[농기계 R&D 현주소] 농업 4차 산업혁명-그 길을 농업공학부에서 찾다 -

농업공학부는 유일하게 농업기계 연구개발을 전담하고 있는 국가연구기관으로 1960년대 초반 설립된 이후 지금까지 우리 농기계산업의 견인차 역할을 담당해 오고 있다. 1970년대 주곡자급을 이뤄온 노지용 농업기계부터 농작업 자동화기술, 밭농업기계, 신재생에너지 이용기술 및 시설현대화기술, 수확후 처리기계, 농업시설 내재해기술, 농업인 재해예방 등 눈부신 성과를 이뤄냈다. 최근 4차 산업혁명 시대를 맞아 농업공학부는 최첨단 ICT 융복합기술을 접목한 고부가가치 농업기계 개발에도 빠른 행보를 보이고 있다. 국내 농기계개발의 메카로 자리매김 해온 농업공학부의 성과와 기술개발에 대해 자세히 살펴본다.

‘4차 산업혁명’ 이끌 ‘스마트팜’ R&D 성과

‘미래농업’ 책임질 ‘농기계기반기술’ 확보에 주력

‘2세대 스마트팜’ 핵심기술개발···인공지능기반 작물생육모델 제시

ICT기자재 국가표준화 완성···시설생산자동화·온실생육환경관리도

전북 완주군에 위치하고 있는 농업공학부 전경

국립농업과학원 농업공학부는 농업의 4차 산업혁명시대의 첨단과학기술을 접목시켜 미래농업을 이끌어갈 고부가가치 농업기계 개발을 주도해 오고 있다. 농업과학기술의 혁신은 인류의 지속가능한 발전을 위해 꼭 필요한 기술이다. 그 첨병에 서 있는 농업공학부는 지난해 많은 분야에서 성과를 거두고 있다. 스마트팜 기반기술의 확충 및 인공지능을 접목한 작물생육모델 개발, 스마트팜 ICT기자재 규격화에 필요한 국가표준제정, 농업생산자동화에 필요한 요소기술개발 및 생육환경관리기술 실용화, 밭작물기계 고도화를 위한 정밀기계개발, 농업에너지절감을 위한 최적모델연구, 농식품 가공기술의 시스템화, 농기계 안전이용기술의 체계화, 농업인 안전재해예방 국가관리체계 구축 등 농업기계분야는 물론 4차 산업혁명시대의 융복합기술 접목을 위한 다양한 연구개발을 수행하고 있다.

딥러닝(Deep learning)을 기반으로 스마트온실 원격시연

◇ 스마트팜 기반기술 및 인공지능

농업분야 4차 산업혁명의 핵심인 스마트팜 기술확립을 위한 단계별 개발전략을 착실하게 수행해오고 있다. 지난해까지는 1세대 스마트팜(편이성제고)을 완성했고, 2세대 스마트팜(생산성향상)의 핵심기술을 개발했다. 2세대 한국형 스마트팜 기술개발은 우리나라 농업여건에 적합한 한국형 스마트팜 세대별 모델정립, 핵심기술 국산화, 빅데이터 분석 등에 대한 R&D를 수행하고 있으며, 농식품부의 ICT(정보통신기술) 융복합 확산정책과 연계해 보급을 추진하고 있다.

기상청 데이터와 빅데이터 팀의 작물생육 모델을 기반으로 작물재배 관련 주 단위 분석이 가능한 빅데이터 플랫폼(Apache Hadoop/Spark)을 구축했다. 분석결과를 스마트팜 적용농가에 서비스제공이 가능한 시각화 시스템을 온실 내·외부의 통합 모니터링, 농민의 목소리로 환경을 제어하는 팜보이스 등 11종의 환경제어장치도 개발했다. 온실환경 및 생육정보 빅데이터를 수집할 수 있는 데이터베이스와 추론모델 개발, 분석이 가능한 인공지능 엔진을 탑재한 클라우드 서비스 플랫폼을 구축했다.

