서 론
국내 외부기상의 극한 조건인 폭염, 혹한 등의 기후적인 특성과 농업시설 대형화 추세에 따라 농업시설 환경관리의 균일성, 안정성 및 적정성을 유지하는 것이 매우 중요해지 고 있는 실정이다(Lee 등, 2003). 최근 ICT(Information and Communication Technology) 기술발전에 의해 농업시설인 온실, 돈사 등은 스마트 농업으로 변화되고 있다. 스마트 농업은 노동력·에너지·양분 등을 종전보다 덜 투입하고도 농산물의 생산성과 품질을 높일 수 있다(Kim 등, 2016).
스마트팜 및 스마트 축사의 시설 내 환경 조절을 위해 서는 여러가지 공학적 분석을 필요로 한다(Kim 등, 2018). 그러나 환경 측정을 위한 다양한 센서 설치 등의 어려움 으로 인해 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)프로그램을 이용한 공기유동학적 접근이 활발하게 이루어지고 있다(Ha 등, 2014;Cho 등, 2015). Lee 등 (2006a;2006b)은 CFD프로그램을 이용하여 다양한 환경 및 시설 조건을 인위적으로 조절하고 그에 따른 결과를 정량적으로 제공하여 환기중요성에 대해 비교 분석하였 다. 그러나 CFD 해석결과를 농업인에게 교육하기에는 어 려움이 따르며, 농업시설 유지·관리를 위한 교육 방안으 로써 다음의 문제점을 갖고 있다. 첫째, 농업인에게 교육 및 컨설팅을 하기에는 실제 시설에 대한 사진 및 CFD 프로그램과 같은 간접 매체를 통하여 경험하기 때문에 직관적인 상황 인지 및 이해가 어렵고, 대형시설과 장비 의 경제적, 공간적 한계가 따른다. 둘째, 현재 CFD는 연 구소 및 학교에서 제한적으로 사용되고 있으며 CFD기반 의 해석과정은 많은 시간이 소요되는 대용량 데이터이므 로 농민들에게 이를 교육 시 많은 어려움이 따른다. 이를 보완하기 위한 현장 동행교육은 시설운영 노하우의 노출 및 전염병 전파의 문제를 안고 있다(Kim 등, 2018).
4차산업혁명 기술인 가상현실 기술을 이용하면 현장에 가지 않고 가상공간에서 교육하고 체험하는 것이 가능하 여 이러한 문제는 해결될 수 있다고 언급하였다(Kim 등, 2018). 최근 가상현실 기술의 급격한 발전을 통해 모든 환경을 컴퓨터로 구현할 수 있으며, 사용자가 가상의 세 계에서 현실과 같은 자연스러운 상호작용이 가능하다 (Wohn, 1997;Park 등, 2016). 가상현실 응용사례로는 산업계에 있어 가장 많은 응용사례가 존재한다. CFD와 Point Cloud와 같은 대용량 시뮬레이션 데이터는 전문가 가 해석하고 동적 추세를 판단하기 위한 도구로서 활용 된다. 대형 트랙터의 사용성 검증 및 항공기 실내 이동 성 검증, Wind Simulation Wake분석 등 가상현실 공간 을 매개로 하여 현실과 매우 근접하게 가상합성 데이터 를 생성하는데 있다(Berg 등, 2017). 농업분야에 대한 가상현실 적용에 관한 연구는 다른 산업분야에 비하여 미흡한 실정이며 농업 생산, 교육, 작물, 병해충, 농기계 등 다양한 분야에서 가상현실 기술이 관심을 받기 시작 하였다(Wang 등, 2000;Yu 등, 2014). 시각적으로 인지하 기 힘든 공기유동에 가상현실 기술을 활용하여 농민들에 게 환기효과 등의 체험을 통한 농업시설 관리의 중요성 을 교육하는 컨설팅 시스템의 개발 필요성에 대하여 언 급하였다(Kim 등, 2018). 그러나 온실이나 축산시설 내부 의 환경 분포 가시화에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
본 연구는 농업시설인 온실 및 돈사 모델을 생성하고 환경조건에 따라 원격 서버에 저장된 CFD 데이터를 가 시화(Visualization)하여 농업인 및 컨설턴트가 VR기기를 통해 공기유동을 보면서 컨설팅 할 수 있는 시뮬레이터 를 개발하기 위해 수행되었다.
