT 연구과제 추진 협의회.
6. 정민, 2016, 다보스 포럼의 주요 내용과 시사점, 현 대경제연구원 현안과 과제 16-2호.