딥러닝(deep learning) 기반 토마토 생육정보 측정시스템을 KIST(한국과학기술원)와 공동으로 연구해 온실환경에 반응하는 식물체의 생장변화, 꽃, 열매 등 생육정보 계량화하는 기술을 개발했고, 현재 인식정확도는 꽃, 열매 90%, 생장점 길이, 줄기 굵기 70% 수준이다. 토마토 병해충 진단분석 웹 서비스는 전북대학교와 공동으로 개발했다. 병반형태, 잎/줄기 색과 모양변화, 열매변형 등 영상정보를 인공신경망으로 학습해 병해 5종 충해 2종에 대해 진단 가능하며, 농촌진흥청 ‘농사로’ 서비스와 연계해 해당 증상에 대한 정보를 제공 받을 수 있다. 개발된 2세대 한국형 스마트팜 기술시연회를 정책부서, 연구기관, 농업인, 언론 등이 참석한 가운데 지난해 11월 15일 개최하고 관계자 의견을 교환하는 자리를 통해 향후 고도화 방안수립에 활용하고 있다.

◇ ICT기자재 국가표준제정

스마트팜 ICT 기자재 표준화는 한국형 스마트팜 확대보급에 따라 농업인의 유지보수 및 확장 편이성을 높이기 위한 ICT 기자재의 호환성 확보가 현장에서 요구됐고, 관련 산업체에서는 향후 수출대비 규격화에 대한 필요성이 요구되어 스마트팜 부품 및 기자재에 대한 단체표준과 국가표준제정 연구를 추진했다.

스마트팜 ICT 핵심부품의 단체표준 대상 발굴과 공동규격 설정을 위해 단체표준에 대한 이해관계 대립 및 갈등을 스마트팜 ICT융합 산업화 포럼구성 및 활동을 통해 자율적 조율 및 기술적 난제 등에 대한 협의안을 도출했다.

2015년과 2016년 2년 동안 제정된 스마트온실 센서 및 구동기 단체표준을 보완하고 고도화했으며, 국립전파연구원 주관 국가표준 전문위원회 심의 및 고시를 통과해 스마트온실 센서 인터페이스 13종, 환경제어 구동기 9종에 대해 국가표준을 제정했다.

축산사양관리 기자재 단체표준 제정을 위해 지난해 2월 이해관계자 포럼과 지난해 3월 공청회를 개최해 송아지 자동포유기, 돼지 무게선별기, 가금 음수관리기 등을 선발하고 단체표준 공동규격(안)을 작성했다. 표준 및 축산 전문가로 구성된 단체표준 심의회 승인과 지난해 9~10월 고시기간을 거쳐 농업기술실용화재단 단체표준으로 소 9종(송아지 자동포유기 등), 돼지 8종(자동급이기 등), 닭 8종(음용수 관리기 등) 총 25종(공통규격 3종: 일반규격, 센서 연결방식, 통신방식)이 제정됐다.

◇ 생산자동화 및 생육환경관리

농업생산자동화 및 에너지절감 및 안전증진에도 연구의 완성도를 높였다. 작목별 스마트팜 시스템 모델개발 및 실증연구는 인공광 스마트온실에서 방풍을 수경재배 할 수 있는 기술을 개발했다. 환경조건으로는 양액의 EC(전기전도도) 1.5, pH(산도) 5.8∼6.0으로 조절하고, 광원은 형광등을 사용했으며, 광 조사시간은 12시간으로 설정했다. 광 강도 작물생육 위치에서 100∼150μmol/㎡·s로 했으며, 온도와 상대습도는 각각 21∼23℃, 50∼60%로 유지되도록 했다.

플러그묘의 이식작업 시 잎 손상을 줄이면서 기계적응성을 향상 시킬 수 있는 진공흡인식 이식시스템을 개발해 72.2%의 노동력절감 및 약 500만원(10a/년)의 농가소득이 증대되는 것으로 나타났다.