재료 및 방법
가상현실 기반의 농업시설 공기유동 시뮬레이터는 농 업시설의 설정조건에 따라 농업시설 3차원 오브젝트를 생성하고 환경조건에 따라 원격접속서버로부터 전송 받 은 데이터를 결합하여 가시화한다. CFD 데이터를 분석하 는 학교 및 연구소 등은 각자의 데이터베이스 (Database, DB)를 관리하고 있다 본 연구에서는 데이터베이스 (Consulting system database)를 일괄 관리하기 위한 구조로 구성되었다. Fig. 1은 공기유동 시뮬레이터 구성도로 세 개의 시스템으로 구성되어 있다. CFD전문가와 원격 접 속 서버(Remote access server)를 관리하는 농업시설 CFD 데이터 관리시스템(Data management system)과 CFD 전문가가CFD프로그램을 이용하여 계산된 데이터 를 등록하는 시스템(Data registration system), 그리고 원격접속 서버에서 CFD데이터를 전송 받는 가시화 시 스템(Visualization system)으로 구성되었다. 가시화 시스 템은 사용자와 상호작용을 통해 데이터베이스로부터 실 시간으로 데이터를 불러와 가시화 한다.
1. CFD 가시화 시스템
CFD 가시화 시스템구성은 다음 Fig. 2와 같이 온실이 나 돈사에서 공기유동을 체험하기 위해서는 농업시설환 경에 몰입할 수 있는 HMD(Head Mounted Display) 및 시점제어가 가능한 동작추적(Motion tracking) 시스템이 필요하다. 가상현실을 표현하는 VR(Virtual Reality)기기 는 룸 스케일 형식을 사용한 바이브 헤드셋(HTC VIVE, Taiwan)을 이용한다. 데이터 획득 및 처리장치는 인텔 i7-8700k, 그래픽카드 1080Ti 11g 사양으로 구성되었 다. 동작추적을 위해 2개의 베이스 스테이션은 사용자가 움직일 수 있는 높이 및 폭(200cm)을 고려하여 설치하고 트래커(Tracker)와 VR 장갑(Manus VR, Netherlands)으로 동작추적 시스템이 구성되었다. 트래커는 사용자가 손목에 착용하여 사용자 손목의 위치를 추적할 수 있으며 VR 장갑은 손가락의 움직임을 추적하여 메뉴 선택 및 위치 이동을 하도록 구현되었다.
농업시설 모델을 시각화(Visualization)하기 위해서는 표면을 구성하고 표면간의 경계부문을 연속적으로 표현 하는 모델링이 선행되어야 한다. 삼차원 모델링 툴인 3Ds MAX(Autodesk, USA) 프로그램을 이용해 농업 시 설 구조물의 3차원 오브젝트들이 생성되었다. 생성된 오 브젝트는 게임 개발 등에서 사용되는 게임 엔진인 Unreal 4(Epic Games, USA)에서 인식될 수 있도록 FBX 파일형식으로 변환되었다. FBX파일은 고정되어 움 직임이 없는 Static mesh와 움직임이 있는 Skeletal mesh로 구분되어 제작되었다. 가시화 하고자 하는 시설 의 구조나 환기시설 등과 같이 농업시설의 구조물은 Static mesh로 구현되고 천창 및 측창 개폐 정도, 내부 순환 팬 및 환기 팬의 가동여부를 선택할 수 있는 것은 Skeletal mesh로 구현되었다. 온실의 오브젝트들은 원예 특작 시설 내 재해형 규격 설계도·시방서(2007, 농림 축 산 식품부)의 10-단동-3형 규격과 10-연동-1형 규격에 따라 토마토를 재배하는 단동부터 10연동까지 모델링 되었으며, 돈사의 오브젝트들은 2009년 표준 돈사(2009, 대한 양돈 협회)와 2016년 표준 설계도(2016, 농림축산 식품부)의 모돈방과 자돈방 규격을 기반으로 모델링되었 다. 농업시설 내의 기타구조물의 오브젝트 (측창, 천창, 온실커튼, 내부 순환팬, 환기팬, 덕트 난방기)는 실제 부 품 규격을 기반으로 생성되었다. Fig. 3은 농업시설 온 실의 구조물과 덕트 난방기, 베드, 공기순환팬, 환기팬등 의 오브젝트들이 생성된 모습이다.