느타리버섯 정밀재배를 위한 최적 생육모델 개발을 위해 배지 입상직후부터 수확기까지의 생육단계별 온도, 습도, CO2, 조도 등에 대한 데이터베이스를 구축했으며, 느타리버섯 원격 생육환경관리 및 제어 스마트팜 모델 3종을 개발했다. 데이터베이스에 의한 내부 환경관리로 외부 환경변화와 관계없이 항상 같은 조건의 환경유지가 가능해 버섯생산성 및 품질이 향상됐다. 다단 균상버섯재배사내 온도 및 습도를 균상 위치에 따라 약 1.5℃ 이내로 정밀관리해 버섯의 균일한 성장이 가능할 수 있었다. 이를 이용해 귀농·귀촌인, 초보농업인도 ICT 융합 스마트버섯재배사의 활용을 통해 버섯의 안정적 재배 및 소득증대가 가능하도록 올해 농가실증을 추진할 계획이다.

스마트버섯재배사 내부모습

◇ 밭작물기계 고도화기술 확대

밭농업기계 고도화 기술개발을 위해 밭작물용 3륜형 승용관리기 및 부착작업기를 개발했다. 다양한 밭작물 재배관리에 적합하도록 최저 지상고가 높고, 차륜 폭을 조절할 수 있으며, 관리기 하부에 작업기를 장착할 수 있도록 작업편이성을 향상시켰다. 또한 파종기, 중경제초기, 중경배토기, 순지르기 작업기를 개발해 재배관리 작업노력을 70% 절감했다.

트랙터에 작업기 부착작업의 어려움을 해결하고자 작업기 탈부착 보조장치를 개발했다. 개발된 보조장치는 트랙터 부착부와 작업기 부착부로 구성되는 삼각슬라이드방식이며, 이 보조장치를 사용하면 트랙터에 작업기를 쉽게 탈부착 할 수 있어 고령농업인이나 여성농업인들도 쉽게 사용할 수 있도록 고안됐다.

논에 콩 재배를 확대하고 기계화촉진을 위해 경운정지에서 수확까지 논 콩 생산 전과정기계화 작업체계를 확립했다. 논에서의 콩 생산 전과정을 기계화 할 경우 노력 83%, 생산비 81%를 절감할 수 있다. 이번에 개발한 기계는 파종기, 이식기, 수확기 등이다.

인삼 등 고가의 농작물 도난방지를 위해 야생동물 침입과 사람의 절도를 구별해 야생동물이 침입하는 경우에는 농장주에게 통보하고, 절도로 판단되는 경우에는 경찰청에 통보할 수 있는 기능을 갖는 농작물 도난방지장치를 개발했다.

밭농업용 3륜 승용관리기

◇ 농업에너지 절감기술 최적화

기후변화 대응 농업에너지 절감방안으로 에너지절감 신개발기술 2종을 개발해 지난해 현장평가회를 개최하고 농가보급 확대방안을 마련하고 있다. 지하수층을 열저장소로 활용, 계절간 과잉열에너지를 축열후 이용하는 계절간 축열 온실냉난방시스템은 현장연시회 및 농식품부 브리핑을 통해 소개됐다. 이 기술은 겨울철 냉수, 여름철 온수를 지하 충적대수층에 저장 후 온실냉난방에 사용하는 기술로 지하수층 축열(냉)로 물 온도를 15±(5∼7)℃로 유지할 수 있다. 관행 수직밀폐형 지열시스템 대비 성능 20% 향상, 설치비 33% 절감할 수 있다.

팬의 방향을 자동 변경할 수 있는 풍향가변형 공기순환팬을 개발했다. 하절기 온실온도를 최대 6.4℃ 강하(44℃→37.6℃, 외기온 37℃시)할 수 있으며, 동절기에는 온습도를 균일화(온실 상하부 온습도차 1.0℃, 3.0% 이내)하고 일반온실 대비 단동 14.2%, 연동 5.0∼8.8%의 난방에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다.