사용자가 가시화하고자 하는 조건의 농업시설을 선 택하게 되면 가시화 시스템 내부에 저장된 데이터베이 스로 선택된 조건에 따라 블록처럼 결합되어 농업시설 가상현실 환경이 생성된다. Fig. 4는 3연동 온실의 환 기팬, 베드, 순환팬을 설치하는 가상환경 구축모습을 보여준다. 조건을 설정하게 되면 서버로부터 좌측 오브 젝트, 중간 오브젝트, 우측 오브젝트를 불러와 (1) 좌 측 오브젝트의 좌측 기준점이 블록 기준점 좌표(0,0,0) 에 배치되고 (2) 중간 오브젝트의 좌측 기준점이 x축 을 기준으로 (연동수-2)*800만큼 떨어진 위치에 배치 되고 (3) 우측 오브젝트의 좌측 기준점이 x축을 기준 으로 (연동수-1)*800만큼 위치에 배치된다. 가상 온실 이 구축되면 선택된 조건에 따라 기타 구조물의 오브 젝트는 블록 기준점 좌표를 기준으로 연동수에 따라 일정한 좌표 지점에 배치되는데 (4)는 환기팬, (5)는 작물 베드, (6)은 내부 순환팬이 배치되는 모습을 보여 준다.
2. CFD 데이터 관리시스템
다수의 사용자가 동일한 데이터를 여러 장소에서 동일 한 시간에 사용해야 하므로 인터넷을 기반으로 효율적으 로 운영되는 원격접속 서버 기반의 웹 데이터베이스 방 식이 이용되었다. 농업시설 구조물은 원격접속 서버에 구축되어 사용되고 온실 및 돈사의 구조와 환경정보에 따른 CFD 데이터는 CFD 전문가로부터 원격접속 서버 기반의 웹 서버의 데이터베이스에 구축되었다. 사용자는 인터넷을 통해 Web상에서 빠르게 CFD 데이터를 검색 하거나 입력할 수 있으며, 사용자에게 권한을 차등 부여 하여 권한에 따라 입력, 수정, 삭제 작업을 수행할 수 있도록 개발되었다. 웹 데이터베이스의 프로그램 개발에 사용되는 언어는 비교적 쉽게 접근할 수 있는 스크립트 언어로 PHP(Personal Home Page)을 이용하여 구축되었 다. 스크립트 언어는 데이터베이스 프로그램과 연동 가 능하기 때문에, 웹 프로그램 제작과정에서 상호작용 기 능을 살릴 수 있다. 사용자가 웹 서버에 필요한 데이터 를 요청하면, MYSQL과 연동된 PHP프로그램이 구동되 고 웹 서버는 MYSQL에서 추출된 정보를 HTML형태로 사용자에게 제공한다.
기존의 CFD 데이터 파일은 각 컴퓨터에 저장하여 사 용하였으나 본 연구에서는 CFD 데이터 파일을 테이블 구조를 갖춘 데이터베이스에 저장하게 된다. 원격접속 서버 기반 웹 서버의 데이터베이스는 CFD 전문가가 농 업시설과 환경 조건에 따라 데이터를 입력할 때 참조 테 이블(Reference table)과 옵션 테이블(Option table)을 사 용하여 방대한 양의 데이터를 체계적이고 효율적으로 통 합 관리하도록 구성되었다. 이때, 참조 테이블은 농업시 설 구조물(Agricultural facility)과 환경조건(Environmental conditions)으로 구분되며 테이블 명은 실제 가시화 프로 그램에서 사용되는 명칭이다. 농업시설 구조물 구성을 위 한 참조 테이블은 Fig. 5와 같다. 농업시설 온실은 길이 (Length), 연동(Span), 베드설정(Bed setting), 생장기 (Growth stage), 환기팬(Ventilation fans), 환기팬 높이 (Ventilation fans height), 공기 순환팬 높이(Air circulation fans height), 공기 순환팬 간격(Air circulation fans spacing), 침기(Infiltration), 덕트난방기(Duct heater), 온실커 튼(Curtain)을 구분하여 테이블이 구성되었다. 사용자는 온 실의 길이를 50m, 100m 설정할 수 있으며 총 10연동 까 지 선택할 수 있다. 또한 돈사는 돈사유형(Type), 종류 (Kind of pig), 외벽(Outer wall), 사육밀도(Rearing density), 피트깊이(Depth), 천창(Roof), 축분이송방식(Livestock manure transportation), 급여방식(Feeding system)으로 테이 블이 구성되었다. 환경조건 테이블은 Fig. 6과 같이 외부 (The outside)의 환경유형(Conditions type), 온도 (Temperature), 풍속(Wind velocity), 풍향(Wind direction), 습도(Humidity), 일사량(Insolation)로 구성되었다. 온실의 내부(The inside)는 벽 온도(Wall temperature), 바닥온도 (Floor temperature), 풍향(Wind direction), XYZ 풍속 (Wind velocity), 절대습도(Absolute humidity), 엽면적지 수(Leaf area index), 항력계수(Drag coefficient), 환기팬 설치용량(Ventilation fan installation capacity), 공기순환 팬 설치용량(Air circulation fans installation capacity)으로 구성되었다. 돈사의 내부는 벽 온도(Wall temperature), 천 창온도(Roof temperature), XYZ 풍속(Wind velocity), 암모니아(Ammonia)로 구성되었다. 테이블로 구분된 농 업시설 구조물 및 환경조건은 CFD 전문가에 의해 데이 터를 입력 받아 데이터베이스에 저장되는 구조이다.
옵션 테이블은 농업시설 구조물을 선택함에 따라 다음 Fig. 7과 같이 구성되었다. 온실의 선택 조건은 온실의 측창개폐(Side vent), 천창개폐(Roof vent)를 0 ~ 100% 로 설정할 수 있으며, 순환팬 크기(Ventilation fans size), 커튼설치여부, 덕트 난방기 가동량, 공기 순환팬 높이, 풍속, 풍향을 설정할 수 있다. 돈사의 선택 조건은 환기량(Ventilation)으로 사육두수를 고려한 미국 중서분 기준 환기량(MWPS)와 기존 MWPS환기량에서 여름철 극심한 더위를 고려하여 환기량을 상향조절 시킨 수치의 표준돈사로 구성되었다. 배기방식은 측벽팬(Side wall fan), 굴뚝팬(Roof fan), 피트배기(Feet exhaust) 설치여부 를 선택할 수 있도록 구성되었으며, 입기방식은 중천창 천공(Roof perforate), 중천창 슬롯(Roof slot), 측벽 슬롯 (Side wall slot), 덕트입기로 설치 및 30~90°로 설정할 수 있다.
테이블 조건 검색 시 인덱스를 사용하면 테이블의 데 이터를 조회할 때 빠르고 효과적으로 조회할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 웹에서 CFD전문가로부터 데이터 베이스에 자료를 입력 할 때 Fig. 8과 같이 농업시설 및 환경조건의 참조 테이블은 각각 자동으로 인덱스가 생성 되며, 옵션테이블은 참조테이블의 인덱스를 참조하여 인 덱스가 생성되고 데이터가 배열화된다.
가시화 프로그램은 CFD 데이터베이스로 직접 접속하 는 방식이 아닌 PHP 웹페이지로 우회하여 접속한다. 데 이터의 검색방식은 전체 리스트들을 불러온 다음 조건에 해당하는 파일이 존재하면 쿼리문을 수행한다. 규정된 테이블들은 하나씩 배열로 나누어져 있으며, 선택하는 조건들에 따라 쿼리문을 수행하면 그 위치에 맞는 배열 을 비교해서 일치하지 않는 리스트들을 삭제한다.
3. CFD 데이터 등록 시스템
원격접속서버에 등록되는 CFD 데이터 파일은 해당 농업시설 규격에서 X, Y, Z축의 좌표를 설정한다. 온실 은 지면 0.25m로부터 시작하여 ①Z ②Y ③X 순서로 0.5 m간격의 데이터를 입력하고 돈사는 지면 0.75m로부 터 0.15 m 간격의 데이터를 입력한다. 이에 따라 정량 화된 온도[°C], 절대습도[g·m-3 DA(dry air)], 풍속[m/s], 암모니아[mg·m-3] 데이터를 파일 형식으로 규격화하였다. Fig. 9는 CFD전문가가 온실 및 돈사의 데이터를 등록하 는 파일 양식이다.
결과 및 고찰
1. CFD 가시화 시스템
CFD가시화 시스템은 농업시설내의 공기유동 흐름을 사실적으로 인지하여 농업시설 환기효과에 대해 체험할 수 있는 시스템이 필요하다. 사용자의 몰입성을 증대하 도록 Fig. 10의 좌측과 같이 시스템이 구성되었다. 사용 자는 HMD를 착용하고 농업시설내의 가시화된 화면을 직접 체험할 수 있으며 이외의 다른 체험자들은 Fig. 10 의 우측과 같이 모니터를 통하여 실제 사용자가 체험하 는 화면을 간접적으로 체험할 수 있도록 구축되었다.
2. CFD 가시화 시스템과 데이터베이스 연동
사용자가 Fig. 11의 ①, ②와 같이 조건을 선택하여 가시화 버튼을 누르면 웹 상에 전송된다. 데이터베이스 에 CFD 데이터가 등록되어 있는 경우의 조건만 활성화 되며 비활성화된 데이터는 선택할 수 없다. ③은 VR장 갑을 통해 환경조건을 메뉴에서 클릭하는 모습을 보여준 다. 원격 접속 서버는 데이터베이스에서 조건에 맞는 파 일을 검색하여 ④에서와 같이 데이터를 가시화 시스템에 제공하여 선택할 수 있도록 리스트로 제공한다.