시설원예단지의 친환경적 조성방안을 모색하고자 CFD를 활용한 단지배치 효과를 분석한 결과 2.7∼4.2℃ 온도하강 효과가 있었다. 시설원예단지의 투시조감도(4지역 16안)를 제작하고 이미지를 평가해 경관 개선방안을 마련했다. 또한 수자원 함양, 지표수 저장, 서식처 등 12개 기능에 대해 환경부하를 저감할 수 있는 시설원예단지의 친환경 조성방향을 도출해 새만금 지역 등 친환경적 대규모 시설단지 조성시 기초자료로 활용토록 자료를 제공하고 있다.

논 콩전용 파종기

◇ 농식품 가공기술의 시스템화

농식품 유통·가공시스템 개발은 쌀가루 산업화로 쌀 소비확대를 위한 쌀가루 제조 및 이용기술연구, 농산물 품질향상 및 유지기간 연장기술로 수출지원, IT 기술을 접목한 안정적 CA저장기술 등을 연구개발했다.

건식 쌀가루의 산업화를 통해 쌀 소비확대를 도모하기 위해 쌀을 물에 불리지 않고 바로 가루로 만들 수 있는 건식 쌀가루 분쇄장치를 개발했다. 쌀가루 분쇄량에 따라 선택할 수 있도록 분쇄 처리능력은 60kg/시간, 100kg/시간, 200kg/시간 3가지 모델을 개발했으며, 분쇄비용은 225원/kg(시간당 200kg 기준)으로 기존 습식분쇄기의 500∼700원/kg보다 1/3수준으로 낮췄다.

저장중인 농산물의 안정적인 저장을 위해 사물인터넷과 클라우드 컴퓨팅 기술을 이용해 CA저장고 품질예측시스템을 개발했다. 이 시스템은 CA저장고를 네트워크로 연결해 생산업체, 농업인, 관련기관 등에서 원격으로 작동하고 수리를 할 수 있어 유지·관리비용을 관행대비 45% 절감할 수 있다.

수출용 딸기의 신선도 유지기간을 연장하기 위해 팔레트 단위로 MA포장기술을 개발했다. 이 기술은 유통 중 딸기를 품질변화 없도록 기체를 조성해 결로를 억제한다. 폴리아미드 필름과 선형저밀도폴리에틸렌 필름을 사용해 팔레트 단위로 MA 포장하는 방식으로 봄철 딸기의 경도를 30% 이상 높게 유지하였고, 신선도 기간도 8일에서 11일로 늘어났다. 2018년 4월에는 인도네시아 딸기수출에 적용해 그 효과성을 검증한바 있다.

딸기의 색상 및 형상을 측정해 수출에 적합한 숙도와 외관품질이 우수한 딸기를 자동으로 선별할 수 있는 딸기 형상선별기를 개발했다. 선별방법은 칼라 디지털 카메라를 이용 착색도 계측 및 기형과 선별하는 것이다. 머신 러닝(machine learning) 알고리즘을 개발해 수출 시기별 숙도 차별화를 할 수 있도록 했다. 이 선별기를 사용하면 시간당 1만800개 딸기의 자동선별이 가능해 관행작업 대비 작업인원을 절반으로 줄일 수 있다.

트랙터작업기 탈부착장치

◇ 농기계 안전이용기술의 진화

농업 생산기반시설 및 농기계의 안전이용기술과 관련해 노지 오이 자동관개시스템, 암거천공기, 과수 내재해 시설, 경운기 안전교육용 시뮬레이터 및 트랙터 안전성향상을 위한 시험방법을 개발하고, 농업기계화 기초통계자료를 생산했다.

노지 오이재배용 스마트 자동관개시스템은 토양수분을 기반으로 생육시기별 자동 관개·관비가 가능하도록 개발됐다. 현장시험 결과 관행재배 대비 수확량 19.1%, 농가소득 23.4%가 증가됐고, 농업용수는 10.0% 절약됐다. 또한 논 토양의 물 빠짐을 쉽게 할 수 있는 트랙터 견인식 암거 천공기를 개발했다. 논에 콩을 재배해 시험한 결과 무처리구에 비해 강우 후 토양수분은 3.2∼4.5배 빠르게 감소됐으며, 콩 수확량은 54% 증가됐다.