Fig. 12는 농업시설 온실의 구조 설정(3연동, 50m, shortbed, 수확기, 침기없음, 순환팬 미설치)을 선택한 토 마토 온실과 돈사의 구조 설정(2009년 표준돈사, 적별돌 마감, THK 지정패널 사용, 분이송 피트 1500미터 설치, 급이기 측벽면 배열, 사육밀도 100%, 동절기)을 선택한 자돈사를 가시화한 모습이다.
농업시설 CFD가시화 시스템은 Fig.13과 같이 사용자 가 원하는 농업시설 내부 환경(온도, 온도단면화, 습도, 풍향/풍속, 동적 풍향/풍속 등)을 프로그램 내에서 선택 할 수 있으며, 선택 된 조건의 환경분포도를 가시화 된 모습으로 체험할 수 있다. 또한 농업시설의 옵션테이블 에 구성된 옵션들(측창/천창개폐, 온실커튼, 공기순환팬, 환기팬 등)의 설정을 선택할 수 있다. Fig. 14는 가시화 프로그램내에서 온실과 돈사의 표시항목과 농업시설 옵 션의 설정모습이다.
Fig. 15는 농업시설 공기유동 시뮬레이터에서 온실의 각 옵션을 설정한 상태의 모습이다. ①,②는 온실의 측 창 및 천창 개폐의 100% 모습이며 개폐정도(0, 10, 50, 10%)의 설정에 따라 각각의 환기효과를 비교해 볼 수 있다. 온실커튼(③) 사용 유무에 따라 보온과 차광효과의 효과를 비교할 수 있으며 환기팬(④), 공기순환팬(⑤)의 용량을 선택하여 공기순환의 효과를 체험할 수 있다. 또 한 돈사에서는 환기량(MWPS)과 기존 MWPS 환기량을 상향조절 시킨 수치의 표준돈사를 선택할 수 있다. 배기 방식은 측벽팬, 굴뚝팬, 피드배기 설치 여부에 따라 각 각 비교할 수 있으며 입기방식은 중천창 천공 및 슬롯, 측벽 슬롯, 덕트입기 설치 및 각도를 선택할 수 있다.
농업시설의 구조물을 설정한 후 가시화를 하면 사용자 는 온실과 돈사의 지점별 온도, 온도 단면화, 습도, 풍속, 동적 풍향/풍속, 암모니아 환경 조건에 따른 농업시설 내의 환경을 체험할 수 있다. 사용자는 동절기, 하절기 의 환기여부에 따라 공기유동을 가시화하여 체험할 수 있으며, 농업시설내에 지점별 위치에 대한 정량화된 환 경분포를 가시화하여 제공받게 된다. 온도는 지점별 온 도를 상대적 색상으로 온도범위에 따라 자동으로 색상을 설정하여 평균값은 초록색, 높은 온도는 붉은색, 낮은 온도는 파란색 계열로 표현한다. 온도 단면화는 사용자 가 바라보는 곳의 평면 온도를 나타내며, 습도는 높은 습도 파란색, 낮은 습도는 하얀색으로 볼 수 있다. 풍향 과 풍속은 지점별 풍속을 기반으로 벡터값을 추출하여 풍향은 화살표, 풍속은 빠른 곳이 붉은색, 느린 곳은 파 란색으로 표현한다. 동적 풍향 및 풍속은 공기의 흐름을 동적 움직임으로 보여준다. 속도가 빠르면 붉은색 계열 로 느리면 파란색으로 표현한다. 돈사에서 돼지의 생육 환경의 영향을 미치는 암모니아는 농도에 따라 높은 곳 노란색, 낮은 곳은 흰색으로 표현한다.
Fig. 16은 온실의 구조 설정(50m, 3연동, short bed 설 치, 수확기, 환기팬 4.2m높이 설치, 침기없음, 내부순환 팬 미설치, 동절기 주간, 온실커튼 미설치)과 옵션의 환 기설정(측창 0% 개폐, 천창 100% 개폐, 환기팬 0.1AER 가동)을 선택하여 가시화를 실시한 결과이다.
Fig. 17은 돈사의 구조 설정(2009년 표준 돈사, 자돈, 적벽돌 마감, THK 지정패넬 사용, 분이송 피트 1500미 터 설치, 급이기 측벽면 정면배열, 사육밀도 100%, 동 절기) 과 옵션의 환기설정(환기량은 표준돈사 선택 환 기량, 배기방식은 측벽팬 사용, 입기방식은 측벽슬롯 30 도 개방, 칸막이 사용)을 선택하여 가시화를 실시한 결 과이다.