과수시설 재해예방을 위해 배 무봉지 재배를 위한 내재해 방충망 시설을 개발했다. 방충망은 해충크기, 온·습도, 일사량 등을 고려해 4㎜×4㎜로 선정하고 구조안전성을 검토해 설계도와 시방서를 마련했다. 또한 대추·복숭아 재배용 내재해 비가림하우스(개량형 간이 비가림하우스, 우산형 비가림하우스, 연동형 비가림하우스) 3종을 개발했다. 개발된 내재해 시설들은 ‘원예특작시설 내재해 규격’ 고시에 반영할 계획이다.

농업기계 안전이용기술 향상을 위해 개발한 경운기 안전교육 시뮬레이터는 혼합현실 기술을 구현했다. 즉 실제 경운기 운전조작 장치와 조작하는 손의 움직임을 3D 이미지화하고 가상현실과 결합해 운전자가 착용하고 있는 VR(HMD) 기기에 출력되도록 했으며, 2019년부터 구입을 원하는 농업인 교육기관에 공급할 계획이다. 또한 기 개발한 트랙터 선회반경과 중심위치 시험방법이 OECD와 ISO 국제표준으로 채택돼 우리나라 농업기계 시험기술의 우수성을 입증했으며, 세계각국에서 표준 시험방법으로 활용됨으로써 국가위상제고에 크게 기여하고 있다.

농업기계화 정책, 연구개발 등의 기초자료로 활용하기 위해 벼 및 8개 밭작물의 기계화율 통계를 생산하고 있다. 벼농사는 기계화율이 98.4%로 대부분 기계화가 진행됐으며, 밭농사 기계화율은 60.2%로 미흡하지만 2년 전보다 1.9%p 상승했다. 밭농사 기계화율이 미흡한 원인은 파종·정식(9.5%), 수확(26.8%) 작업의 기계화가 저조한 영향이라고 볼 수 있다.

건식 쌀가루 분쇄기

트랙터 견인식 암거천공기

◇ 농업인 안전재해예방 국가관리체계 구축

농업인 안전복지 및 안전재해 예방연구는 농업인의 업무상재해 국가통계 생산을 위해 전국 1만20개 표본농가를 대상으로 ‘2018 농업인 업무상 질병조사’를 실시했으며, 국가통계포털(KOSIS) 및 농업인건강안전정보센터(farmer.rda.go.kr)를 통해 대국민 서비스 중이다.

국가기술자격증 ‘농작업안전보건기사’ 시험시행 지원을 위해 농작업 안전보건관리 기본서 등 다양한 농작업 안전보건지침 교육자료를 발간했다. 농진청-농협과의 MOU 후속으로 총 30개 마을 907명의 농업인을 대상으로 안전교육 및 캠페인(1317개 농기계 안전반사판 부착 등)을 수행해 교육만족도 98%의 효과를 확인했다. ICT 활용 농작업 편이장비 및 개인보호구를 개발(특허출원 2건)했고, 기술이전, 프로그램 등록 등 실용화를 촉진했다.

올해에는 농업인 업무상 손상조사, 농업인 안전재해 기본계획 등 정책지원 연구를 통해 근로자 수준의 농업인 안전보건 국가관리체계 구축에 기여한다는 계획이다. 또한 농작업자의 미세먼지 노출과 건강영향 분석, 농산물가공사업장 안전관리, ICT 활용 농작업 편이장비 개발연구를 진행하고 있다.

경운기 시뮬레이터

농업공학부는 이외에도 매년 다양한 종류의 기계와 기술개발을 위해 매진하고 있다. 이 중에는 현장에서 필요로 하는 기술뿐만 아니라 지금은 사용하지 않지만 미래에는 꼭 필요할 기술들도 있다. 앞으로도 농업인에게는 편의를, 국민에게는 안전농산물을 생산할 수 있는 기술을, 그리고 농업의 현재를 이끌고 농업의 미래를 열어나갈 기술들을 연구개발하고 지속적으로 추진해 나갈 방침이다.

정상진  jsj1234@alnews.co.kr

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